Study of features of the evolution of the structure of the near-surface layer of pseudo alloy W-Cu under exposure to a h.pdf Введение Известным и широко применяемым на практике классом жаропрочных материалов являются псевдосплавы на основе тугоплавких металлов с двумя или более компонентами, не имеющими взаимной растворимости (W-Cu, Mo-Cu и др), или обладающие униполярной растворимостью (W-Ni, Mo-Ni и др). В настоящей работе исследована система W-Cu, в которой отсутствует взаимная растворимость не только в твердом, но и в жидком состоянии. При этом имеет место значительное различие в коэффициентах термического расширения двух указанных компонентов псевдосплава. Это приводит к возникновению значительных напряжений на границе раздела W/Cu при нагреве до повышенных и высоких температур [1]. Несмотря на все сложности приготовления псевдосплавов с равномерным распределением достаточно крупных (от субмикронного размера до нескольких десятков микрометров) частиц меди, в настоящее время продолжают разрабатываться новые и совершенствоваться существующие способы получения рассматриваемых промышленных псевдосплавов, применение которых в технике заметно расширяется в последние годы. К ним относятся: горячее прессование, плазменное напыление, химическое осаждение из паровой фазы и методы порошковой металлургии, включая металлургию с применением метода самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС-металлургия) [2]. Указанные методы оказываются достаточно эффективными и сравнительно недорогими из-за того, что процесс спекания порошкового вольфрама ускоряется за счет присутствия порошка меди, которая в жидком состоянии равномерно смачивает границы между частицами порошка вольфрама. Формируемая структура с прослойками медной фазы не является устойчивой. При температуре выше 1173 К происходит зернограничный фазовый переход обволакивания, в результате этого границы зерен перестают быть смоченными и в структуре образуются области, содержащие вольфрам, и отдельные области частиц меди [1, 3-5]. Для улучшения смачиваемости поверхностей порошков вольфрама медью (с целью улучшения технологичности получения псевдосплава и улучшения его механических свойств) необходимо предотвратить образование оксидов этих металлов [6]. Эффективным способом удалить кислород во время взаимодействия меди и вольфрама является введение в порошковую смесь элементов, активных по отношению к кислороду, например, кремния, как это показано в работе на примере псевдосплава W - 20% Cu [7]. В результате добавления кремния происходит формирование сетки кремнийсодержащих включений, в то время как концентрация кислорода и углерода в матрице на основе вольфрама заметно снижается. Наблюдаемый эффект приводит к закреплению межфазных границ и увеличению пластичности рассматриваемого псевдосплава в интервале температур от 80 до 800 °С [8]. Рассматриваемые материалы относятся к классу так называемых «потеющих» сплавов», у которых при температурах выше температуры плавления легкоплавкого компонента (меди) выход меди на поверхность и её испарение приводят к охлаждению поверхности элемента конструкции, изготовленного из такого материала [9, 10]. Цель настоящей работы - исследование процессов эволюции микроструктуры псевдосплава W-Cu в процессе изотермического отжига в сравнении с соответствующими процессами, протекающими в условиях воздействия высокотемпературным газовым потоком. Материал и методы исследований В качестве материала исследований был выбран промышленный псевдосплав (композит) марки ВД-МП. Элементный состав сплава, определенный методом энергодисперсионного рентгеновского микроанализа, примерно соответствует ТУ 14-1-3927-85 на исследуемый сплав [11]. Образец вольфрама толщиной 5 мм нагревался высокотемпературным (1500 К) газовым потоком, химический и фазовый состав которого приведен в [12]. Микроструктуру и фазовый состав образцов изучали методами просвечивающей электронной микроскопии на микроскопах Tecnai G2 F20 S-TWIN, FEI Tecnai Osiris при ускоряющем напряжении 200 кВ в режиме просвечивающей (ПЭМ) и сканирующей просвечивающей электронной микроскопии (СПЭМ). Распределение химических элементов в сплаве определяли методом рентгеновского энергодисперсионного микроанализа в режиме СПЭМ с использованием приставки фирмы EDAX и программного обеспечения TecnaiImaging&Analysis. Кроме этого, применяли методы растровой электронной микроскопии (РЭМ) с использованием автоэмиссионного высокоразрешающего растрового электронного микроскопа Nova NanoSem 450 при ускоряющих напряжениях 30 кВ. Прецизионное изготовление фольг осуществляли методом утонения сфокусированным ионным пучком (метод «cross-section») в направлении, перпендикулярном поверхности материала с использованием двухлучевой системы FEI Scios Dual Beam в ЦКП ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН. Результаты