11.3 Розрахунки ймовірності утворення ТЩУ-фаз (система РНАСОМР)

Для прогнозування та контролю виділення ТЩУ-фаз в нікелевих сплавах застосовують систему РНАСОМР (фазові розрахунки). Розрахунки базуються на теорії електронних дірок (вакансій).

Для розрахунків важливим є припущення, що ТЩУ-фази утворюються з у-твердого розчину, коли всі можливі фази: карбіди, бориди, інтерметаліди виділилися. Визначаючи склад твердого розчину, можна розрахувати кількість електронних вакансій в у-фазі, з урахуванням кількості вакансій, що вносить кожний елемент та його атомної концентрації. Кількість вакансій елемента може бути визначена, приблизно, за формулою Шу. =10,66 - п, де п - кількість

електронів на сі-рівні елементу, або з табл.11.1.

Розрахунок проводиться за формулою

Ш = 2 (сі • )

і

де  Шу - середня кількість електронних вакансій в матриці сплаву;

с. - атомна частка кожного елементу; Шу. - кількість вакансій і-го елементу;

п - кількість елементів, що присутні в матриці. Якщо Шу розраховано, для уникнення можливості утворення ТЩУ-фаз необхідно, щоб виконувалося умова Шу < Шу кри^

Значення Му крит. встановлено у системах Сг-Со-Бе, Сг-Со-Мо, Сг-№-Мо.

В залежності від легування Му крит , що відповідає появі о-фази, коливається від 2,5 до 3,4.

Таблиця 11.1 - Кількість е вакансій перехідніх елементів

 

Період

Група

У!А

УНА

УША

I довгий

Сг 4,66

Мп 3,66

Ге 2,22

Со

1,71

мі

0,61

II довгий

Мо 4,66

Те 3,66

Яи 2,66

Як

1,66

Рй 0,66

III довгий

\¥ 4,66

Яе 3,66

2,66

Іг

1,66

Рі 0,66

Система РНАСОМР. Застосування РНАСОМР передбачає такі вихідні положення:

1) всі фази, що є можливими в сплаві утворилися і сплав близький до термодинамічної рівноваги;

2) ТЩУ-фаза утворюється з у-твердого розчину;

3) концентрація вакансій лінійно залежить від хімічного складу та не залежить від температури.

Розрахунки РНАСОМР передбачають два етапи:

1 - визначається хімічний склад вторинних фаз (карбіди, нітриди, у'-фаза); відніманням від загального складу сплава визначають хімічний склад твердого розчину (у-фази);

2 - спираючись на отримані концентрації легувальних елементів в твердому розчині, розраховують середню кількість вакансій Му в

матриці: Му = ^ (с. • Му.).

і

Послідовність розрахунку:

1. Склад сплаву переводять в атомні відсотки.

2. Розраховують хімічний склад вторинних фаз, вважаючи:

а) половина вуглецю (1/2С) втрачається на утворення карбідів типу: ТаС, ТіС, №>С, 7гС, УС;

б) залишок вуглецю (1/2С) утворює карбід Сг23С6 або Сг21(Мо,\У)2С6,    якщо    присутні    Мо    та    \¥.    При вмісті

 [W] + 1/2[Mo] ~ 6% (масові) замість Ме2зС6 утворюється карбід типу МбС: (NiCo2Mo3)C;

в) розраховують кількість атомів, що приймають участь в

утворенні боридів: (МОо,5ТІо,15СГо,25№о,і)зВ2;

г) розраховують кількість атомів, що витрачаються на утворення Y'-фази. Сума [Al], [ТІ], [Nb], що лишилась після утворення карбідів, разом із хромом [Сг], кількість якого складає 3% від початкового вмісту в сплаві (ат. %), та потрійна кількість [Ni] формує у'-фазу (Ni3(Al,Ti,Nb,Cr)). При недостатньому вмісті нікелю в сплаві утворюється суміш фаз (Y+P) Ni3(Al,Ti,Nb,Cr) + Ni(Al,Nb,Ti,Cr).

3. Кількість елементів, що витрачені на формування вторинних фаз, віднімають від загального складу сплаву. Залишок легувальних елементів разом із нікелем є складом матриці (у-твердого розчину), сумарний вміст цих елементів приймається за 100%. Розраховують новий склад матриці, визначаючи яку частину в матриці складає кожний з елементів.

4. Розраховують кількість електронних вакансій за формулою

Nv = 2 (ci • Nvi)

i

де  Nv - середня кількість електронних вакансій в матриці сплаву;

Сі - атомна частка кожного елементу; Nv. - кількість вакансій i-го елементу;

n - кількість елементів, що присутні в матриці.

5. Отримане значення Nv критично оцінюють. Вважають, що при Nv >2,45-2,5 сплав схильний до утворення о-(ц-)фаз. Якщо Nv <2,45 - вважають, що в сплаві ТЩУ-фази не утворюються. Значення критичного рівня для певних сплавів уточнюють. Для сплавів ЧС-70ВИ та ЗМИ-3 критичне значення Nv крит=2,56, тобто поява небезпечних сполук відбувається лише за умови перевищення цього граничного значення. Сплави Udimet 700, Udimet 500, N-115 вважаються о-небезпечними. Сплави Rene 41, М252 — ц-небезпечні.

Система PHACOMP дозволяє визначати припустимі межі легування при створенні нових сплавів та сплавів, які експлуатуються.