Формирование зеренной структуры интерметаллида Ni3Al при высокотемпературном синтезе под давлением | Изв. вузов. Физика. 2020. № 5. DOI: 10.17223/00213411/63/5/50

Формирование зеренной структуры интерметаллида Ni3Al при высокотемпературном синтезе под давлением

Представлены результаты теоретического и экспериментального исследования закономерностей формирования зеренной структуры в интерметаллиде Ni3Al, синтезированном под давлением в условиях объемной экзотермической реакции его образования в порошковой смеси стехиометрического состава. Показано, что размер зерна в синтезированном интерметаллическом компакте зависит как от величины предварительной нагрузки на исходную порошковую смесь, так и от степени деформации продукта высокотемпературного синтеза на стадии кристаллизации. Установлено, что в то время как увеличение нагрузки на исходную порошковую смесь инициирует общее уменьшение размера зерна в объеме синтезированного интерметаллического компакта, деформация продукта высокотемпературного синтеза позволяет кратно снизить размер зерна при одновременном усреднении его распределения по размерам в объеме синтезированного под давлением интерметаллического соединения.

Formation of the grain structure of the Ni3Al intermetallic compound at high-temperature synthesis under pres.pdf Введение Интерметаллическое соединение Ni3Al в ряду широкого спектра алюминидов отличается высокими значениями жаростойкости и стойкости к ползучести, к коррозии и к окислению, что и определило широкое применение интерметаллида в металлургии современных жаропрочных сплавов для производства авиационной и ракетной техники. При этом интерметаллид имеет значительный коммерческий потенциал в качестве компоненты каталитических сплавов и матриц композиционных материалов, включая режущий инструмент и изделия высокотемпературного назначения в машиностроении и коррозионностойкие материалы в химической промышленности [1, 2]. Существенным ограничением более широкого применения интерметаллического соединения Ni3Al в современной технике является его низкая пластичность в области повышенных температур в результате зернограничной хрупкости интерметаллида [3]. Проблема низкой пластичности является ключевой при разработке перспективных интерметаллических сплавов и композиционных материалов и решается применительно к конкретным условиям эксплуатации различными высокотехнологичными методами - легированием такими дорогостоящими металлами, как рений, рутений, бор и др., направленной кристаллизацией, выращиванием монокристаллических изделий [4-6]. В то же время известно, что повышение пластичности и соответственно прочности интерметаллида Ni3Al возможно путем измельчения его зеренной структуры - при уменьшении размера зерна до величины менее 10 мкм наблюдается увеличение пластичности, предела текучести и предела прочности интерметаллида при растяжении, с уменьшением размера зерна до субмикронного уровня и ниже наблюдается кратное увеличение пластичности, предела текучести и предела прочности при растяжении [7]. Достижение мелкозернистой структуры в интерметаллическом соединении возможно путем спекания интерметаллического порошка ультрадисперсной размерности и синтезом интерметаллида методом механического легирования [8] и термомеханической обработкой интерметаллического соединения в условиях контролируемой деформации [9]. Реализация указанных способов формирования в интерметаллическом соединении Ni3Al мелкозернистой структуры требует значительных производственных затрат при технологических проблемах с качеством конечной продукции [10]. В настоящее время одним из наиболее эффективных и универсальных методов получения интерметаллического соединения Ni3Al является метод самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), основанного на инициировании экзотермических реакций образования химических соединений в порошковых смесях соответствующего состава. Метод СВС позволяет получать не только разнообразные химические соединения, включая многокомпонентные составы, но и сплавы и композиционные материалы на их основе [11]. К преимуществам метода необходимо отнести высокую скорость реакции синтеза химических соединений (от нескольких секунд до нескольких минут) и сравнительно высокую чистоту конечных продуктов [12]. Новыми возможностями для формирования в интерметаллическом соединении