Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.
Никель-алюминиевые материалы являются перспективными для изготовления деталей энергетических установок и двигателей различного назначения, работающих при высоких температурах и в агрессивных средах. Были синтезированы сплавы системы NiAl–Cr–Mo–Co путем искрового плазменного спекания порошков, смешение которых осуществляли в стальных стаканах со стальными мелющими телами в шаровой вибрационной мельнице. Для получения композитных составов смешивали порошки NiAl, а также Мо, Cr, Co в эквиатомных концентрациях.
Для прогнозирования фазовой эволюции в новых сплавах было проведено термодинамическое моделирование с использованием программного пакета Terra®, подробные сведения о преимуществах которого были описаны в [1].
Данные по энтальпии образования и теплоемкости ряда интерметаллидов и различных фаз были взяты из ряда проверенных источников [2-23]
В виду недостатка исследований и значений изменения термодинамических свойств по известным методикам были рассчитаны стандартная энтропия, стандартная энтальпия, коэффициенты для полинома теплоемкости [24-30].
Для расчета равновесного состава системы NiAl–Cr–Mo–Co использовали Terra® software (v. 6.2 by Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia), которая ранее успешно применялась для описания различных многокомпонентных систем сплавов и композиционных материалов, в том числе содержащих переходные металлы и неметаллические включения [1, 34, 35].
Расчеты равновесного состава материала в интервале температуры 873...1473 К, при давлении 0,01 МПа показали, что помимо твердых растворов со структурой FCC и BCC из основных элементов, в системе могут образовываться интерметаллические фазы и ТПУ-фазы. Такой подход к расчету принят для рассмотрения процессов, происходящих в неравновесных условиях при SPS спекании механоактивированных компонентов. В расчетах учитывали примесные концентрации C и О. Термодинамические расчеты позволяют определить устойчивость тех или иных фаз в сплавах с широкими и узкими областями гомогенности, в том числе и сопровождающиеся образованием интерметаллидов.
На рис. 1 показаны результаты термодинамического моделирования с использованием программы Terra® для взаимодействия компонентов следующего состава, моли: (NiAl – 0,6) + (Cr – 0,3) + (Mo – 0,3) + (Co – 0,3) + (C – 0,01) + (O – 0,01) при «замороженной» концентрации продукта NiAl на уровне 4 моль/кг. «Заморозка» связана с тем, что основной («первой») устойчивой фазой в материале является именно NiAl или раствор на его основе с небольшим количеством, растворенных веществ. «Вторую» фазу формируют легирующие элементы, превращения которых и взаимодействие с «первой» фазой, влияют на ее конечный состав. При повышенной температуре в окрестности точки температуры спекания (1170 °С) основными фазами, судя по результатам термодинамического моделирования, являются помимо «замороженного» NiAl, твердые растворы BCC-CoCr(ss) и FCC-NiCo(ss), а также плотноупакованная фаза TCP-CrMo. Присутствует карбид молибдена Mo2C, количество которого растет, карбид (Cr23C6), количество которого падает с повышением температуры, и оксиды алюминия и хрома. Следует отметить, что согласно [36], в который было проведено моделирование псевдобинарной диаграммы (Co, Cr, Fe, Ni)–Moх при 600...1500 °С, согласно которой с повышением количества молибдена (х) от 0,5 до 1 в системе в интервале от 600 до 1070 °С существует три фазы FCC+μ+s (s — sigma).
На рис. 2 показана при различном увеличении микроструктура сплава с малой добавкой наночастиц оксида циркония. Вытянутые клиновидные области (см. рис. 2, а, б) обогащены с одной стороны кобальтом, кобальтом и молибденом, с другой — молибденом, а также содержат другие элементы матрицы с вкраплениями никель-алюминиевых частиц.
Такая сегрегация обусловлена особенностями смешения порошков различных фракций, в особенности в присутствие наночастиц. С одной стороны, если один из компонентов очень мелкий, а другой сравнительно большой, было высказано предположение, что мелкие частицы могут покрывать поверхность крупных частиц. Таким образом, расслоение не произойдет, и можно будет получить смесь, которая будет более гомогенной, чем случайная смесь [37, 38]. И мы имеем в образце гомогенные участки. Однако при наличии поверхностно-активных наноразмерных частиц, происходит их объединение с частицами матрицы, имеющими большую поверхностную энергию, чем другие более крупные частицы матрицы. Сила адгезии наноразмерных частиц на 16 порядков меньше, чем частиц диаметром 10 мкм. Однако относительная сила адгезии с учетом объема для наночастиц на 13 порядков выше, чем для ненаноразмерных. Таким образом, за счет размерного эффекта относительная сила адгезии наночастиц значительна и определяется дополнительным избытком поверхностной энергии [39]. Соответственно, в образце существуют области с, градиентно-распределенными по размеру частицами. В [40, 41] было показано на системах алюминиевых сплавов, что их упрочнение нерастворимыми наночастицами приводит к формированию вытянутых эллипсоидных областей за счет сегрегации наночастиц, которые препятствуют в этой области росту зерен матрицы. В настоящей работе похожий эффект интересен тем, что с помощью добавок наночастиц ввиду их высокой поверхностной энергии и склонности к слипанию с мелкими частицами компонентов матрицы, а именно никель-алюминия, хрома, молибдена и кобальта, происходит формирование таких сегрегаций. Высота таких «клиньев» составляет от десятков до нескольких сотен микрометров, а ширина в несколько десятков микрометров.
В результате исследования выдвинута гипотеза о неравновесном механизме формирования концентрационно- и размерно-градиентных структур в порошковом спеченном сплаве на основе системы NiAl–Cr–Mo–Co, модифицированном малым количеством наночастиц оксида циркония, имеющем следующую стадийность:
