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

Новые конструкционные материалы

УДК 669.245 DOI: 10.14529/engin190403

ВЛИЯНИЕ ДОБАВОК ЦИРКОНИЯ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА АЛЮМИНИДА НИКЕЛЯ, ПОЛУЧЕННОГО МЕТОДОМ SPS

Л.И. Шевцова1, И.С. Иванчик12, Д.С. Волков1, Д.А. Немолочнов1, С.Н. Иванчик2

1 Новосибирский государственный технический университет, г. Новосибирск, Россия, 2Сибирский государственный университет водного транспорта, г. Новосибирск, Россия

Представлены результаты исследования влияния циркония на микроструктуру и механические свойства поликристаллического интерметаллического соединения Ni3Al, полученного методом электроискрового плазменного спекания порошковой смеси. Для изготовления образцов для спекания использовались смеси на основе порошков никеля, алюминия и циркония. Были подготовлены три состава с варьирующейся концентрацией циркония (0,1; 1 и 5 масс.%). В ходе металлографических исследований была установлена преимущественная однородность структуры спеченного материала. Установлено, что относительная плотность спеченных материалов всех трех составов составляет 97 %. Анализ результатов прочностных испытаний спеченных материалов свидетельствует о положительном влиянии циркония на предел прочности при изгибе алюминида никеля, при концентрации циркония в сплаве равной 1 масс.%.

Ключевые слова: интерметаллид, электроискровое плазменное спекание, механические свойства, алюминид никеля, легирование, цирконий.

Введение

Интерметаллическое соединение Ni3Al, 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 Ni3Al как отдельного самостоятельного конструкционного материала [1-6].

Известно, что введение небольшого количества бора в состав поликристаллического соединения Ni3Al 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 Ni3Al 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 Ni3Al 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

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: «Ni3Al + 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 Ni3Al 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 °С/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 х25.. .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 фрак-тографических исследований образцов после испытаний на трехточечный изгиб использовали растровый электронный микроскоп Carl Zeiss EV050 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-

Шевцова Л.И., Иванчик И.С., Влияние добавок циркония на структуру Волков Д.С. и др._и свойства алюминида никеля...

ванию материалов с повышенным комплексом прочностных свойств. Результаты дюрометриче-ских испытаний материалов, полученных 8Р8-спеканием с различным содержанием циркония, отражены в таблице.

_шШЖ

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 МэД!, легированных цирконием

Основа Процентное содержание 2г, масс.% Плотность, г/см3 Относительная плотность, % Микротвердость, МПа Предел прочности при изгибе, МПа

0,1 7,31 97 6890 ± 120 760

№3А1 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 8Р8-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 М3А1 1 % циркония.

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 «Ni3Al - 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 65506890 МПа, что соответствует уровню микротвердости Ni3Al, 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 °С/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.

Литература

1. Гринберг, Б.А. Интерметаллиды Ni3Al и TiAl: микроструктура, деформационное поведение / Б. А. Гринберг, М.А. Иванов. - Екатеринбург: УрО РАН, 2002. - 358 с.

2. Stacking fault energy, yield stress anomaly, and twinnability of Ni3Al: a first principles study / L.-L. Liu, X.-Zh. Wu, W. Rui et al. // Chin. Phys. B. - 2015. - Vol. 24. - Id. 077102.

3. Каблов, Е.Н. Материалы для высокотеплонагруженных деталей газотурбинных двигателей / Е.Н. Каблов, О.Г. Оспенникова, О.А. Базылева // Вестник Моск. гос. технич. ун-та им. Н.Э. Баумана. Машиностроение. - 2011. - № SP2. - С. 13-19.

Шевцова Л.И., Иванчик И.С., Волков Д.С. и др._

Влияние добавок циркония на структуру и свойства алюминида никеля...

4. Jozwik, P. Applications of NiAl based intermetallic alloys -current stage and potential perceptivities /P. Jozwik, W. Polkowski, Z. Bojar //Mater. - 2015. - Vol. 8. - P. 2537-2568.

5. Kumar, S.G. A novel intermetallic nickel aluminide (Ni3Al) as an alternative automotive body material /S.G. Kumar, T. Sivarao, J.S. Anand//Interl J. Eng. Technol. - 2011. - Vol. 11. - P. 208-215.

