Повышение прочности и пластичности многокомпонентных никелевых сплавов за счет оптимального легирования железом

Методами самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, измельчения пористых спеков, воздушной классификации целевой фракции, горячего изостатического прессования порошка-прекурсора и вакуумной термической обработки получены экспериментальные образцы дисперсионно-твердеющего никелевого сплава base+10Fe–0,3Hf–0,3Zr– 0,25Ta, сочетающего высокие значения показателей пластичности и прочности при температурах 20 и 800 °C (σ_в = 1592 МПа, ε = 6,5 % при t = 20 °C; σ_в = 623 МПа, ε = 32 % при t = 800 °C) за счет упрочнения матричной фазы когерентными высокодисперсными выделениями α-(Fe, Cr) фазы и наночастицами интерметаллидной топологически плотноупакованной σ-фазы. Методом in situ исследования с использованием просвечивающей электронной микроскопии твердорастворных превращений при нагреве ламели непосредственно в колонне микроскопа установлена оптимальная температура вакуумной термической обработки – t = 900 °C, при которой из первичных частиц α-(Fe, Cr) образуются высокодисперсные вторичные выделения (Fe, Cr) размером 10–80 нм и интерметаллидные частицы σ-фазы размером 100–250 нм. Легирование цирконием и железом сохраняет высокий уровень стойкости к высокотемпературному окислению при t = 1000 °C за счет формирования плотного защитного слоя Al₂O₃ с включениями комплексного оксида (Hf, Zr)O₂. Окисление протекает по логарифмическому закону и практически полностью останавливается после 25 ч термоциклирования. Диффузия кислорода от поверхности образца в глубину металла проходит по границам зерен через конгломераты оксидов (Hf, Zr)O₂. Уровень жаростойкости сплавов, несмотря на относительно высокую долю железа, составляет 12,24 г/м² для base+5Fe–0,3Hf–0,3Zr–0,25Ta и 14,23 г/м² для base+10Fe–0,3Hf–0,3Zr-0,25Ta.

1. Wang L., Su Y., Yao C., Huang Y., Shen J., Zhang Y., Liu G., Zhao P., Zhang G. Microstructure and mechanical property of novel NiAl-based hypoeutectic/ eutectic/hypereutectic high-entropy alloy. Intermetallics. 2022;143:107476. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2022.107476

2. Deevi S.C., Sikka V.K., Liu C.T. Processing, properties, and applications of nickel and iron aluminides. Progress in Materials Science. 1997; 42(1—4):177—192. https://doi.org/10.1016/S0079-6425(97)00014-5

3. Wang L., Shen J., Zhang Y., Fu H. Microstructure, fracture toughness and compressive property of as-cast and directionally solidified NiAl-based eutectic composite. Materials Science and Engineering: A. 2016;664:188—194. https://doi.org/10.1016/j.msea.2016.04.001

4. Yang J., Ye X., Xia D., Feng J., Diao Z., Zhao G., Fang D., Li B., Kang H. Effect of Fe and Mo content on the microstructure and mechanical properties of NiAl-based multi-principal element alloys. Journal of Materials Engineering and Performance. 2025;34:22624—22633. https://doi.org/10.1007/s11665-025-10795-5

5. Lasalmonie A. Intermetallics: Why is it so difficult to introduce them in gas turbine engines? Intermetallics. 2006;14(10—11):1123—1129. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2006.01.064

6. Stoloff N.S., Liu C.T., Deevi S.C. Emerging applications of intermetallics. Intermetallics. 2000;8(9—11):1313— 1320. https://doi.org/10.1016/S0966-9795(00)00077-7

7. Darolia R. Ductility and fracture toughness issues related to implementation of NiAl for gas turbine applications. Intermetallics. 2000;8(9—11):1321—1327. https://doi.org/10.1016/S0966-9795(00)00081-9

8. Sheng L.Y., Xie Y., Xi T.F., Guo J.T., Zheng Y.F., Ye H.Q. Microstructure characteristics and compressive properties of NiAl-based multiphase alloy during heat treatments. Materials Science and Engineering: A. 2011;528 (29—30):8324—8331. https://doi.org/10.1016/j.msea.2011.07.072

