Особенности выделения частиц вторичной фазы ГПУ-решетки в системе Co-Ni-Nb

Особенности выделения частиц вторичной фазы с ГПУрешеткой в системе Co-Ni-Nb

Д. Ерболатулы*, асп.; М.К. Скаков*, д-р физ.-мат. наук, проф.; А.Д. Погребняк**, д-р физ.-мат. наук, проф.; Д.Л. Алонцева*, канд. физ.-мат. наук; Г.У. Ерболатова*, асп.

В результате исследований, проведенных с помощью XRD - TEM анализов растровой электронной микроскопии (SEM), рентгенофлуорисцентного анализа, измерения микротвердости и кривых отжига показано, что в образцах сплава 67КН35, прокатанного с деформацией до 90% выделяется вторичная фаза в интервале 323-1173К. Частицы фазы сферической формы выделяются на границах зерен матрицы и имеют ГПУ решетку. Выявлен характер взаимосвязи объемной доли, выделяющейся фазы, среднего размера зерен матрицы, микротвердости и температуры отжига. Обнаружена упрочняющая роль ГПУ фазы при комнатных температурах.

Введение

Современное производство нуждается в использовании прочных конструкционных материалов с высокими технологическими характеристиками, что требует методов обработки, дающих эффективное повышение пластических и прочностных свойств уже известных промышленных материалов. В применении к металлическим материалам особую актуальность приобретают проблема формирования структур со сверхпластическими свойствами и поиск обработок, повышающих прочностные свойства материала после сверхпластической деформации. Понимание закономерностей структурных превращений углубляет представления о физической природе явлений, происходящих в сплавах при термообработке. В этой связи исследования, направленные на изучение связи параметров микроструктуры сплавов с их механическими свойствами с целью формирования структур с высокими эксплуатационными свойствами, представляются весьма актуальными.

В качестве материала исследования выбран дисперсионно-твердеющий сплав на кобальт-никелевой основе - 67КН5Б промышленного изготовления и стандартного состава. Выбор материала исследований обоснован тем, что этот сплав используется в промышленности, в частности, для изготовления ленточных токоведущих пружин в различных реле и проявляет сверхпластичные свойства при определенной скорости и температуре деформации.

Для успешного выбора термической обработки, ведущей к получению оптимальных механических свойств сплава, необходимо знание морфологии структурных и фазовых превращений в нем. Но несмотря на широкое практическое применение прецизионного сплава 67КН5Б, не все особенности структурных и фазовых превращений в нем хорошо изучены.

В работе [1] процесс распада сплава 67КН5Б при старении закаленных образцов исследовался химико- и рентгенофазовыми методами, а также методом измерения электросопротивления. Установлено, что для предварительно закаленного состояния наилучшее сочетание высоких механических свойств и низкого сопротивления имеет сплав, закаленный от 1223К и состаренный при 873К (5 ч).

Изучение процесса старения сплава 67КН5Б получило развитие в [2]. где установлено, что при 873-973К на ранних стадиях распада (0,5-5 ч) наблюдается модулированная структура, состоящая из частиц -фазы, выстраиваемых вдоль направления <100>. С увеличением времени старения до 50 ч при Т973К вблизи границ зерен развивается прерывистый распад в виде пластинчатых ламелей - фазы. С увеличением температуры до 973-1123К наблюдали качественное изменение морфологии структуры, вместо модулированной образуется видманштеттовая структура [2].

Авторами данной статьи ранее в работах [3-6] исследована сверхпластичность никель-хромового (40ХНЮ) и кобальт-никелевого (67КН5Б) сплавов, установлено влияние температуры закалки, степени прокатки на структуру и сверхпластичность сплавов, уточнены оптимальные температурно-скоростные условия сверхпластической деформации и улучшены показатели сверхпластичности указанных сплавов, изучены структурно-фазовые изменения и механизмы сверхпластической деформации.

Вместе с тем анализ литературы показывает, что до сих пор недостаточно освещены вопросы изменения структуры и свойств при отжиге прокатанного на относительно большие степени деформации сплава 67КН5Б. Интерес к сильно прокатанным сплавам вызван не только их малой изученностью, но и тем, что повышение степени прокатки образцов до 90% приводит к повышению сверхпластичности исследуемых сплавов [3, 4].

Также нами ранее [6] установлено, что в процессе прокатки сплава 67КН5Б на разные степени деформации происходит образование как ячеистых с полосчатыми образованиями структур при деформациях 50-60%, так и фрагментированных при степенях деформации 80% и выше.

В работе [5, 6] мы отмечаем, что при отжиге сплава 67КН5Б, прокатанного на 90%, в интервале температур 973-1153К выделяются частицы ГПУ-фазы по непрерывному механизму. Изучение зависимости объемной доли выделяющейся фазы и соответствующих свойств от условий термообработки представляет практический интерес в плане повышения механических свойств сплава. Хотя в работах [5, 6] обнаружено выделение ГПУфазы при отжиге и высокотемпературном растяжении сплава 67КН5Б, однако количественные значения химического состава данной фазы нам не известны и в литературе не обнаружены.

