Рений в жидком состоянии. Металл рений

Атомный номер – 75, Re. Название берёт от Рейна – реки в Германии. Открыт металл в 1925 г. Получение первой партии рения произошло в 1928г. Последний из открытых элементов с известным стабильным изотопом.

Рений – металл с белым оттенком. Порошок рения имеет напротив чёрный окрас. Это очень твёрдый и плотный по структуре металл. Плавление — 3186º С, кипение — 5596º С. Имеет парамагнитные свойства.

Природный минерал рений фото ниже:

При температурном режиме свыше 300º С, металл начинает интенсивно окислятся, в зависимости от повышения температуры. Реакции рения более устойчивы к окислу, чем например, у вольфрама. Реакций с водородом и азотом почти не происходит, лишь адсорбция с водородом.

Во время нагревания начинает происходить взаимодействие с хлором, фтором и бромом. Не растворяется в кислотах, кроме азотной кислоты. При взаимодействии рения с образуется амальгама.

Взаимодействуя с пероксидом водорода (а точнее его водным раствором), образует рениевую кислоту. Единственный элемент, представляющий тугоплавкие металлы, не образующий карбидов.

Известно, что рений не задействован в биохимии. О его возможном воздействии имеется довольно малок количество фактов, но достоверна его токсичность, поэтому в любом случае он ядовит для живых существ.

Добыча и происхождение рения

Это крайне редкий металл. В природных залежах наиболее часто встречается сочетание вольфрам – рений – молибден. Примесь этого элемента также содержится в минералах его соседей. Основная добыча рения идёт из залежей, где он извлекается попутно.

Также рений извлекается из редчайшего природного минерала, именующимся джезказганит — по названию казахского города, вблизи которого он был найден. Также рений содержится в колумбите (ниобии), колчедане, цирконе и некоторых редкоземельных минералах.

Рений рассредоточен по всему миру, в ничтожных концентрациях. Достоверно известно лишь одно серьёзное месторождение этого метала – Итуруп, маленький остров на Курилах, Россия. Открыто в 1992 г. Рений там представлен минералом рениитом ReS2, имеющим строение схожее с молибденитом.

Месторождение представляет собой небольшую площадку на вершине спящего вулкана, где активно действуют термальные источники. Это говорит, что месторождение продолжает свой рост, и по предварительным оценкам оно ежегодно выкидывает в атмосферу около 37 тонн этого металла.

Вторым более или менее пригодным для промышленной разработки источником рения, можно считать месторождение Хитура, находящееся в Финляндии. Там рений содержится в минерале таркианите.

Как получают рений? Производство этого метала происходит посредством обработки первичного сырья с довольно низким процентом металла. В основном используются обрабатываются медные и молибденовые сульфиды.

Этапы пирометаллургического процесса, применяющегося при работе с содержащими рений рудами, включают в себя процедуру плавления, конвертирования и окислительного обжига.

При огромных температурах плавления сначала получается высший оксид Re2O7, задерживающийся специальными улавливателями. Нередко часть рения остаётся в саже после обжига, из которой его можно получить с помощью водорода. Далее полученный порошок переплавляют в рения.

При плавлении из руды возгоняется большая часть рения, остаток оседает в штейне. В процессе конвертации штейна, содержащийся в нём рений выделяется посредством газа.

Концентрация рения производится с помощью серной кислоты, после чего получается рениевая кислота. Используя определённые методы очистки, рений выделяется из кислотного раствора.

Исходя из довольно низкой продуктивности данного метода – выход может составить не более 65% содержащегося в руде металла, постоянно проводятся научные изыскания на предмет выявления более продуктивных альтернативных методов производства металла.

Современные технологии уже подразумевают применение водного раствора, вместо кислотного. Это позволит улавливать гораздо больше металла при во время очистки.

Применение рения

К основным преимуществам рения, за что его так ценят во всём мире, считаются тугоплавкость, малая коррозия при воздействии различных химических веществ и т.д. В виду высоких на этот металл, его стараются использовать только в крайних и исключительных случаях.

Ещё не так давно, основной областью его применения были жаростойкие сплавы рения с различными металлами, используемые в ракетостроении и авиастроительной промышленности.

В частности, сплавы шли на производство запчастей для сверхзвуковых истребителей. Подобные сплавы включают в свой состав, по меньшей мере, 6% металла рения.

Этот аспект быстро сделал реактивные двигатели крупным источником потребления мировых запасов рения. К тому же за счёт этого он стал считаться военно-стратегическим запасом.

Специальные термопары, содержащие рений позволяют измерять огромные температуры. Рений позволяет платиновым металлам продлить их срок службы. Также из рения делаются пружины для точной аппаратуры и нити накаливания для спектрометров и манометров.

