Институт металлургии Уральского отделения РАН, Екатеринбург, Россия:

Л. Ю. Удоева, старший научный сотрудник, канд. техн. наук, эл. почта: lyuud@yandex.ru
Р. И. Гуляева, старший научный сотрудник, канд. хим. наук, эл. почта: gulroza@mail.ru
+В. М. Чумарев, главный научный сотрудник, докт. техн. наук, эл. почта: pcmlab@mail.ru
А. В. Ларионов, старший научный сотрудник, канд. техн. наук, эл. почта: a.v.larionov@ya.ru

Представлены результаты исследования влияния редкоземельных металлов (РЗМ), в частности Sc и Y, на термическую устойчивость структурно-фазового состояния высокотемпературного композита (Mo)ss – Mo₃Si. Образцы модельных сплавов получены вакуумно-дуговой плавкой шихты, состоящей из бинарного сплава Mo – 15,3 Si % (ат.) и добавок легирующих элементов. По данным рентгеновской дифракции, электронной микроскопии и термического анализа определен фазовый состав, выявлены особенности микроструктуры и характер распределения легирующих компонентов в металл-силицидных композитах Mo – 14,8 Si – 2,8 РЗМ % (ат.), оценена фазовая стабильность сплавов при нагреве. Показано, что бинарный сплав является двухфазным естественным композитом (in situ) c матрицей из силицида Mo₃Si, упрочненной частицами твердого раствора (Mo)ss. В образцах, легированных Sc или Y, присутствует третья структурная составляющая, кристаллизованная по эвтектическому типу из Mo₃Si и силицидов РЗМ. При введении Sc или Y повышается дисперсность микроструктуры образцов и возрастает объемное отношение (Mo)ss/Mo₃Si. При динамическом нагреве сплава Mo – 15,3 Si % (ат.) до 1500 ^oC (метод дифференциальной сканирующей калориметрии, ДСК-исследования) выявлен экзотермический эффект в интервале 810–860 ^oC, отнесенный к процессам упорядочения и рекристаллизации композита, интенсивность которых менее выражена в образцах, легированных Sc или Y. После 100-ч выдержки бинарного сплава при 900 ^oC отмечено существенное укрупнение его микроструктуры, изменение состава и соотношения фаз, причем как при непрерывной, так и при периодической термообработке (10 циклов по 10 ч). Микроструктура легированных образцов после термоциклирования сохраняет свою первоначальную дисперсность, а в результате непрерывного отжига меняется незначительно. Следовательно, введение в сплав (Mo)ss – Mo₃Si около 3 % (ат.) Sc или Y стабилизирует структурно-фазовое состояние композита и повышает его устойчивость к тепловым нагрузкам, что является необходимым свойством высокотемпературных материалов.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект A № 18-03-00648) c использованием оборудования ЦКП «Урал-М» Института металлургии УрО РАН.