9. 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

10. Feng J., Ye X., Lei H., Chen J., Diao Z., Zhao G., Li B., Fang D. Effect of synergistic alloying of Co and Mo on solidification microstructure and properties of NiAl-based eutectic high-entropy alloy. Journal of Materials Engineering and Performance. 2024;33:12765—12771. https://doi.org/10.1007/s11665-023-08868-4

11. Bochenek K., Basista M. Advances in processing of NiAl intermetallic alloys and composites for high temperature aerospace applications. Progress in Aerospace Sciences. 2015;79:136—146. https://doi.org/10.1016/j.paerosci.2015.09.003

12. Guo J.T., Qi Y.H., Li G.S., Wu W.T. Tensile properties and microstructure of in situ NiAl—Cr (Zr) eutectic composite. Composite Structures. 2003;62(3—4):323—327. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2003.09.031

13. Azakli Y., Gunduz K.O., Cengiz S., Gencer Y., Tarakci M. High-temperature oxidation of NiAlCr—Ca and NiAlCr—Sr alloys in air. Oxidation of Metals. 2020;95: 135—156. https://doi.org/10.1007/s11085-020-10018-3

14. Zhou J., Guo J.T. Effect of Ag alloying on microstructure, mechanical and electrical properties of NiAl intermetallic compound. Materials Science and Engineering: A. 2003:339(1—2):166—174. https://doi.org/10.1016/S0921-5093(02)00123-5

15. Shang Z., Liu T., Shen J., Bai W., Dong X., Yang J. Effects of Ta addition on the microstructure, compression properties and oxidation resistance of NiAl—Cr(Mo) alloy. Journal of Materials Engineering and Performance. 2025;34:11615—11625. https://doi.org/10.1007/s11665-024-09999-y

16. Atas M.S., Yildirim M. Effect of Nd addition on the microstructure and cyclic oxidation behavior of NiAl— Cr(Mo) eutectic alloys. International Journal of Metalcasting. 2024;18:1192—1203. https://doi.org/10.1007/s40962-023-01102-w

17. Gungor A., Demirtas H. Microstructure and mechanical properties of Fe-doped NiAl—28Cr—6Mo eutectic alloys. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2016;26(4):1025—1031. https://doi.org/10.1016/S1003-6326(16)64199-7

18. Cui C.Y., Chen Y.X., Guo J.T., Li D.X., Ye H.Q. Preliminary investigation of directionally solidified NiAl—28Cr—5.5Mo—0.5Hf composite. Materials Letters. 2000;43(5—6):303—308. https://doi.org/10.1016/S0167-577X(99)00278-5

19. Misra A., Gibala R. Plasticity in multiphase intermetallics. Intermetallics. 2000;8(9—11):1025—1034. https://doi.org/10.1016/S0966-9795(00)00079-0

20. Kurbatkina V.V., Patsera E.I., Levashov E.A., Kaplanskii Y.Y., Samokhin A.V. Fabrication of narrow-fraction micropowders of NiAl-based refractory alloy compoNiAl—M5—3. International Journal of Self-Propagating High-Temperature Synthesis. 2018;27:236—244. https://doi.org/10.3103/S1061386218040027

21. 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. http://doi.org/10.1016/j.msea.2016.09.075

22. 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

23. Sanin V.V., Kaplansky Y.Y., Aheiev M.I., Levashov E.A., Petrzhik M.I., Bychkova M.Y., Samokhin A.V., Fadeev A.A., Sanin V.N. Structure and properties of heat-resistant 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

24. Biranvand K., Vaezi M.-R., Razavi M. Mechanical properties of mechanical alloyed and spark plasma sintered NiAl-based intermetallic composites. Journal of Materials Engineering and Performance. 2021;30:535—545. https://doi.org/10.1007/s11665-020-05322-7