Если точнее, то там используется с рениевым покрытием. За счёт его устойчивости к химическим воздействиям, рений используется для создания защитных покрытий против кислотной и щелочной среды.

Рений нашёл применение при изготовлении специальных контактов, которые самоочищаются после кратковременного короткого замыкания. На обычных контактах остаётся окисел, который порой не пропускает ток. На рении он тоже остаётся, но вскоре улетучивается. Поэтому контакты из рения имеют очень долгий срок службы.

Но особо важным аспектом его применения стало использование рения в специальных катализаторах, с помощью которых производят определённые компоненты . Участие в процессе переработки нефтепродуктов, повысило спрос на рений в несколько раз. Мировой рынок уже не на шутку заинтересовался этим редкоземельным металлом.

Цена рения

Мировой запас этого металла составляет порядком 13 тысяч тонн по большей части в молибденовых и медных залежах. Они являются его основными источниками в металлургической промышленности.

В принципе это не удивительно, более 2/3 всего рения на планете содержится именно в них. А оставшаяся треть представляет собой вторичный материал.

По некоторым подсчётам этих запасов хватит ещё лет на триста не меньше. Причём в этом отчёте вторичное использование не учитывалось. А подобные проекты разрабатывались достаточно давно, и некоторые проекты на практике доказали свою состоятельность.

Цены на любой продукт устанавливаются основываясь на доступность товара. Как становиться ясным, рений, купить который по карману не каждому, отнюдь не доступный металл. К тому же имеется активный спрос на рений. Цена у него естественно соответствующая.

По данным на 2011 г. чтобы приобрести рений, цена за грамм составляла около 4,5 $. Значительных тенденций к понижению цен не наблюдалось. К тому цена зависит от степени очистки металла, поэтому рений может стоить как 1000 $ за целый килограмм, так и в десять раз дороже.

ПРИМЕНЕНИЕ РЕНИЯ В КАЧЕСТВЕ ЛЕГИРУЮЩЕГО ЭЛЕМЕНТА В СПЛАВАХ И МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛАХ

Позитивное влияние на рост производ-ства рения в 1970-1980-х годах оказало его широкое и крупномас-штабное использование в жаропрочных никелевых сплавах и в платинорениевых катализаторах различного назначения. Вместе с тем и потребности в новых материалах традиционных областей применения рения - электроники и специальной металлургии -стимулируют интерес к этому металлу со стороны промышлен-ности и науки. По технической классификации рений - типичный тугоплавкий металл, однако по ряду свойств он значительно от-личается от других тугоплавких металлов, таких как молибден или вольфрам. По характеристикам рений в некоторой степени приближается к благородным металлам типа платины, осмия, иридия. Условно можно считать, что рений занимает промежу-точное положение между тугоплавкими металлами, с одной сто-роны, и металлами платиновой группы с другой. Например, в отличие от вольфрама, рений не вступает в так называемый водя-ной цикл - негативное явление, вызывающее повреждение нити накала вакуумных ламп . Именно поэтому вакуумная лампа, изготовленная с рениевой нитью, является практически «вечной» (срок ее службы - до 100 лет).

По аналогии с платиновыми металлами рений обладает высо-кой коррозионной стойкостью во влажной атмосфере и в агрес-сивных средах. Он почти не взаимодействует при обычных темпе-ратурах с соляной и серной кислотами. Как вольфрам и молиб-ден, рений парамагнитен, но его удельное электросопротивление в ~3,5 раза больше, чем у этих металлов.

Особенно отличаются механические свойства рения. Он харак-теризуется высокой пластичностью при комнатной температуре и по величине модуля нормальной упругости занимает третье ме-сто после осмия и иридия. Это связано со структурой металла: ре-ний - единственный элемент среди тугоплавких металлов пятой и шестой групп Периодической системы Д.И. Менделеева (вана-дий, ниобий, тантал, хром, вольфрам, молибден), имеющий гекса-гональную плотноупакованную решетку (ГПУ), аналогичную ре-шетке благородных металлов, например осмия или рутения. Дру-гие тугоплавкие металлы (вольфрам, молибден) характеризуют-ся иным структурным типом на базе объемноцентрированной ку-бической решетки (ОЦК).

Свойства рения при повышенных температурах также выгод-но отличаются от свойств других тугоплавких металлов. Так, хо-тя с повышением температуры твердость рения, как у вольфрама и молибдена, уменьшается, однако размягчение идет не столь бы-стро и при температуре 1000 °С рений имеет твердость в ~2 раза большую, чем вольфрам в подобных условиях. Кроме того, при высоких температурах рений характеризуется повышенной дли-тельной прочностью по сравнению с вольфрамом и особенно молибденом и ниобием. По прочности на истирание рений стоит на втором месте после осмия.

