Многослойный композит на основе никеля, армированный интерметаллидными слоями
Микрокомпозиты Ni/Al получены диффузионной сваркой многослойных пакетов под давлением. При последующей термообработке в результате реактивной диффузии в композите образовывались интерметаллиды Ni₃Al и NiAl. Получен композиционный материал, состоящий из слоев достаточно пластичного твердого раствора...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Физика и техника высоких давлений |
|---|---|
| Дата: | 2010 |
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України
2010
|
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/69333 |
| 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: | Многослойный композит на основе никеля, армированный интерметаллидными слоями / В.П. Коржов, М.И. Карпов, В.М. Кийко // Физика и техника высоких давлений. — 2010. — Т. 20, № 4. — С. 101-108. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-69333 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Коржов, В.П. Карпов, М.И. Кийко, В.М. 2014-10-11T07:31:50Z 2014-10-11T07:31:50Z 2010 Многослойный композит на основе никеля, армированный интерметаллидными слоями / В.П. Коржов, М.И. Карпов, В.М. Кийко // Физика и техника высоких давлений. — 2010. — Т. 20, № 4. — С. 101-108. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. 0868-5924 PACS: 62.20.Fe https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/69333 Микрокомпозиты Ni/Al получены диффузионной сваркой многослойных пакетов под давлением. При последующей термообработке в результате реактивной диффузии в композите образовывались интерметаллиды Ni₃Al и NiAl. Получен композиционный материал, состоящий из слоев достаточно пластичного твердого раствора алюминия в никеле и упрочняющей интерметаллидной фазы Ni₃Al. Мікрокомпозити Ni/Al отримано дифузійною зваркою багатошарових пакетів під тиском. При подальшій термообробці в результаті реактивної дифузії в композиті утворювалися інтерметаліди Ni₃Al і NiAl. Отримано композиційний матеріал, що складається з шарів достатньо пластичного твердого розчину алюмінію в нікелі і зміцнюючої інтерметалідної фази Ni₃Al. Ni/Al-microcomposites were produced by diffusion welding of multilayer packets under pressure. The intermetallics of Ni₃Al and NiAl were formed in the composite after heat treatment resulting in reactive diffusion. The composite material consisting of the layers of enough ductile solid solution of aluminium in nickel and the hardening intermetallic phase of Ni₃Al has been produced. ru Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України Физика и техника высоких давлений Многослойный композит на основе никеля, армированный интерметаллидными слоями Багатошаровий композит на основі нікелю, армований інтерметалідними шарами Nickel-based multilayer composite reinforced by intermetallic layers Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Многослойный композит на основе никеля, армированный интерметаллидными слоями |
| spellingShingle |
Многослойный композит на основе никеля, армированный интерметаллидными слоями Коржов, В.П. Карпов, М.И. Кийко, В.М. |
| title_short |
Многослойный композит на основе никеля, армированный интерметаллидными слоями |
| title_full |
Многослойный композит на основе никеля, армированный интерметаллидными слоями |
| title_fullStr |
Многослойный композит на основе никеля, армированный интерметаллидными слоями |
| title_full_unstemmed |
Многослойный композит на основе никеля, армированный интерметаллидными слоями |
| title_sort |
многослойный композит на основе никеля, армированный интерметаллидными слоями |
| author |
Коржов, В.П. Карпов, М.И. Кийко, В.М. |
| author_facet |
Коржов, В.П. Карпов, М.И. Кийко, В.М. |
| publishDate |
2010 |
| language |
Russian |
| container_title |
Физика и техника высоких давлений |
| publisher |
Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Багатошаровий композит на основі нікелю, армований інтерметалідними шарами Nickel-based multilayer composite reinforced by intermetallic layers |
| description |
Микрокомпозиты Ni/Al получены диффузионной сваркой многослойных пакетов под давлением. При последующей термообработке в результате реактивной диффузии в композите образовывались интерметаллиды Ni₃Al и NiAl. Получен композиционный материал, состоящий из слоев достаточно пластичного твердого раствора алюминия в никеле и упрочняющей интерметаллидной фазы Ni₃Al.
Мікрокомпозити Ni/Al отримано дифузійною зваркою багатошарових пакетів під тиском. При подальшій термообробці в результаті реактивної дифузії в композиті утворювалися інтерметаліди Ni₃Al і NiAl. Отримано композиційний матеріал, що складається з шарів достатньо пластичного твердого розчину алюмінію в нікелі і зміцнюючої інтерметалідної фази Ni₃Al.
