Кинетика и механизм окисления никелевых сплавов

Исследовано влияние легирующих элементов на кинетику и механизм окисления при температуре 1150 °С в течение 30 ч жаропрочных никелевых сплавов, полученных по технологиям центробежной СВС-металлургии (СВС-М), вакуумного индукционного переплава (ВИП), элементного синтеза (ЭС) и горячего изостатического прессования (ГИП). Проведен сравнительный анализ сплавов на основе моноалюминида никеля и стандартных сплавов марок АЖК и ЭП741НП. Выявлено, что кинетические зависимости описываются преимущественно параболической аппроксимацией. Логарифмический закон окисления с быстрым (в течение 3–4 ч) формированием первичного защитного слоя характерен для сплавов, легированных молибденом и гафнием. В случае АЖК и ЭП741НП на начальной стадии (2–3 ч) окисление происходит по параболическому закону, а в дальнейшем – по линейному механизму с объемным окислением и полным разрушением образцов. Диффузия кислорода и азота протекает преимущественно по границам зерен алюминида никеля и лимитируется образованием защитной пленки состава Al2O3 + Cr2O3 + XnOm. Для сплавов, полученных методом СВС-М, характерным является положительное влияние на жаростойкость легирующих добавок циркония и тантала. В межзеренном пространстве образуется фаза Ta2O5, которая снижает скорость и глубину окисления. Цирконийсодержащий верхний слой Al2O3 + Zr5Al3O0,5 блокирует внешнюю диффузию кислорода и азота, тем самым повышая жаростойкость. Легирование гафнием также положительно сказывается на окислительной стойкости сплавов и приводит к образованию субмикронных и наноразмерных включений HfO2, которые подавляют зернограничную диффузию кислорода. В образцах с повышенным содержанием молибдена формируются летучие оксиды MoO3, Mo3O4, CoMoO4, которые разрушают целостность защитного слоя. Сравнительный анализ кинетики и механизма окисления образцов из базового β-сплава с добавками Cr + Co + Hf показал существенное влияние на жаростойкость способа получения образцов. При снижении доли примесного азота и образования подслоя Cr2O3 меняется и механизм окисления.

1. Логунов А.В. Жаропрочные никелевые сплавы для лопаток и дисков газовых турбин. М.: ИД «Газотурбинные технологии», 2017.

2. Hu L., Zhang G., Hu W., Gottstein G., Bogner S., BührigPolaczek A. Tensile creep of directionally solidified NiAl—9Mo in situ composites. Acta Mater. 2013. Vol. 61. P. 7155—7165. DOI:10.1016/j.actamat.2013.08.017.

3. Seemüller C., Heilmaier M., Haenschke T., Bei H., Dlouhy A., George E.P. Influence of fiber alignment on creep in directionally solidified NiAl—10Mo in-situ composites. Intermetallics. 2013. Vol. 35. P. 110—115. DOI:10.1016/j.intermet.2012.12.007.

4. Bei H., George E.P. Microstructures and mechanical properties of a directionally solidified NiAl—Mo eutectic alloy. Acta Mater. 2005. Vol. 53. P. 69—77. DOI:10.1016/j.actamat.2004.09.003

5. Shang Z., Shen J., Wang L., Du Y., Xiong Y., Fu H. Investigations on the microstructure and room temperature fracture toughness of directionally solidified NiAl—Cr(Mo) eutectic alloy. Intermetallics. 2015. Vol. 57. P. 25—33. DOI:10.1016/j.intermet.2014.09.012.

6. Walter J.L., Cline H.E. The effect of solidification rate on structure and high-temperature strength of the eutectic NiAl—Cr. Metal. Mater. Trans. B. 1970. Vol. 1. P. 1221— 1229. DOI:10.1007/bf02900234.

7. Cui C.Y., Chen Y.X., Guo J.T., Li D.X., Ye H.Q. Preliminary investigation of directionally solidified NiAl—28Cr— 5.5Mo—0.5Hf composite. Mater. Lett. 2000. Vol. 43. P. 303—308. DOI:10.1016/S0167-577X(99)00278-5.

8. Войтович Р.Ф., Головко Э.И. Высокотемпературное окисление металлов и сплавов. Киев: Наукова думка, 1980.

9. Klumpes R., Maree C.H.M., Schramm E., de Wit J.H.W. The influence of chromiumon the oxidation of β-NiAl at 1000 °C. Mater. Corros. 1996. Vol. 47. P. 619—624.

10. Johnson D.R., Chen X.F., Oliver B.F. Processing and mechanical properties of in-situ composites from the NiAlCr and the NiAl(Cr,Mo) eutectic systems. Intermetallics. 1995. Vol. 3. P. 99—113. DOI:10.1016/09669795(95)92674-O.

11. Yang J.C., Schumann E., Levin I., Rühle M. Transient oxidation of NiAl. Acta Mater. 1998. Vol. 46. P. 2195—2201.

12. Grabke H. Oxidation of NiAl and FeAl. Intermetallics. 1999. Vol. 7. No. 10. P. 1153—1158. DOI:10.1016/S09669795(99)00037-0.

13. Gao W., Li Z., Wu Z., Li S., He Y. Oxidation behavior of Ni3Al and FeAl intermetallics under low oxygen partial pressures. Intermetallics. 2002. Vol. 10. No. 3. P. 263—270. DOI:10.1016/S0966-9795(01)00132-7.

14. Bo L., Fei L., Cong L., Yimin G., Congmin F., Xiaohu H. Effect of Cr element on the microstructure and oxidation resistance of novel NiAl-based high temperature lubricating composites. Corrosion Sci. 2021. Vol. 188. Art. 109554. DOI:10.1016/j.corsci.2021.109554.