Эти уникальные свойства рения, а также ряд других подробно рассмотрены в работах . Они определяют эффек-тивность легирования рением различных металлов и сплавов с целью повышения их пластичности, износостойкости и иных па-раметров.

В научно-технической литературе описано большое число двойных и многокомпонентных сплавов рения с различными метал-лами . Это широко известные сплавы типа никель-ре-ний, вольфрам-рений, молибден-рений, никель-молибден-рений, никель-тантал-рений, никель-вольфрам-рений и ряд других.

В настоящее время наибольшее распространение по масшта-бам производства получили сплавы никель-рений, вольфрам-ре-ний и молибден-рений, причем по некоторым свойствам сплавы рения с вольфрамом и молибденом превосходят свойства индиви-дуальных металлов. Такие сплавы обладают высокими механиче-скими характеристиками при комнатной и повышенной темпера-турах, формоустойчивостью и вибропрочностью, не охрупчиваются после кристаллизации, хорошо свариваются, образуя плот-ный пластичный шов. Их отличает высокая коррозионная стой-кость в агрессивных средах.

Сплавы рения применяют как конструкционный материал в различных условиях эксплуатации при высоких температурах (>1800 °С) и напряжении, в качестве ответственных деталей электровакуумных устройств, материала электроконтактов, упругих элементов различных приборов и механизмов и т.п. Свойства рениевых сплавов с тугоплавкими металлами и никелем описаны выше (см. табл. 9), а в табл. 88 обобщены некоторые фи-зико-механические свойства сплавов вольфрам-рений и молиб-ден-рений.

Сплавы никель-рений применяют в авиации, используют в качестве кернов оксидных катодов, отличающихся повышенной надежностью и долговечностью. Легирование никеля рением приводит к улучшению его прочностных характеристик при со-хранении пластичности. Данные сплавы обладают также высо-кой жаропрочностью, вибропрочностью и формоустойчивостью.

В последние годы российскими учеными разработаны новые супержаропрочные ренийсодержащие никелевые сплавы с уни-кальными свойствами для рабочих лопаток и дисков авиацион-ных и энергетических газовых турбин. Это три группы никель-рениевых сплавов.

1. Жаропрочные никелевые сплавы, содержащие 9-12% Re , для изготовления рабочих лопаток турбин, работающих при тем-пературах до 1100 °С.

2. Интерметаллидные никелевые сплавы (1-2% Re ) на основе соединения Ni 3 Al для изготовления лопаток турбин, работающих при температурах до 1250 °С.

3. Жаропрочные никелевые сплавы (1-2% Re ) для изготовле-ния дисков турбин, работающих при температурах 850-950 °С.

Таблица 88

Некоторые физико-механические свойства сплавов рения с вольфрамом и молибденом

Рений, применение которого рассмотрим ниже, представляет собой элемент химической периодической таблицы под атомным индексом 75 (Re). Название вещества произошло от реки Рейн в Германии. Годом открытия данного металла считается 1925. Первая значительная партия материала была получена в 1928 г. Этот элемент относится к последнему аналогу со стабильным изотопом. Сам по себе рений - металл с белым оттенком, а порошковая его масса имеет черный цвет. Температуры плавления и кипения составляют от +3186 до +5596 градусов Цельсия. Обладает он парамагнитными характеристиками.

Особенности

Применение рения не так широко ввиду его исключительных параметров и высокой стоимости. При +300 °С металл начинает активно подвергаться окислению, процесс которого зависит от дальнейшего повышения температуры. Этот элемент устойчивее, чем вольфрам, с водородом и азотом практически не взаимодействует, обеспечивая только адсорбцию.

При нагревании отмечается реакция с хлором, бромом и фтором. Рений не растворяется только в азотной кислоте, а при взаимодействии с ртутью образуется амальгама. Реакция с водным составом пероксида водорода вызывает образование рениевой кислоты. Данный элемент является единственным среди тугоплавких металлов, который не образует карбиды. Применение рения не имеет участия в биохимии. О его всех возможных воздействиях имеется мало информации. Среди достоверных фактов - токсичность и ядовитость для живых организмов.

Добыча

Рений - металл, который встречается крайне редко. В природе он чаще всего встречается в сочетании с вольфрамом и молибденом. Кроме того, примеси имеются в минеральных отложениях его соседей по таблице. Преимущественно добыча рения ведется из молибденовых залежей путем попутного извлечения.

Кроме того, рассматриваемый элемент добывается выделением из джезказганита - очень редкого природного минерала, который так назван в честь казахского поселения вблизи месторождения. Еще рений можно выделить из колчедана, циркония, колумбита.