6. Takeyama, M. Effects of grain size and test temperature on ductility and fracture behavior of a B-dopedNiAl alloy / M. Takeyama, C.T. Liu //ActaMetall. - 1988. - Vol. 36. - P. 1241-1249.

7. Aoki, K. Improvement in room temperature ductility of the intermetallic compound Ni3Al by boron addition /K. Aoki, O. Izumi // J. Jpn. Inst. Metals. - 1979. - Vol. 43. - P. 358-359.

8. Microstructure and mechanical properties of Ni3Al and Ni3Al-1B alloys fabricated by SHS/HE / T. Guo, L.Y. Sheng, Y. Xie et al. //Intermetallics. - 2011. - Vol. 19, no. 2. - P. 137-142.

9. NiAl+B material obtained by mechanical activation followed by spark plasma sintering / L.I. Shevtsova, M.A. Korchagin, M.A. Esikov et al. //Mater. Today: Proc. - 2019. - Vol. 12. - pp. 120-123.

10. Microstructure and mechanical properties of spark plasma sintered nanocrystalline Ni3Al-xB (0.0<x<1.5 at.%) alloy / A. Mohammadnejad, A. Bahrami, M. Sajadi et al. //Mater. Today Comm. -2018. - Vol. 17. - P. 161-168.

11. Hyjek, P. Ductilization of Ni3Al by alloying with boron and zirconium / P. Hyjek, I. Sulima, S. Wierzbinski // Arch. Mater. Sci. Eng. - 2009. - Vol. 40, no. 2. - P. 69-74.

12. Li, D. Effect of zirconium on mechanical properties and grain boundary chemistry in NiAl alloys /D. Li, Y. Gu, J. Guo //Mat. Res. Soc. Symp. Proc. - 1995. - Vol. 364. - P. 885-890.

13. Tensile properties of Ni3Al(Zr) alloy at room temperature and the mechanism of ductility through Zr improving / Y. Li, J. Guo, L. Zhou, H. Ye // Rare Metal Mat. Eng. - 2004. - Vol. 33, no. 10. -P. 1061-1064.

14. Ball, J. Large strain deformation of Ni3Al + B: Part IV: The effect of Zr and Fe additions / J. Ball, G. Gottstein //Intermetallics. - 1995. - Vol. 3, no. 3. - P. 209-219.

15. Spark plasma sintering of metals and metal matrix nanocomposites: a review / N. Saheb, Z. Iqbal, A.S. Khalil et al. // J. Nanomater. - 2012. - P. 1-13.

16. Kwon spark plasma sintering of nanoscale (Ni+Al) powder mixture / J.S. Kim, H. Suk Choi, D. Dudina et al. // Solid State Phenomena. - 2007. - P. 35-38.

17. Meng, J. Fabrication of oxide-reinforced Ni3Al composites by mechanical alloying and spark plasma sintering / J. Meng, C. Jia, Q. He //Mater. Sci. Eng. A. - 2006. - Vol. 434. - P. 246-249.

18. Liu, D. Spark plasma sintering of nanostructured aluminum: influence of tooling material on microstructure /D. Liu, Y. Xiong, Y. Li //Metall. Mater. Trans. A. - 2012. - P. 1908-1916.

19. Dudina, D.V. Ti3SiC2-Cu composites by mechanical milling and spark plasma Sintering: possible microstructure formation scenarios / D.V. Dudina, V.I. Mali, A.G. Anisimov // Metal. Mater. Int. - 2013. -Vol. 19, no. 4. - P. 1235-1241.

20. Microstructure and mechanical properties of nickel strengthened by Y2O3 through rock-milling and spark plasma sintering / S. Ma, A. Li, S. Zhou et al. // J. Alloy. Compd. 2018. - Vol. 750. - P. 911-916.

Шевцова Лилия Ивановна, кандидат технических наук, Новосибирский государственный технический университет, г. Новосибирск, edeliya2010@mail.ru.

Иванчик Илья Сергеевич, учебный мастер, Новосибирский государственный технический университет, г. Новосибирск; Сибирский государственный университет водного транспорта, г. Новосибирск, ivan_ilija@ngs.ru.

