Кристаллическая структура предвыделений в состаренных ГЦК-кобальтовых сплавах, совместно легированных титаном, танталом и рением

Синтезированы 4 сплава четырехкомпонентной системы Co–Ti–Ta–Re в области существования ГЦК-кобальтового твердого раствора. Сплавы подвергали двухстадийной термической обработке: гомогенизация при T = 1375 К в течение 100 ч и последующее за ней старение при T = 1200 К продолжительностью 24 ч. После каждой из стадий термообработки сплавы изучали методами сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), электронно-зондового микроанализа (ЭЗМА), рентгенофазового анализа (РФА), просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) и дифракции электронов. Исследование всех образцов показало, что после гомогенизирующего отжига при T = 1375 К и быстрой закалки образцов в воде, сопровождавшейся разрушением кварцевой ампулы (средняя скорость охлаждения ~10000 К/мин), зоны Гинье–Престона в их составе отсутствовали, – это связано с тем, что при выбранных составах ГЦК-кобальт является ненасыщенным по отношению и к танталу, и к титану. Обнаруженные наноразмерные частицы фазы γ′-Co₃(Ti,Ta) имеют увеличенные параметры элементарной ячейки. Это может свидетельствовать о высоком содержании в них рения, что поднимает вопросы о роли рения в формировании этих частиц. Также было установлено, что для некоторых составов характерно образование зародышей фаз Лавеса уже на начальных этапах распада ГЦК-кобальтового твердого раствора. Было обнаружено, что еще одним фактором, влияющим на выбор оптимального состава сплава, предназначенного для дисперсионного твердения, является наличие концентрационных областей, для которых характерен эвтектоидный распад при температурах старения. Таким образом, можно сделать вывод, что перспективной для разработки новых жаропрочных кобальтовых сплавов на основе четырехкомпонентной системы Co–Ti–Ta–Re является двухфазная область (γ_Co + γ′-Co₃(Ti,Ta)), тогда как при работе в области с меньшим содержанием титана слишком малое содержание дисперсных частиц, риск образования фаз Лавеса и эвтектоидные участки препятствуют достижению заданных свойств.

1. Reed R.C. The superalloys: fundamentals and applications. Cambridge University Press, 2006. 372 p.

2. Zenk C.H., Povstugar I., Li R., Rinaldi F., Neumeier S., Raabe D., Göken M. A novel type of Co—Ti—Cr-base γ/γ′ superalloys with low mass density. Acta Materialia. 2017;135:244—251. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2017.06.024

3. Pollock T.M. Alloy design for aircraft engines. Nature Materials. 2016;15:809—815. https://doi.org/10.1038/nmat4709

4. Neumeier S., Rehman H.U., Neuner J., Zenk C.H., Michel S., Schuwalow S., Rogal J., Drautz R., Göken M. Diffusion of solutes in fcc Cobalt investigated by diffusion couples and first principles kinetic Monte Carlo. Acta Materialia. 2016;106:304—312. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2016.01.028

5. Li L., Wang C., Chen Y., Yang S., Yang M., Zhang J., Lu Y., Han J., Liu X. Effect of Re on microstructure and mechanical properties of γ/γ′ Co-Ti-based superalloys. Intermetallics. 2019;115:106612. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2019.106612

6. Fedorayev I.I., Kerimov E.Yu., Leonov A.V., Philippova S.E., Maksimov S.V., Kalmykov K.B., Slyusarenko E.M. Influence of rhenium on the hardness, structure and phase composition of the cobalt-niobium and cobalt-tantalum alloys. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. 2024;121:106630. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2024.106630

7. Fedorayev I.I., Chernichenko N.M., Knotko A.V., Maksimov S.V., Leonov A.V., Dmitrieva N.E., Kazakova E.F. Evolution of Co3(Ti,Ta) nanoprecipitates obtained by decomposition of a supersaturated fcc-cobalt solid solution in the presence of rhenium. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. 2025;132:107241. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2025.107241

8. Miura S., Ohkubo K., Mohri T. Mechanical properties of Co-based L12 intermetallic compound Co3(Al,W). Materials Transactions. 2007; 48(9):2403—2408. https://doi.org/10.2320/matertrans.MAW200734

9. Suzuki A., Pollock T.M. High-temperature strength and deformation of γ/γ′ two-phase Co—Al—W-base alloys. Acta Materialia. 2008;56(6):1288—1297. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2007.11.014

10. Wang L., Oehring M., Li Y., Song L., Liu Y., Stark A., Lorenz U., Pyczak F. Microstructure, phase stability and element partitioning of γ-γ′ Co—9Al—9W—2X alloys in different annealing conditions. Journal of Alloys and Compounds. 2019;787:594—605. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.01.289