Металл рассредоточен по всему миру в ничтожно малой концентрации. Среди известных добычных участков, где он находится в существенном количестве, считается курильский в России. Открыто месторождение в 1992 году. Здесь металл представлен в виде схожего с молибденом строения (ReS 2).

Добыча осуществляется на небольшой площадке, размещенной на вершине спящего вулкана. Там активно действуют термальные источники, что свидетельствует о расширении месторождения, которое по предварительным оценкам выбрасывает порядка 37 тонн этого металла в год.

Вторым по объему добычи считается месторождение рения, пригодное для промышленного извлечения элемента. Расположено оно в Финляндии и называется Хитура. Там металл извлекают из другого минерала - таркианита.

Получение

Рений получают посредством обработки первичного сырья, которое изначально имеет низкий процент содержания данного материала. Чаще всего производится извлечение элемента из медных и молибденовых сульфидов. Сплавы рения подвергаются пирометаллургическому воздействию, который используется при работе с рудами, подвергающимися плавлению, конвертированию и обжигу.

Чрезмерные температуры плавления дают возможность получения Re-207, который задерживается специальными улавливающими приспособлениями. Бывает так, что часть элемента оседает в саже после обжига. Из этой субстанции чистый материал можно получить с помощью водорода. Затем полученную порошковую субстанцию переплавляют непосредственно в слитки рения. Применение руды для добычи рассматриваемого элемента сопровождается появлением осадка в штейне. Дальнейшая конвертация этого состава позволяет выделить рений посредством воздействия определенными газами.

Технологические моменты

Достичь нужной концентрации в ходе производства можно за счет свойств рения и применения серной кислоты. После прохождения специальных способов очистки удается выделить из руды чистый элемент.

Этот метод не является весьма продуктивным, выход чистого изделия составляет не более 65 %. Данный показатель варьируется в зависимости от содержания металла в руде. На этой почве регулярно проводятся научные изыскания по выявлению более продвинутых и альтернативных способов производства.

Современные технологии дают возможность оптимизировать свойства рения, полученного искусственно. Такое решение позволяет использовать водный раствор вместо кислотного. Это дает возможность уловить значительно больше чистого металла во время очистки.

Применение

Сначала рассмотрим основные характеристики рассматриваемого элемента, за которые он особо ценится:

• Тугоплавкость.
• Минимальная подверженность коррозии.
• Отсутствие деформации при воздействии химических веществ и кислот.

Поскольку цена данного металла чрезвычайно высока, он используется преимущественно в редких случаях. Основная область применения этого элемента - производство жароустойчивых сплавов с различными металлами, которые используются в строении ракет и авиационной промышленности. Как правило, рений используют для выпуск запасных частей для сверхзвуковых истребителей. Такие составы включают в себя не менее 6 % металла.

Подобный источник быстро превратился в основное средство для создания реактивных силовых агрегатов. При этом материал стал считаться военно-стратегическим запасом. Специально предусмотренные термические пары позволяют измерять температуры в огромных диапазонах. Рассматриваемый элемент дает возможность продлить большинству агрегируемых металлов их срок службы. Из рения, использование которого рассмотрено выше, также изготавливаются пружины для точной аппаратуры, платиновых металлов, спектрометров, манометров.

Если точнее, то там используется вольфрам с рениевым покрытием. За счет его устойчивости к химическим воздействиям, этот металл включают в состав защитных покрытий против кислотной и щелочной среды.

Рений также применяется для изготовления специальных контактов. Они обладают свойством самоочищения в случае кратковременного замыкания. На обычных металлах остается окисел, не позволяющий проходить току. Через рениевые сплавы также проходит ток, но никаких следов после себя он не оставляет. В связи с этим контакты из данного металла обладают длительным сроком службы.

Самым главным аспектом применения рения стала возможность его использования для создания катализаторов, которые помогают производить определенные компоненты бензинового топлива. Возможность применения химического элемента в отрасли нефтепродуктов обусловила повышение его спроса на соответствующем рынке в несколько раз. В мире всерьез заинтересовались этим уникальным материалом.

Запасы

Стоит отметить, что мировой запас рения составляет не менее 13 тысяч тонн только в молибденовых и медных залежах. Они являются основными источниками этого компонента в металлургической отрасли. Более чем 2/3 всего рения на планете содержится именно в таких конфигурациях. Оставшаяся треть представляет собой вторичные остатки. Если свести все подсчеты запасов к единому знаменателю, их должно хватить не менее чем на триста лет. В расчете ученых вторичное использование не учитывалось. Похожие проекты разрабатывались достаточно давно, некоторые из них доказали свою состоятельность.

