Высокотемпературная прочность нпобиевого сплава 5ВМЦ с силицидно-керамическим защитным покрытием. Сообщение 1. Характеристики кратковременной прочности
Анализируются экспериментальные данные по кратковременной прочности и пластичности
 ниобиевого сплава 5ВМЦ системы Nb-W-Mo-Zr в исходном состоянии, после отжига и при
 нанесении силицидно-керамического защитного покрытия, полученные при его испытаниях в
 вакууме, инертной сре...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Проблемы прочности |
|---|---|
| Дата: | 2004 |
| Автори: | , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України
2004
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/47080 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Высокотемпературная прочность нпобиевого сплава 5ВМЦ с
 силицидно-керамическим защитным покрытием. Сообщение 1.
 Характеристики кратковременной прочности / В.В. Бухановский, В.А. Борисенко, В.К. Харченко, И. Мамузич // Проблемы прочности. — 2004. — № 2. — С. 119-129. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860193765746016256 |
|---|---|
| author | Бухановский, В.В. Борисенко, В.А. Харченко, В.К. Мамузич, И. |
| author_facet | Бухановский, В.В. Борисенко, В.А. Харченко, В.К. Мамузич, И. |
| citation_txt | Высокотемпературная прочность нпобиевого сплава 5ВМЦ с
 силицидно-керамическим защитным покрытием. Сообщение 1.
 Характеристики кратковременной прочности / В.В. Бухановский, В.А. Борисенко, В.К. Харченко, И. Мамузич // Проблемы прочности. — 2004. — № 2. — С. 119-129. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Проблемы прочности |
| description | Анализируются экспериментальные данные по кратковременной прочности и пластичности
ниобиевого сплава 5ВМЦ системы Nb-W-Mo-Zr в исходном состоянии, после отжига и при
нанесении силицидно-керамического защитного покрытия, полученные при его испытаниях в
вакууме, инертной среде и на воздухе в диапазоне температур 290...2270 К. Исследуется
процесс зарождения и развития микротрещин в защитном покрытии и матрице при высокотемпературном
статическом растяжении. Установлены значения предельных пластических
деформаций, при которых композит сохраняет несущую способность в высокотемпературных
агрессивных и окислительных газовых средах.
Аналізуються експериментальні дані щодо короткочасної міцності та пластичності
ніобієвого сплаву 5ВМЦ системи Nb-W-Mo-Zr у початковому
стані, після відпалу і з силіцидно-керамічними захисними покриттями, що
отримані при його випробуванні у вакуумі, інертному середовищі та на
відкритому повітрі у діапазоні температур 290...2270 К. Досліджено кінетику
зародження і розвитку мікротріщин у захисному покритті і матриці в
процесі високотемпературного статичного розтягу. Встановлено значення
граничних пластичних деформацій, за яких композит зберігає несучу здатність
у високотемпературних агресивних та окисних газових середовищах.
For 5VMTs of niobium alloy (Nb-W-Mo-Zr system)
in the initial condition, after annealing, and
with silicide-ceramic protective coatings we analyzed
the experimental data are analyzed on
short-time strength and plasticity obtained during
tests in vacuum, air and rare gas environment in
the temperature range of 290...2270 K. We studied
the process of microcrack initiation and propagation
in the protective coating and material matrix
in high-temperature static tension. The critical values
of plastic deformations are determined, which
limit the composite’s bearing capacity in high-temperature
aggressive and oxidizing gas environment.
|
| first_indexed | 2025-12-07T18:07:46Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 669.293:539.4+621.793.6
Высокотемпературная прочность нпобиевого сплава 5ВМЦ с
силицидно-керамическим защитным покрытием. Сообщение 1.
Характеристики кратковременной прочности
В. В. Бухановскийа, В. А. Борисенкоа, В. К. Харченкоа, И. Мамузич6
а Институт проблем прочности им. Г. С. Писаренко НАН Украины, Киев, Украина
6 Загребский университет, Шишак, Хорватия
Анализируются экспериментальные данные по кратковременной прочности и пластичности
ниобиевого сплава 5ВМЦ системы ЫЬ-Ж-Мо-2г в исходном состоянии, после отжига и при
нанесении силицидно-керамического защитного покрытия, полученные при его испытаниях в
вакууме, инертной среде и на воздухе в диапазоне температур 290...2270 К. Исследуется
процесс зарождения и развития микротрещин в защитном покрытии и матрице при высоко
температурном статическом растяжении. Установлены значения предельных пластических
деформаций, при которых композит сохраняет несущую способность в высокотемператур
ных агрессивных и окислительных газовых средах.
Клю чевые слова: ниобиевый сплав, силицидно-керамическое защитное
покрытие, композит, высокие температуры, кратковременная прочность,
несущая способность.