11. Zhao C.C., Yang S.Y., Liu X.J., Wang C.P. Experimental determination of the phase equilibria in the Co—Cr— Ta ternary system. Journal of Alloys and Compounds. 2014;608:118—125. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2014.04.029

12. Федораев И.И., Бахратов Л.И., Дмитриева Н.Е. Восстановление окисленной поверхности кобальт-рениевых сплавов хромом из газовой фазы. Вестник Московского университета. Серия 2. Химия. 2025; 66(1):60—66. https://doi.org/10.55959/MSU0579-9384-2-2025-66-1-61-67

13. Ruan J.J., Wang C.P., Zhao C.C., Yang S.Y., Yang T., Liu X.J. Experimental investigation of phase equilibria and microstructure in the Co—Ti—V ternary system. Intermetallics. 2014;49:121—131. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2014.01.011

14. Slater atomic-ionic radius. The elements handbook. KnowledgeDoor. 2026. URL: https://www.knowledgedoor.com/2/elements_handbook/slater_atomicionic_radius.html (accesed on 26.01.2026).

15. Li L.L., Wang C.P., Yang S.Y., Han J.J., Lu Y., Zhang J.B., Liu X.J. Phase equilibria in Co—Ti—Re ternary system. Rare Metals. 2023;42:2736—2746. https://doi.org/10.1007/s12598-023-02266-4

16. Xu H., Xiong X., Du Y., Wang P., Hu B., He Y. Phase equilibria of the Co—Ta—Ti system at 950 °C. Journal of Alloys and Compounds. 2009;485(1-2):249—254. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2009.06.037

17. Jiang M., Saren G., Yang S., Li H., Hao S. Phase equilibria in Co-rich region of Co—Ti—Ta system. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2011;21(11):2391— 2395. https://doi.org/10.1016/S1003-6326(11)61025-X

18. Fedorayev I.I., Kerimov E.Yu., Sulyanov S.N., Leonov A.V., Slyusarenko E.M. Isothermal sections of the Co—Re—Ta phase diagram at 1200 and 1375 K. Calphad. 2019;65:244—259. https://doi.org/10.1016/j.calphad.2019.03.007

19. Квартальнов Д.В., Максимов С.В., Дмитриева Н.Е., Федораев И.И. Фазовые равновесия в четырехкомпонентной системе Co—Ti—Ta—Re с участием ГЦК-кобальтового твердого раствора. В сб.: Термодинамика и материаловедение: Тезисы докладов XVI симпозиума с международным участием (Санкт-Петербург, 30 июня — 4 июля 2025 г.). СПб.: ЛЭТИ, 2025. С. 62—62.

20. Karpstein N., Laplanche G., Saksena A., Zehl R., Bezold A., Horst O.M., Bürger D., Kostka A., Zenk C.H., Neumeier S., Gault B., Ludwig A., Fries S.G., Spiecker E. Microscopic mechanism of the L12—D019 phase transformation in a Co-base single crystal superalloy. Acta Materialia. 2025;282:120416. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.120416

21. Carvalho P.A., Bronsveld P.M., Kooi B.J., De Hosson J.T.M. On the fcc→D019 transformation in Co—W alloys. Acta Materialia. 2002;50(18):4511—4526. https://doi.org/10.1016/S1359-6454(02)00269-0

22. STOE WinXpow, Program package for the operation of powder diffractometers and analysis of powder diffractograms, Version 2.20, 2024.

23. Verma S.K., Pramanik A., Jyothsna K., Vamsi K.V., Karthikeyan S. Phase transformation temperatures, γ–γ′ lattice parameter misfit, and γ′ precipitate morphology in Co—Ti—V alloys. Metallurgical and Materials Transactions A. 2022;53(11):4011—4022. https://doi.org/10.1007/s11661-022-06806-y

24. Firstov S.A., Gorban’ V.F., Krapivka N.A., Karpets M.V., Pechkovskii E.P. Effect of electron density on phase composition of high-entropy equiatomic alloys. Powder Metallurgy and Metal Ceramics. 2016;54(9):607—613. https://doi.org/10.1007/s11106-016-9754-7

25. Hammerschmidt T., Ladines A.N., Koßmann J., Drautz R. Crystal-structure analysis with moments of the densityof-states: application to intermetallic topologically closepacked phases. Crystals. 2016;6(2):18. https://doi.org/10.3390/cryst6020018

26. Шеин Е.А. Тенденции в области легирования и микролегирования жаропрочных монокристаллических сплавов на основе никеля (обзор). Труды ВИАМ. 2016;39(3):8—20. https://doi.org/10.18577/2307-6046-2016-0-3-2-2