Ni/Al-microcomposites were produced by diffusion welding of multilayer packets under pressure. The intermetallics of Ni₃Al and NiAl were formed in the composite after heat treatment resulting in reactive diffusion. The composite material consisting of the layers of enough ductile solid solution of aluminium in nickel and the hardening intermetallic phase of Ni₃Al has been produced.
|
| issn |
0868-5924 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/69333 |
| citation_txt |
Многослойный композит на основе никеля, армированный интерметаллидными слоями / В.П. Коржов, М.И. Карпов, В.М. Кийко // Физика и техника высоких давлений. — 2010. — Т. 20, № 4. — С. 101-108. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT koržovvp mnogosloinyikompozitnaosnovenikelâarmirovannyiintermetallidnymisloâmi AT karpovmi mnogosloinyikompozitnaosnovenikelâarmirovannyiintermetallidnymisloâmi AT kiikovm mnogosloinyikompozitnaosnovenikelâarmirovannyiintermetallidnymisloâmi AT koržovvp bagatošaroviikompozitnaosnovíníkelûarmovaniiíntermetalídnimišarami AT karpovmi bagatošaroviikompozitnaosnovíníkelûarmovaniiíntermetalídnimišarami AT kiikovm bagatošaroviikompozitnaosnovíníkelûarmovaniiíntermetalídnimišarami AT koržovvp nickelbasedmultilayercompositereinforcedbyintermetalliclayers AT karpovmi nickelbasedmultilayercompositereinforcedbyintermetalliclayers AT kiikovm nickelbasedmultilayercompositereinforcedbyintermetalliclayers |
| first_indexed |
2025-11-24T18:04:22Z |
| last_indexed |
2025-11-24T18:04:22Z |
| _version_ |
1850484898983313408 |
| fulltext |
Физика и техника высоких давлений 2010, том 20, № 4
© В.П. Коржов, М.И. Карпов, В.М. Кийко, 2010
PACS: 62.20.Fe
В.П. Коржов, М.И. Карпов, В.М. Кийко
МНОГОСЛОЙНЫЙ КОМПОЗИТ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ,
АРМИРОВАННЫЙ ИНТЕРМЕТАЛЛИДНЫМИ СЛОЯМИ
Институт физики твердого тела РАН
ул. Институтская, 2, г. Черноголовка, Московская обл., 142432, Россия
Е-mail: korzhov@issp.ac.ru
Микрокомпозиты Ni/Al получены диффузионной сваркой многослойных пакетов
под давлением. При последующей термообработке в результате реактивной диф-
фузии в композите образовывались интерметаллиды Ni3Al и NiAl. Получен компо-
зиционный материал, состоящий из слоев достаточно пластичного твердого рас-
твора алюминия в никеле и упрочняющей интерметаллидной фазы Ni3Al.
Ключевые слова: микрокомпозиты, фольги, диффузионная сварка, интерметал-
лидная фаза, жаропрочные сплавы
Никель и алюминий образуют несколько интерметаллических соедине-
ний, но практический интерес представляют два из них – Ni3Al и NiAl. Пер-
вый является основной упрочняющей фазой жаропрочных никелевых спла-
вов, которые используются для изготовления ответственных деталей и уз-
лов, работающих в условиях высоких температур и силовых нагрузок. Но
необходимость повышать рабочие температуры деталей авиационных дви-
гателей, работающих в экстремально горячих условиях, инициировала раз-
работку жаропрочных сплавов на основе моноалюминида никеля NiAl [1]
как более тугоплавкого (температура плавления ∼ 1640°С) и легкого (плот-
ность – 5.9 g/сm2), чем Ni3Al, и не нуждающегося в защите от окисления.
Можно отметить другие отличительные свойства сплавов системы Ni–Al.
Соединение Ni3Al и сплавы на его основе обладают положительной зависи-
мостью напряжения течения. Этот эффект проявляется только в сплавах с
дальним атомным порядком или, другими словами, в сплавах со сверхструк-
турой. В Ni-сплавах, богатых алюминием, после закалки происходит мар-
тенситное превращение, обеспечивающее им обратимый эффект памяти
формы [2]. Исчерпывающую информацию о сплавах системы Ni–Al можно
найти в недавно вышедшей монографии [3].
Цель настоящей работы – исследование возможности получить много-
слойный композиционный материал из пластичной Ni-матрицы или матри-
цы из твердого раствора Al в Ni, армированной интерметаллидными слоями
Ni3Al и NiAl.