Введение. Использование ниобия и его сплавов при изготовлении дета
лей и конструктивных элементов для работы в условиях высоких темпе
ратур, агрессивных и окислительных газовых сред во многом зависит от
разработки надежных защитных покрытий. Для материалов данного класса
в качестве жаростойких покрытий наибольшее применение получила кера
мика на основе силицидов молибдена и гафния. Известно, что технология
процесса нанесения керамических шликерных покрытий оказывает влияние
на структуру материала и его механические свойства [1 - 6 ].
Цель работы заключалась в изучении прочности и пластичности ниоби
евого сплава 5ВМЦ и композита (сплав 5ВМЦ - силицидно-керамическое
покрытие) при кратковременном статическом растяжении в диапазоне тем
ператур 290...2270 К. Исследуется процесс зарождения и развития микро
трещин в покрытии и матрице при высокотемпературном механическом
нагружении в упругопластической области. Показано влияние термической
обработки по режиму, имитирующему температурный цикл нанесения по
крытия, на механические характеристики сплава.
М етодика проведения испытаний. Сплав 5ВМЦ (марка 5В2МЦ-2)
системы N b-W -M o-Z r относится к низколегированным жаропрочным спла
вам ниобия с твердорастворным упрочнением и имеет следующий хим
состав, мас.%: 4,5...5,6 W; 1,7...2,3 Мо; 0,7...1,15Zr; 0,02 С. Благодаря опти
мальному содержанию легирующих элементов он обладает уникальным
комплексом физико-химических и технологических характеристик, опти
мально сочетающих высокие показатели жаропрочности и низкотемператур
ной пластичности с хорошей технологичностью при механической обра
© В. В. БУХАНОВСКИЙ, В. А. БОРИСЕНКО, В. К. ХАРЧЕНКО, И. МАМУЗИЧ, 2004
ТХОТ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2004, № 2 119
В. В. Бухановский, В. А. Борисенко, В. К. Харченко, И. Мамузич
ботке и сварке [1, 2]. Сплав получен методом вакуумно-дуговой плавки с
последующей горячей деформацией на пруток диаметром 60 мм и лист
толщиной 1 и 2 мм. На заключительной стадии технологического процесса
прутки и листы подвергали рекристаллизационному отжигу при темпера
туре 1670 К в течение 2 ч. В состоянии поставки листы сплава 5ВМЦ
являются изотропными. Структура материала мелкозернистая с равномер
ными полиэдрическими зернами размером 25-50 мкм [7].
Механические характеристики сплава 5ВМЦ и композита определяли
по результатам испытаний на растяжение плоских и цилиндрических (пяти
кратных) пропорциональных образцов на установках 1246-Р, ВТУ-2В и
УВП-1 в вакууме, инертной среде и на воздухе [8-10].
Скорость деформирования образцов в процессе испытаний составля
ла 2 мм/мин, что соответствовало относительной скорости деформации_3 _1
~ 2,2 -10 с . Погрешность показаний испытательных машин и приборов
при измерении нагрузки и деформации не превышала ±2% . При каждой
температуре испытывали не менее трех образцов, вырезанных соответст
венно из листового проката и прутка в продольном направлении. Ширина
рабочего участка плоских образцов составляла 5 мм, диаметр рабочей части
цилиндрических образцов - 3 и 5 мм. После изготовления образцы отжигали
в вакууме не хуже 0,1 Па при температуре 1470 К в течение 1 ч для снятия
внутренних напряжений, вызванных механической обработкой. С целью
исследования влияния на структуру и механические свойства сплава сту
пенчатого высокотемпературного нагрева, соответствующего технологичес
кому процессу нанесения защитного силицидно-керамического покрытия,
часть образцов, вырезанных из прутка, подвергали отжигу при температурах
1470 (1 ч), 1670 (30 мин) и 2230 К (15 мин). Термическую обработку_2
проводили в печи СНВЛ-1.3.1/16-М2 в вакууме не хуже 1,3-10 Па.
Керамическое покрытие на рабочем участке образца формировалось
путем погружения (два раза) в шликерную суспензию, состоящую из 40% Мо
и 60% силицидной смеси, содержащей, в свою очередь, 80% силицидов
молибдена (МоБ1 2 и Мо5 Б1 2) и 2 0 % дисилицида гафния (Н Й 1 2), с последу
ющим низко- и высокотемпературным отжигом и вакуумным диффузион
ным силицированием в парах кремния при 1470 К в течение 15 ч с
активатором. После нанесения первого слоя шликера образцы отжигали*
при 1670 К, 30 мин, после повторного нанесения силицидно-керамической
смеси того же состава - при 2230 К, 15 мин. Толщина покрытия составляла
1 0 0 - 1 2 0 мкм.