Стоимость

Цены на продукт большинства категорий формируются за счет доступности и спроса товара. Такой компонент, как рений, относится к одному из самых дорогих металлов в мире, поэтому он не каждому производителю по карману, хотя и обладает уникальными свойствами, позволяющими нивелировать затраты на его дорогостоящее использование. При этом рений обладает такими параметрами, какими не обладает ни один другой металл. Для создания космических и авиационных конструкций его характеристики подходят идеально. Неудивительно, что цена рения высока, хоть и соответствует всем показателям, характерными для этого уникального материала.

Уже в 2011 году средняя стоимость рения составляла порядка 4,5 американских долларов за один грамм. В последующем времени каких-либо тенденций к снижению цены не наблюдалось. Часто итоговая стоимость зависит от степени очистки металла. Цена материала может достигать тысячи долларов и выше.

История открытия

Данный элемент был открыт немецкими химиками - Идом и Вальтером Ноддаками в 1925 году. Они проводили исследования с помощью колумбиспектрального анализа в лаборатории группы «Сименс и Шэйк». После этого события был проведен соответствующий доклад на собрании немецких специалистов по химии в Нюрнберге. Уже через год коллектив ученых выделил из молибдена первые два миллиграмма рения.

В относительно чистом виде элемент удалось получить лишь в 1928 году. Для получения одного миллиграмма вещества необходимо было переработать свыше 600 килограмм норвежского молибдена. Промышленное производство этого металла стартовало также в Германии (1930 год). Мощность перерабатывающих заводов позволила получать порядка 120 кг металла ежегодно. На то время это полностью удовлетворяло потребность рения на всем мировом рынке. В Америке первые промышленные 4,5 кг уникального металла были получены в 1943 году путем переработки концентрированных молибденов. Именно этот элемент стал последним открытым металлом со стабильным изотопом. Все остальные аналоги, открытые ранее, в том числе и искусственным путем, не имели подобных свойств.

Природные запасы

На сегодняшний день по естественным запасам рассматриваемого металла список месторождений можно расположить в следующем порядке:

• Чилийские копи.
• Соединенные Штаты Америки.
• Остров Итуруп, залежи на котором оцениваются до 20 тонн в год (в виде вулканических газовых извержений).

В Российской Федерации полуэлементные месторождения гидрогенного типа оцениваются как участки, которые имеют максимальный потенциал медно-порфировых и медно-молибденовых руд. В сумме, судя по прогнозам специалистов, месторождения рения в России составляют 2900 т (76 % ресурса государства). Львиная доля этих залежей находится в (82 %). Следующее месторождение по объемам запасов - Брикетно-Желтухинский бассейн в Рязанском регионе.

Итог

Рений - химический элемент, который относится к группе редких металлов, обладающих уникальными характеристиками. Выше описаны его свойства, места добычи, сферы применения.

Влияние легирования рением на деформационное поведение и механические свойства гетерофазных монокристаллов легированного жаропрочного сплава на основе №3А1

Г.П. Грабовецкая, Ю.Р. Колобов, В.П. Бунтушкин1, Э.В. Козлов2

1 Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия 2 Всероссийский институт авиационных материалов, Москва, 107005, Россия 3 Томский государственной архитектурно-строительный университет, Томск, 634003, Россия

Методами растровой электронной микроскопии изучены структура и фазовый состав монокристаллов <001 > сплава типа ВКНА. Исследовано влияние легирования рением на деформационное поведение и температурную зависимость механических свойств монокристаллов в интервале температур 293-1373 К. Обсуждаются возможные физические причины изменения характера деформационного поведения легированных рением монокристаллов <001 > сплавов типа ВКНА в интервале температур 2931 073 К.

The effect of Re alloying on deformation behavior and mechanical properties of heterophase single crystals of doped high-temperature Ni3Al-based alloy

G.P. Grabovetskaya, Yu.R. Kolobov, V.P. Buntushkin, and E.V Kozlov

The structure and phase composition of single crystals<001> of VKHA-type alloy have been investigated by scanning electron microscopy. The effect of Re alloying on deformation behavior and temperature dependence of mechanical properties of above-mentioned single crystals in the temperature range of 293-1 373 K has been examined. Consideration are given to possible physical reasons of changing deformation behavior characteristics of Re alloying of single crystals <001> of VKHA-type alloy in the temperature range of 293-1 073 K.