Физика и техника высоких давлений 2010, том 20, № 4
102
1. Получение композитов и методика исследования их структуры
Плоские многослойные микрокомпозиты Ni/Al получали диффузионной
сваркой пакетов под давлением 15–20 MPa в течение 1 h при температурах, не
превышавших температуру плавления алюминия. Пакет с наружными Ni-
фольгами собирали из 12–20 Ni- и 11–19 Al-фольг. Толщина никелевой фольги
составляла обычно 0.1 mm, толщина алюминиевой могла изменяться от 10 μm
до 0.1 mm. Интерметаллиды образовывались при термической обработке Ni/Al-
композитов в результате взаимной диффузии между никелем и алюминием.
Поперечное сечение композита непосредственно после диффузионной
сварки представлено на рис. 1. Микроструктурные исследования проводили с
помощью растровой электронной микроскопии на электронных сканирующих
приборах CamScan MV2300 и Vega 2, оснащенных детекторами вторичных и
отраженных электронов и рентгеновским микроанализатором.
а б
Рис. 1. Микроструктура композита Ni/Al после диффузионной сварки при относи-
тельно малом (а) и большом (б) увеличениях
Слои никеля как более тяжелого элемента на фотографиях выглядели
светлыми, Al-слои – темными полосами. Видно, что уже после диффузион-
ной сварки, которую проводили при температуре не выше 600°C, на границе
между слоями никеля и алюминия образовывалась прослойка толщиной ∼ 2 μm
(рис. 1,б). По данным локального рентгеноспектрального анализа она иден-
тифицировалась как наиболее богатый алюминием интерметаллид NiAl3.
2. Влияние термообработки на структуру композита Ni/Al
После термообработки даже при относительно невысокой температуре,
равной 800°C, весь алюминий расходовался на образование интерметалли-
дов. В этом первоначальном эксперименте образец отжигался без приложе-
Физика и техника высоких давлений 2010, том 20, № 4
103
ния давления. Поэтому вследствие разницы объемов алюминия и образую-
щихся интерметаллидов между никелем и алюминием формировалась рых-
лая в середине диффузионная зона, состоявшая из слоев интерметаллидов
Ni3Al толщиной ~ 3.5 μm (рис. 2,а; точки 4 и 8), NiAl толщиной 5–6 μm (3 и
9) и слоя Ni2Al3 (1, 2, 10 и 11), разделенного практически сплошной порис-
той прослойкой на две части. Идентификацию слоев проводили с помощью
локального рентгеноспектрального анализа, экспериментальным результа-
том которого были концентрационные зависимости элементов (рис. 2,б).
0 20 40 60 80 100 120
0
20
40
60
80
100
NiAl
Al
Ni
Ni2Al3 Ni2Al3
Ni3Al
Ni
A
t.%
Distance, μm
а б
Рис. 2. Микроструктура диффузионной зоны в композите Ni/Al после термообра-
ботки при 800°C без давления (а) и ее концентрационные профили (б): 1–11 – точки
анализа
Приложение к образцу даже небольшого давления уменьшало площадь
пустот (рис. 3). Диффузионная зона композита Ni/Al после сварки и отжига
по режиму: 600°C/1 h + 950°C/5 h под давлением ∼ 0.7 MPa состояла из слоя
NiAl (точка 1), двух слоев интерметаллида Ni5Al3 толщиной ~ 18 μm (2) и
двух слоев Ni3Al толщиной несколько микрон (3), прилежащих к чистому
никелю (4).
При сравнении микроструктуры диффузионной зоны этого композита с
диффузионной зоной композита, отожженного при 800°C, видно, что: 1)
слой интерметаллида Ni2Al3 с наибольшим содержанием алюминия пропа-
дает, и его место занимает моноалюминид NiAl; 2) между NiAl и Ni3Al ока-
зывается слой нового интерметаллида Ni5Al3; 3) толщина Ni3Al-слоев оста-
ется практически прежней. Можно сделать промежуточный вывод, что
Ni3Al, образовавшись на начальном этапе, далее некоторое время служит
лишь барьером для реактивной диффузии между никелем и алюминием.
Термообработка под давлением ∼ 0.7 MPa при 1000°C приводила к обра-
зованию диффузионной зоны с аналогичной структурой и с тем же набором
Физика и техника высоких давлений 2010, том 20, № 4
104
а б
Рис. 3. Макроструктура композита Ni/Al (а) и микроструктура его диффузионной
зоны (б) после термообработки: 600°C/1 h + 950°C/5 h под давлением ∼ 0.7 MPa: 1–4 –
точки анализа
интерметаллидных слоев. Толщина сло-
ев Ni3Al так же не превышала 2–3 μm.