Образцы из сплава 5ВМЦ в исходном состоянии и после отжига дефор
мировали до полного разрушения. Одну часть образцов с силицидно-кера-
мическим покрытием также деформировали до полного разрушения, дру
гую - до определенного заданного уровня упругой или пластической дефор
мации (0,2; 0,5; 1,0; 1,5% и т.д.). При испытаниях записывали полные
диаграммы растяжения либо их начальные участки. Структуру и характер
разрушения образцов сплава и композита после высокотемпературного
* Работы по термической обработке образцов и нанесению силицидно-керамических покры
тий выполнены в НПО “Композит” Н. И. Зарубовой и Н. Н. Мельниковой.
120 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2004, № 2
Высокотемпературная прочность ниобиевого сплава 5ВМЦ
растяжения изучали методами оптической металлографии на микроскопе
“№ орЬо 1;-2 ”, методом сканирующей электронной микроскопии на микро
скопе 1БМ-35СР. Шлифы вырезали из рабочего участка образца электро
искровым способом, затем полировали и подвергали химическому травле
нию.
По результатам испытаний определяли стандартные механические харак
теристики материала: предел пропорциональности о пц; условный предел
текучести о 0 2 ; предел прочности о в; относительное удлинение д; отно
сительное равномерное удлинение д р и относительное сужение \р. Вели
чину пластической деформации образца находили по диаграмме растяжения
и контролировали по реперным точкам, нанесенным с обеих сторон рабочей
части образца. Остаточное удлинение измеряли на оптическом микроскопе
МИР-12 с точностью ±0,01 мм. Относительное равномерное удлинение
определяли по диаграмме растяжения как соответствующее наибольшей
Нагрузке Ртах.
В экспериментах применяли лучевой метод нагрева, суть которого
заключалась в тепловом излучении нагревателей специальной конструкции,
изготовленных по типу нагревательных элементов печей электросопротивле
ния, либо промежуточной втулки-нагревателя, одетой на образец и разогре
ваемой токами высокой частоты (метод индукционного нагрева). Время
нагрева до температуры испытания после стабилизирующей выдержки при
770 К в течение 15 мин не превышало 10...15 мин. При индукционном
методе общее время нагрева составляло 5...10 мин. В случае проведения
испытаний на воздухе нагреватели и нагревательные втулки, изготовленные
из молибдена или сплава 5ВМЦ, покрывали силицидно-керамическим за
щитным покрытием, состав которого приведен выше.
При механических испытаниях температуру на образце измеряли воль-
фрамрениевыми термопарами ВР 5/20 либо с помощью оптического пиро
метра ЛОП-72. Системы нагрева экспериментальных установок обеспечи
вали предельные отклонения от задаваемой температуры испытания в пре
делах ±1% . Градиент температуры по длине рабочего участка образца не
превышал 10...20 град в диапазоне 1270...1770 К и 25...30 град при более
высоких температурах.
Кинетику зарождения и развития повреждений в композите изучали на
плоских образцах специальной формы. Для металлографических исследо
ваний на одной из боковых поверхностей рабочего участка образцов удаляли
силицидно-керамическое покрытие и приготовляли шлифы. Перед механи
ческими испытаниями в покрытии обнаруживали и фотографировали зоны
вероятного зарождения повреждений, которые идентифицировали реперны
ми точками (зоны А, В , С и т.д.). После высокотемпературной пластической
деформации в вакууме до заданной величины образец охлаждали до комнат
ной температуры и проводили металлографическое исследование шлифа.
При этом обследовали уже имеющиеся зоны, а также выявляли новые очаги
зарождения повреждений и фотографировали их. Затем образец растягивали
при той же температуре до более высокого уровня деформации и опять
проводили металлографические исследования. Методика позволяет иссле
довать кинетику зарождения и развития повреждений (трещины, поры) в
керамическом покрытии, переходной зоне и матрице.
ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2004, № 2 121
В. В. Буханоеский, В. А. Борисенко, В. К. Харченко, И. Мамузич
В связи с рассеянием экспериментальных данных проводили их статис
тическую обработку. При этом вычисляли среднее значение (математическое
ожидание) х, выборочное среднеквадратическое отклонение (СКВО) 5 х и
доверительные интервалы для математического ожидания механических ха
рактеристик при уровне значимости а = 0,05. Нижний гарантированный
предел прочностных и пластических характеристик х н определяли как
нижний толерантный предел для уровня доверительной вероятности у = 0,99
и вероятности р = 1—а = 0,95 [11].
Результаты исследований и их обсуждение. Механические свойства
ниобиевого сплава 5ВМЦ и композита (сплав 5ВМЦ - силицидно-керами-
ческое покрытие) приведены в табл. 1-4. Характеристики кратковременной
прочности и пластичности листового проката сплава 5ВМЦ толщиной 1 мм
(табл. 1 ) получены по результатам испытаний достаточно представительной
выборки образцов трех промышленных плавок [7]. В табл. 2 представлены
механические характеристики сплава, полученные при испытаниях в ваку
уме на цилиндрических образцах, вырезанных из прутка диаметром 60 мм в
исходном состоянии (отжиг при 1670 К, 2 ч) и после термической обработки
по режиму нанесения силицидно-керамического покрытия. Из данных табл. 1
и 2 видно, что характеристики прочности и пластичности сплава 5ВМЦ
несколько отличаются, причем в зависимости от температуры испытания это
отличие может колебаться от 5 до 50%.