Ni3Al мелкозернистой зеренной структуры обладает метод высокотемпературного синтеза интерметаллида в порошковой смеси исходных элементов под давлением. Как показано в [13, 14], значительную роль в формировании зеренной структуры в условиях высокотемпературного синтеза интерметаллида под давлением играет пластическая деформация, то есть с увеличением степени деформации продукта высокотемпературного синтеза в зеренной структуре синтезированного интерметаллида повышается доля высокодисперсной составляющей. Цель настоящей работы - теоретическое и экспериментальное исследование зависимостей размера зерна и характера его распределения по размерам в синтезированном под давлением интерметаллиде Ni3Al, включая оценку влияния на размер зерна пластической деформации продукта высокотемпературного синтеза. 1. Материалы и методы исследования Образцы интерметаллического соединения Ni3Al синтезировали в порошковой смеси никеля с алюминием стехиометрического состава (размер частиц никеля ~ 2.0 мкм и алюминия ~ 1.0 мкм) в цилиндрических стальных пресс-формах с внутренним диаметром 60 мм на гидравлическом прессе путем нагрева пресс-форм токами высокой частоты до самовоспламенения порошковой прессовки с компактированием продукта высокотемпературного синтеза. Процесс компактирования продукта синхронизировали по времени с процессом горения порошковой прессовки с помощью системы автоматического контроля величины предварительной нагрузки, скорости нагрева порошковой прессовки и времени приложения к продукту синтеза давления. На рис. 1, а, б представлены схемы пресс-форм закрытой и открытой конструкции для высокотемпературного синтеза интерметаллида под давлением и под давлением с частичной экструзией продукта синтеза. Частичная экструзия продукта синтеза через калиброванные отверстия в нижней части пресс-формы позволяет целенаправленно повышать степень пластической деформации продукта синтеза в рабочем объеме пресс-формы. При внутреннем диаметре 60 мм пресс-форма содержала два отверстия диаметром 4 мм. Рис. 1. Пресс-формы-реакторы закрытого (а) и открытого (б) видов, дифрактограмма синтезированного под давлением интерметаллида Ni3Al (в), схема подготовки цилиндрических образцов интерметаллида для проведения экспериментальных исследований и поперечное сечение для постановки граничных условий при расчете (г) Рентгенофазовый анализ синтезированных образцов интерметаллида проводили на дифрактометре Shimadzu XRD 6000 с использованием программного обеспечения Powder Cell 2.4 и электронной базы материалов PDF 4. Статистическая оценка размера зерна и исследование микротвердости образцов интерметаллида были проведены на вырезанных из центральной части синтезированных компактов образцах пластинчатой формы (рис. 1, г). Металлографические шлифы готовили механической шлифовкой с постепенным уменьшением размера алмазного абразива до 1 мкм. Зеренную структуру выявляли травлением ионами аргона при ускоряющем напряжении 0.6 кВ. Размер зерна определяли методом случайных секущих с усреднением по 150 измерениям. Микротвердость измеряли на моторизированном микротвердомере Triboindenter TI 950 при нагрузке 100 г и выдержкой 15 с. 2. Результаты 2.1. Математическая модель и численные оценки Технологический процесс высокотемпературного синтеза интерметаллического соединения Ni3Al в порошковой смеси 3Ni+Al под давлением основан на предварительном нагружении (уплотнении) смеси в пресс-форме, нагреве смеси до самовоспламенения в режиме объемной экзотермической реакции образования интерметаллида с последующим силовым компактированием продукта высокотемпературного синтеза. Считаем, что к верхней поверхности исходной порошковой прессовки цилиндрической формы (см. рис. 1, а) приложено давление величиной N. Поскольку диаметр порошковой прессовки значительно превышает ее толщину, то можно пренебречь теплообменом между прессовкой и боковыми стенками пресс-формы. Допускаем, что вдоль радиуса прессовки отсутствует градиент температуры. Тогда по осевой координате распределение температуры описывается следующим уравнением теплопроводности: (1) с граничными условиями 1-го рода на нижней и верхней поверхностях образца к схеме поперечного сечения, представленной на рис 1, г: : ; : . (2) Начальные условия, соответствующие моменту завершения объемной экзотермической реакции образования в порошковой