ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРОВАНИЯ ЛАНТАНОМ НА ФАЗОВЫЙ СОСТАВ

ISSN 1810-0198. Вестник ТГУ, т.18, вып.4, 2013
УДК 539.3
ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРОВАНИЯ ЛАНТАНОМ НА ФАЗОВЫЙ СОСТАВ СУПЕРСПЛАВА
НА ОСНОВЕ Ni-Al-Cr
 Э.В. Козлов, Е.Л. Никоненко, Н.А. Попова, Н.А. Конева
Ключевые слова: суперсплав; лантан; фаза; фазообразование.
Методом просвечивающей дифракционной электронной микроскопии проведено изучение тонкой структуры и
фазового состава суперсплава на основе Ni-Al-Cr, легированного лантаном в количестве 0,1 вес. %. Установлено, что в сплаве присутствует пять фаз: -, -, 2-, Al2La и Ni3La. С увеличением продолжительности отжига
-фаза исчезает.
Задачей исследования являлось изучение структуры сплава на основе Ni-Al-Cr, легированного La в количестве 0,1 вес. %. Помимо основных элементов (Ni,
Al, Cr), в сплаве присутствовали Mo, Ti, W, Si, Fe, P, S,
Sn, Sb, Pb, Bi. Их суммарное количество составляло 6
вес. %. Состояние сплава, исследованного в данной
работе, представлено в табл. 1. Подчеркнем, что настоящая работа посвящена фазовым превращениям при
температуре 1000 C.
Исследование фазового состава позволило установить,
что в образцах сплава присутствует пять фаз (табл. 1).
Это основные фазы ( и ) и вторичные (2-фаза, лантаниды Al2La и Ni3La2), которые выделяются в -фазе.
Частицы -фазы наблюдаются в двух структурных составляющих I, II, отличающихся по размеру [3].
Таблица 1
Фазовый состав и объемная доля фаз ( %)
(НК – направленная кристаллизация)
Объемная доля каждой
Термообработка
из наблюдаемых фаз, % (±0,001 %)
сплава
Al2La Ni3La2
2


НК
0,924 0,076 нет
нет
нет
НК + отжиг
0,967 0,028 0,003 0,0013 0,0007
1000 С, 10 ч
НК + отжиг
0,993 нет 0,005 0,0001 0,0019
1000 С, 25 ч
Объемные доли вторичных фаз изменяются с продолжительностью отжига. Кроме -фазы все присутствующие в сплаве фазы обладают совершенным или
несовершенным дальним атомным порядком. Лантаниды Al2La и Ni3La2 (Ni1.5La) присутствуют в состояниях
сплава только после отжига. С увеличением продолжительности отжига -фаза исчезает, а объемные доли 2фазы и лантанида Ni3La2 увеличиваются. При этом и
кристаллографическая, и морфологическая структура
этих фаз, как показали исследования, не изменяются.
Изображения вторичных фаз приведены на рис. 1. Как
правило, частицы лантанидов локализованы в отдельных участках сплава, нередко соседствуя с 2-фазой
(рис. 1). Частицы фаз Al2La, Ni3La2 имеют нанометрический размер (табл. 2).
37 3
22 4
15 5
131
Т.п. в [ 22 4 ] Al2La
(534)Al2La2
1 44
04 1
142
( 12. 1 .4 )La Ni
2
3
0.5 мкм
Т.п. в [ 04 1 ] La2Ni3
3 12
6 40
3 32
( 463 )2-фаза
02 4
Рис. 1. Участок структуры сплава, содержащий смесь лантанидов алюминия и никеля и 2-фазы. На темнопольных изображениях (Т.п.) указаны рефлексы, в которых они получены,
на индицированных микродифракционных картинах  плоскости вторичных фаз
Как отмечалось, в сплаве после отжига присутствует 2-фаза. Для этой фазы характерна повышенная по
сравнению со средним составом сплава концентрация
химических элементов с ОЦК кристаллической решеткой, а именно: Cr, W, Mo и Fe, а также наличие Ni, Ti,
Zr и Si. Анализ диаграмм равновесия [1, 2] показал, что
многокомпонентная фаза 2 обладает дальним атомным порядком и большим объемом элементарной
ячейки. Общего названия этой фазы в литературе пока
нет. Характерный вид частиц 2-фазы можно видеть на
рис. 1. В отличие от лантанидов Al2La и Ni3La2, присутствующих в исследуемом сплаве, 2-фаза не имеет
четкой кристаллографической огранки.
1527
ISSN 1810-0198. Вестник ТГУ, т.18, вып.4, 2013
Таблица 2
Средние размеры частиц фаз (d) (±10 нм)
Термообработка
сплава
НК
НК + отжиг 1000 С, 10 ч
НК + отжиг 1000 С, 25 ч
Средние размеры частиц
фаз (d)
Al2La
Ni3La2
d, нм
d, нм
160400
тельности отжига. Хотя этот эффект небольшой, но он
четко присутствует. Это означает, что, прежде всего,
процессом управляют фазовые превращения  → 2
при слабом морфологическом контроле формирующихся частиц лантанидов.
d, нм
120
6001000
100
80
Обратим внимание на то, что из пяти присутствующих фаз четыре фазы являются кубическими и
одна орторомбическая (табл. 3). Это свидетельствует о
стремлении фазового состава к высокой симметрии. Из
кубических фаз три фазы (,  и Al2La) обладают ГЦК
кристаллическими решетками, 2-фаза  ОЦК кристаллической решеткой.
Таблица 3
Структурные параметры фаз, присутствующих в сплаве
№
1
2
3
4
5
Тип
фазы


