Особенности структуры и свойства жаропрочных никелевых β-сплавов, полученных методом центробежного СВС-литья

По технологии центробежной СВС-металлургии при разных технологических режимах и дополнительных металлургических переделах (вакуумный индукционный переплав и вакуумный дуговой переплав) получен сплав: base–2,5Mo–1,5Re–1,5Ta–0,2Ti. Исследовано влияние режимов на содержание неметаллический включений и примесей, особенности структуры, механические свойства при сжатии, кинетику и механизм окисления при температуре 1150 °C в течение 30 ч. С ростом центробежного ускорения доля неметаллических включений (балльность) снижается с 5 до 1–2 ед. Наилучшее сочетание свойств по соотношению прочности, предела текучести и остаточной деформации имеет сплав, полученный в условиях перегрузки g = 50: σ_в = 1640 ± 20 МПа, σ_0,2 = 1518 ± 10 МПа. При значениях перегрузки g = 20÷300 состав продуктов синтеза соответствует расчетным значениям. Суммарное содержание примесей составляет 0,15 ± 0,02 %, что находится в области допустимых значений. С увеличением центробежной силы уменьшается содержание газовых примесей: кислорода – до 0,018 %, азота – до 0,0011 %. Структура сплавов характеризуется образованием в матрице глобулярных и строчечных включений твердого раствора на основе Cr. В межзеренном пространстве присутствуют включения (Cr)_Ni,Mo,Co, (Cr)_Mo,Re и (Cr)_Re,Mo толщиной 2–8 мкм. На границах зерен образуется фаза Ni(Al,Ti), обеспечивающая рост сопротивления пластической деформации и повышение прочности сплава. Механизм окисления сплавов, полученных по разным режимам, отличается. Существенное влияние на кинетику окисления оказывает размерный фактор структурных составляющих. Прирост массы СВС-образцов составляет 70 ± 10 г/м². Процесс окисления происходит по межфазным границам NiAl в глубь образца. C помощью просвечивающей электронной микроскопии идентифицированы фазы, содержащие микродобавки Ti, которые снижают содержание в интерметаллидной фазе растворенных азота и кислорода до значения Σ_O,N = 0,0223 мас.%.

1. Ying Wang, Hong-bo Guo, Hui Peng, Li-quan Peng, Sheng-kai Gong. Diffusion barrier behaviors of (Ru,Ni) Al/NiAl coatings on Ni-based superalloy substrate. Intermetallics. 2011;19(2):191—195. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2010.08.016

2. Dongjun Wang, Ying Liang, Hanwei Ning, Bao Wang. Effects of Zr and Co on the microstructure and mechanical properties of NiAl-based alloys. Journal of Alloys and Compounds. 2021;883:160815. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.160815

3. Sui X., Lu J., Wei D., Zhang L., Wang R., Zhao W., Zhang W. Unveiling the influence of TiN on the microstructure and high-temperature oxidation behavior of Ti—Al—Cr composite coating. Corrosion Science. 2022;206:110539. https://doi.org/10.1016/j.corsci.2022.110539

4. Shang Z., Shen J., Wang L., Du Y., Xiong Y., Fu H. Investigations on the microstructure and room temperature fracture toughness of directionally solidified NiAl—Cr(Mo) eutectic alloy. Intermetallics. 2015;57:25—33. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2014.09.012

5. Hu L., Zhang G., Hu W., Gottstein G., Bogner S., Bührig-Polaczek A. Tensile creep of directionally solidified NiAl—9Mo in situ composites. Acta Materialia. 2013;61(19):7155—7165. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2013.08.017

6. Grabke H.J. Oxidation of NiAl and FeAl. Intermetallics. 1999;7(10):1153—1158. https://doi.org/10.1016/S0966-9795(99)00037-0

7. Kovalev A., Wainstein D., Rashkovskiy A. Influence of Al grain boundaries segregations and La-doping on embrittlement of intermetallic NiAl. Applied Surface Science. 2015;354:323-327. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2015.06.110

8. Kaplansckii Yu.Yu., Levashov E.A., Korotitskiy A.V., Loginov P.A., Sentyurina Zh.A., Mazalov A.B. Influence of aging and HIP treatment on the structure and properties of NiAl-based turbine blades manufactured by laser powder bed fusion. Additive Manufacturing. 2020;31:100999 https://doi.org/10.1016/j.addma.2019.100999

9. Levashov E.A., Mukasyan A.S., Rogachev A.S., Shtansky D.V. Self-propagating high-temperature synthesis of advanced materials and coatings. International Materials Reviews. 2017; 62(4): 203—239. https://doi.org/10.1080/09506608.2016.1243291

10. Kurbatkina V.V. Nickel aluminides. In: Concise encyclopedia of self-propagating high-temperature synthesis. Elsevier, 2017. P. 212—213. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-804173-4.00099-5

11. Sanin V.V., Kaplansky Y.Y., Aheiev M.I., Levashov E.A., Petrzhik M.I., Bychkova M.Ya., Samokhin A.V., Fadeev A.A., Sanin V.N. Structure and properties of heatresistant alloys NiAl—Cr—Co—X (X = La, Mo, Zr, Ta, Re) and fabrication of powders for additive manufacturing. Materials. 2021;14(12):3144. https://doi.org/10.3390/ma14123144

12. Zaitsev A.A., Sentyurina Zh.A., Levashov E.A., Pogozhev Yu.S., Sanin V.N., Loginov P.A., Petrzhik M.I. Structure and properties of NiAl—Cr(Co,Hf) alloys prepared by centrifugal SHS casting. Part 1 — Room temperature investigations. Materials Science and Engineering: A. 2017;690:463—472. https://doi.org/10.1016/j.msea.2016.09.075

13. Klumpes R., Maree C.H.M., Schramm E., de Wit J.H.W. The influence of chromium on the oxidation of β-NiAl at 1000 °C. Materials and Corrosion. 1996;47(11):619—624. https://doi.org/10.1002/maco.19960471105

14. Bo Li, Fei Liu, Cong Li, Yimin Gao, Congmin Fon, Xiaohu Hou. Effect of Cr element on the microstructure and oxidation resistance of novel NiAl-based high temperature lubricating composites. Corrosion Science. 2021;188:109554. https://doi.org/10.1016/j.corsci.2021.109554

15. Gao W., Li Z., Wu Z., Li S., He Y. Oxidation behavior of Ni3Al and FeAl intermetallics under low oxygen partial pressures. Intermetallics. 2002;10(3):263—270. https://doi.org/10.1016/S0966-9795(01)00132-7

16. Zaitsev A.A., Sentyurina Zh.A., Levashov E.A., Pogozhev Yu.S., Sanin V.N., Sidorenko D.A. Structure and properties of NiAl—Cr(Co,Hf) alloys prepared by centrifugal SHS casting followed by vacuum induction remelting. Part 2 — Evolution of the structure and mechanical behavior at high temperature. Materials Science and Engineering: A. 2017;690:473—481. http://doi.org/10.1016/j.msea.2017.02.089

17. Kaplanskii Yu.Yu., Zaitsev A.A., Levashov E.A., Pogozhev Yu.S., Loginov P.A., Sentyurina Zh.A., Logacheva A.I. The structure and properties of pre-alloyed NiAl— Cr(Co,Hf) spherical powders produced by plasma rotating electrode processing for additive manufacturing. Journal of Materials Research and Technology. 2018;7(4):461—468. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2018.01.003

18. Агеев М.И., Санин В.В., Швындина Н.В., Капланский Ю.Ю., Левашов Е.А. Кинетика и механизм окисления никелевых сплавов. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2022;(3):4—23.

19. Sanin V.V., Aheiev M.I., Kaplanskii Yu.Yu., Loginov P.A., Bychkova M.Ya., Levashov E.A. The effect of dopants on structure formation and properties of cast SHS alloys based on nickel monoaluminide. Materials. 2023;16(9):3299. https://doi.org/10.3390/ma16093299

20. Логунов А.В. Жаропрочные никелевые сплавы для лопаток и дисков газовых турбин. М.: Газотурбинные технологии, 2017. 854 с.

21. Zhang W.L., Li S.M., Fu L.B., Li W., Sun J., Wang T.G., Jiang S.M., Gong J., Sun C. Preparation and cyclic oxidation resistance of Hf-doped NiAl coating. Corrosion Science. 2022;195:110014. https://doi.org/10.1016/j.corsci.2021.110014

22. Dingding Zhu, Xinli Wang, Peng Jia, Canying Cai, Jianyu Huang, Guangwen Zhou. One-dimensional γ-Al2O3 growth from the oxidation of NiAl. Corrosion Science. 2023;216:111069. https://doi.org/10.1016/j.corsci.2023.111069