1. Введение

Перспективными материалами для лопаток турбин

в настоящее время являются поли- и монокристаллы жаропрочных (у + у") никелевых сплавов с большой

объемной долей -фазы (интерметаллид №3А1) со сверх-

структурой L12. Такие сплавы обладают высокой жаропрочностью и могут длительное время функционировать при высоких температурах. Поликристаллические сплавы на основе №3А1 достаточно хорошо исследованы

В частности установлено, что в таких материалах процессы деформации и разрушения при высокотемпературной ползучести локализуются на границах зерен. Это приводит к зарождению и диффузионно-контролируемому росту зернограничных клиновидных трещин

При одновременном развитии проскальзывания по границам зерен . Отсутствие границ зерен в монокристаллах указанных сплавов устраняет отрицательные последствия зернограничных процессов и позволяет су-

щественно улучшить эксплуатационные характеристики рассматриваемых сплавов.

В работах показано, что в процессе деформации монокристаллов (у + у/)-сплавов при достижении касательными напряжениями в действующей системе скольжения критической величины зарождение скольжения имеет место на межфазных границах у/у". Скольжение развивается вначале в у-фазе, а затем происходит прорезание частиц высокопрочной у"-фазы дислокациями. В дальнейшем с увеличением деформации скольжение развивается также и у"-фазе. При этом оно преимущественно локализуется в менее прочной у-фазе. Отсюда, чем меньше в объеме у-фазы, тем больше скольжения в -фазе и тем выше сопротивление деформированию монокристалла (у + у")-сплава. Другой способ увеличения прочности монокристаллов (у + у")-сплавов - легирование элементами, увеличивающими прочностные характеристики у- и у7-фаз.

© Грабовецкая Г.П., Колобов Ю.Р, Бунтушкин В.П., Козлов Э.В., 2004

В настоящей работе проведено исследование влияния легирования рением на деформационное поведение и температурную зависимость механических свойств сложнолегированных монокристаллов сплава на основе Ni3Al.

2. Материал и методика испытаний

В качестве материала для исследования использовали монокристаллы <001 > сплава на основе Ni3Al, содержащего элементы Cr, Ti, W, Mo, Hf, C, суммарное количество которых не превышало 14 вес. % (сплав типа ВКНА).

Микроструктуру сплава исследовали с помощью растрового (Philips SEM 515) микроскопа. Фазовый состав определяли методами рентгеноструктурного анализа на установке ДРОН-2.

Механические испытания на растяжение проводили на модернизированной установке ПВ-3012М в интервале температур 293-1373 K со скоростью 3.3*10-3 с1. Образцы для механических испытаний в форме двойной лопатки с размерами рабочей части 10x2.5x1 мм вырезали электроискровым способом. Перед испытанием с поверхностей образцов удаляли слой толщиной около 100 мкм механической шлифовкой и электролитической полировкой.

3. Результаты эксперимента и их обсуждение

Исследования структуры показали, что в исходном состоянии (состояние 1) монокристаллы <001 > сплава

типа ВКНА содержит две фазы-у и у7. В объеме сплава наблюдаются крупные выделения неправильной формы у"-фазы размерами 30-100 мкм и мелкодисперсная смесь пластин у7- и у-фаз, размерами порядка нескольких микрометров в длину и ~ 1 мкм в ширину (рис. 1, а). Основной объем занимает Y-фаза (-90 %) - твердый раствор на основе Ni3Al. При этом объемная доля крупных выделений Y-фазы составляет -22 %.

Введение в сплав небольшого (менее 2 вес. %) коли-

чества рения (состояние 2) приводит к появлению в

объеме монокристаллов третьей фазы - А1^е. Однако ее объемная доля не превышает 0.5 %. Основной объем материала по-прежнему занимает у7-фаза (-75 %). При этом объемная доля крупных выделений у7-фазы снижается до 10 %, а их размеры до 5-30 мкм (рис. 1, б).

На рис. 2, 3 представлены типичные кривые течения и температурная зависимость механических свойств при растяжении монокристаллов <001 > сплава ВКНА в состоянии 1 в интервале температур 293-1 373 К. Из рис. 2 видно, что на кривых течения указанных монокристаллов при температурах ниже 1073 К наблюдается протяженная стадия деформационного упрочнения с высоким коэффициентом деформационного упрочнения, что характерно для множественного скольжения в октаэдрических плоскостях монокристаллов со сверхструктурой L12 . Такой характер скольжения подтверждается и наличием на предварительно полированной поверхности монокристаллов <001 > сплава типа ВКНА в состоянии 1 после испытаний в интервале температур 293-1 073 К тонких и/или грубых следов скольжения в двух взаимно перпендикулярных системах скольжения, которые проходят через обе фазы не прерываясь.