Т а б л и ц а 1
Механические характеристики ниобиевого сплава 5ВМЦ
в диапазоне температур 290...2270 К (отжиг при 1670 К, 2 ч)
Т К1 исп’ К а в, МПа а , МПа а 0 2 , МПа <5р, % д, %
290 443 315 338 15,9 32,2
520 332 232 237 18,2 34,8
770 276 180 199 1 0 , 2 2 1 , 6
1070 295 155 182 11,9 2 0 , 8
1270 245 140 166 1 0 , 1 2 2 , 8
1470 145 1 0 0 1 2 0 7,5 50,9
1520 127 1 0 0 109 6 , 1 49,4
1770 6 8 54 62 2,3 83,6
2 0 2 0 37 33 35 1,3 96,2
2270 2 1 19 2 0 0,5 102,3
Термическая обработка сплава 5ВМЦ по режиму нанесения силицидно-
керамического покрытия приводит к разупрочнению материала на 5...10% в
диапазоне температур 290...1770 К и повышению на такую же величину его
прочностных характеристик при более высоких температурах. Пластические
характеристики отожженного материала уменьшаются в 1,3-2,0 раза по
сравнению с таковыми в исходном состоянии во всем исследованном диа
122 0556-171Х. Проблемы прочности, 2004, № 2
Высокотемпературная прочность ниобиевого сплава 5ВМЦ
пазоне температур (табл. 2). Изменяется также характер разрушения сплава,
особенно в высокотемпературной области: с вязкого внутризеренного для
материала в состоянии поставки на вязкий межзеренный для материала,
прошедшего трехступенчатый высокотемпературный отжиг
Т а б л и ц а 2
Механические характеристики ниобиевого сплава 5ВМЦ
в диапазоне температур 290...2070 К
Т К1 исп’ К а в, МПа а пц, МПа а 0 2, МПа <5р, % д, % ^, %
290 420 308 315 20,7 41,8 78,6
395 290 310 15,2 30,5 74,0
770 250 125 130 18,6 36,4 87,0
235 130 133 13,0 29,6 96,7
1270 244 130 152 11,7 31,2 83,5
2 2 0 1 2 0 140 1 1 , 8 29,0 96,7
1520 140 1 0 0 114 4,3 62,5 95,3
124 92 1 1 0 3,2 34,4 98,5
1770 94 80 84 3,1 6 8 , 0 88,9
84 77 81 2,9 51,8 63,6
2 0 2 0 43 39 41 2,9 99,6 99,5
47 40 43 3,2 49,2 64,6
2070 41 38 39 3,9 93,1 99,5
44 39 41 3,3 47,0 60,7
Примечания: 1. Образцы вырезаны вдоль продольной оси прутка. 2. Над чертой приведены
данные для материала в состоянии поставки (отжиг при 1670 К, 2 ч), под чертой - после
термической обработки по режиму нанесения силицидно-керамического покрытия (трех
ступенчатый отжиг при 1470, 1 ч, 1670, 30 мин и 2230 К, 15 мин).
Влияние термической обработки на механические свойства и характер
разрушения сплава 5ВМЦ обусловлено как ростом зерна до 250-350 мкм
вследствие процессов собирательной рекристаллизации, так и повышением
в материале процентного содержания проникающих путем диффузии из
защитной среды печи газообразных примесей внедрения, особенно в погра
ничных зонах кристаллитов [2 ].
В табл. 3 и 4 приведены характеристики кратковременной прочности и
пластичности ниобиевого сплава 5ВМЦ с силицидно-керамическим покры
тием при комнатной и высоких температурах, полученные по результатам
испытаний цилиндрических и плоских образцов в вакууме, инертной среде
и на воздухе. Сопоставление данных, представленных в табл. 1, 2 и 3, 4,
показало следующее. Как правило, характеристики прочности композита по
сравнению с материалом основы в исходном и отожженном состоянии
уменьшаются на 10...40% практически во всем исследованном диапазоне
температур. Однако прочностные характеристики композита, полученные на
плоских образцах при температурах 1770...2020 К, примерно соответствуют
аналогичным характеристикам листового материала.
ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2004, № 2 123
В. В. Бухановский, В. А. Борисенко, В. К. Харченко, И. Мамузич
Т а б л и ц а 3
Механические характеристики композита в вакууме и инертной среде
Образец Т К 1 исп, К а 0 2 , МПа а пц, МПа
Плоский 1270 166 140
(лист толщиной - -
1 мм) 1520 105 96
1770 71 64
2 0 2 0 33 30
2270 27 26
Цилиндрический 1270 140 136
(пруток диаметром 132 1 0 2
60 мм) 1520 1 0 2 94
1770 70 63
8 6 80
2 0 2 0 32 29
38 35
2270 26 2 2
- -
Примечание. Над чертой приведены данные, полученные при испытаниях в вакууме, под
чертой - в инертной среде (аргон).
Т а б л и ц а 4
Механические характеристики композита на воздухе и в инертной среде
Т к1 исп̂1 к Объем
выборки
Статистический параметр ГДИ для
математи
ческого
ожидания
Выбо
рочное
СКВО
НГП
мини
мальный
макси
мальный
среднее
выборочное
1 2 3 4 5 6 7 8
а пц МПа
290 3 2 1 2 2 2 2 217 - - -
1270 7 131 138 134 ±3 2,3 127
8 127 173 151 ± 2 1 19,5 91
1770 1 1 42 80 63 ±9 13,6 25
7 40 55 49 ±7 5,2 32
2 0 2 0 3 19,5 20,5 2 0 - - -
6 22,5 29,5 27 ± 1 0 2,9 17
С5а , МПа
290 3 228 334 232 - - -
1270 7 146 152 148 ±3 2 , 2 140
8 144 183 166 ±18 17,0 113
124 0556-171Х. Проблемы прочности, 2004, № 2
Высокотемпературная прочность ниобиевого сплава 5ВМЦ
продолжение табл. 4
1 2 3 4 5 6 7 8
о" МПа
1770 1 1 48 85 72 ± 8 12,4 37
7 47 63 56 ± 6 5,1 39
2 0 2 0 3 28 32 30 - - -
6 28 34 31 ±4 3,1 2 1
6 в, МПа
290 3 420 415 417 - - -
1270 3 185 206 195 - - -
3 2 2 0 2 1 0 213
1770 3 83 88 8 6 - - -
3 77 85 81
2 0 2 0 3 41 45 43 - - -
3 42 46 44
др,%
290 3 9 1 1 10,5 - - -
1270 3 2,4 3,0 2,7 - - -
3 6,5 8,5 7,0
1770 3 1 ,0 2 , 0 15 - - -
3 3,6 6, 0 4,8
2 0 2 0 3 4,5 7,0 6, 0 - - -
3 11,5 14,0 12,5
д, % (до разрушения)
290 3 2 0 , 0 24,0 21,5 - - -
1270 3 5,0 5,5 5,2 - - -
3 10,5 13,5 11,5
1770 3 23,0 27,5 25,5 - - -
3 41,0 45,0 43,0
2 0 2 0 3 37,0 44,0 41,0 - - -
3 87,5 92,0 90,0
Примечания: 1. НГП - нижний гарантированный предел, ГДИ - граница доверительных
интервалов. 2. Над чертой приведены данные, полученные при испытаниях на воздухе, под
чертой - в инертной среде (аргон). 3. Характеристики прочности композита определяли на
плоских образцах толщиной 2 мм.
Еще в большей степени нанесение силицидно-керамического покрытия
влияет на пластичность рассматриваемого сплава. В частности, при испыта
ниях в инертной среде относительное удлинение образцов из композита
уменьшается по сравнению с таковым образцов из сплава 5ВМЦ в 1,5-2
раза, а при испытаниях на воздухе - в 3-4 раза (табл. 1, 4).
ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2004, № 2 125
В. В. Бухановский, В. А. Борисенко, В. К. Харченко, И. Мамузич
Механические характеристики композита, полученные в аналогичных
условиях на плоских и цилиндрических образцах, отличаются несущест
венно. Характеристики прочности и пластичности сплава 5ВМЦ с силицидно-
керамическим покрытием при испытаниях на воздухе, как правило, ниже,
чем полученные в инертной среде. Причем если прочностные показатели
композита при испытаниях на воздухе уменьшаются незначительно, то
пластические - весьма заметно.
Полученные экспериментальные данные свидетельствуют, что при нане
сении на образцы сплава 5ВМЦ защитного силицидно-керамического покры
тия на механические характеристики материала основы влияние оказывают
как сопутствующая термическая обработка материала, так и протекающие
физико-химические процессы в диффузионной зоне, в частности диффузия
кремния из поверхностных слоев покрытия в металл [ 1 2 ].
Исследование поврежденности композита при высокотемпературном
растяжении по описанной выше методике показало следующее. В исходном
состоянии в покрытии имеют место множественные поры округлой
формы размером от 2,5 до 12 мкм, а также отдельные трещины длиной до
25 мкм. Причем поры расположены преимущественно вблизи наружной
поверхности композита и практически отсутствуют со стороны матрицы
(рис. 1,а). При высокотемпературном нагружении в упругой области (до
предела пропорциональности) заметных изменений в покрытии и матрице
не обнаружено.
В процессе деформирования композита при 1770 К трещины могут
зарождаться от дефектов, расположенных как на его поверхности, так и в
теле силицидно-керамического покрытия (рис. 1,б-г). На определенных
этапах деформирования они могут раскрываться, выходя на поверхность
(рис. 1,г), и залечиваться со стороны наружной поверхности композита. В
последнем случае трещина представляет наибольшую опасность, поскольку,
будучи не заметной с наружной поверхности конструктивного элемента, она
может прорастать в матрицу.
Термическая обработка и физико-механические процессы в диффузион
ной зоне, сопутствующие нанесению силицидно-керамического покрытия, а
также высокотемпературная пластическая деформация композита в процессе
эксплуатации, и особенно в агрессивных и окислительных газовых средах,
представляют существенную опасность с точки зрения охрупчивания мате
риала и снижения характеристик прочности даже для такого высокопластич
ного сплава, как 5ВМЦ. Поэтому наличие в композите трещин, проника
ющих в матрицу, можно считать недопустимым дефектом.
Трещины подобного рода наблюдались в отдельных зонах композита
уже на начальном этапе упругопластического деформирования при пласти
ческой деформации порядка 0,7% (рис. 2,а). Стрелкой на рис. 2,а обозначена
волосная трещина, проникшая в глубь матрицы на 1 0 мкм и не заметная с
наружной поверхности композита. На следующих этапах нагружения тре
щина устойчиво развивалась как в сторону наружной поверхности сили
цидно-керамического покрытия, так и в сторону матрицы. Так, после вы
сокотемпературной деформации образца до 1,3% она проникла в матрицу на
25 мкм. В покрытии ее ширина составила 5 мкм, в матрице - 2-2,5 мкм. В
126 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2004, № 2
Высокотемпературная прочность ниобиевого сплава 5ВМЦ
процессе продвижения трещины в глубь металла в ее вершине имеет место
сформировавшаяся пластическая зона. После деформации образца до 3,9%
трещина углубилась в матрицу еще на 5 мкм и расширилась до 18 мкм в
покрытии и до 7,5 мкм в матрице (рис. 2,б). При этом ее вершина приту
пилась и приобрела округлую форму с радиусом 4 мкм, что свидетельствует
о высокой релаксационной способности ниобиевого сплава.
в г
Рис. 1. Микрофотографии зоны А вероятного зарождения трещины в композите: а -исходное
состояние; б, в, г - деформация соответственно 0,7, 1,3 и 3,9%. (Гисп = 1770 К, Х400.)
нм ■
а б
Рис. 2. Микрофотографии зоны В зарождения трещины в композите: а, б
соответственно 0,7 и 3,9%. (Тисп = 1770 К, Х400.)
деформация
ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2004, № 2 127
В. В. Бухановский, В. А. Борисенко, В. К. Харченко, И. Мамузич
При пластической деформации выше 5% наряду с множественными
трещинами в композите отмечалось отслоение покрытия от матрицы. А при
температуре 2070 К, что на 50 градусов выше верхней границы рабочего
диапазона температур данного композита, имело место частичное оплав
ление силицидно-керамического покрытия.
Установлено, что с помощью предложенной методики можно на одном
образце проследить кинетику зарождения и развития очагов разрушения, а
также выявить степень их опасности на различных стадиях деформиро
вания. Кроме того, методика позволяет связать поврежденность композита с
используемой в инженерных расчетах количественной величиной (уровень
пластической деформации). В частности, представляется очевидным, что
пластические деформации выше 0,5% для деталей и конструктивных эле
ментов из сплава 5ВМЦ с силицидно-керамическими покрытиями, работа
ющих в условиях высоких температур, недопустимы. Недостатком методики
является то, что разработана она для испытаний только в защитной среде.
В ы в о д ы
1. Определены характеристики кратковременной статической прочности
и пластичности композита (сплав 5ВМЦ - силицидно-керамическое покры
тие) при комнатной и высоких температурах в вакууме, в среде инертного
газа и на воздухе.
2. Термическая обработка, сопутствующая технологическому процессу
нанесения силицидно-керамического покрытия, приводит к разупрочнению
сплава 5ВМЦ на 5...10% в диапазоне температур от комнатной до 1770 К и к
повышению его прочностных характеристик при более высоких темпера
турах. Пластические свойства отожженного материала снижаются в 1,3-2
раза во всем исследованном температурном интервале.
3. Нанесение силицидно-керамического покрытия приводит к уменьше
нию характеристик кратковременной прочности сплава 5ВМЦ на 10...40%
практически во всем исследованном диапазоне температур. При этом плас
тические свойства композита по сравнению с материалом основы ниже в
1,5-4 раза.