На рис. 4 приведены концентрацион-
ные профили никеля и алюминия в
диффузионной зоне композита. Обна-
руженный нами интерметаллид Ni5Al3
по содержанию алюминия является
промежуточным между NiAl и Ni3Al,
и его присутствие не должно бы вы-
зывать вопросов, но это расходится с
диаграммой состояния Ni–Al [4], со-
гласно которой Ni5Al3 существует при
температурах меньше ~ 700°C. По дан-
ным локального анализа, в слоях, иден-
тифицированных как Ni5Al3, содержа-
лось 38.4–39.2 at.% Al и 60.3–61.2 at.% Ni, что очень близко к его стехиомет-
рическому составу.
И, наконец, на рис. 5,I показаны макро- (а) и микроструктуры (б) компо-
зита, составленного из 20 никелевых и 19 алюминиевых фольг с начальной
толщиной соответственно 0.1 и 0.05 mm после термообработки под давлени-
ем ∼ 830 MPa в вакууме по режиму: 600°C/2 h + 1100°C/30 min. Объемное
соотношение никеля и алюминия в этом композите было подобрано таким,
чтобы в конечном итоге в качестве армирующей составляющей оставался
только интерметаллид Ni3Al. Материал имел слоистую структуру, состоя-
щую из чередующихся интерметаллидной Ni3Al-фазы (точки 2, 3 и 10) и
0 20 40 60 80 100 120
0
20
40
60
80
100
NiAl
NI3Al
Ni5Al3
Ni
Al
A
t.%
Distance, μm
Рис. 4. Концентрационные профили
диффузионной зоны в композите Ni/Al
после сварки и отжига при 1000°C в
течение 1 h под давлением ∼ 0.7 MPa
Физика и техника высоких давлений 2010, том 20, № 4
105
I
а б
II
а б
III
а б
Рис. 5. Макро- (а) и микроструктуры (б) композита Ni/Al после сварки и термической
обработки по режимам: I – 600°C/2 h + 1100°C/30 min под давлением ∼ 830 MPa; II, III –
600°C/2 h + 1100°C/1 h под давлением ∼ 20 MPa; II – объемное отношение Ni/Al = 6,
III – Ni/Al = 0.67
Физика и техника высоких давлений 2010, том 20, № 4
106
твердого раствора алюминия в никеле (1, 4–7, 11 и 12) с содержанием алю-
миния до 15 at.%. Кроме этих двух составляющих присутствовали остатки
фазы Ni5Al3 (точки 8 и 9).
3. Влияние объемного соотношения никеля и алюминия на структуру
композита Ni/Al
Были изготовлены два Ni/Al-композита с сильно отличающимися объем-
ными отношениями Ni/Al, равными 6 и 0.67. Первый композит получали
диффузионной сваркой пакета, состоящего из 10 Ni-фольг толщиной 0.3 mm
и 9 Al-фольг толщиной 50 μm, второй – из 12 Ni- и 11 Al-фольг толщиной
соответственно 0.1 и 0.15 mm.
На рис. 5,II,III представлены макро- (а) и микроструктуры (б) их попереч-
ных сечений после термической обработки по режиму: 600°C/2 h + 1100°C/1 h
под давлением 20 MPa. Видно, что микроструктуры обоих композитов су-
щественно отличаются. Структура композита с небольшим содержанием
алюминия (Ni/Al = 6) состоит из твердого раствора Al в Ni с 9–13 at.% Al,
армированного слоями интерметаллида Ni3Al толщиной ∼ 20 μm, внутри ко-
торых редко наблюдаются остатки фазы Ni5Al3 (рис. 5,II,б).
Структура композита с большим объемным содержанием алюминия
(Ni/Al = 0.67) состоит в основном из интерметаллида Ni5Al3 в виде слоев
толщиной ∼ 100 μm, внутри которых располагается слой моноалюминида
никеля NiAl толщиной 10–15 μm (рис. 5,III,б). Слои твердого раствора алю-
миния в никеле имеют толщину 15–20 μm и отделяются от слоев Ni5Al3 тон-
кими (4–5 μm) прослойками интерметаллида Ni3Al.
В обоих композитах внутри интерметаллидных слоев наблюдаются тем-
ные строчки мелких пор, обусловленных недостаточным давлением при
термообработке.
