11.2 Топологічно щільноупаковані фази (ТЩУ)

На початку 60-х р.р. минулого сторіччя Влодек та Росс в сплаві І№-100 відкрили потенційно небезпечне явище. Після експлуатації ~3,0 тис. год. Цей нікелевий сплав набував високої крихкості через утворення сполуки з високою твердістю - о-фази. Сплав І№-100 має наступний склад: № (основа) - 10,0 (А1 + Ті + Та + №Ь) - 3,0 (\¥ + Мо) - 10,0 Сг - 15,0 Со - 1,0 V.

Згодом подібний ефект був виявлений в деяких інших високолегованих сплавах. Для потрійної системи М-Бе-Сг ізотермічний переріз діаграми стану при температурі 650°С представлений на рис. 11.1.

На діаграмі №і-Сг-А1-Ті існують області, що межують з у-твердим розчином, в яких, при певних концентраціях і температурах, утворюються сполуки типу о-, ц-, г-фаз, що мають назву ТЩУ-фази. Характерною рисою цих фаз є висока твердість. ТЩУ-фази - це електронні сполуки двох або більше металів, утворення цих фаз відбувається за рахунок спільних електронів. При цьому один або більше елементів є електропозитивними: Сг, Мо, \¥ (+), інші елементи - електронегативні: №і, Со, Бе (-).

В системі Бе-Сг о-фаза утворюється при складі СгГе. В жароміцних сплавах типовим для о-фази є склад: (Сг, Мо)х (№і, Со)у, де х,у ~ 1...7, (але найчастіше х«у). ц-фаза утворюється при подібних складах, але коли домінують Мо та Со. Будова граток цих фаз є складною:

- о-фаза - об'ємноцентрована тетрагональна гратка, с/а ~ 0,52, елементарній комірці належить 30 атомів;

- ц-фаза - ромбоедрична, елементарній комірці належить 13 атомів;

- г-фаза - ромбоедрична, елементарній комірці належить 53 атоми.

Сг

 

Іпсопеї 600: 76% N1, 15,5% Сг, 8,0% Бе Кітопіс 75: 80% N1, 19,5% Сг Іпсопеї 601: 60% N1, 22% Сг, 14,1% Бе, 1,4% Аї Рисунок 11.1 - Діаграма стану Ш-Гє-Єг (ізотермічний переріз при Т = 650°С) Структури елементарних комірок о-, ц-, г-фаз характеризуються існуванням щільноупакованих шарів атомів, що розміщені на відносно великих відстанях. Во - фазі с/а «0 ,52, але площини з щільним пакуванням зміщені одна відносно одної. Руйнування досить легко відбувається за площинами найбільш щільного пакування, енергія зв'язку    між    цими    площинами    невелика.    Бітті    та Хагель охарактеризували такі сполуки як топологічно щільноупаковані.

Елементарна комірка о-фази за структурою близька до карбіду М23С6. Якщо видалити всі атому вуглецю з гратки М23С6 потрібний невеликий засув, щоб отримати о-фазу. Склад карбіду М23С6 інколи відповідає формулі: Сг21Мо2С6, тобто існують передумови для появи о-фази. Зародження о-фази відбувається на карбідах, їх гратки єізоморфними, когерентно пов'язаними. Частинки о-фази утворюються в сплавах: ВЧ-100, N-115, У-70.

Структура ц-фази близька до структури карбіду М6С, що зумовлює утворення ц-фази на карбідах типу М6С (поява ц-фази є можливою для сплавів М-252, Иепе-41).

Морфологія ТЩУ-фаз. Майже у всіх випадках в нікелевих сплавах ТЩУ-фази мають пластинчату будову, в площини шліфа мають вигляд голок. В кобальтових сплавах ТЩУ-фази можуть бути у вигляді грудкоподібних частинок, при цьому вплив на механічні властивості - незначний.

Сполуки о-, ц-фази утворюються в твердому розчині, їх ріст починається на карбідних частинках, що переважно знаходяться на межах зерен (або на межах - без карбідів). Частинки можуть розташовуватись в середині зерен, поділяючи їх на мікрооб' єми, крихке руйнування, в цьому випадку, стає можливим за тілом зерна. В деяких випадках металографічно важко розрізнити карбідні фази та ТЩУ-фази, оскільки вони мають подібну морфологію (на шліфі -світлі пластини або глобулі).

Вплив ТЩУ-фаз на механічні властивості. ТЩУ-фази найбільш сильно впливають на опір руйнуванню при зростанні температури (рис.11.2). Для сплаву ВЧ-100 при кімнатній температурі показник міцності зменшується (-Аов), при зростанні температури зміни показників Аов, Аот є незначними, проте показники пластичності знижуються в обох випадках.

Температура та час утворення фаз. Найбільш інтенсивно о-фаза утворюється в інтервалі температур 840-925°С (рис.11.3). В ливарному сплаві (ВД-100) процес утворення о-фази розпочинається раніше ніж в деформованому. Це пов'язано з великою хімічною неоднорідністю ливарного сплаву. Температура розчинення о-фаз нижче за цей показник для карбідів (Тро<Трк), що робить можливим відновлення структури та властивостей за рахунок проведення термічної обробки. При проведенні нагрівання та витримці сплаву вище температури розчинення а-фази (Тро=925-950°С) пластичність відновлюється, нагрів не повинен призводити до розчинення карбідної фази (Трк=1100°С) для збереження достатнього рівня міцності.

1 - велика кількість о-фази

2 - середня кількість о-фази

3 - мала кількість о-фази

Рисунок 11.2 - Вплив о-фази на характеристику тривалої міцності сплаву IN-100 (властивості визначені при 740-910°С після витримки 2500 год. при 840°С)

 

Час, год.

Рисунок 11.3 - Ізотермічна діаграма розпаду твердого розчину з утворенням ТЩУ-фаз в нікелевому жароміцному сплаві (1 - литий, 2 - деформовний сплав)

Механізми руйнування сплавів з ТЩУ фазами:

1. При наявності ТЩУ-фаз місце зародження тріщини та її розповсюдження пов'язано з зигзагоподібним переходом від однієї пластинки до іншої.

2. Змінюється хімічний склад твердого розчину.

Якщо з твердого розчину легувальні елементи витрачаються на утворення ТЩУ-фаз, зменшується ефективність твердорозчинного зміцнення, збільшується розчинність /-утворюючих елементів, зменшується інтенсивність дисперсійного зміцнення.

3. Зменшення розміру зерна за рахунок пластинок ТЩУ-фаз, зерно поділяється на мікрооб'єми, що є вільними від сполук.

4. Хімічна взаємодія призводить до зміни кількості легувальних елементів в у- та у'-фазах, що веде до зміни невідповідності граток між ними, внаслідок цього зменшується рівень жароміцності.

Для випадку жароміцних нікелевих сплавів найбільшу роль відіграє перший та , частково, другий механізм.