4. Предельные значения пластических деформаций, при которых компо
зит сохраняет работоспособность в высокотемпературных окислительной и
агрессивных газовых средах, не должны превышать 0,5%.
Р е з ю м е
Аналізуються експериментальні дані щодо короткочасної міцності та плас
тичності ніобієвого сплаву 5ВМЦ системи N b-W -M o-Z r у початковому
стані, після відпалу і з силіцидно-керамічними захисними покриттями, що
отримані при його випробуванні у вакуумі, інертному середовищі та на
відкритому повітрі у діапазоні температур 290...2270 К. Досліджено кіне
тику зародження і розвитку мікротріщин у захисному покритті і матриці в
процесі високотемпературного статичного розтягу. Встановлено значення
граничних пластичних деформацій, за яких композит зберігає несучу здат
ність у високотемпературних агресивних та окисних газових середовищах.
128 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2004, № 2
Высокотемпературная прочность ниобиевого сплава 5ВМЦ
1. Тугоплавкие металлы и сплавы / Под ред. Г. С. Бурханова, Ю. В.
Ефимова. - М.: Металлургия, 1986. - 352 с.
2. Металлургия и технология сварки тугоплавких металлов и сплавов на
их основе / Под ред. С. М. Гуревича. - Киев: Наук. думка, 1982. - 304 с.
3. Самсонов Г. В., Борисова А. Л. Состояние и перспективы использования
защитных покрытий в народном хозяйстве // Защитные покрытия на
металлах. - Киев: Наук. думка, 1977. - Вып. II. - С. 3 - 8 .
4. Терентьева В. С., Богачкова О. П. Гетерофазные защитные покрытия
для жаропрочных материалов // Материаловедение. - 1998. - № 9. -
С. 2 - 7.
5. Горячева Е. В., Терентьева В. С. Изучение структуры и фазового
состава покрытий системы кремний-титан-молибден-бор на ниобиевом
сплаве после высокотемпературных испытаний // V Междунар. симп.
“Динамика и технологические проблемы механики конструкций и
сплошных сред” (Ярополец, февр. 1999). - Ярополец: Гефест, 1999. -
С. 59 - 60.
6 . Змий В. И., Ковтун Н. В. Стабильность и жаростойкость силицидных
покрытий на тугоплавких металлах // Порошк. металлургия. - 2002. -
№ 7-8. - С. 70 - 74.
7. Bukhanovsky V. V. and Mamuzic I. The effect of temperature on mechanical
characteristics of niobium alloys of the system N b-W -M o-Z r // Metalurgija.
- 2003. - 42, No. 2. - P. 85 - 90.
8 . Испытательная техника. Справочник: В 2 т. / Под ред. В. В. Клюева. -
М.: Машиностроение, 1982. - Т. 2. - 570 с.
9. Прочность материалов и элементов конструкций в экстремальных усло
виях: В 2 т. / Под ред. Г. С. Писаренко. - Киев: Наук. думка, 1980. - Т. 1.
- 535 с.
10. Харченко В. К. О высокотемпературной прочности тугоплавких мате
риалов // Пробл. прочности. - 1980. - № 10. - С. 94 - 103.
11. Степнов М. Н. Статистическая обработка результатов испытаний. - М.:
Машиностроение, 1972. - 232 с.
12. Гецов Л. Б. Материалы и прочность деталей газовых турбин. - М.:
Недра, 1996. - 591 с.
Поступила 23. 03. 2003
ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2004, № 2 129
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-47080 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0556-171X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T18:07:46Z |
| publishDate | 2004 |
| publisher | Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Бухановский, В.В. Борисенко, В.А. Харченко, В.К. Мамузич, И. 2013-07-09T17:04:47Z 2013-07-09T17:04:47Z 2004 Высокотемпературная прочность нпобиевого сплава 5ВМЦ с
 силицидно-керамическим защитным покрытием. Сообщение 1.
