CC BY
14
УДК 544.344.015.3:544.344.3:[546.73+546.74+546.76]
ИЗОТЕРМИЧЕСКОЕ СЕЧЕНИЕ ДИАГРАММЫ ФАЗОВЫХ РАВНОВЕСИЙ СИСТЕМЫ Co-Ni-Cr ПРИ 1375 К Р.Х. Шаипов, Э.Ю. Керимов, А.В. Леонов, Е.М. Слюсаренко
(кафедра общей химии; e-mail: [email protected])
Методом равновесных сплавов построено изотермическое сечение диаграммы фазовых равновесий системы Co-Ni-Cr при 1375 К. Установлено существование трехфазного равновесия ßCr + у + о в системе Co-Ni-Cr при 1375 К.
Ключевые слова: диаграмма фазовых равновесий, метод равновесных сплавов, кобальт, никель, хром, электронно-зондовый микроанализ, растровая электронная микроскопия, рентгенофазовый анализ.
В последнее время значительно возрос интерес к разработке суперсплавов на основе кобальта. Отличительными особенностями литейных и деформируемых кобальтовых сплавов являются более высокая температура плавления и, соответственно, более пологие кривые длительной прочности, что обеспечивает им работоспособность при более высокой температуре, чем у сплавов на основе никеля и железа, а также стойкость против горячей коррозии в загрязненных газовых средах газотурбинных двигателей вследствие более высокого содержания хрома [1, 2].
В основе подавляющего большинства исследований в области химии твердого тела находятся диаграммы фазовых равновесий, включающие все компоненты исследуемой системы. Сведения о ее строении являются крайне важными для прогнозирования возможности создания того или иного материала. Однако до сих пор не исследованы даже тройные системы кобальта с потенциальными легирующими элементами.
Цель данной работы - исследование взаимодействия кобальта с никелем и хромом и по-
строение изотермического сечения диаграммы фазовых равновесий Со-№-Сг при 1375 К.
Диаграммы состояния двухкомпонентных
систем, составляющих трехкомпонентную систему Со-№-Сг
Двухкомпонентные системы Со-№, №-Сг и Со-Сг, входящие в состав трехкомпонентной системы Со-М-Сг, исследованы достаточно подробно [3-5]. При 1375 К в этих системах присутствуют только три фазы: Сг0 6Со0 4 (о-фаза), твердый раствор на основе кобальта и никеля (у-фаза), а также твердый раствор на основе хрома (РСг-фаза), данные об областях гомогенности и структуре которых представлены в табл. 1 [3-5].
Экспериментальная часть
Для приготовления исследуемых сплавов использовали кобальт электролитический (чистота не менее 99,99 мас.%), хром (чистота не менее 99,95 мас.%), никель (чистота не менее 99,95 мас.%). Сплавы готовили в дуговой печи с не-расходуемым вольфрамовым электродом в атмосфере аргона с многократным переплавом. Сплавы
Т а б л и ц а 1
Данные о структуре фаз, существующих при 1375 К в двухкомпонентных системах, составляющих
трехкомпонентную систему Со-№-Сг
Фаза Символ Пирсона Про странственная группа Структурный тип Система Состав фазы Ссылка
ßcr cI2 Im-3m, № 229 W Cr-Ni 0-11,1 ат.% Ni, [4]
Co-Cr 0-23,5 ат.% Co [3]
У cF4 Fm-3m, № 225 Cu Co-Ni непрерывный ряд твердых растворов [5]
с tP30 P42/mnm, № 136 Cr Fe 0,49 0,51 Co-Cr 50,8-62,2 ат.% Cr [3]
гомогенизировались при 1375±5 К в печах электросопротивления в течение 700 ч. Гомогенизирующий отжиг проводили в вакуумированных двойных кварцевых ампулах, между которыми помещали циркониевую стружку.
Концентрацию элементов в сплавах и количественное содержание элементов в фазах сплавов исследовали методом электронно-зон-дового микроанализа (ЭЗМА) на приборе «LEO EVO 50 XVP», снабженном энергодисперсионным анализатором «Inca Energy 450» («Oxford instruments»).
