УДК: 539.5

ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НОВОГО МЕХАНИЧЕСКИ ЛЕГИРОВАННОГО НАНОСТРУКТУРНОГО СУПЕРСПЛАВА INCONEL МА758

PHYSICO-MECHANICAL PROPERTIES OF THE NEW MECHANICAL ALLOYED NANOSTRUCTURED SUPERALLOY INCONEL MA758

Ю.А. Семеренко, к. ф.-м. н. (ФТИНТ им. Б.И. Веркина НАНУ, Харьков, Украина)

К.А. Ющенко, д. т. н. (Институт электросварки им. Е.О. Патона НАНУ, Киев, Украина)

Е.Д. Табачникова, к. ф.-м. н. (ФТИНТ им. Б.И. Веркина НАНУ, Харьков, Украина)

А.В. Подольский, к. ф.-м. н. (ФТИНТ им. Б.И. Веркина НАНУ, Харьков, Украина)

Л.В. Скибина, к. ф.-м. н. (ФТИНТ им. Б.И. Веркина НАНУ, Харьков, Украина)

С.Н. Смирнов, к. ф.-м. н. (ФТИНТ им. Б.И. Веркина НАНУ, Харьков, Украина),

В.С. Савченко, д.т.н. (Институт электросварки им. Е.О. Патона НАНУ, Киев, Украина)

 

 

В области температур 4.2-310 К впервые изучены механические и акустические свойства нового наноструктурного сплава Inconel MA758, полученного механическим легированием дисперсными наночастицами оксида иттрия Y2O3. Показано, что в интервале температур 4.2-310 К суперсплав Inconel MA758 обладает стабильной структурой и достаточно высокими показателями прочности и пластичности.

Ключевые слова: суперсплав Inconel MA758, прочность, пластичность, акустическое поглощение, динамический модуль упругости.

 

Mechanical and acoustical properties of the new nanostructured alloy Inconel MA758, produced by mechanical doping of disperse nanoparticles of yttrium oxide Y2O3, were studied for the first time in temperature range 4.2-310 K. It was shown that superalloy Inconel MA758 has a stable microstructure and rather high strength and plasticity at temperature 4.2-310 K.

Keywords: superalloy Inconel MA758, strength, plasticity, acoustical absorption, dynamical elasticity modulus.

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Важной проблемой в разработке конструкционных материалов с повышенной прочностью и пластичностью является обеспечение их стабильности и однородности физико-механических свойств во всем интервале температур эксплуатации  от криогенных и вплоть до предплавильных температур.

В настоящее время наиболее перспективным путем решения этой проблемы является упрочнение базового сплава дисперсными наночастицами тугоплавких оксидов. Такие материалы принято называть ODS (oxide dispersion strengthened) сплавами. Базой для ODS сплавов наиболее часто служат аустенитные суперсплавы на основе Ni, Cr и Fe. В качестве упрочняющих частиц, как правило, используют оксиды Al2O3, TiO2, ThO2, La2O3, BeO и Y2O3. ODS суперсплавы на основе оксида иттрия Y2O3 были разработаны в 90-х годах прошлого века. Их получают методом механического легирования, который включает следующие стадии: 1) совместное перемалывание в шаровых мельницах 5 мкм порошков исходных компонент суперсплава (см. рис.1а) с добавлением мелкодисперсных конгломератов (каждая из 1 мкм гранул состоит из большого количества 20-40 нм частиц) Y2O3 (см. рис.1б); 2) запайка дегазированного порошка в герметичный стальной контейнер; 3) компактирование экструзией; 4) горячая опрессовка; 5) зонная рекристаллизация [1, 2] (см. рис.2).

Одним из возможных направлений применения ODS суперсплавов с механическим легированием является их использование в качестве присадочного сварочного материала для сварки наноструктурированных сплавов. Основная идея такого применения основана на отсутствии существенной деградации структуры и свойств ODS суперсплавов с механическим легированием в зоне сварного шва.

   

 

Рис. 1. Электронномикроскопические изображения порошков Ni (а) и Y2O3 (б).

 

Рис. 2. Получение ODS суперсплава Inconel MА758 методом механического легирования.

 

Физико-механические свойства суперсплава Inconel MA758 при температурах выше комнатной были подробно изучены ранее [3-5]. Микроструктура суперсплава Inconel MA758 показана на рис.3.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3. Микроэлектронограмма рекристализованного суперсплава Inconel MA758.

В настоящей работе впервые в области температур 4.2-310 К изучены акустические и механические свойства нового суперсплава Inconel MA758 на основе системы никель-хром, полученного механическим легированием и упрочненного дисперсными наночастицами оксида иттрия Y2O3. Основная цель данной работы – получить экспериментальные данные о прочности и пластичности данного сплава в области низких температур.

 

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, ХАРАКТЕРИСТИКИ ОБРАЗЦОВ

Фактический состав изученного образца суперсплава Inconel MA758 был определен методом рентгеноспектрального флуоресцентного анализа: Cr 29.5±0.4%, Fe 0.8±0.06%, Ni 62.7±0.4%, Cu 4.6±0.09%, Zn 2.03±0.07%, Y 0.5±0.03%.

