ОАО «Композит»

А. Г. Береснев, ген. директор

А. В. Логачев, начальник сектора

И. М. Разумовский, гл. науч. сотр., e-mail: razumovskii@yahoo.com

Department of Мaterials Science and Engineering, Royal Institute of Technology

В. И. Разумовский, аспирант

Предложен новый подход к выбору системы легирования жаропрочных никелевых сплавов (ЖНС) с поликристаллической структурой. В его основу положена концепция, согласно которой сопротивление ползучести ЖНС в значительной степени определяется силами взаимодействия атомов в объеме γ-матрицы и на границах зерен (ГЗ). Для того, чтобы найти вклад каждого легирующего элемента в прочность ГЗ ввели параметр W_sep в качестве фундаментальной характеристики механической прочности границы раздела. Для оценки влияния легирующих элементов на силы связи атомов в матрице применили параметр χ, представляющий собой парциальную молярную энергию когезии матрицы. На основе результатов расчетов выполнен анализ энергии зернограничной сегрегации элементов, W_sep, и χ в сплавах системы Ni – Х, где Х — типичный легирующий элемент сплава. Легирующие элементы, которые одновременно упрочняют матрицу и ГЗ никелевых сплавов, мы будем называть «малолегирующими добавками». Установлено, что это Σ = Zr + Hf + Nb + Ta. Согласно предложенной модели, такие элементы имеют большую склонность к образованию зерно граничной сегрегации, упрочняют ГЗ и одновременно укрепляют связи атомов в объеме матрицы. Малолегирующие добавки Σ = Zr + Hf + Nb + Ta были введены в новый жаропрочный сплав, получаемый методом гранульной металлургии. Остальные легирующие элементы добавляли в таком количестве, чтобы выполнялись требования к значениям параметров кристаллических решеток матрицы и упрочняющей фазы (мисфит), температуре полного растворения упрочняющей фазы, сбалансированности системы легирования по отношению к процессу выделения топологически плотноупакованных фаз. Показано, что механические свойства нового сплава при высоких температурах превосходят таковые одного из лучших отечественных сплавов ЭП741НП.