Микроструктуру образцов исследовали методом растровой электронной микроскопии (РЭМ) на приборе «LEO EVO 50 XVP» при ускоряющем напряжении 15 кВ. Изображение получали, используя детектор обратно рассеянных электронов (QBSD).
Рентгенофазовый анализ (РФА) проводили методом порошка на автодифрактометре «STOE STADI-P» в геометрии на пропускание (Ge-монохроматор, излучение Cu^a1, линейный PSD, интервал углов 20 = 10-90°, шаг 0,01, время экспозиции 10 с на точку), а также на диф-рактометре «ДРОН-4» с использованием Cu^a1-излучения (Ge-монохроматор, интервал углов 20 = 10-90°, шаг 0,1, время экспозиции 10 с на точку). Для идентификации фаз и расчета параметров решетки использовали программное обеспечение STOE WinXPOW (Version 1.0б (17-Aug-1999) Copyright (С) 1999 STOE & Cie GmbH).
Результаты и их обсуждения
Для определения равновесий в системе Co-Ni-Cr были исследованы 10 сплавов. Концентрация элементов в этих сплавах, количественное содержание элементов в фазах сплавов и фазовый состав сплавов представлены в табл. 2. Микрострук-
тура сплавов приведена на рис. 1, 2. Методами электронной микроскопии (РЭМ), электронно-зондового микроанализа (ЭЗМА) и рентгенофазо-вого анализа (РФА) было установлено, что сплавы № 1-4 содержат две фазы: Р-твердый раствор на основе хрома и о-фазу (рис. 1, а). Состав фаз приведен в табл. 2.
Сплавы № 5 и № 10 также содержат две фазы: Рсг и У (рис. 1, б; табл. 2).
Результаты исследования сплава № 6 методами РЭМ и ЭЗМА представлены в табл. 2 и на рис. рис. 2, а. Анализ результатов исследования показал, что в данном сплаве в равновесии находятся фазы РСг, у и о. Существование трехфазного равновесия РСг + у + о подтверждено также рентгенофазовым анализом.
Сплавы № 7-9 по данным, полученным методами РЭМ, ЭЗМА и РФА содержат двухфазную область у + а (рис. рис. 2, б; табл. 2).
По результатам проведенных исследований построено изотермическое сечение диаграммы фазовых равновесий трехкомпонентной системы Со-№-Сг при 1375 К, представленное на рис. 3. В системе Со-№-Сг при 1375 К существует одно трехфазное равновесие: РСг + у + о. Содержание хрома в о-фазе двойной системе Со-Сг при 1375 К изменяется от 54,3 до 69,7 ат.%. Растворимость никеля в о-фазе системы Со-Сг при 1375 К составляет 23,9 ат.%. Растворимость никеля и кобальта в хроме составляет 12,1 и 20,2 ат.% соответственно.
Выводы
1. В системе Со-№-Сг при 1375 К установлено существование одного трехфазного равновесия
Рсг + У + о.
2. Тройные соединения в системе Со-М-Сг при 1375 К не обнаружены.
60 мкм 60 мкм
Рис. 1. Микроструктура сплавов № 2 (а) и № 5 (б)
• г.
-
___
N.
га
о
- 7 •
/ '
/ - * с- ':
,- с, < ..