Настоящие эксперименты показывают, что, изменяя температуру термо-
обработки и объемное соотношение алюминия и никеля, можно получать
сильно отличающиеся структуры композитов, а следовательно, композиты с
нужными прочностными характеристиками.
Выводы
1. Изменение фазового состава диффузионных зон в микрокомпозитах
Ni/Al в зависимости от температуры обработки и объемного содержания
алюминия подчиняется законам взаимной диффузии элементов, способных
образовывать между собой интерметаллические соединения.
2. Представленные данные и, в частности, результат последнего экспери-
мента, заключающийся в получении композиционного материала, который
состоит из матрицы достаточно прочного, но вместе с тем пластичного твер-
дого раствора алюминия в никеле и упрочняющей интерметаллидной Ni3Al-
фазы, открывают перспективу получить слоистый материал на основе NiAl-
сплава, армированного слоями более тугоплавких интерметаллидных фаз.
Физика и техника высоких давлений 2010, том 20, № 4
107
1. К.Б. Поварова, О.А. Скачков, А.А. Дроздов, А.И. Морозов, Третья всероссийская
конференция по наноматериалам «НАНО-2009», Екатеринбург, 20–24 апреля
2009 г., Тез. докл., Уральское изд-во, Екатеринбург (2009), с. 221–223.
2. J.L. Smialek, R.F. Hehemann, Metall. Trans. 4, 1571 (1973).
3. Ю.Р. Колобов, Е.Н. Каблов, Э.В. Козлов, Н.А. Конева, К.Б. Поварова, Г.П. Гра-
бовецкая, В.П. Бунтушкин, О.А. Базылева, С.А. Мубояджян, С.А. Будиновский,
Структура и свойства интерметаллидных материалов с нанофазным упрочнени-
ем, Издательский Дом МИСиС, Москва (2008).
4. ASM International Binary Alloy, The Materials Information Society, Massalski.
В.П. Коржов, М.І. Карпов, В.М. Кийко
БАГАТОШАРОВИЙ КОМПОЗИТ НА ОСНОВІ НІКЕЛЮ, АРМОВАНИЙ
ІНТЕРМЕТАЛІДНИМИ ШАРАМИ
Мікрокомпозити Ni/Al отримано дифузійною зваркою багатошарових пакетів під
тиском. При подальшій термообробці в результаті реактивної дифузії в композиті
утворювалися інтерметаліди Ni3Al і NiAl. Отримано композиційний матеріал, що
складається з шарів достатньо пластичного твердого розчину алюмінію в нікелі і
зміцнюючої інтерметалідної фази Ni3Al.
Ключові слова: мікрокомпозити, фольги, дифузійна зварка, інтерметалідна фаза,
жароміцні сплави
V.P. Korzhov, M.I. Karpov, V.M. Kiiko
NICKEL-BASED MULTILAYER COMPOSITE REINFORCED
BY INTERMETALLIC LAYERS
Ni/Al-microcomposites were produced by diffusion welding of multilayer packets under
pressure. The intermetallics of Ni3Al and NiAl were formed in the composite after heat
treatment resulting in reactive diffusion. The composite material consisting of the layers
of enough ductile solid solution of aluminium in nickel and the hardening intermetallic
phase of Ni3Al has been produced.
Keywords: microcomposites, foils, diffusion welding, intermetallic phase, high-tempera-
ture alloys
Fig. 1. Microstructure of Ni/Al-composite after diffusion welding under small (a) and
large (б) magnifications
Fig. 2. Microstructure of diffusion zone in the Ni/Al-composite after heat treatment under
800°C without pressure (a) and its concentration profiles (б): 1–11 – points of the analysis
Fig. 3. Macrostructure of Ni/Al-composite (a) and microstructure of its diffusion zone (б)
after heat treatment: 600°C/1 h + 950°С/5 h under pressure of ∼ 0.7 МPа: 1–4 – points of
the analysis
Физика и техника высоких давлений 2010, том 20, № 4
108
Fig. 4. Concentration profiles of diffusion zone in the Ni/Al-composite after welding and
annealing at 1000°C during 1 h under pressure of ∼ 0.7 МPа
Fig. 5. Macro- (a) and microstructures (б) of Ni/Al-composite after welding and heat
treatment: I – 600°C/2 h + 1100°С/30 min under pressure of ∼ 830 МPа; II, III – 600°С/2 h +
+ 1100°С/1 h under pressure of ∼ 20 MPa; II – volume ratio Ni/Al = 6, III – Ni/Al = 0.67
|