2
Al2La
Ni3La2
Тип кристаллической решетки
кубическая
кубическая
кубическая
кубическая
орторомбическая
60
40
20
0
0
10
   ,%
Пространственная группа
Pm3m
Fm3m
I 4 3m
Fd3m
Cmca
I
8
6
4
2
0
0
10
20
30
t, часы
Рис. 4. Изменение объемной доли I-фазы от продолжительности отжига t
8
6
4
2
0
20
10
t, часы
30
Рис. 2. Изменение объемной доли -фазы от продолжительности отжига
Установлено, что объемная доля -фазы уменьшается с увеличением продолжительности отжига. Соответствующие данные представлены на рис. 2. После
отжига в течение 25 ч -фаза в структуре сплава вообще не наблюдается. Рассмотрим более детально, как
происходит исчезновение -фазы при отжиге сплава. О
постепенном исчезновении -фазы свидетельствует
рис. 3. На нем представлена зависимость средней ширины прослоек -фазы в зависимости от продолжительности отжига при температуре 1000 С. Хорошо
видно, что при отжиге в течение 25 ч прослоек -фазы в
сплаве не остается. Параллельно с уменьшением объемной доли -фазы идет нарастание содержания 2фазы и изменение морфологии (+II) – смеси [3, 4]. На
этот процесс оказывает влияние структура лантанидов.
Морфологическая структура лантанидов оказывает
влияние и на морфологию -фазы. Была рассмотрена
зависимость объемной доли I-фазы от продолжительности отжига при температуре 1000 ºС. Эта зависимость приведена на рис. 4. Видно, что объемная доля
I-фазы несколько убывает с увеличением продолжи1528
30
Рис. 3. Изменение ширины прослоек -фазы (d) в зависимости
от продолжительности отжига (t)
, %
0
20
t, часы
Таким образом, введение La в сплав приводит к нескольким процессам: 1) исчезновению -фазы; 2) появлению лантанидов; 3) уменьшению объемной доли γIфазы; 4) основной структурной составляющей в сплаве
является II-фаза [3]. Лантаниды (Al2La, Ni3La2) и 2фаза способствуют образованию микротрещин тем
самым разупрочняют сплав.
ЛИТЕРАТУРА
1.
2.
3.
4.
Диаграммы состояния двойных металлических систем / под ред.
Н.П. Лякишева. М.: Машиностроение, 1996. Т. 1. 991 с.
Козлов Э.В.,. Клопотов А.А., Федорищева М.В., Никоненко Е.Л.
Особенности строения тройных диаграмм состояния систем на основе Ni-Al // Изв. РАН. Серия физическая. 2011. Т. 75. № 8.
С. 1161-1164.
Конева Н.А., Никоненко Е.Л., Попова Н.А. Масштабные эффекты в
структуре современных суперсплавов. Роль наночастиц // Изв.
РАН. Серия физическая. 2008. Т. 72. № 8. С. 1094-1097.
Козлов Э.В., Попова Н.А., Никоненко Е.Л. Состояние -фазы в
сложнолегированном сплаве на основе Ni-Al после направленной
кристаллизации и отжига // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2005. Т. 2. № 1. С. 35-38.
Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.
Kozlov E.V., Nikonenko E.L., Popova N.A., Koneva N.A.
EFFECT OF ALLOYING BY LANTAN ON PHASE COMPOSITION SUPER-ALLOYS BASED ON Ni-Al-Cr
The study of a structure and phase composition of the superalloy on Ni-Al-Cr doped by La in quantity of 0,1 weig % is carried
out by the TEM method. It is determined that in the superalloy
there are five phases: , , 2, Al2La, and Ni3La2.
Key words: super alloy; lanthanum; phase formation; phase.