На кривых течения монокристаллов <001 > сплава типа ВКНА в состоянии 1 при температурах 1 273 и 1373 К наблюдается площадка или острый зуб текучести, за которым следует протяженная стадия деформационного упрочнения с низким коэффициентом деформационного упрочнения. Такой тип кривых растяжения характерен для монокристаллов со сверхструктурой L12 в случае, если деформация осуществляется скольжением дислокаций в плоскости куба. На предварительно полированной поверхности образцов после испытания при температурах выше 1073 К следы скольжения не наблюдаются, что характерно для кубического скольжения в монокристаллах <001 > интерметаллида №3А1 . Вблизи места разрушения появляются трещины. Они располагаются по границам раздела крупных денд-ритов у7-фазы и мелкодисперсной смеси (у + у7)-фаз. Плотность трещин р не высока. Например, после испы-

Рис. 1. Структура монокристаллов сплава ВКНА в состояниях 1 (а) и 2 (б)

Деформация, %

Рис. 2. Кривые течения монокристаллов <001> сплава ВКНА в состоянии 1, рассчитанные в приближении равномерного удлинения: 293 (1); 873 (2); 1073 (3); 1273 (4); 1373 К (5)

Температура, К

Рис. 4. Зависимость величины предела прочности (1), предела текучести (2) и деформации до разрушения (3) от температуры испытания монокристаллов <001 > сплава типа ВКНА в состоянии 2

тания при 1373 К р составляет -10 мм-2. Длина трещин колеблется от 20 до 150 мкм.

Особые кривые течения для монокристаллов <001 > сплава типа ВКНА в состоянии 1 наблюдаются при температуре 1 073 К. Для этой температуры характерна очень короткая стадия деформационного упрочнения с максимальным коэффициентом деформационного упрочнения, которая сменяется стадией разупрочнения. На поверхности образцов после растяжения при температуре 1073 К наблюдаются как следы скольжения в двух взаимно перпендикулярных системах скольжения, так и трещины.

Из рис. 3 видно, что для монокристаллов < 001 > сплава типа ВКНА в состоянии 1 характерно монотонное увеличение предела текучести а0 2 в интервале температур 293-1 073 К, а затем после достижения максимума в при температуре, близкой к 1 073 К, его резкое падение. Пластичность монокристаллов <001 > сплава

типа ВКНА в состоянии 1 с увеличением температуры уменьшается, достигает минимума при температуре 1073 К, а затем увеличивается. Величина предела прочности ав монокристаллов <001 > сплава типа ВКНА в состоянии 1 в интервале температур 293-873 К практически не изменяется. При увеличении температуры ав вначале слабо увеличивается и, достигая максимума при 1073 К, резко падает.

Таким образом, температурная зависимость деформационного поведения, прочностных и пластических характеристик монокристаллов <001 > сплава типа ВКНА в состоянии 1 аналогична аномальной зависимости таковых для монокристаллов интерметаллида №3А1 .

Легирование рением приводит к существенному повышению значений а 02 и а в монокристаллов <001 > сплава типа ВКНА в интервале температур от комнатной до 873 К (рис. 4), что может быть связано с твердо-

Рис. 3. Зависимость величины предела прочности (1), предела теку- Рис. 5. Кривые течения монокристаллов <001> сплава ВКНА в со-

чести (2) и деформации до разрушения (3) от температуры испытания стоянии 2, рассчитанные в приближении равномерного удлинения:

монокристаллов <001> сплава типа ВКНА в состоянии 1 293 (1); 1073 (2); 1173 (3); 1273 (4); 1373 К (5)

растворным упрочнением . При этом в указанном температурном интервале значения а0 2 и ав практически постоянны. При температурах выше 873 К значения а02 и а в монокристаллов <001 > сплава типа ВКНА в состоянии 2 резко уменьшаются до значений, соответствующих состоянию 1. Величина 8 монокристаллов <001 > сплава типа ВКНА при легировании рением наоборот понижается по сравнению с соответствующими значениями 8 для состояния 1. Однако во всем исследованном интервале температур она монотонно увеличивается с ростом температуры от 16 до 33 % (рис. 4).

На рис. 5 представлены типичные кривые течения при растяжении монокристаллов <001 > сплава типа ВКНА в состоянии 2 в интервале температур 2931373 К. Из рис. 5 видно, что на кривой течения указанных монокристаллов при комнатной температуре наблюдается протяженная стадия деформационного упрочнения с большим коэффициентом деформационного упрочнения, чем соответствующий состоянию 1. С увеличением температуры испытания протяженность стадии деформационного упрочнения монокристаллов <001 > сплава типа ВКНА в состоянии 2 монотонно увеличивается, а коэффициент деформационного упрочнения монотонно уменьшается. В то время как коэффициент деформационного упрочнения для монокристаллов <001 > сплава типа ВКНА в состоянии 1 с ростом температуры изменяется по кривой с максимумом (рис. 2).