 Характеристики кратковременной прочности / В.В. Бухановский, В.А. Борисенко, В.К. Харченко, И. Мамузич // Проблемы прочности. — 2004. — № 2. — С. 119-129. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. 0556-171X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/47080 669.293:539.4+621.793.6 Анализируются экспериментальные данные по кратковременной прочности и пластичности
 ниобиевого сплава 5ВМЦ системы Nb-W-Mo-Zr в исходном состоянии, после отжига и при
 нанесении силицидно-керамического защитного покрытия, полученные при его испытаниях в
 вакууме, инертной среде и на воздухе в диапазоне температур 290...2270 К. Исследуется
 процесс зарождения и развития микротрещин в защитном покрытии и матрице при высокотемпературном
 статическом растяжении. Установлены значения предельных пластических
 деформаций, при которых композит сохраняет несущую способность в высокотемпературных
 агрессивных и окислительных газовых средах. Аналізуються експериментальні дані щодо короткочасної міцності та пластичності
 ніобієвого сплаву 5ВМЦ системи Nb-W-Mo-Zr у початковому
 стані, після відпалу і з силіцидно-керамічними захисними покриттями, що
 отримані при його випробуванні у вакуумі, інертному середовищі та на
 відкритому повітрі у діапазоні температур 290...2270 К. Досліджено кінетику
 зародження і розвитку мікротріщин у захисному покритті і матриці в
 процесі високотемпературного статичного розтягу. Встановлено значення
 граничних пластичних деформацій, за яких композит зберігає несучу здатність
 у високотемпературних агресивних та окисних газових середовищах. For 5VMTs of niobium alloy (Nb-W-Mo-Zr system)
 in the initial condition, after annealing, and
 with silicide-ceramic protective coatings we analyzed
 the experimental data are analyzed on
 short-time strength and plasticity obtained during
 tests in vacuum, air and rare gas environment in
 the temperature range of 290...2270 K. We studied
 the process of microcrack initiation and propagation
 in the protective coating and material matrix
 in high-temperature static tension. The critical values
 of plastic deformations are determined, which
 limit the composite’s bearing capacity in high-temperature
 aggressive and oxidizing gas environment. ru Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України Проблемы прочности Научно-технический раздел Высокотемпературная прочность нпобиевого сплава 5ВМЦ с силицидно-керамическим защитным покрытием. Сообщение 1. Характеристики кратковременной прочности High-Temperature Strength of Niobium Alloy 5VMTs with Silicide-Ceramic Protective Coatings. Part 1. Characteristics of Short-Time Strength Article published earlier |
| spellingShingle | Высокотемпературная прочность нпобиевого сплава 5ВМЦ с силицидно-керамическим защитным покрытием. Сообщение 1. Характеристики кратковременной прочности Бухановский, В.В. Борисенко, В.А. Харченко, В.К. Мамузич, И. Научно-технический раздел |
| title | Высокотемпературная прочность нпобиевого сплава 5ВМЦ с силицидно-керамическим защитным покрытием. Сообщение 1. Характеристики кратковременной прочности |
| title_alt | High-Temperature Strength of Niobium Alloy 5VMTs with Silicide-Ceramic Protective Coatings. Part 1. Characteristics of Short-Time Strength |
| title_full | Высокотемпературная прочность нпобиевого сплава 5ВМЦ с силицидно-керамическим защитным покрытием. Сообщение 1. Характеристики кратковременной прочности |
| title_fullStr | Высокотемпературная прочность нпобиевого сплава 5ВМЦ с силицидно-керамическим защитным покрытием. Сообщение 1. Характеристики кратковременной прочности |
| title_full_unstemmed | Высокотемпературная прочность нпобиевого сплава 5ВМЦ с силицидно-керамическим защитным покрытием. Сообщение 1. Характеристики кратковременной прочности |
| title_short | Высокотемпературная прочность нпобиевого сплава 5ВМЦ с силицидно-керамическим защитным покрытием. Сообщение 1. Характеристики кратковременной прочности |
| title_sort | высокотемпературная прочность нпобиевого сплава 5вмц с силицидно-керамическим защитным покрытием. сообщение 1. характеристики кратковременной прочности |
| topic | Научно-технический раздел |
| topic_facet | Научно-технический раздел |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/47080 |
| work_keys_str_mv | AT buhanovskiivv vysokotemperaturnaâpročnostʹnpobievogosplava5vmcssilicidnokeramičeskimzaŝitnympokrytiemsoobŝenie1harakteristikikratkovremennoipročnosti AT borisenkova vysokotemperaturnaâpročnostʹnpobievogosplava5vmcssilicidnokeramičeskimzaŝitnympokrytiemsoobŝenie1harakteristikikratkovremennoipročnosti AT harčenkovk vysokotemperaturnaâpročnostʹnpobievogosplava5vmcssilicidnokeramičeskimzaŝitnympokrytiemsoobŝenie1harakteristikikratkovremennoipročnosti AT mamuziči vysokotemperaturnaâpročnostʹnpobievogosplava5vmcssilicidnokeramičeskimzaŝitnympokrytiemsoobŝenie1harakteristikikratkovremennoipročnosti AT buhanovskiivv hightemperaturestrengthofniobiumalloy5vmtswithsilicideceramicprotectivecoatingspart1characteristicsofshorttimestrength AT borisenkova hightemperaturestrengthofniobiumalloy5vmtswithsilicideceramicprotectivecoatingspart1characteristicsofshorttimestrength AT harčenkovk hightemperaturestrengthofniobiumalloy5vmtswithsilicideceramicprotectivecoatingspart1characteristicsofshorttimestrength AT mamuziči hightemperaturestrengthofniobiumalloy5vmtswithsilicideceramicprotectivecoatingspart1characteristicsofshorttimestrength |