прессовке интерметаллического соединения, представим в виде : , . (3) В (1) - (3) приняты следующие обозначения: - температура; - температура пуансона и подложки пресс-формы; - начальная температура синтезированного компакта; - время; - осевая координата; - высота компакта; , , - теплоемкость, плотность и теплопроводность продукта синтеза. Для эффективных (осредненных) величин теплоемкости и плотности смеси никеля и алюминия в соответствии с законом аддитивности запишем , . (4) Эффективный коэффициент теплопроводности композиционного материала может быть вычислен по закону аддитивности (правило прямой смеси) или по правилу обратной смеси, если теплопроводности компонентов смеси значительно отличаются друг от друга. Так как теплопроводности никеля и алюминия отличаются более чем в 2 раза, для расчета коэффициента воспользуемся правилом обратной смеси . (5) В формулах (4), (5) использованы следующие обозначения: , , , - теплоемкость, теплопроводность, плотность и атомная масса i-го компонента (i = Ni, Al); объемные доли никеля и алюминия в интерметаллиде Ni3Al , . Предположим, что на начальном этапе кристаллизации продукта высокотемпературного синтеза зеренная структура состоит из зерен сферической формы с радиусом . В процессе охлаждения продукта под давлением может происходить либо увеличение зерен в размерах путем собирательной рекристаллизации, либо уменьшение зерен в размерах в результате влияния сдвиговых деформаций в отдельных микрообъемах образовавшейся зеренной структуры. В первом случае скорость роста зерна можно описать следующим феноменологическим уравнением [15] . (6) Здесь - размер зерна; - кинетическая функция, которая зависит от времени процесса и формы растущего зерна; - предэкспоненциальный множитель; - энергия активации процесса рекристаллизации; - универсальная газовая постоянная. Для определенности положим [16] . Скорость изменения размера зерен при их измельчении в условиях сдвиговых деформаций в зеренной структуре продукта синтеза без учета рекристаллизации представим в виде [16] , (7) где - минимально достижимый при измельчении размер частиц; - коэффициент; - удельная мощность внешнего воздействия. Уравнение (5) является приближенным и определяет затраты энергии на неупругое деформирование, работу сил трения и образование новых поверхностей [16]. Используемую в (5) мощность внешнего воздействия свяжем с давлением прессования приближенным линейным соотношением . (8) Здесь - зависящий от температуры и пластических свойств деформируемого компакта коэффициент, для которого можно записать следующее условие: , где - температура, ниже которой интерметаллид теряет пластические свойства. Отметим, что соотношение (6) - упрощенное. Для получения оценки параметра в нелинейном приближении необходимо заменить комплекс более сложной функциональной зависимостью. В конечном итоге уравнение для определения скорости изменения размера зерен (r) в интерметаллиде в результате термического и силового воздействия на продукт высокотемпературного синтеза с учетом (8), совместив соотношения (6) и (7), представим в виде , (9) где . Принятые в предложенной феноменологической модели упрощения и отсутствие данных по кинетике реологических процессов не позволяют получить точные количественные оценки размера зерен в структуре интерметаллида. На данном этапе в модели не учитывали уменьшение высоты компакта при его деформировании, что также вносит определенную погрешность в оценочные расчеты. В то же время модель дает возможность целенаправленно исследовать влияние значений исходных параметров на размер зерна в синтезированном под давлением интерметаллиде. Задачу (1) - (7) решали численно методом прогонки. Исходные данные для никеля и алюминия [17]: Дж/(кг•К), Дж/(кг•К), кг/м3, кг/м3, = 91 Дж/(с•К•м), Дж/(с•К•м), , . Значения остальных использованных в расчетах параметров были следующими: L = 0.022 м, rm = 10-7 м, м, T0 = 300 К, Tm = 2000 К, T* = 1200 К, D0 = 10-7 м2/с, U = 70000 Дж/моль, R = 8.31 Дж/(моль•К), K = 0.05 (MПa•с)-1. На рис. 2 представлены расчетные профили распределения температуры по осевой координате интерметаллического компакта при различном времени его охлаждения (а) и расчетные распределения размера зерна по вертикали в центральной части образцов синтезированного под давлением интерметаллида при различной по величине предварительной