На предварительно полированной поверхности монокристаллов <001 > сплава ВКНА в состоянии 2, как и на поверхности монокристаллов <001 > сплава типа ВКНА в состоянии 1, после растяжения в интервале температур 293-1073 К имеются тонкие и/или грубые следы скольжения в двух взаимно перпендикулярных системах скольжения, а после испытания при температурах выше 1073 следы скольжения отсутствуют. При этом плотность и длина трещин на поверхности вблизи места разрушения в монокристаллах <001 > сплава ВКНА в состоянии 2 меньше, чем в состоянии 1. Так, после растяжения при 1373 К плотность трещин на поверхности монокристаллов <001 > сплава ВКНА в состоянии 2 составляет -3 мм-2, а длина трещин колеблется от 15 до 30 мкм.

Таким образом, приведенные данные показывают, что легирование рением приводит к качественному изменению деформационного поведения монокристаллов <001 > сплавов типа ВКНА в интервале температур 2931073 К.

Аномальная зависимость деформационного поведения и прочностных характеристик интерметаллида №3А1 от температуры, в соответствии с , связана с образованием в процессе деформации в монокристаллах со сверхструктурой L12 термоактивированных дислокационных барьеров типа Кира-Вильсдорфа, кото-

рые в определенном температурном интервале практически не разрушаются. Дислокационные барьеры типа Кира-Вильсдорфа - это две расщепленные сверхчас-тичные дислокации, связанные между собой полосой антифазной границы в плоскости куба. Энергия активации образования и разрушения указанных барьеров в значительной степени определяется энергиями антифазной границы и дефекта упаковки. Известно , что величины энергий антифазной границы и дефекта упаковки интерметаллида Ni3Al существенно зависят от типа и количества легирующих элементов. Отсюда можно предполагать, что изменение характера температурных зависимостей значений ст02, ств и 8 монокристаллов <001 > сплавов типа ВКНА при легировании рением связано с изменением величин энергий антифаз-ной границы и дефекта упаковки в Y-фазе.

4. Заключение

Таким образом, легирование рением приводит к изменению характера деформационного поведения монокристаллов <001 > сплавов типа ВКНА в интервале температур 293-1073 K. При этом наблюдается повышение коэффициентов деформационного упрочнения и прочностных характеристик указанных монокристаллов при сохранении удовлетворительной пластичности.

Литература

1. Портной К.И., Бунтушкин В.П., Мелимевкер ОД. Конструкционный сплав на основе интерметаллида Ni3Al // МиТОМ. - 1982. -№ 6. - С. 23-26.

2. Колобов Ю.Р. Диффузионно-контролируемые процессы на грани-

цах зерен и пластичность металлических поликристаллов. - Новосибирск: Наука, 1998. - 173 с.

3. Колобов Ю.Р., Касымов М.К., Афанасьев Н.И. Исследование зако-

номерностей и механизмов высокотемпературного разрушения легированного интерметаллида // ФММ. - 1989. - Т. 66. - Вып. 5. -С. 987-992.

4. Грабовецкая Г.П., Зверев И.К., Колобов Ю.Р. Развитие пластической деформации и разрушения при ползучести легированных сплавов на основе Ni3Al с различным содержанием бора // ФММ. -1994. - Т. 7. - Вып. 3. - С. 152-158.

5. Шалин Р.Е., Светлов И.Л., Качанов Е.Б. и др. Монокристаллы никелевых жаропрочных сплавов. - М.: Машиностроение, 1997. -333 с.

6. Пуарье Ж.П. Высокотемпературная ползучесть кристаллических тел. - М.: Металлургия, 1982. - 272 с.

7. Каблов Е.Н., Голубовский Е.Р. Жаропрочность никелевых сплавов. - М.: Машиностроение, 1998. - 463 с.

8. Попов Л.Е., Конева Н.А., Терешко И.В. Деформационное упрочнение упорядоченных сплавов. - М.: Металлургия, 1979. -255 с.

9. Гринберг Б.Ф., Иванов М.А. Интерметаллиды: микроструктура, деформационное поведение. - Екатеринбург: НИСО УрО РАН, 2002. - 359 с.

10. ThorntonP.H., DaviesP.G., Johnston T.I. The temperature dependence of the flow stress of the Y phase based upon Ni3Al // Metallurgical Transactions. - 1970. - No. 1. - P. 207-212.

11. Liu C.T, Pope D.P. Ni3Al and its alloys // Intermetallic Compounds. -1994. - V. 2. - P. 17-51.

12. Vbissere P. Weak-beam study of dislocations moving on {100} planes at 800 °C in Ni3Al // Philos. Mag. - 1984. - V. 50A. - P. 189-303.