Сплавы на основе алюминидов никеля

 

Из алюминидов никеля наибольший интерес как жаропрочные материалы представляют интерметаллиды Ni₃Al и NiAl, обладающие при сравнительно небольшой плотности достаточно высокими характеристиками жаропрочности и жаростойкости.

Алюминид никеля Ni₃Al составляет основу фазы бертоллидного типа – g'-фазы (рис. 6.1). Фаза Ni₃Al – это сверхструктура с кубической решеткой, в элементарной ячейке которой атомы алюминия занимают вершины куба, а атомы никеля – центры граней.

При комнатной температуре σ_в литого алюминида Ni₃Al стехиометрического состава (13,3 % Αl) составляет 190...215 МПа при σ_0,2 85…92 МПа и δ около 1 %. Увеличение содержания алюминия до 14 % приводит к некоторому повышению прочностных характеристик (σ_в = 270...350 МПа; σ_0,2 = 100...110 МПа) и относительного удлинения (δ = 1,2...1,7 %) литого интерметаллида. Предел текучести интерметаллида Ni₃Al, полученного методами порошковой металлургии, колеблется в пределах от ~100 МПа при размере зерна d ~ 1000 мкм до ~ 900 МПа при d ~ 3 мкм. Относительное удлинение при этом составляет 1...2,5 %.

Монокристаллы Ni₃Al обладают высокой пластичностью. В то же время поликристаллы Ni₃Al отличаются хрупкостью. Хрупкость поликристаллов Ni₃Al является не природным свойством этого интерметаллида, а следствием слабости границ зерен и трудности аккомодации скольжения по границам зерен.

Пластичность и прочность интерметаллида Ni₃Al можно повысить измельчением зерна и повышением чистоты исходных материалов. Однако наиболее эффективный способ повышения комплекса его свойств состоит в легировании.

Одна из задач легирования алюминида Ni₃Al заключается в повышении его низкотемпературной пластичности и уменьшении склонности к межзеренному разрушению. Эта цель достигается легированием Ni₃Al такими элементами как В, Zr, Hf, Cr, Μn, Fe, Co, Si. Пластичность алюминида никеля возрастает в результате уменьшения при легировании энергии активации термически активируемых дислокационных процессов и увеличения числа действующих систем скольжения.

Низкотемпературную пластичность Ni₃Al наиболее эффективно повышают небольшие добавки бора (0,05...0,1 %), который, сегрегируя на границах зерен, устраняет межзеренное разрушение. Интерметаллид Ni₃Al без добавки бора имеет относительное удлинение около 1 %, а относительное удлинение сплавов никеля с 0,1 % бора при комнатной температуре достигает 35...50 %. Сплав с 0,1 % В можно прокатать в холодную со степенью деформации 90 % без промежуточных отжигов. Эффективность влияния бора на пластичность зависит от соотношения Ni/Al в сплаве: при введении 0,1 % В в сплав с 24 % Αl относительное удлинение повышается до ~ 35 %, а та же добавка бора в сплав с 26 % Αl не изменяет пластичность сплава.

Бор оказывает благоприятное влияние и на пластичность сложнолегированных сплавов.

По возрастанию интенсивности упрочнения легирующие элементы можно расположить в следующей последовательности: Cr, V, Ti, Mo, W, Nb, Та, Zr, Hf. Следовательно, элементы тем сильнее упрочняют Ni₃Al, чем дальше от никеля они располагаются в Периодической системе Д.И. Менделеева. Повышение прочностных характеристик сплавов при легировании указанными элементами обусловлено растворным упрочнением. Это упрочнение сохраняется до температур примерно 800 °С. Вместе с тем, при температурах 850...1000 °С все исследованные легирующие элементы понижают прочностные характеристики интерметаллида Ni₃Al.