нагрузке на исходную порошковую смесь (б). Можно отметить, что особенности распределения температуры (рис. 2, а) и размера зерна (рис. 2, б) на поперечном сечении синтезированного интерметаллического компакта подобны, а область максимальных температур нагрева продукта синтеза соответствует области с максимально крупными по размеру зернами в синтезированном под давлением интерметаллиде. Рис. 2. Распределения в центральной части синтезированного под давлением продукта высокотемпературного синтеза: а - температуры от верхней поверхности к нижней в различные моменты времени охлаждения продукта: кр. 1 - 0 с, кр. 2 - 1 с, кр. 3 - 2 с, кр. 4 - 3 с; б - зерна по размерам по вертикали в зависимости от величины нагрузки на исходную порошковую смесь в пресс-форме: кр. 1 - 0 MПa, кр. 2 - 20 MПa, кр. 3 - 50 MПa, кр. 4 - 100 MПa Более общая информация о закономерностях распределения зерна по размерам в синтезированном под давлением образце интерметаллида Ni3Al цилиндрической формы представлена на рис. 3 в виде зависимостей размера зерна на периферийной и центральной частях синтезированного под давлением интерметаллического компакта от величины давления на исходную порошковую смесь в пресс-форме. Рис. 3. Распределение зерна по размерам в образце синтезированного под давлением интерметаллида Ni3Al от внешней поверхности к центру образца цилиндрической формы при различных значениях величины нагрузки на исходную порошковую смесь: - зависимость размера зерна от приложенного давления в центральной части образца; - зависимость размера зерна на поверхности; - значения среднего размера зерна На рис. 3 выделены три диапазона значений давления на исходную порошковую смесь, определяющие различные режимы формирования зеренной структуры в синтезируемом под давлением интерметаллиде. В диапазоне I значения нагрузки на порошковую прессовку сравнительно незначительны, время компактирования продукта высокотемпературного синтеза в этом диапазоне нагрузок максимально большое, температурно-временные условия для рекристаллизации зеренной структуры наиболее благоприятные, роль сдвиговых деформаций в формировании зеренной структуры минимальна, размер зерна в синтезированном интерметаллиде максимально большой. С увеличением давления на порошковую прессовку время компактирования продукта уменьшается, а роль сдвиговых деформаций увеличивается и тем в большей степени, чем выше нагрузка на порошковую прессовку. В результате размер зерна в синтезированном в диапазоне нагрузок II интерметаллическом компакте уменьшается и достигает своего минимума в диапазоне нагрузок III. 2.2. Экспериментальные данные На рис. 4 представлены данные статистической оценки распределения на вертикальном срезе центральной части синтезированных под давлением образцах интерметаллида Ni3Al при различных значениях предварительной нагрузки на исходную порошковую смесь. Рис. 4. Зависимости среднего размера зерна (а) и микротвердости (б) от расстояния между верхней и нижней поверхностями синтезированных компактов интерметаллида Ni3Al при разных заданных значениях предварительной нагрузки на исходную порошковую смесь Общей особенностью представленных на рис. 4 зависимостей являются наивысшие значения среднего размера зерна при наименьших значениях микротвердости в центральной части синтезированных под давлением образцов интерметаллида Ni3Al при уменьшении размера зерна и соответственно увеличении микротвердости на периферийной части цилиндрических образцов синтезированного интерметаллида. Указанные закономерности идентичны при всех значениях предварительной нагрузки на исходную порошковую смесь, но с увеличением данной нагрузки уменьшаются абсолютные значения размера зерна и повышается микротвердость интерметаллида. Для оценки влияния пластической деформации на формирование зеренной структуры в синтезированном под давлением интерметаллиде Ni3Al были получены образцы интерметаллида с частичной экструзией продукта синтеза (20 %). На рис. 5 представлены зависимости среднего размера зерна (а) и микротвердости (б) в синтезированном под давлением при предварительной нагрузке 32.6 МПа на исходную порошковую смесь и при предварительной нагрузки 32.6 МПа с частичной экструзией продукта высокотемпературного синтеза от верхней до нижней поверхности синтезированного компакта интерметаллида. Характер представленных