Волков Дмитрий Сергеевич, аспирант, Новосибирский государственный технический университет, г. Новосибирск, astrul@mail.ru.

Немолочнов Данил Андреевич, студент, Новосибирский государственный технический университет, г. Новосибирск, drakon13chik@mail.ru.

Иванчик Сергей Николаевич, старший преподаватель, Сибирский государственный университет водного транспорта, г. Новосибирск, ivan_ilija@ngs.ru.

Поступила в редакцию 8 ноября 2019 г.

DOI: 10.14529/engin190403

THE INFLUENCE OF ZIRCONIUM ADDITIVES

ON THE STRUCTURE AND PROPERTIES OF NICKEL ALUMINIDE,

OBTAINED BY THE SPS METHOD

L.I. Shevtsova1, edeliya2010@mail.ru, I.S. Ivanchik1'2, ivan_ilija@ngs.ru, D.S. Volkov1, astrul@mail.ru, D.A. Nemolochnov1, drakon13chik@mail.ru, S.N. Ivanchik2, ivan_ilija@ngs.ru

1Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation, 2Siberian State University of Water Transport, Novosibirsk, Russian Federation

This article presents the results of a study of the effect of the zirconium content on the structure and mechanical properties of the polycrystalline intermetallic compound Ni3Al obtained by spark plasma sintering of a powder mixture. The mixtures based on nickel, aluminum, and zirconium powders were used for the manufacture of samples for sintering. Three compositions were prepared with varying zirconium concentrations (0.1 wt.%, 1 wt.% and 5 wt.%). It was found that the relative density of sintered materials of all three compositions is 97%. The predominant homogeneity of the structure of sintered material was established during metallographic studies. An analysis of the results of strength tests of sintered materials indicates a positive effect of zirconium on the bending strength of the nickel aluminide, with a concentration of zirconium in the alloy equal to 1 wt.%.

Keywords: intermetallic, spark plasma sintering, mechanical properties, nickel aluminide, alloying, zirconium.

References

1. Grinberg B.A., Ivanov M.A. Intermetallidy NiAl i TiAl: mikrostruktura, deformatsionnoye pove-deniye [Intermetallic Compounds Ni3Al and TiAl: Microstructure, Deformation Behavior]. Ekaterinburg: Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, 2002. 358 p.

2. Liu L.-L., Wu X.-Zh., Rui W., Li W.-G., Liu Q. Stacking Fault Energy, Yield Stress Anomaly, and Twinnability of Ni3Al: a First Principles Study. Chin. Phys. B, 2015, vol. 24, id. 077102.

3. Kablov E.N., Ospennikova O.G., Bazyleva O.A. [Materials for High-Loaded Parts of Gas Turbine Engines]. Bulletin of the Moscow State Technical University named after N.E. Bauman. Engineering, 2011, no. SP2, pp. 13-19.

4. Jozwik P., Polkowski W., Bojar Z. Applications of Ni3Al Based Intermetallic Alloys -Current Stage and Potential Perceptivities. Mater, 2015, vol. 8, pp. 2537-2568.

5. Kumar S.G., Sivarao T., Anand J.S. A Novel Intermetallic Nickel Aluminide (Ni3Al) as an Alternative Automotive Body Material. Interl J. Eng. Technol, 2011, vol. 11, pp. 208-215.

6. Takeyama M., Liu C.T. Effects of Grain Size and Test Temperature on Ductility and Fracture Behavior of a B-doped Ni3Al Alloy. Acta Metall, 1988, vol. 36, pp. 1241-1249.

7. Aoki K., Izumi O. Improvement in Room Temperature Ductility of the Intermetallic Compound Ni3Al by Boron Addition. J. Jpn. Inst. Metals, 1979, vol. 43, pp. 358-359.

8. Guo T., Sheng L.Y., Xie Y., Zhang Z.X., Ovcharenko V.E., and etc. Microstructure and Mechanical Properties of Ni3Al and Ni3Al-1B Alloys Fabricated by SHS/HE. Intermetallics, 2011, vol. 19, no.2,pp.137-142.