и их обсуждение Микроструктура исходного состояния псевдосплава W - 18 вес. % Cu приведена на рис. 1, а. Псевдосплав имеет двухфазную структуру, которая состоит из зерен вольфрама глобулярной формы и частиц меди, расположенных главным образом по границам зерен вольфрама. По данным оптической металлографии и растровой электронной микроскопии средний арифметический размер зерен вольфрама составляет ~ 20 мкм, размер частиц меди ~ 5 мкм. Анализ наклоном темнопольного изображения в просвечивающем электронном микроскопе показал, что внутри зерен имеется субструктура с малоугловыми разориентировками размером ~ 300 нм. Рис. 1. Микроструктура сплава W - 18 вес. % Cu: а - растровая электронная микроскопия; б - просвечивающая растровая электронная микроскопия (стрелками обозначены границы субзерен, представляющие малоугловые дислокационные границы) Установлено, что в контактировавшем с газовым потоком приповерхностном слое образца псевдосплава (толщиной до 30 мкм) обнаруживаются внутренние полости на границах зерен вольфрама, которые по форме соответствуют бывшим частицам меди. Это свидетельствует о зернограничном диффузионном массопереносе атомов меди из частиц на поверхность и уносе меди высокотемпературным газовым потоком, поскольку на поверхности образцов слоя меди не наблюдается (рис. 2, б). Рис. 2. Микроструктура псевдосплава W - 18 вес. % Cu: а - в объеме образца; б - вблизи контактировавшей с потоком газа поверхности образца (растровая электронная микроскопия); в - карты распределения атомов вольфрама и меди, светлый (размытый) контраст на изображении соответствует остаткам меди во внутренних полостях, темный - внутренним полостям, серый - вольфрамовой матрице Кроме крупных полостей на границах зерен (в местах расположения бывших частиц меди) после воздействия высокотемпературного газового потока на границах субзерен вольфрама обнаружены наноразмерные полости округлой формы (поры). Можно предполагать, что образование таких пор также связано с диффузией атомов меди, но в данном случае - по границам субзерен от наноразмерных частиц меди к внешней поверхности или к большеугловым границам зерен с образованием полостей на местах расположения бывших наноразмерных частиц (рис. 3, а). Однако природа появления нанопор может быть связана и с потоками вакансий по субграницам в поликристаллическом вольфраме в условиях реализации мощных зернограничных потоков атомов меди. Рис. 3. Микроструктура: а - приповерхностного слоя в тонкой фольге поперечного среза, изготовленной методом сфокусированного ионного пучка. Стрелками указаны: 1 - большая полость на границе зерна в месте бывшей частицы меди; 2 - наноразмерные поры на границах субзерен, наблюдаемые в приповерхностном слое до глубины порядка 3-5 мкм (ПЭМ); б - внешняя поверхность образца, не контактировавшая с высокотемпературным газовым потоком. Стрелками показаны кристаллизовавшиеся сферические капли расплава меди (подтверждено данными, полученными методом энергодисперсионного микрорентгеноспектрального анализа в колонне растрового электронного микроскопа). РЭМ На поверхности сплава, не контактировавшей с газовым потоком (обратной стороне образца), наблюдаются следы расплавленной меди (в форме сферических частиц диаметром 0.5 мкм и более), диффундировавшей из частиц, расположенных в приповерхностных слоях материала (рис. 3, б). На данной стороне образца в приповерхностном слое толщиной 1-3 мкм, так же как и на контактировавшей с газовым потоком, наблюдаются наноразмерные поры на границах субзерен, аналогичные представленным на рис. 3, а, и крупные полости на местах бывших частиц меди, как это показано на рис. 2, б. Таким образом, подобие картин эволюции микроструктуры на обеих рассматриваемых сторонах образца связано только с термическим воздействие высокотемпературного потока газа. Единственным отличием является лишь то, что на контактировавшей с газовым потоком поверхности не наблюдается сферических частиц закристаллизовавшейся меди, поскольку диффундировавшая на поверхность медь уносится газовым потоком. Заключение Обнаружен неизвестный ранее инициированный воздействием высокотемпературного (1500 К) потока газа эффект полного исчезновения частиц медной фазы (размером до нескольких микрометров) из поверхностного слоя (на глубину до 30 мкм) образцов промышленного псевдосплава (композита) W - 18 вес. % Cu (ВД-МП) путем диффузии атомов меди по внутренним поверхностям раздела (границам зерен и субзерен) вольфрама с образованием полостей на местах бывших частиц меди и наноразмерной пористости на дислокационных субграницах. На противоположной поверхности образцов, не контактировавшей с газовым потоком, кроме указанных особенностей, наблюдаются сферические (предположительно кристаллизовавшиеся из жидкой фазы) частицы меди размером до нескольких сотен микрометров.

Скачать электронную версию публикации