1. Береснев А. Г., Разумовский И. М., Логунов А. В., Логачева А. И. // Порошковые и гранульные материалы. Технология металлов. 2009. № 12. С. 24–37.
2. Garibov G. S., Vostrikov A. V. Current trends of PM superalloys discs production technology for gas turbine engines // Proc. of the 2005 International Conference on Hot Isostatic Pressing. — Paris, 2005. Р. 86–91.
3. Гарибов Г. С. Металлургия гранул в авиадвигателестроении // Технология легких сплавов. 2001. № 5/6. С. 138–148.
4. Фаткуллин О. Х. Современное состояние металловедения быстрозакаленных жаропрочных сплавов // Там же. 2005. № 1/4. С. 24–31.
5. Каблов Е. Н., Петрушин Н. В., Светлов И. Л. Компьютерное конструирование жаропрочного никелевого сплава IV поколения для монокристаллических лопаток газовых турбин // Литейные жаропрочные сплавы. Эффект С. Т. Кишкина : сб. — М. : Наука, 2006. С. 98–115.
6. Caron P. High γ′ solvus new generation nickel-based superalloys for single crystal turbine blade applications // Superalloys 2000 / eds. T. M. Pollock, R. D. Kissinger, R. R. Bowman, K. A. Green, M. McLean, S. Olson, J. J. Schirra. 2000. Р. 737–746.
7. Morinaga M., Yukawa N., Adachi H., Ezaki H. // Superalloys 1984 / ed. M. Gell et al. 1984. Р. 523.
8. Бокштейн С. З., Гинзбург С. С., Кишкин С. Т., Разумовский И. М. // Диффузия по границам фаз.  Поверхность 1. 1984. С. 5.
9. Бокштейн С. З., Болберова Е. В., Кишкин С. Т., Кулешова Е. А., Логунов А. В., Мишин Ю. М., Разумовский И. М. Диффузионные параметры границы фаз γ/γ′ в сплаве на никелевой основе // Докл. АН СССР. 1980. Т. 253. С.1377.
10. Бокштейн С. З., Болберова Е. В., Игнатова И. Н., Кишкин С. Т., Разумовский И. М. Влияние величины несоответствия параметров решеток фаз на диффузионную проницаемость межфазных границ // Физика металлов и металловедение. 1985. Т. 59. С. 936.
11. Литейные лопатки газотурбинных двигателей : сб. / под ред. Е. Н. Каблова. — М. : «МИСИС», 2001. – 632 с.
12. Reed R. C. // The Superalloys. Fundamentals and Applications. N. Y. Cambridge University Press. 2008. — 372 p.
13. Ruban A. V., Skriver H. L., Norskov J. K. Surface segregation energies in transition-metal alloys // Physical Review B. 1999. Vol. 59. Р. 15990.
14. Finnis M. W. The theory of metal–ceramic interfaces // J. Phys. Condens. Matter. 1996. Vol. 8. Р. 5811.
15. Rice J. R., Wang J.-S. Embrittlement of Interfaces by Solute Segregation // Mater. Sci. Eng. 1989. Vol. A 107. 23.
16. Razumovskii I. M., Ruban A. V., Razumovskiy V. I., Logunov A. V., Larionov V. N., Ospennikova O. G., Poklad V. A., Johansson B. New generation of Ni-based superalloys designed on the basis of first-principles calculations // Mater. Sci. and Engineering A. 2008. Vol. 497. P. 18–24.
17. Логунов А. В., Разумовский И. М., Ларионов В. Н., Оспенникова О. Н., Поклад В. А., Рубан А. В., Разумовский В. И. Жаропрочные никелевые сплавы, получаемые методом монокристального литья, для деталей перспективных двигателей // Перспективные материалы. 2008. № 2. С. 10–18.
18. Razumovskiy V. I., Lozovoi A. Y., Razumovskii I. М., Ruban A. V. Analysis of the alloying system in Ni-base superalloys based on ab initio study of impurity segregation to Ni grain boundary // Advanced Materials Research. 2011. Vol. 278. Р. 192–197.
19. Blöhl P. E. Projector augmented-wave method // Physical Review B. 1994. Vol. 50. Р. 17953.
20. Kresse G., Joubert D. From ultrasoft pseudopotentials to the projector augmented-wave method // Ibid. 1999. Vol. 59. Р. 1758.
21. Kresse G., Hafner J. Ab initio molecular dynamics for liquid metals // Ibid. 1993. Vol. 47. P. 558.
22. Kresse G., Hafner J. Ab initio molecular-dynamics simulation of the liquid-metal–amorphous-semiconductor transition in germanium // Ibid. 1994. Vol. 49. Р. 14251.
23. Kresse G., Furthmuller J. Efficient iterative schemes for ab initio total-energy calculations using a plane-wave basis set // Ibid. 1996. Vol. 54. P. 11169.
24. Perdew J. P., Burke K., Ernzerhof M. Generalized gradient approximation made simple // Physical Review Letters. 1996. Vol. 77. P. 3865.
25. Monkhorst H. J., Pack J. D. Special points for Brillouin-zone integrations // Physical Review B. 1972. Vol. 13. P. 5188.
26. Lozovoi A. Y., Paxton A. T. // Physical Review B. 2008. Vol. 77. P. 165413.
27. Park L. J., Ryu H. J., Hong S. H., Kim Y. G. Microstructure and mechanical behavior of mechanically alloyed ODS Ni-base superalloy for aerospace gas turbine application // Advanced Performance Materials. Vol. 5. 1998. P. 279–290.
28. Пат. 2386714 РФ. Жаропрочный гранулированный сплав на основе никеля / Береснев А. Г., Логунов А. В., Логачева А. И., Таран П. В., Логачев А. В., Разумовский И. М. ; заявл. 25.12.2008 ; опубл. 20.04.2010, Бюл. № 11.