Влияние добавок циркония на структуру и свойства алюминида никеля, полученного методом SPS

Интерметаллическое соединение Ni 3 Al, имеющее упорядоченную кристаллическую структуру L1₂, представляет собой перспективный высокотемпературный конструкционный материал, обладающий повышенным комплексом физико-механических свойств, таких как: жаропрочность, жаростойкость, аномальная температурная зависимость предела текучести, достаточно высокая температура плавления (1385 °C), сравнительно невысокая плотность (7,5 г/см³) и т. д. В то же время, для поликристаллического соединения Ni₃Al свойственно малое сопротивление ползучести при повышенных температурах и нулевая пластичность при комнатной температуре. Вышеперечисленные недостатки существенно ограничивают применение Ni 3 Al как отдельного самостоятельного конструкционного материала [1–6].

Известно, что введение небольшого количества бора в состав поликристаллического соединения Ni 3 Al с высокой концентрацией никеля в значительной степени увеличивает пластичность в условиях окружающей среды. Тем не менее, легированные бором сплавы на основе Ni₃Al имеют тенденцию к горячеломкости (т. е. к понижению пластичности в температурном диапазоне 500–850 °С) [1, 7–11].

Анализ результатов научных исследований показал, что цирконий может улучшить как пластичность, так и сопротивление ползучести поликристаллического интерметаллида Ni₃Al, без добавления бора [11–14]. В работе [11] авторы установили, что для бинарного соединения Ni 3 Al характерным является наличие слабой границы зерен. На основе данных, полученных при проведении механических испытаний, исследователями был сделан вывод о том, что повышение свойств алюминида никеля за счет легирования цирконием базируется на следующих этапах: укрепление границ зерен, формирование ловушек водорода, а также увеличение связи и прочности между атомами.

В работе [12] на основе полученных данных о результатах механических испытаний определено, что предел текучести при комнатной температуре Ni 3 Al повышается при увеличении количества Zr до 0,7 (ат.) %, а при дальнейшем увеличении содержания циркония до 1,2 (ат.) % влияние на пластичность сплава Ni₃Al снижается. Характер излома изменяется с преимущественно

Новые конструкционные материалы интеркристаллитного на смешанный (транскристаллитный и интеркристаллитный). Эти результаты показывают, что основная роль циркония может заключаться в повышении когезии на границах зерен.

С целью формирования материалов с особыми свойствами в последние десятилетия применяют современный способ спекания под давлением – электроискровое плазменное спекание (SPS). Принцип метода электроискрового плазменного спекания заключается в кратковременном нагреве порошкового материала с высокой скоростью (до 2500 °С/мин). Высокие скорости нагрева позволяют сократить длительность процесса спекания и ограничить рост частиц порошка в процессе консолидации. Использование данного метода позволяет получать материалы, в том числе интерметаллиды, с плотностями, близкими к теоретическому значению, и размеру зерен, близкому к размеру зерен частиц исходного порошка. Этому способствует сокращение длительности самого процесса спекания, а также возможность точного контроля и управления параметрами спекания: температурой спекания, временем изотермической выдержки, скоростью нагрева, давлением и т. д. [3, 9, 10, 15–20].

Материалы и методы исследования

В качестве исходных материалов были использованы порошки никеля, алюминия и циркония. Для спекания были подготовлены смеси следующих составов: «Ni 3 Al + 0,1 масс. % Zr»; «Ni₃Al + 1 масс. % Zr» и «Ni₃Al + 5 масс. % Zr». Смеси предварительно подвергались трехминутной механической активации (МА) в планетарной шаровой мельнице АГО-2 с центробежным ускорением шаров равным 400 м/с² (40 g). Диаметр мелющих шаров составлял 8 мм, масса шаров в каждом барабане была равной 200 г. Формирование монофазного соединения Ni 3 Al осуществляли в процессе самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС).

Электроискровое плазменное спекание полученных механокомпозитов проводилось на установке Labox-1575 (Япония). Исходную порошковую смесь засыпали в токопроводящую пресс-форму с внутренним диаметром 30 мм. Максимальная температура нагрева порошка, время выдержки, давление прессования и скорость нагрева были постоянными и составляли 1100 °C, 5 мин, 40 МПа и 100 °C/мин соответственно. Обоснование выбора режимов спекания представлено в работах [9, 10].

Для проведения металлографических исследований образцы были предварительно подготовлены по стандартной технологии. Заготовки вырезались на электроэрозионном станке Sodick AG400L. Операции шлифования исследуемой поверхности выполнялись с использованием абразивной бумаги и дальнейшего полирования. Для проведения металлографических исследований был использован оптический микроскоп Axio Observer Alm с объективами в диапазоне ×25…1500. Съемка изображений осуществлялась камерой AxioCamMRc5.