25. Krasnowski M., Gierlotka S., Kulik T. NiAl—B composites with nanocrystalline intermetallic matrix produced by mechanical alloying and consolidation. Advanced Powder Technology. 2019;30(11):2742—2750. https://doi.org/10.1016/j.apt.2019.08.021

26. Kaplanskii Yu.Yu., Sentyurina Zh.A., Loginov P.A., Levashov E.A., Korotitskiy A.V., Travyanov A.Yu., Petrovskii P.V. Microstructure and mechanical properties of the (Fe,Ni)Al-based alloy produced by SLM and HIP of spherical composite powder. Materials Science and Engineering: A. 2019;743:567—580. https://doi.org/10.1016/j.msea.2018.11.104

27. Kaplanskii Yu.Yu., Loginov P.A., Korotitskiy A.V., Bychkova M.Ya., Levashov E.A. Influence of heat treatment on the structure evolution and creep deformation behavior of a precipitation hardened B2-(Ni, Fe)Al alloy. Materials Science and Engineering: A. 2020;786:139451. https://doi.org/10.1016/j.msea.2020.139451

28. Duman N., Mekhrabov A.O., Akdeniz M.V. Microalloying effects on the microstructure and kinetics of nanoscale precipitation in Ni—Al—Fe alloy. Intermetallics. 2012;23:217—227. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2012.01.002

29. Contreras-Piedras E., Dorantes-Rosales H.J., LopezHirata V.M., Santiago F.H., Gonzales-Velazquez J.L., Lopez-Monrroy F.I. Analysis of precipitation in Fe-rich Fe—Ni—Al alloys by diffusion couples. Materials Science and Engineering: A. 2012;558:366—370. https://doi.org/10.1016/j.msea.2012.08.013

30. Ren J., Zhang X., Gui Y., Wang Q., Zhang X., Lu X. Mechanical response and plastic deformation in the B2NiAl/Fe interface: Molecular dynamics analysis. Journal of Materials Engineering and Performance. 2025;34:4925— 4933. https://doi.org/10.1007/s11665-024-09469-5

31. Ren J., Gui Y., Gao Q., Wang Q., Bai Y., Li J., Xue H., Lu X., Tang F. Mechanical response and plastic deformation in singleand dual-phase polycrystalline FeNiAl alloys: molecular dynamics analysis. Journal of Materials Science. 2024;59:1440—14419. https://doi.org/10.1007/s10853-024-09704-3

32. Wang X., Xu Z., Guo C., Xie H., Ma T., Li A. Improving the ductility of high-strength NiAl-based high-entropy alloys by introducing hierarchical nanoscale phases. Materials Characterization. 2025;220:114698. https://doi.org/10.1016/j.matchar.2024.114698

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

34. Yang J.C., Schumann E., Levin I., Rühle M. Transient oxidation of NiAl. Acta Materialia. 1998;46(6);2195— 2201. https://doi.org/10.1016/S1359-6454(97)00378-9

35. 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;16(3):4—23.

36. Hamadi S., Bacos M.-P., Poulain M., Seyeux A., Maurice V., Marcus P. Oxidation resistance of a Zr-doped NiAl coating thermochemically deposited on a nickelbased superalloy. Surface and Coatings Technology. 2009;204(6—7):756—760. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2009.09.073

37. Sheng L.Y., Guo J.T., Zhou L.Z., Ye H.Q. The effect of strong magnetic field treatment on microstructure and room temperature compressive properties of NiAl— Cr(Mo)—Hf eutectic alloy. Materials Science and Engineering: A. 2009;500(1—2):238—243. https://doi.org/10.1016/j.msea.2008.09.020

38. Wang L., Shen J., Shang Z., Fu H. Microstructure evolution and enhancement of fracture toughness of NiAl—Cr(Mo)—(Hf,Dy) alloy with a small addition of Fe during heat treatment. Scripta Materialia. 2014;89:1—4. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2014.07.002

39. Zeumert B., Sauthoff G. Intermetallic NiAlTa alloys with strengthening Laves phase for high-temperature applications. I. Basic properties. Intermetallics. 1997;5(7):563—577. https://doi.org/10.1016/S0966-9795(97)00031-9