на рис. 5 зависимостей среднего размера зерна и значений микротвердости на вертикальном срезе в центральной части синтезированных под давлением образцов интерметаллида Ni3Al качественно подобен представленным на рис. 4 зависимостям. Принципиальным отличием является формирование более мелкозернистой структуры в центральной части синтезированного под давлением с пластической деформацией продукта синтеза при сравнительно незначительной по величине предварительной нагрузке 32.6 МПа по сравнению с размером зерна в центральной части синтезированного под давлением образца при предварительной нагрузке 115 МПа. При этом пластическая деформация продукта синтеза оказывает положительное влияние на снижение величины разброса размера зерен в объеме интерметаллического компакта. Рис. 5. Зависимости среднего размера зерна (а) и микротвердости (б) в синтезированных под давлением (кр. 1) и синтезированных под давлением с частичной экструзией продукта синтеза (кр. 2) от расстояния между верхней и нижней поверхностями синтезированных компактов интерметаллида Ni3Al при предварительной нагрузке на исходную порошковую смесь 32.6 МПа 3. Обсуждение результатов Представленный выше теоретический анализ формирования зеренной структуры в синтезированном под давлением интерметаллическом соединении Ni3Al в условиях температурных градиентов объемной экзотермической реакции образования интерметаллида в порошковой смеси исходных элементов и силового компактирования продукта высокотемпературного синтеза позволяет прогнозировать в синтезированном под давлением интерметаллическом соединении Ni3Al размер и характер распределения зерна по размерам. В соответствии с образующимся в процессе высокотемпературного синтеза интерметаллического соединения градиенте температур максимально большой размер зерна формируется в области наиболее высоких температур в центре порошковой прессовки из исходных элементов с уменьшением размера зерна при перемещении от центра прессовки к ее периферии. Указанный характер распределения зерна по размерам согласуется с результатами исследования влияния скорости охлаждения расплава на размер выделений γ-фазы в микроструктуре монокристалла на основе Ni3Al [18]. Уплотнение порошковой прессовки при приложении к ней давления повышает скорость теплопереноса от центральной к периферийной части продукта высокотемпературного синтеза и скорость охлаждения продукта в целом, снижает размер зерна в синтезированном под давлением интерметаллиде. В случае деформации продукта синтеза в объеме реологической структуры термореагирующей порошковой прессовки происходят множественные акты сдвиговой пластической деформации, приводящие к снижению эффективной энергии активации как функции величины поверхности контакта между частицами никеля и алюминия и ускорению реакции высокотемпературного синтеза интерметаллида во всем объеме термореагирующей порошковой прессовки [19]. В результате в объеме продукта высокотемпературного синтеза происходит увеличение количества центров кристаллизации интерметаллического соединения и уменьшение размера зерна при более равномерном распределении зерен по размерам в объеме синтезированного интерметаллического компакта. Сказанное подтверждают полученные в [20, 21] результаты исследования влияния на размер зерна деформационных процессов при экструзии продукта высокотемпературного синтеза металлокерамического сплава. Заключение 1. Результаты численных оценок и экспериментальных исследований показывают, что размер зерна и характер его распределения по размерам в объеме синтезированного под давлением в условиях объемной экзотермической реакции образования интерметаллического соединения Ni3Al в порошковой смеси исходных элементов определяются величинами градиента температуры в объеме продукта высокотемпературного синтеза на стадии его кристаллизации, давления на исходную порошковую смесь и степенью деформации. 2. С увеличением нагрузки на порошковую смесь абсолютные значения размера зерна уменьшаются при сохранении общего характера его распределения по размерам в объеме синтезированного интерметаллического компакта. 3. Деформация продукта высокотемпературного синтеза кратно уменьшает абсолютные значения размера зерна, одновременно усредняя распределение зерен по размерам в объеме синтезированного под давлением интерметаллического соединения Ni3Al.