Учитывая все вышеизложенное, в настоящей работе ставились следующие задачи:

- изучить особенности выделения и изменения объемной доли второй фазы при отжиге холоднодеформированных образцов сплава 67КН5Б;

- установить характер зависимости размеров зерен и микротвердости матрицы от температуры отжига;

- установить концентрацию элементов в фазе с ГПУ-решеткой.

УСЛОВИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА И МЕТОДЫ АНАЛИЗА

Закалку и отжиг образцов проводили в печах типа СУОЛ-0,4.4/12-М2-У4.2 в вакууме с остаточным давлением не выше 1 Па. Холодную деформацию закаленных образцов прокаткой осуществляли при комнатной температуре на прокатном стане. Измерения микротвердости образцов выполняли на микротвердомере ПМТ-3 при нагрузке на индентор Р=100 г (0,98Н).

Исследование тонкой структуры образцов выполняли на просвечивающих электронных микроскопах ЭМВ-100Б и JEM-100CX. При изготовлении образцов для исследования на электронных микроскопах использовали стандартные методики электролитического утонения плоских образцов и метод струйной электрополировки с использованием электролита состава 10% хлорной кислоты и 90% ледяной уксусной кислоты. Перед струйной полировкой образцы механически шлифовали до толщины 0,2 мм, затем вырезали из них диски диаметром 3 мм, полировали их электрохимическим методом для снятия дефектного слоя и только затем проводили струйную полировку до образования отверстия.

Рентгеноструктурный анализ проводили с использованием дифрактометра ДРОН-3. Съемку образцов проводили на отражение по схеме фокусировки Брэгга - Брентано в кобальтовом Кизлучении. Чтобы исключить - линии на дифрактограммах при съемке на кобальтовом излучении, использовали селективно поглощающий - фильтр из железа.

Для определения элементного состава фаз применяли растровый электронный микроскоп JEOL JSM 5610 c микроанализатором. Исследования проводили в режиме вторичных и обратнорассеянных электронов при ускоряющем напряжении 20 кВ. Для изоляции частиц ГПУ фазы применяли электрохимический метод с использованием 10%-ного уксусно-хлорного электролита. При напряжениях U=20-25В матрица сплава растворяется, а частицы ГПУ-фазы выпадают в анодный осадок.

Рентгенофлуоресцентный анализ химического состава образцов проводили на спектрометре СРВ-1. При этом использовали трубку с молибденовым анодом БС-1 (U=25кВ, I=30 мкА). Энергетическое разрешение полупроводникового детектора, используемого в спектрометре, составляет 170 эВ. Время экспозиции 180 с.

Результаты ИССЛЕДОВАНИЙ и их обсуждение

При отжиге образцов сплава 67КН5Б с исходной фрагментированной структурой, полученной закалкой от 1423К (10 мин) и прокаткой на 90%, развитие комплексной непрерывной реакции рекристаллизации и выделения фаз протекает гораздо интенсивнее, чем после прокатки на 60%. Наличие сильного наклепа, соответствующего степени деформации =90%, сопровождается значительным снижением энергетического барьера и, следовательно, инкубационного периода зарождения стабильной фазы.

Рентгенодифракционным методом установлено, что при отжиге закаленного от 1423К (10 мин) и прокатанного на 90% сплава 67КН5Б в интервале температур 923-1173К образуется другая фаза. Данные расчета дифрактограмм прокатанного на 90% сплава 67КН5Б после отжига при 1073К (1 ч) (таблица 1) показывают, что значения межплоскостных расстояний принадлежат -фазе и фазе с ГПУрешеткой.

Таблица 1 - Данные рентгенодифракционного анализа сплава 67КН5Б после отжига при 1073К (1 ч)

Небольшое различие в экспериментальных и справочных данных по интенсивности линий можно объяснить влиянием текстуры прокатки, которая, по-видимому, не снимается полностью последующим отжигом при 1073К (1 ч).

Действительно, экспериментальные результаты, полученные электронно-микроскопическими методами на просвечивающем (рис. 1) и растровом (рис. 2, а, б) электронных микроскопах, подтвердили данные рентгеноструктурного анализа о том, что при отжиге сплава 67КН5Б, прокатанного на 90%, выделяется стабильная ГПУфаза по непрерывному механизму.

Авторами установлено, что выделение дисперсных частиц ГПУфазы сферической формы начинается от 923К. В результате развития процессов непрерывного выделения частиц ГПУфазы и рекристаллизации в сплаве 67КН5Б формируется ультрадисперсная структура (рис. 1 а).

