Объемное нанофазное упрочнение в монокристаллических никелевых сплавах после высокотемпературных выдержек

После полной термической обработки (ПТО) для сплава ЖС36-ВИ типична однородная дисперсная (у + у')-структура с высокой объемной долей упрочняющей у'-фазы (70—75 об. %) размером 0,3—0,4 мкм. Частицы у'-фазы имеют характерную кубовидную форму. Электронографический и микродифракционный анализы показывают, что частицы у'-фазы выстроены в направлениях типа [ 100]_Y монокристалла.

При высокотемпературных выдержках происходит значительный рост размера первичной у'-фазы, изменение фазового состава, морфологии и размеров у'- и у-фаз в сплаве ЖС36-ВИ [ООП. При охлаждении образцов от температуры выдержки на воздухе, происходит распад у-фазы по схеме у -«у_н + у'» и образуется ультрамелкодисперсная смесь (у_н + у'")-наноразмерного уровня. Мелкие частицы у'"-фазы имеют размеры 20—60 нм, а прослойки у_н-фазы между частицами у'_н имеют толщину порядка 10—20 нм. Формирование у'"-фазы также происходит на границах крупной у'-фазы со смесью (у" + у'").

В темнопольном изображении в сверхструктурном рефлексе (001)_у. «светятся» крупные частицы первичной у'-фазы и вторичные ультрамелкодисперсные частицы у'"-фазы (рис. 7.27).

Рис. 7.27. Темнопольное изображение в сверхструктурном рефлексе (001)_у.тонкой структуры сплава ЖС36-ВИ [001] после высокотемпературных выдержек: а — Т= 1100 °C, 500 ч; бТ= 1150 «С, 500ч После достижения предела текучести следует стадия деформационного упрочнения, что подтверждает то, что монокристаллы с КГО [001] деформируются множественным скольжением по пересекающимся плоскостям в системе (111) [ 101 ] и это приводит к быстрому деформационному упрочнению (рис. 7.28). Растяжение Образцове КГО [001] при Т= 20 °C также не сопровождается значительным поворотом кристаллической решетки.

Рис. 7.28. Кривые растяжения при Т= 20 °C (а) и Т= 975 °C (б) образцов из сплава ЖС36-ВИ [001] после высокотемпературных выдержек:

• 1 — исходный; 2 — Т= 1050 °С, т = 1000 ч; 3 — Т— 1100 °С, т = 1000 ч;
• 4 — Т= 1150 °C, т= 200 ч

В процессе растяжения образцов изсплавовЖСЗб-ВИ [001] после ПТО при комнатной температуре скольжение дислокаций начинается в у-фазе, на межфазных границах у/у' образуются клубки дислокаций, а затем отдельные дислокации пересекают частицы высокопрочной у'-фазы. С развитием степени деформации скольжение развивается в обеих уи у'-фазах. При этом происходит локализация пластической деформации в менее прочной у-фазе (рис. 7.29, а).

Рис. 7.29. Тонкая (у + у')-структура (ПЭМ) сплава ЖС36-ВИ [001] после ПТО и деформации при 20 °C (а) и Т= 975 °C (б).

Для зон активной пластической деформации образцов из сплава ЖС36-ВИ после ПТО при 975 °C типичным является преобладание сдвиговых процессов в одной из ориентации у-прослоек и «выстраивание» этих прослоек в относительно протяженные (по сравнению с размером частиц у'-фазы) непрерывные линии (рис. 7.29, б) — происходит образование рафт-структуры при высокотемпературной деформации. Наблюдается дислокационное скольжение в частицах упрочняющей у'-фазы, и происходит смена механизма скольжения.

На кривых течения монокристаллов с КГО [001] сплава ЖС36-ВИ при Т = 975 °C наблюдается площадка текучести, за которой следует протяженная стадия разупрочнения (рис. 7.30). Такой тип кривых растяжения характерен для скольжения в плоскости куба в монокристаллах со сверхструктурой Ы₂.

Рис. 7.30. Изменение предела текучести (о_{0 2}), предела прочности (о") и относительного удлинения (б) образцов из сплава ЖС36-ВИ [001) при Т= 20 °C (а) и при Т= 975 °C (б) после высокотемпературных выдержек при Т= 1050 «С Деформационное поведение и характеристики прочностных и пластических свойств безуглеродистого монокристаллического сплава ЖС36-ВИ являются структурно-чувствительными. Из результатов определения кратковременных механических свойств сплава ЖС36-ВИ при Т= 20 °C и Т= 975 °C после длительных высокотемпературных выдержек следует, что величина условного предела текучести (о₀₂) сплава уменьшается, а предел прочности (о») значительно возрастает (примерно в 1,5 раза), но пластичность (б) остается на высоком уровне (рис. 7.30).

Таким образом, сопротивление деформированию сплава ЖС36-ВИ после температурных выдержек растет с изменением состава у'-фазы, с увеличением энергии и плотности межфазных у/у'-границ (размерный фактор) за счет образования смеси (у" + у'")-наноразмерного уровня и повышения уровня внутренних напряжений, величина которых связана с параметром несоответствия кристаллических решеток уи у-фаз. Действие размерного фактора по физическому смыслу аналогично известному эффекту Холла — Петча. Частицы у'"-фазы заполняют каналы у-фазы в наноразмерной структуре сплава (у" + у'_н), являются эффективным барьером для движения дислокаций при деформации и обеспечивают сохранение высокой прочности после высокотемпературных выдержек (рис. 7.31).

Рис. 7.31. Тонкая структура (ПЭМ) сплава ЖС36-ВИ [0011 после высокотемпературной выдержки при Т= 1100 °C, 500 ч и последующей деформации при Т= 20 °C (а) и Т= 975 °C (б).

При высоких температурах испытания, наряду с консервативным движением дислокаций, имеет место неконсервативное переползание дислокаций и термоактивируемое диффузионное перемещение вакансий. Вблизи поверхности разрушения образцов, испытанных на кратковременную прочность при 975 °C, наблюдается резкое повышение плотности дислокаций, которые сосредоточены в областях (у"+у'"), пронизывающих весь образец, и неоднородны по химическому составу. Возрастает вклад в деформацию процессов переползания дислокаций внутри крупных частиц у'-фазы (рис. 7.31, б). В ходе высокотемпературной пластической деформации происходит образование рафт-структуры в сплаве и происходит смена механизма скольжения.

Нанофазное упрочнение монокристаллических ЖНС обеспечивает увеличение прочностных свойств сплавов на 20—30% за счет формирования объемных нанофаз (у" + у'").