Механические измерения выполнены путем одноосного сжатия при скорости относительной деформации 4.5·10-4 с-1 при температурах 4.2, 77 и 300К. Образцы для механических испытаний имели форму прямоугольных призм с размерами 3.3×2.0×1.9 мм. Деформация проводилась на машине МРК-3 производства ФТИНТ НАНУ (жесткость машины 7·106 Н/м). В ходе экспериментов регистрировались зависимости нагрузка-время, которые потом пересчитывались в диаграммы "напряжение - пластическая деформация", из которых определялись условный предел текучести, максимально достигнутое напряжение и пластическая деформация. Напряжение рассчитывалось как отношение нагрузки к первоначальной площади поперечного сечения образца. Значение деформации определялось как отношение изменения длины образца, обусловленного пластической деформацией, к его первоначальной длине.

Акустические измерения выполнены методом механической резонансной спектроскопии на частоте 3.3 кГц в амплитудно-независимой области звуковой деформации ~ 10-7. Изгибные колебания свободного образца возбуждались электростатическим методом. Акустические измерения проводились в отсутствие внешнего магнитного поля. Температура стабилизировалась с точностью <50 мK при помощи AsGa термометра в области температур 5-50 K и Cu-константановой термопары при 50-310 K и изменялась со скоростью ~ 1K/мин.

 

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА, ОБСУЖДЕНИЕ

Экспериментальные данные можно разделить на две группы, относящиеся к акустическим свойствам (рис. 4)  и механическим (рис.5) изученного суперсплава.

При изучении акустических свойств установлено, что при повышении температуры от 4.2К до 300К модуль Юнга образца монотонно понижается от 241ГПА до 227ГПа, а поглощение линейно возрастает (рис. 4). При этом на температурных зависимостях акустического поглощения и модуля упругости не наблюдаются какие-либо особенности релаксационной природы, что, вероятно, связано с блокировкой динамических дислокационных процессов дисперсными наночастицами оксида иттрия Y2O3.

На рис. 5a показаны деформационные кривые суперсплава Inconel MA758, полученные в режиме одноосного сжатия. При всех исследованных температурах на деформационных кривых  наблюдаются две основные стадии пластической деформации: при деформациях менее 3-5 % наблюдается параболическая зависимость напряжения от деформации, которая потом сменяется протяженным линейным участком. При температуре 4.2К на деформационной кривой наблюдается скачкообразная деформация, которая начинается практически после условного предела текучести и продолжается на всех последующих стадиях деформации с монотонным увеличением амплитуды скачков.

При понижении температуры от 300К до 4.2К предел текучести образцов повышается и при температурах 300, 77 и 4.2 К составляет 555, 850 и 940 МПа, соответственно. Увеличение значений предела текучести при понижении температуры от 300 до 4.2 К составляет 70 % (рис. 5б), что значительно превышает изменения модулей упругости в этом интервале температур. Соответственно, наблюдаемая температурная зависимость предела текучести свидетельствует о термоактивируемом характере пластической деформации. При всех исследованных температурах пластичность сплава сохраняется на достаточно высоком уровне до деформаций ~20-30%.

 

Рис. 4. Температурные зависимости модуля Юнга Е (а) и логарифмического декремента колебаний d (б) суперсплава Inconel MА758.

 

 

Рис. 5. Механические свойства суперсплава Inconel MA758 при одноосном сжатии: а) деформационные кривые при температурах 300, 77, 4.2 К; б) температурная зависимость предела текучести.

 

ВЫВОДЫ

Известно, что структурно-фазовые превращения сопровождаются появлением пика акустического поглощения, температура локализации которого соответствует температуре превращения. Как правило, температуры прямого и обратного превращения не совпадают и на температурной зависимости модуля упругости наблюдается гистерезисная петля, а температура локализации пика акустического поглощения меняется при нагреве и охлаждении [6-8]. Отсутствие на полученных температурных зависимостях акустического поглощения и модуля упругости особенностей и гистерезисных петель, характерных для структурно-фазовых превращений, свидетельствует о стабильности структуры изученного суперсплава в исследованном интервале температур.

Установлено, что в интервале температур 4.2-310 К суперсплав Inconel MA758 обладает стабильной структурой и достаточно высокими прочностью и пластичностью. На основании анализа температурных зависимостей модуля Юнга и предела текучести исследуемого сплава сделан вывод о термоактивируемом характере пластической деформации в интервале температур 4.2-300 К.

Список литературы

1.         P.R. Soni, Mechanical alloying: fundamentals and applications (Cambridge: England: Cambridge International Science Publishing: 2000).

2.         Hand book of non-ferrous metal powders: technologies and applications (Elsevier: 2009).

3.         Special Metals Corporation Company brochure: Inconel alloy MA758 (Special Metals Corporation Company: 2004).

4.         Inconel Alloy Ma758, Alloy Diag., ASM International, Rev. May (1996).

5.         ASM specialty handbook: nickel, cobalt and their alloys (Materials Park: OH: ASM International: 2000).

6.         В. С. Постников, Внутреннее трение в металлах (Москва: Металлургия: 1974).

7.         С.П. Никаноров, Б.К. Кардашев, Упругость и дислокационная неупругость кристаллов (Москва: Наука: 1985).

8.         А. Новик, Б. Берри, Релаксационные явления в кристаллах (Москва: Атомиздат: 1975).