1. Jackson M. R., Bewlay B. P., Rowe R. G., Skelly D. W., Lipsitt H. A. High-temperature refractory metal-intermetallic composites // JOM. 1996. Vol. 48, No. 1. P. 39–44.
2. Bewlay B. P., Jackson M. R., Zhao J. C., Subramanian P. R. A Review of very-high-temperature Nb–silicide–based composites // Metallurgical & Materials Transactions. 2003. Vol. 34A. P. 2043–2052.
3. Strom E., Eriksson E., Rundlof H., Zhang J. Effect of site occupation on thermal and mechanical properties of ternary alloyed Mo₅Si₃ // Acta Materialia. 2005. Vol. 53. P. 357–365.
4. Chen H., Ma Q., Shao X., Ma J., Wang C. at al. Microstructure, mechanical properties and oxidation resistance of Mo₅Si₃–Al₂O₃ composite // Materials Science & Engineering. 2014. Vol. A592. P. 12–18.
5. Mitra R. Intermetallic Matrix Composites. Properties and Applications. Chapter 5 – Molybdenum silicide-based composites. — Woodhead Publishing. 2018. P. 95–146.
6. Berkowitz I., Inghram M. G., Chupka W. A. Polymeric gaseous species in the sublimation of molybdenum trioxide // Journal of Chemical Physics. 1957. Vol. 26, No. 4. P. 842–846.
7. Ashby M. F., Blunt F. J., Bannister M. Flow characteristics of highly constrained metal wires // Acta Metallurgica. 1989. Vol. 37. P. 1847–1857.
8. Pat. 5595616 USA. Method for enhancing the oxidation resistance of a molybdenum alloy, and a method of making a molybdenum alloy / Berczik D. M. 1997.
9. Krüger M., Jain P., Kumar K. S., Heilmaier M. Correlation between microstructure and properties of fine grained Mo – Mo₃Si– Mo₅SiB₂ alloys // Intermetallics. 2014. Vol. 48. P. 10–18.
10. Schneibel J. H., Ritchie R. O., Kruzic J. J., Tortorelli P. F. Optimization of Mo – Si – B intermetallic alloys // Metallurgical & Materials Transactions. 2005. Vol. 36A. P. 525–531.
11. Choi W. J., Park C. W., Park J. H., Kim Y. D., Byun J. M. Volume and size effects of intermetallic compounds on the hightemperature oxidation behavior of Mo – Si – B alloys // International Journal of Refractory Metals & Hard Materials. 2019. Vol. 81. P. 94–99.
12. Stringer J. The reactive element effect in high-temperature corrosion // Materials Science & Engineering: A. 1989. Vol. 120-121. P. 129–137.
13. Каблов Е. Н., Оспенникова О. Г., Вершков А. В. Редкие металлы и редкоземельные элементы — материалы современных и будущих высоких технологий // Авиационные материалы и технологии. 2013. № S2. С. 3–10.
14. Yang T., Guo X., Luo Y. Microstructural evolution of mechanically alloyed Mo – Si – B – Zr – Y powders // International Journal of Refractory Metals & Hard Materials. 2016. Vol. 56. P. 35–43.
15. Li R., Zhang G., Lee B., Chen X., Ren S. et al. The multi-scale microstructure and strengthening mechanisms of Mo – 12 Si – 8,5 BxZr % (at.) alloys // International Journal of Refractory Metals & Hard Materials. 2017. Vol. 68. P. 65–74.
16. Majumdar S., Schliephake D., Gorr B., Christ H.-J., Heilmaier M. Effect of Yttrium Alloying on Intermediate to High-Temperature Oxidation Behavior of Mo – Si – B Alloys // Metallurgical & Materials Transactions. 2013. Vol. 44A. P. 2243–2257.
17. Choi W. J., Lee S. Y., Park C. W., Byun J. M., Kim Y. D. Effect of titanium addition on mechanical properties of Mo – Si – B alloys // Journal of Refractory Metals & Hard Materials. 2019. Vol. 80. P. 238–242.
18. Gokhale A. B., Abbaschian G. J. The Mo – Si (Molybdenum-Silicon) System // Journal of Phase Equilibria. 1991. Vol. 12, Iss. 4. P. 493–494.
19. Rosales I., Schneibel J. H. Stoichiometry and mechanical properties of Mo₃Si // Intermetallics. 2000. Vol. 8. P. 885–889.
20. Christensen N. A. Preparation and characterization of Mo₃Si and Mo5Si // Acta chemical Scandinavica. 1983. Vol. A37. P. 519–522.
21. Saage H., Krüger M., Sturm D., Schneibel J. H., Heilmaier M. et al. Ductilization of Mo – Si solid solutions manufactured by powder metallurgy // Acta Materialia. 2009. Vol. 57, Iss. 13. P. 3895–3901.
22. Mousa M., Wanderka N., Timpel M., Singh S., Krüger M. et al. Modification of Mo – Si alloy microstructure by small additions of Zr // Ultramicroscopy. 2011. Vol. 111, Iss. 6. P. 706–710.
23. Мансурова А. Н., Ларионов А. В., Тюшняков С. Н., Маршук Л. А. Фазовый состав и микроструктура сплавов Mo – Si, полученных в условиях неравновесной кристаллизации // Бутлеровские сообщения. 2015. Т. 43. № 9. С. 97–101.
24. Удоева Л. Ю., Чумарев В. М., Ларионов А. В., Жидовинова С. В., Тюшняков С. Н. Влияние редкоземельных элементов на структурно-фазовое состояние in situ композитов Mo – Si – X (X=Sc, Y, Nd) // Перспективные материалы. 2017. № 7. С. 24–33.
25. NETZSCH Proteus Software. Thermal Analysis. Version 4.8.3.
26. DIFFRACPlus: EVA Bruker AXS GmbH. Ostliche. Rheinbruckenstra e 50. D-76187. — Karlsruhe, Germany, 2008.
27. Powder Diffraction File PDF4+ ICDD Release, 2015.
28. Laugier J., Bochu B. LMGP-Suite of Programs for the interpretation of X-ray Experiments. ENSP. — Grenoble : Lab. Materiaux genie Phys., 2003.
29. Котур Б. Я., Бодак О. И. Тройные системы Sc – Mo – Si и Sc – Mo – Ge при 1070 К // Металлы. 1988. № 4. С. 189–192.
30. Бодак О. И., Гореленко Ю. К., Яровец В. И., Сколоздра Р. В. Кристаллическая структура и магнитные свойства соединений R2Mo3Si4 (R – Y, Tb, Dy, Ho, Er, Tm) // Неорганические материалы. 1984. Т. 20, № 5. С. 853–855.
31. Удоева Л. Ю., Чумарев В. М., Леонтьев Л. И., Сельменских Н. И. Структурно-фазовое состояние эвтектических сплавов Nb – Si, легированных иттрием и скандием // Цветные металлы. 2014. № 8. С. 59–65.