Отрицательная ползучесть монокристаллов никелевых жаропрочных сплавов

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Исследована отрицательная ползучесть монокристаллов никелевых жаропрочных сплавов SRR99 и CMSX-4. Данное явление наблюдали для обоих сплавов при температурах 980–1000 °C и низких либо нулевых напряжениях нагрузки. Предположено, что основной причиной отрицательной ползучести является образование ближнего порядка атомов в сильно легированной кристаллической решетке матричной g-фазы. Дополнительными факторами, влияющими на величину и анизотропию деформации отрицательной ползучести, могут быть релаксация остаточных напряжений: на микроскопическом уровне – мисфитных напряжений между g-матрицей и упрочняющими ее g′-выделениями и на мезоскопическом уровне – дендритных напряжений между осями дендритов и межосными пространствами.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. И. Епишин

Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А.Г. Мержанова РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: a.epishin2021@gmail.com
Россия, Черноголовка

Д. С. Лисовенко

Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А.Г. Мержанова РАН

Email: a.epishin2021@gmail.com
Россия, Черноголовка

Список литературы

  1. Evans K., Nkansah M., Hutchinson I., Rogers S.C. Molecular network design // Nature. 1991. V. 353. P. 124. https://doi.org/10.1038/353124a0
  2. Lim T.-C. Auxetic materials and structures. Singapore: Springer, 2015. http://doi.org/10.1007/978-981-287-275-3
  3. Ren X., Das R., Tran P., et al. Auxetic metamaterials and structures: A review // Smart Mater. Struct. 2018. V. 27. № 2.P. 023001. https://doi.org/10.1088/1361-665X/aaa61c
  4. Kelkar P.U., Kim H.S., Cho K.-H. et. al. Cellular auxetic structures for mechanical metamaterials: A review // Sensors. 2020. V. 20. № 11. P. 3132. https://doi.org/10.3390/s20113132
  5. Городцов В.А. Лисовенко Д.С. Ауксетики среди материалов с кубической анизотропией // Известия РАН. МТТ. 2020. № 4. С. 7–24. https://doi.org/10.31857/S0572329920040054
  6. Епишин А.И., Лисовенко Д.С. Влияние кристаллической структуры и типа межатомной связи на упругие свойства одноатомных и двухатомных кубических кристаллов // Известия РАН. МТТ. 2022. № 6. С. 79–96. http://doi.org/10.31857/S0572329922060058
  7. Иванова С.Ю., Осипенко К.Ю., Демин А.И., Баничук Н.В., Лисовенко Д.С. Изучение свойств метаматериалов с отрицательным коэффициентом Пуассона при пробивании жестким ударником // Известия РАН. МТТ. 2023. № 5. С. 120–130. https://doi.org/10.31857/S0572329923600366
  8. Светлов И.Л., Епишин А.И., Кривко А.И. и др. Анизотропия коэффициента Пуассона монокристаллов никелевого сплава // ДАН СССР. 1988. Т. 302. № 6. С. 1372–1375.
  9. Baughman R.H., Stafström S., Cui C., Dantas S.O. Materials with negative compressibilities in one or more dimensions // Science. 1998. V. 279. P. 1522–1524. https://doi.org/10.1126/science.279.5356.1522
  10. Liu Z.-K., Wang Y., Shang S.-L. Origin of negative thermal expansion phenomenon in solids // Scripta Mater. 2011. V. 65. № 8. P. 664–667. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2011.07.001
  11. Wittenberg L.J., DeWitt R. Volume contraction during melting; Emphasis on lanthanide and actinide metals // J. Chem. Phys. 1972. V. 56. P. 4526–4533. https://doi.org/10.1063/1.1677899
  12. Rittich M. The volume change during solidification. NASA Technical Memorandum TM-77817, 1982. https://ntrs.nasa.gov/api/citations/19850015932/downloads/19850015932.pdf