Представляют интерес сплавы на основе Ni₃Al, легированные железом, в которых железо частично замешает никель, а частично алюминий. При содержании железа до 10 % сплавы сохраняют однофазную структуру, а при больших концентрациях железа становятся двухфазными (g + g'). Сплавы, содержащие 6...15 % Fe, хорошо обрабатываются давлением и из них легко получить листы толщиной 0,8 мм холодной прокаткой. Сплавы отличаются повышенным пределом текучести по сравнению с Ni₃Al, легированным бором, отличной коррозионной стойкостью, удовлетворительной свариваемостью. Дополнительное легирование сплавов Ni – Al – Fe – B марганцем и титаном повышают предел текучести при сохранении достаточно высокой пластичности.

Отечественные сплавы на основе Ni₃Al – ВКНА-1В и ВКНА4У относятся к комплексно-легированным. В литом состоянии их структура представлена первичными кристаллами g'-твердого раствора на основе Ni₃Al, тугоплавкой эвтектикой (g + g') и пограничными выделениями карбидов типа МеС. В сплаве ВКНА-1В содержится более 90 % фазы на основе интерметаллида Ni₃Al, около 8,5 % g-фазы (на основе никеля) и 1,2... 1,5 % карбидов. Как и для других сплавов на основе Ni₃Al, предел текучести отечественных сплавов повышается до 700 °С, а затем падает, относительное удлинение имеет минимум при 700 °С. Длительная прочность сплава ВКНА-1В при температурах 1100...1300 °С при испытаниях на воздухе выше, чем из лучших жаропрочных никелевых сплавов.

Более высокие прочностные и жаропрочные свойства обеспечивает формирование при литье монокристаллической структуры. Горячее прессование, прессование с последующим отжигом приводят к более высоким механическим свойствам при комнатной температуре, но при этом теряется жаропрочность.

Интерметаллическое соединение Ni₃Al может быть основой создания литейных жаропрочных сплавов с рабочими температурами до 1250 °С, отличающихся пониженной плотностью и высокой термической стабильностью.

Интерметаллид NiAl (31,5 % Al) относится к дальтонидам (рис. 6.1) с упорядоченной ОЦК кристаллической решеткой. Температура плавления NiAl – 1638 °С, теоретическая плотность – 6,02 г/см³.

Моноалюминид никеля при комнатной температуре обладает хрупкостью, которая выражена у него сильнее, чем у Ni₃Al. Хрупкость алюминида NiAl – его природное свойство, самой тщательной очисткой его не удается перевести в пластичное состояние. Упорядоченная структура соединения NiAl не имеет достаточного количества независимых систем скольжения сверхдислокаций для обеспечения пластической деформации поликристаллического материала.

Из-за высокой хрупкости трудно оценить истинные значения прочностных характеристик интерметаллида NiAl. При испытаниях на растяжение при комнатной температуре временное сопротивление литого алюминида никеля стехиометрического состава (31,5 % Αl) колеблется в пределах от 20 до 110 МПа при нулевом относительном удлинении. Интерметаллид нестехиометрического состава (25...28 % Αl) обладает более высокими прочностными характеристиками (σ_в = 140...220 МПа), но тоже при нулевом относительном удлинении.

Тем не менее при точном соблюдении химического состава, высокой чистоте исходных материалов и оптимальных условиях получения интерметаллида можно достигнуть относительного удлинения 2 % при комнатной температуре. Пластичность можно также повысить методом быстрого затвердевания, обеспечивающего формирование нанокристаллической структуры.

Многие легирующие элементы растворяются в NiAl в больших количествах, замещая в решетке атомы никеля, алюминия или того и другого элемента одновременно. В связи с большой растворимостью легирующих элементов в NiAl растворное упрочнение – один из перспективных способов улучшения его механических свойств.

Положительное влияние на пластичность оказывают микролегирование NiAl добавками Y, Ga, Cr, Мо, Cu, легирование большими количествами Fe или Со, приготовление сплавов из исходных материалов высокой чистоты. Прочностные характеристики NiAl повышают Ti, Mb, Та, Cu.

Сплавы на основе NiAl более жаропрочны, чем на основе Ni₃Al, но пути повышения их пластичности менее изучены.