Ключевые слова

Ni3Al, высокотемпературный синтез, давление, продукт синтеза, размер зерна, численное моделирование, Ni3Al, high temperature synthesis, pressure, synthesis product, grain size, numerical simulation

Авторы

ФИООрганизацияДополнительноE-mail
Овчаренко Владимир ЕфимовичИнститут физики прочности и материаловедения СО РАНд.т.н., профессор, гл. науч. сотр. ИФПМ СО РАНove45@mail.ru
Лапшин Олег ВалентиновичТомский научный центр СО РАНд.ф.-м.н., ст. науч. сотр. ОСМ ТНЦ СО РАНovlap@mail.ru
Акимов Кирилл ОлеговичИнститут физики прочности и материаловедения СО РАНаспирант ИФПМ СО РАНkibaarg@mail.ru
Козулин Александр АнатольевичИнститут физики прочности и материаловедения СО РАНк.ф.-м.н., науч. сотр. ИФПМ СО РАНkozulyn@ftf.tsu.ru
Всего: 4

Ссылки

Stoloff N.S., Liu C.T., and Deevi S.C. // Intermetallics. - 2000. - V. 8 (9-11). - P. 1313-1320.
Sikka V.K., Deevi S.C., Viswanathan S., et al. // Intermetallics. - 2000. - No. 8 (9-11). - P. 1329-1337.
Schulson E.M., Weihs T.P., Viens D.V., and Baker I. // Acta Metall. - 1985. - No. 33. - P. 1587-1591.
Aoki K. and Izumi O. // J. Jpn. I. Met. - 1979. - V. 43. - P. 1190-1196.
Feng T., Li S.P., and Luo H.L. // Acta Metall. Sinica. - 2002. - No. 31. - P. 547-551.
Giamei A.F. and Anton D.L. // Metall. Trans. A. - 1985. - V. 16 (11). - P. 1997-2005.
Jozwik P., Polkowski W., and Bojar Z. // Materials. - 2015. - V. 8. - P. 2537-2568.
Antolak-Dudka A., Krasnowski M., and Kulik T. // Intermetallics. - 2013. - V. 42. - P. 41-44.
Demura M., Suga Y., Umezawa O., et al. // Intermetallics. - 2001. - V. 9. - P. 157-167.
Polkowski W., Jozwik P., and Bojar Z. // Mater. Lett. - 2015. - V. 139. - P. 46-49.
Naplocha K. // Intermetallic Matrix Composites. - 2018. - P. 203-220.
Амосов А.П., Боровинская И.П., Мержанов А.Г. Металлургия и машиностроение: ежеквартальный специализированный информационный бюллетень. - М.: Машиностроение, 2007. - 567 с.
Ovcharenko V.E., Lapshin O.V., and Ramazanov I.S. // Combustion, Explosion, and Shock Waves. - 2006. - V. 42(3). - P. 302-308.
Ovcharenko V.E., Boyangin E.N., Myshlyaev M.M., et al. // Phys. Solid State. - 2015. - V. 57. - No. 7. - P. 1293-1299.
Gottstein G. Physical Foundations of Materials Science. - Berlin: Springer, 2004. - 502 p.
Avvakumov G.V., Mamoru S., and Kosova N.V. Soft Mechanical Synthesis: a Basic for New Chemical Technologies. - Boston, MA: Kluwer Academic Publishers, 2002. - 208 p.
Laby T.H. and Kaye G.W. Tables of Physical and Chemical Constants. - N.Y.: Longman, 1995. - 512 p.
Li H., Zheng L., Zhang H., et al. // Procedia Eng. - 2012. - No. 27. - P. 1187-1192.
Mukasyan A.S. and Shuk C.E. // Int. J. Self-Propagating High-Temperature Synthesis. - 2017. - V. 26(3). - P. 145-165.
Овчаренко В.Е., Федорищева М.В. // Изв. вузов. Физика. - 1999. - Т. 41. - № 7. - С. 53-56.
Bazhin P.M., Stolin A.M., and Alymov M.I. // Nanotechnologies in Russia. - 2014. - V. 9 (11-12). - P. 583-600.
 Формирование зеренной структуры интерметаллида Ni<sub>3</sub>Al при высокотемпературном синтезе под давлением | Изв. вузов. Физика. 2020. № 5. DOI: 10.17223/00213411/63/5/50

Формирование зеренной структуры интерметаллида Ni3Al при высокотемпературном синтезе под давлением | Изв. вузов. Физика. 2020. № 5. DOI: 10.17223/00213411/63/5/50