Рисунок 1 Формирование структуры в сплаве 67КН5Б при отжиге прокатанных на 90% образцов:

структура (а) и микроэлектронограмма (б) сплава после отжига при 1073К (5 мин); структура (в) и микроэлектронограмма (г) сплава после отжига при 1073К (4 ч), ГЦК решетка, ось зоны [110]

Известно, что при отжиге сплава 36НХТЮ с фрагментированной структурой частицы избыточной -фазы выделяются по границам фрагментов, где плотность дислокаций выше [7]. Однако наблюдения структуры поверхности сплава 67КН5Б на растровом электронном микроскопе (рис. 2 а, б) позволили нам установить, что при увеличении времени отжига до 1153К (25 мин) частицы вторичной фазы при отжиге могут выделяться не только по границам зерен (рис. 2 а), но и в их объеме. В результате на начальной стадии распада в сплаве образуется матричная структура с более мелкими частицами второй фазы (рис. 2 б). Размер зерен матрицы после отжига при 1153К (25 мин) равен <d>=2-3 мкм, а размер частиц выделяющейся фазы <d>=0,2-0,4 мкм.

а) б)

Рисунок 2 - Структура прокатанного на 90% сплава 67КН5Б после отжига при 1153К (25 мин)

При дальнейшем увеличении времени отжига до 1 ч выделившиеся ранее частицы внутри новых зерен быстро растворяются, приводя к укрупнению частиц на границах за счет притока освободившихся атомов. Процесс контролируется объемной диффузией. Через 4 часа отжига при 1073К частицы второй фазы укрупняются и формируется двухфазная микродуплексная структура с равноосными зернами (рис. 1 в). Увеличение времени отжига от 5 мин до 4 ч приводит не только к росту зерен, размер которых равен 6-8 мкм, но и к очищению объемов зерен от дислокаций, что соответственно обуславливает образование точечных рефлексов на микроэлектронограмме (рис. 1 г). Подобная структура с некогерентными большеугловыми межфазными границами считается благоприятной для реализации эффекта сверхпластичности.

Анализ диаграммы состояния системы Co-Ni показывает, что обнаруженная ГПУ-фаза по концентрации компонентов и температуре выделения наиболее соответствует соединению Nb₂Co₇(), структура которого в настоящее время не расшифрована.

Следует отметить, что выделяющиеся при отжиге прокатанного на 90% сплава 67КН5Б в интервале 923-1173К частицы фазы имеют не пластинчатую форму, как в случае работ [2], а сферическую. Следовательно, степень предварительной холодной деформации влияет на морфологию распада пересыщенного твердого раствора.

В наших экспериментах по отжигу холоднодеформированных образцов, кроме ГПУ-фазы и -матрицы, других высокотемпературных фаз в сплаве 67КН5Б не обнаружено. В отличие от данных [2], где в процессе старения закаленного сплава 67КН5Б при 873-973К наблюдали модулированную структуру при непрерывном выделении -фазы состава (Co, Ni)₃Nb, которая на поздних стадиях распада переходит в структуру с прерывистым типом распада, нами при исследованных температурах отжига 773-1223К в течение 1-6 ч выделение -фазы рентгенодифракционным методом не выявлено.

Прокатка и отжиг сплава 67КН5Б, предварительно закаленного от более низкой температуры 1223К (10 мин), приводит также к формированию двухфазной микродуплексной структуры при развитии комплексной непрерывной реакции рекристаллизации и выделения вторичной фазы. Однако установлено, что при этом интервал температуры выделения ГПУ-фазы существенно расширяется и составляет 873-1213К, что больше на 90К, чем после закалки от 1423К (10 мин). Этот факт показывает обоснованность снижения температуры выдержки перед закалкой сплава 67КН5Б от 1423К до 1223К, поскольку обычно при термообработке подобных гетерофазных сплавов добиваются расширения температурного интервала выделения и стабилизации вторичных фаз, которые благоприятно влияют на эксплуатационные свойства.

Рентгенодифракционным методом, а также микроструктурными исследованиями нами установлены характеры зависимости объемной доли ГПУфазы, а также размера зерен матрицы от температуры отжига. Заметное выделение фазы, как уже говорилось выше, начинается при 873К и при дальнейшем повышении температуры объемная доля увеличивается, достигая максимального значения при 1073-1123К (рис. 3 а). Выше температуры 1123К происходит обратное растворение частиц фазы в матрице и соответственно уменьшение её объемной доли, что приводит к интенсивному росту зерен матрицы (рис. 3 б).

Исходя из полученных результатов, можно сделать вывод, что выделяемые при отжиге прокатанного на 90% сплава 67КН5Б частицы ГПУфазы препятствуют росту зерен матрицы и тем самым в широком интервале температур стабилизируют микроструктуру.

Из графика зависимости микротвердости сплава от температуры отжига (рис. 4) видно, что при 973-1023К происходит уменьшение значения микротвердости. Мы предполагаем, что это связано с началом рекристаллизационных процессов и снятием наклепа, вызванного предварительной прокаткой.