15. Geramifard G., Gombola C., Franke P., Seifert H.J. Oxidation behaviour of NiAl intermetallics with embedded Cr and Mo. Corrosion Sci. 2020. Vol. 177. Art. 108956. DOI:10.1016/j.corsci.2020.108956.

16. Hea Y., Luo L., Sushko M., Liu C, Baer D., Schreiber D., Rosso K., Wang Ch. Vacancy ordering during selective oxidation of β-NiAl. Materialia. 2020. Vol. 12. Art. 100783. DOI:10.1016/j.mtla.2020.100783.

17. Санин В.В., Филонов М.Р., Юхвид В.И., Аникин Ю.А., Михайлов А.М. Исследование влияния температуры переплава на структурную наследственность сплавов, полученных методом центробежной СВС-металлургии. Известия вузов. Цветная металлургия. 2016. No. 1. С. 63—71. DOI:10.17073/0021-343820161-63-71.

18. Zaitsev A.A., Sentyurina Zh.A., Levashov E.A., Pogozhev Yu.S., Sanin V.N., Loginov P.A., Petrzhik M.I. Structure and properties of NiAl—Cr(Co,Hf) alloys prepared by centrifugal SHS casting. Part 1 — Room temperature investigations. Mater. Sci. Eng. A. 2017. Vol. 690 P. 463—472. DOI:10.1016/j.msea.2016.09.075.

19. Zaitsev A.A., Sentyurina Zh.A., Levashov E.A., Pogozhev Yu.S., Sanin V.N., Sidorenko D.A. Structure and properties of NiAl—Cr(Co,Hf) alloys prepared by centrifugal SHS casting followed by vacuum induction remelting. Part 2 — Evolution of the structure and mechanical behavior at high temperature. Mater. Sci. Eng. A. 2017. Vol. 690. P. 473—481. DOI:10.1016/j.msea.2017.02.089.

20. Kaplanskii Yu.Yu., Zaitsev A.A., Levashov E.A., Pogozhev Yu.S., Loginov P.A., Sentyurina Zh.A., Logacheva A.I. The structure and properties of pre-alloyed NiAl— Cr(Co,Hf) spherical powders produced by plasma rotating electrode processing for additive manufacturing. J. Mater. Res. Technol. 2018. Vol. 7. No. 4. P. 461—468. DOI:10.1016/j.jmrt.2018.01.003.

21. Kaplanskii Yu.Yu., Zaitsev A.A., Levashov E.A., Loginov P.A., Sentyurina Zh.A. NiAl based alloy produced by HIP and SLM of pre-alloyed spherical powders. Evolution of the structure and mechanical behavior at high temperatures. Mater. Sci. Eng. A. 2018. Vol. 717. P. 48—59. DOI:10.1016/j.msea.2018.01.057.

22. Kurbatkina V.V. Nickel aluminides. In: Concise Encycl. Self-Propagating High-Temperature Synth. Elsevier, 2017. P. 212—213. DOI:10.1016/B978-0-12-8041734.00099-5.

23. Kurbatkina V.V., Patsera E.I., Levashov E.A., Kaplanskii Y.Y., Samokhin A.V. Fabrication of narrow-fraction micropowders of nial-based refractory alloy compoNiAl— M5-3. Int. J. SHS. 2018. Vol. 27. P. 236—244. DOI:10.3103/S1061386218040027.

24. Tsvetkov Yu.V., Samokhin A.V., Alekseev N.V., Fadeev A.A., Sinaiskii M.A., Levashov E.A., Kaplanskii Yu.Yu. Plasma spheroidization of micropowders of a heat-resistant alloy based on nickel monoaluminide. Doklady Chemistry. 2018. Vol. 483. Pt. 2. P. 312—317. DOI:10.1134/S0012500818120030.

25. Kaplansky Yu.Yu., Levashov E.A., Korotitskiy A.V., Loginov P.A., Sentyurina Zh.A., Mazalov A.B. Influence of aging and HIP treatment on the structure and properties of NiAl-based turbine blades manufactured by laser powder bed fusion. Additive Manufacturing. 2020. Vol. 31. Art. 100999. DOI:10.1016/j.addma.2019.100999.

26. Sanin V.V., Kaplansky Y.Y., Aheiev M.I., Levashov E.A., Petrzhik M.I., Bychkova M.Y., Samokhin A.V., Fadeev A.A., Sanin V.N. Structure and properties of heat-resistant alloys NiAl—Cr—Co—X (X = La, Mo, Zr, Ta, Re) and fabrication of powders for additive manufacturing. Materials. 2021. Vol. 14. No. 12. Art. 3144. DOI:10.3390/ma14123144.

27. Kaplanskii Y.Y., Levashov E.A., Bashkirov E.A., Korotitskiy A.V. Effect of molybdenum on structural evolution and thermomechanical behavior of a heat-resistant nickel aluminide-based alloy. J. Alloys Compd. 2022, Vol. 892. Art. 162247. DOI:10.1016/j.jallcom.2021.162247.

28. Baskov F.A., Sentyurina Zh.A., Kaplanskii Yu.Yu., Logachev I.A., Semerich A.S., Levashov E.A. The influence of post heat treatments on the evolution of microstructure and mechanical properties of EP741NP nickel alloy produced by laser powder bed fusion. Mater. Sci. Eng. A. 2021. Vol. 817. Art. 141340. DOI:10.1016/j.msea.2021.141340.

29. Zhang W.L., Li S.M., Fu L.B., Li W., Sun J., Wang T.G., Jiang S.M., Gong J., Sun C. Preparation and cyclic oxidation resistance of Hf-doped NiAl coating. Corrosion Sci. 2022. Vol. 195. Art. 110014. DOI:10.1016/j.corsci.2021.110014.