  13. Lakes R.S. Extreme damping in composite materials with a negative stiffness phase // Phys. Rev. Lett. 2001. V. 86. № 13. P. 2897–2900. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.86.2897
  14. Fountain R.W., Korchynsky M. The phenomenon of “negative creep” in alloys // Trans. ASM 51. 1959. P. 108–122. https://doi.org/10.1021/ie50595a915
  15. Timmins R., Greenwood G.W., Dyson D.F. Negative creep in a nickel-base superalloy // Scr. Metall. 1986. V.20. P. 67–70. https://doi.org/10.1016/0036-9748(86)90214-0
  16. Louchet F. A model of negative creep in nickel-based superalloys // Scripta Metall. Mater. 1995. V. 33. № 6. P. 913–918. https://doi.org/10.1016/0956-716X(95)00299-B
  17. Branch G., Draper J.H.M., Hodger J.B.M.N.W. In: International conference on creep and fatigue in Elevated Temperature Applications, Philadelphia. 1973. P. 192.1–192.9.
  18. Mayer K.H., Koenig H. In: VGB-Konferenz “Forschung in der Kraftwerkstechnik”. Essen, 1988. P. 1–24.
  19. Marucco A., Nath B. Effects of ordering on the properties of Ni-Cr alloys // J. Mater. Sci. 1988. V. 23. P. 2107–2114. https://doi.org/10.1007/BF01115776
  20. Reppich B. Negatives Kriechen // Z. Metallkd. 1984. V. 75. P. 193–202. https://doi.org/10.1515/ijmr-1984-750302
  21. Reppich B. Negatives Kriechen und Mikrogefüge langzeitexponierter Gasturbinenwerk stofle // Z. Metallkd. 1994. V. 85. P. 28–38. https://doi.org/10.1515/ijmr-1994-850105
  22. Kinzel S., Gabel J., Völkl R., Glatzel U. Reasons for volume contraction after long-term annealing of waspaloy // Adv. Eng. Mater. 2015. V. 17. P. 1106–1112. https://doi.org/10.1002/adem.201500159
  23. Firlus K., Völkl R., Gabel J., Glatzel U. The influence of Cr, Al, Co, Fe and C on negative creep of Waspaloy // Inter. J. Mater. Research. 2021. V. 112. № 2. P. 90–97. https://doi.org/10.1515/ijmr-2020-7980
  24. Ford D.A., Arthey R.P. Development of single crystal alloys for specific engine applications. Superalloys 1984, Warrendale, Pa.: Metallurgical Society of AIME. 1984. P. 115–124. https://www.tms.org/superalloys/10.7449/1984/Superalloys_1984_115_124.pdf
  25. Harris K., Erickson G.L., Sikkenga S.L., Brentall W.D., Aurrecoechea J.M., Kubarych K.G. Development of the rhenium-containing superalloys CMSX-4 & CM 186 LC for single-crystal blade and directionally solidified vane applications in advanced turbine engines // JMEP. 1993. V. 2. № 1. P. 481–487. https://doi.org/10.1007/BF02661730
  26. Lander J.J., Kern HE., Beach A.L. Solubility and diffusion coefficient of carbon in nickel: Reaction rates of nickel‐carbon alloys with barium oxide // J. Appl. Phys. 1952. V. 23. P. 1305–1309. https://doi.org/10.1063/1.1702064
  27. Link T., Epishin A., Brückner U., Portella P. Increase of misfit during creep of superalloys and its correlation with deformation // Acta Mater. 2000. V. 48. № 8. P. 1981–1994. https://doi.org/10.1016/S1359-6454(99)00456-5.
  28. Nash P. The Cr−Ni (Chromium-Nickel) system // Bulletin of Alloy Phase Diagrams. 1986. V. 7. P. 466–476. https://doi.org/10.1007/BF02867812
  29. Okamoto H. Ni-W (Nickel-Tungsten) // JPE. 1991. V. 12. № 6. P. 706. https://doi.org/10.1007/BF02645185
  30. Cury R., Joubert J.-M., Tusseau-Nenez S., Leroy E., Allavena-Valette A. On the existence and the crystal structure of Ni4W, NiW and NiW2 compounds // Intermetallics. 2009. V. 17. № 3. P. 174–178. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2008.11.001