9. Shevtsova L.I., Korchagin M.A., Esikov M.A. Lozhkina E.A., Lozhkin V.S, and etc. Ni3Al+B material Obtained by Mechanical Activation Followed by Spark Plasma Sintering. Mater. Today: Proc, 2019, vol. 12, pp. 120-123.

10. Mohammadnejad A., Bahrami A., Sajadi M., Karimi P., Fozveh H., and etc. Microstructure and Mechanical Properties of Spark Plasma Sintered Nanocrystalline Ni3Al-xB (0.0<x<1.5 at.%) Alloy. Mater. Today Comm, 2018, vol. 17, pp. 161-168.

Шевцова Л.И., Иванчик И.С., Волков Д.С. и др.

Влияние добавок циркония на структуру и свойства алюминида никеля...

11. Hyjek P., Sulima I., Wierzbinski S. Ductilization of Ni3Al by Alloying with Boron and Zirconium. Arch. Mater. Sci. Eng, 2009, vol. 40, no. 2, pp. 69-74.

12. Li D., Gu Y., Guo J. Effect of Zirconium on Mechanical Properties and Grain Boundary Chemistry in Ni3Al Alloys. Mat. Res. Soc. Symp. Proc, 1995, vol. 364, pp. 885-890.

13. Li Y., Guo J., Zhou L., Ye H. Tensile Properties of Ni3Al(Zr) Alloy at Room Temperature and the Mechanism of Ductility Through Zr Improving. Rare Metal Mat. Eng, 2004, vol. 33, no. 10, pp.1061-1064.

14. Ball J., Gottstein G. Large Strain Deformation of Ni3Al + B: Part IV: The Effect of Zr and Fe Additions. Intermetallics, 1995, vol. 3, no. 3, pp. 209-219.

15. Saheb N., Iqbal Z., Khalil A.S., Hakeem A.S., Aqeeli N., and etc. Spark Plasma Sintering of Metals and Metal Matrix Nanocomposites: a Review. J. Nanomater, 2012, pp. 1-13.

16. Kim J.S., Suk Choi H., Dudina D., Lee J.K., Soon Y. Kwon Spark Plasma Sintering of Nano-scale (Ni+Al) Powder Mixture. Solid State Phenomena, 2007, pp. 35-38.

17. Meng J., Jia C., He Q. Fabrication of Oxide-Reinforced Ni3Al Composites by Mechanical Alloying and Spark Plasma Sintering. Mater. Sci. Eng. A, 2006, vol. 434, pp. 246-249.

18. Liu D., Xiong Y., Li Y. Spark Plasma Sintering of Nanostructured Aluminum: Influence of Tooling Material on Microstructure. Metall. Mater. Trans. A, 2012, pp. 1908-1916.

19. Dudina D.V., Mali V.I., Anisimov A.G. Ti3SiC2-Cu Composites by Mechanical Milling and Spark Plasma Sintering: Possible Microstructure Formation Scenarios. Metal. Mater. Int, 2013, vol. 19, no 4, pp. 1235-1241.

20. Ma S., Li A., Zhou S., Yang Y., Liu M., Wang S. Microstructure and Mechanical Properties of Nickel Strengthened by Y2O3 Through Rock-Milling and Spark Plasma Sintering. J. Alloy. Compd, 2018, vol. 750, pp. 911-916.

Received 8 November 2019

ОБРАЗЕЦ ЦИТИРОВАНИЯ

FOR CITATION

Влияние добавок циркония на структуру и свойства алюминида никеля, полученного методом SPS / Л.И. Шевцова, И.С. Иванчик, Д.С. Волков и др. // Вестник ЮУрГУ. Серия «Машиностроение». - 2019. -Т. 19, № 4. - С. 21-27. DOI: 10.14529/engin190403

Shevtsova L.I., Ivanchik I.S., Volkov D.S., Nemo-lochnov D.A., Ivanchik S.N. The Influence of Zirconium Additives on the Structure and Properties of Nickel Aluminide, Obtained by the SPS Method. Bulletin of the South Ural State University. Ser. Mechanical Engineering Industry, 2019, vol. 19, no. 4, pp. 21-27. (in Russ.) DOI: 10.14529/engin190403