% V ' "•
«4 . . • •
V ,
б
60 мкм 60 мкм
Рис. 2. Микроструктура сплавов № 6 (а) и № 7 (б)
Т а б л и ц а 2
Концентрация элементов в сплавах, концентрация элементов в фазах сплавов и фазовый состав сплавов
системы Со-№-Сг, гомогенизированных при 1375 К
Номер сплава Концентрация элементов в сплавах, ат.% Фазовый состав сплавов Концентрация элементов в фазах, ат.% Структурный тип Параметры ячейки, А
Со N1 Сг со N1 сг а с
1 21,6 0,0 78,4 Рсг 20,2 0,0 79,8 W - -
с 30,3 0,0 69,7 сг0,49^е0,51 - -
2 22,2 7,8 70,0 Рсг 79,3 3,9 16,8 W - -
с 23,7 8,1 68,2 сг0,49^е0,51 - -
3 16,8 15,1 68,1 Рсг 11,1 8,2 80,7 W 2,875(9)
с 17,4 16,8 65,8 сг0,49^е0,51 8,789(5) 4,554(1)
4 14,2 18,2 67,6 Рсг 9,5 9,3 81,2 W - -
с 15,2 19,8 65,0 сг0,49^е0,51 - -
5 4,4 33,4 62,2 Рсг 3,9 11,2 84,9 W 2,873(1) -
1 4,3 49,8 45,9 си 3,586(2) -
6 11,8 26,9 61,3 Рсг 7,6 10,1 82,3 W 2,874(3) -
с 13,9 23,9 62,2 сг0,49^е0,51 8,788(1) 4,555(2)
1 9,9 47,3 42,8 си 3,546(9) -
7 23,6 25,1 51,3 с 23,9 18,8 57,3 сг0,49^е0,51 8,777(6) 4,551(6)
1 24,5 35,1 40,4 си 3,576(1) -
8 38,4 13,1 48,5 с 55,9 10,2 33,9 сг0,49^е0,51 - -
1 43,4 14,7 41,9 си - -
9 50,9 0,0 49,1 с 45,7 0,0 54,3 сг0,49^е0,51 - -
1 59,8 0,0 40,2 си - -
10 0,0 28,4 71,6 Рсг 0,0 12,1 87,9 W 2,872(1) -
1 0,0 53,3 46,7 си 3,571(2) -
Cr
0 100
Ni, ат.%
Рис. 3. Изотермическое сечение диаграммы фазовых равновесий трехком-понентной системы Со—№-Сг при 1375 К с нанесенными на нее номерами сплавов согласно данным табл. 2
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 13-03-00977).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Reed R.C. The Superalloys. Fundamentals and Applications. Cambridge, 2006.
2. Суперсплавы II: Жаропрочные материалы для аэрокосмических и промышленных энергоустановок. / Под ред. Ч.Т. Симса, Н.С. Столоффа, УК. Хагеля. Кн. 1. М., 1995. С. 128.
3. Ishida K., Nishizawa T. // Binary Alloy Phase Diagrams. Vol. 2. Ed. T.B. Massalski. Ohio, 1990. Р. 1179.
4. Nash P. // Binary Alloy Phase Diagrams. Vol. 2. Ed. T.B. Massalski. Ohio, 1990. Р. 1298.
5. Ishida K., Nishizawa T. // Binary Alloy Phase Diagrams. Vol. 2. Ed. T.B. Massalski. Ohio, 1990. Р. 1214.
Поступила в редакцию 06.12.14
ISOTHERMAL SECTION OF THE PHASE DIAGRAM OF THE TERNARY SYSTEM Co-Ni-Cr AT 1375 K
R.Kh. Shaipov, E.Yu. Kerimov, A.V. Leonov, E.M. Slyusarenko
(Department of General Chemistry)
Isothermal section of the phase diagram of the ternary system Co-Ni-Cr at 1375 K has been constructed by means of equilibrium alloys. The existence of three-phase equilibrium PCr+у + о has been established in the Co-Ni-Cr system at 1375 K.
Key words: phase diagram, equilibrium alloys, cobalt, nickel, chromium, electron probe microanalysis, scanning electron microscopy, X-ray analysis.
Сведения об авторах: Шаипов Рамиль Хайдарович - аспирант кафедры общей химии химического факультета МГУ ([email protected]); Керимов Эльшат Юсифович - доцент кафедры общей химии химического факультета МГУ, канд. хим. наук ([email protected]); Леонов Александр Васильевич - ст. науч. сотр. кафедры общей химии химического факультета МГУ, канд. хим. наук ([email protected]); Слюсаренко Евгений Михайлович - вед. науч. сотр. кафедры общей химии химического факультета МГУ, докт. хим. наук ([email protected]).