  31. Schmidt R., Feller-Kniepmeier M. Effect of heat treatments on phase chemistry of the nickel-base superalloy SRR 99 // Metall. Trans. A. 1992. V. 23. P. 745–757. https://doi.org/10.1007/BF02675552
  32. Hemmersmeier U., Feller-Kniepmeier M. Element distribution in the macro- and microstructure of nickel base superalloy CMSX-4 // Mater. Sci. Eng. A. 1998. V. 248. № 1–2. P. 87–97. https://doi.org/10.1016/S0921-5093(98)00516-4
  33. Link T., Epishin A., Fedelich B. Inhomogeneity of misfit stresses in nickel-base superalloys: Effect on propagation of matrix dislocation loops // Phil. Mag. 2009. V. 89. № 13. P. 1141–1159. https://doi.org/10.1080/14786430902877810
  34. Brückner U., Epishin A., Link T. Local X-ray diffraction analysis of the structure of dendrites in single-crystal nickel-base superalloys // Acta Mater. 1997. V. 45. № 12. P. 5223–5231. https://doi.org/10.1016/S1359-6454(97)00163-8
  35. Epishin A., Link T., Brückner U., Fedelich B. Residual stresses in the dendritic structure of single crystal nickel-based superalloys // Phys. Met. Metallogr. 2005. V. 100. №. 2. P. 192–199.
  36. Epishin A., Fedelich B., Finn M. et. al. Investigation of elastic properties of the single-crystal nickel-base superalloy CMSX-4 in the temperature interval between room temperature and 1300C // Crystals. 2021. V. 11. № 2. P. 152. https://doi.org/10.3390/cryst11020152
  37. Epishin A.I., Lisovenko D.S. Comparison of isothermal and adiabatic elasticity characteristics of the single crystal nickel-based superalloy CMSX-4 in the temperature range between room temperature and 1300C // Mech. Solids. 2023. V. 58. № 5. P.1587–1598. https://doi.org/10.3103/S0025654423601301.
  38. Epishin A., Link T., Nazmy M., Staubli M., Klingelhöffer H., Nolze G. Microstructural degradation of CMSX-4: kinetics and effect on mechanical properties, Proceedings of 11th International Symposium “Superalloys 2008”, ed. by R. C. Reed et al., TMS, Warrendale, Pennsylvania, USA, 2008. P. 725–731. https://doi.org/10.7449/2008/Superalloys_2008_725_731

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. СЭМ изображения γ/γ’-микроструктуры сплавов SRR99 (a) и CMSX-4 (b) после стандартной термической обработки. Выделения γ’-фазы – светлые, γ-матрица – темная.

Скачать (428KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Начальные участки кривых ползучести [001] монокристаллов сплавов SRR99 (a) и CMSX-4 при 980 °C (b).

Скачать (163KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Зависимость пластической деформации, накопленной за 10 ч ползучести при 980 °C под нагрузкой в испытательной машине - круглые точки, и без нее в дилатометре - квадратные точки.

Скачать (95KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Кривые сжатия монокристаллов жаропрочных сплавов при постоянной температуре. (a) Сплав SRR99 при 980 °C, ориентация [001] вдоль направления дендритного роста. (b) Сплав CMSX-4 при 997 °C, ориентации [001] и [100] соответственно вдоль и поперек направления дендритного роста.

Скачать (134KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Кривые термического расширения и сжатия сплава CMSX-4. (a) Различное сжатие осей 1-го порядка (PDA) и межосных пространств (IR) при охлаждении с температуры γ’-солвуса. (b) Различное термическое расширение монокристаллов сплава CMSX-4 вдоль направления дендритной структуры [001] и поперечном направлении [100].

Скачать (157KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024