Дюрометрические испытания образцов проводили по методу Виккерса на полуавтоматическом микротвердомере Wolpert Group 402MVD с алмазной пирамидой (136° при вершине) в качестве индентора. На один образец наносилось не менее 15 отпечатков для определения среднего значения микротвердости.

Испытания на трехточечный изгиб проводили на установке Instron 3369. Для проведения испытания использовали образцы размерами 3×4×30 мм3, которые были вырезаны на установке электроэрозионной резки SodickAG400L. Механические испытания были проведены при комнатной температуре, скорость перемещения траверсы составляла 0,5 мм/мин. Для проведения фрактографических исследований образцов после испытаний на трехточечный изгиб использовали растровый электронный микроскоп Carl Zeiss EVO50 в диапазоне увеличения ×50…30 000.

Результаты исследований

По снимкам, полученным в результате металлографических исследований в режиме светлого поля, можно судить о том, что структура материалов на основе алюминида никеля, полученных по технологии электроискрового плазменного спекания с добавлением циркония, преимущественно однородна как в продольном, так и в поперечном сечении (рис. 1).

Установлено, что относительная плотность спеченных материалов всех трех составов составляет 97 %. Оставшееся пространство представлено незначительным количеством пор. Предполагается, что повышенное значение относительной плотности будет способствовать формиро- ванию материалов с повышенным комплексом прочностных свойств. Результаты дюрометрических испытаний материалов, полученных SPS-спеканием с различным содержанием циркония, отражены в таблице.

1 100 мкм ।

в)

Рис. 1. Структура спеченного материала на основе алюминида никеля, зафиксированная на оптическом микроскопе, с добавлением 0,1 (а), 1 (б) и 5 (в) масс.% циркония

Плотность, относительная плотность и прочностные характеристики материалов на основе Ni 3 Al, легированных цирконием

Основа	Процентное содержание Zr, масс.%	Плотность, г/см3	Относительная плотность, %	Микротвердость, МПа	Предел прочности при изгибе, МПа
Ni 3 Al	0,1	7,31	97	6890 ± 120	760
	1	7,26	97	6550 ± 220	930
	5	7,21	96	6670 ± 180	850

Анализ результатов дюрометрических исследований свидетельствует о том, что экспериментальные данные исследуемых образцов существенно не отличаются друг от друга и составляют 6550–6890 МПа. Эти значения находятся на уровне микротвердости спеченного алюминида никеля [9]. Результаты испытаний на трехточечный изгиб показали, что наибольшей прочностью при изгибе (960 МПа) обладает материал с содержанием 1 масс.% циркония, полученный SPS-спеканием. При дальнейшем увеличении до 5 масс.% циркония предел прочности материала снижается до 850 МПа.

Снимки изломов спеченных материалов с различным содержанием циркония после испытаний на трехточечный изгиб представлены на рис. 2. Анализ поверхности разрушения свидетельствует о том, что при добавлении 0,1 % и 5 % циркония наблюдается интеркристаллитное разрушение материала. При добавлении в алюминид никеля 1 % циркония характер излома спеченного материала изменяется с интеркристаллитного на смешанный (транскристаллитный и интеркри-сталлитный). Смена характера разрушения объясняет повышенное значение прочности при изгибе при добавлении к интерметаллиду Ni 3 Al 1 % циркония.

Новые конструкционные материалы

а)                                                       б)

в)

Рис. 2. Изломы образцов из алюминида никеля, полученного спеканием методом SPS с различным содержанием циркония, после испытаний на трехточечный изгиб: а – 0,1 масс.%, б – 1 масс.% и в – 5 масс.%

Выводы

Анализ материалов состава «Ni 3 Al – Zr» с содержанием 0,1; 1 и 5 масс.% циркония, полученных с использованием технологии электроискрового плазменного спекания показал:

• 1)    структура спеченных материалов преимущественно однородная;

• 2)    относительная плотность спеченных материалов всех составов составляет ~ 97 %, оставшееся пространство представлено незначительным количеством пор;

• 3)    микротвердость в зависимости от содержания циркония находится в диапазоне 6550– 6890 МПа, что соответствует уровню микротвердости Ni 3 Al, полученному методом электроискрового плазменного спекания;

• 4)    максимальное значение предела прочности при изгибе, равное 960 МПа, зафиксировано для спеченного алюминида никеля с 1 масс.% циркония.

Таким образом, для формирования спеченных заготовок из алюминида никеля с повышенными прочностными свойствами при следующих режимах спекания: температура спекания 1100 °C, средняя скорость нагрева 100 °C/мин, давление прессования и время выдержки 40 МПа и 5 мин соответственно, целесообразно добавлять 1 масс.% циркония.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 18-33-00436.