Исследование микропластической деформации вольфрамовых сплавов W-Ni-Fe при испытаниях на сжатие

Широкое применение тяжелых вольфрамовых сплавов (ТВС) в энергетике и машиностроении стимулирует разработку новых методов синтеза, обработки порошков и спекания, включая аддитивные технологии. Вместе с тем механизмы микропластической деформации ТВС и их связь с межфазными границами остаются малоизученными. В работе представлены результаты исследования особенностей микропластической деформации в крупнозернистых ТВС с различным уровнем прочности. Исследовали ТВС с различным начальным размером зерна. Образцы испытывали в исходном состоянии и после отжига в вакууме при 1400 °C — температуре плавления γ-фазы. Микропластические испытания проводили с использованием стандартной методики релаксационных испытаний плоских микрообразцов на сжатие. Анализировали микроструктуру образцов после нагружения (при напряжениях меньше и больше предела текучести). Показано, что деформация чистого вольфрама при напряжениях, близких к пределу текучести, приводит к образованию дислокационных «ступенек» в объеме зерен и появлению зернограничных микротрещин. В крупнозернистом деформационно-упрочненном ТВС образование дислокационных «ступенек» начинается в области микропластической деформации при напряжениях меньше предела текучести. При повышении напряжения увеличиваются размер и число следов выхода дислокаций на поверхность зерен. Деформированный ТВС обладает высоким коэффициентом Холла – Петча вследствие повышенной плотности дислокаций в межфазных границах. Отжиг деформированного ТВС приводит к снижению плотности дефектов деформационного происхождения и росту концентрации атомов в межфазных границах. При деформации мелкозернистого ТВС образование дислокационных «ступенек» не наблюдается, что свидетельствует о существенном вкладе пластичных межфазных границ в процесс деформации. Полученные результаты могут быть использованы при производстве ТВС для применения в атомной и авиакосмической отраслях промышленности.

1. Sahin Y. Recent progress in processing of tungsten heavy alloys / J. Powder Technol. 2014. Vol. 3 – 4. P. 1 – 22. DOI: 10.1155/2014/764306

2. Поварова К. Б., Макаров П. В., Ратнер А. Д. и др. Тяжелые сплавы типа ВНЖ-90. I. Влияние легирования и режимов получения порошков вольфрама на их строение, микроструктуру и свойства спеченных сплавов / Металлы. 2002. ¹ 4. С. 39 – 48.

3. German R. M. Sintered tungsten heavy alloys: Review of microstructure, strength, densification, and distortion / Int. J. Refractory Metals Hard Mater. 2022. Vol. 108. Art. ID 105940. DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2022.105940

4. Kunčická L., Kocich R., Klečková Z. Effects of sintering conditions on structures and properties of sintered tungsten heavy alloy / Materials. 2020. Vol. 13. No. 10. P. 2338. DOI: 10.3390/ma13102338

5. Kiran U., Rao A., Sankaranarayana M., et al. Swaging and heat treatment studies on sintered 90W-6Ni-2Fe-2Co tungsten heavy alloy / Int. J. Refractory Metals Hard Mater. 2012. Vol. 33. P. 113 – 121. DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2012.03.003

6. Macháčková A., Krátká L., Petrmichl R., et al. Affecting structure characteristics of rotary swaged tungsten heavy alloy via variable deformation temperature / Materials. 2019. Vol. 12. No. 24. P. 4200. DOI: 10.3390/ma12244200

7. Fortuna E., Sikorski K., Kurzydlowski K. Experimental studies of oxygen and carbon segregation at the interfacial boundaries of a 90W-7Ni-3Fe tungsten heavy alloy / Mater. Character. 2004. Vol. 52. Nos. 4 – 5. P. 323 – 329. DOI: 10.1016/j.matchar.2004.06.011

8. Mazilkin A. A., Straumal B. B., Protasova S. G., et al. Pseudopartial wetting of W/W grain boundaries by the nickel-rich layers / Mater. Lett. 2017. Vol. 192. P. 101 – 103. DOI: 10.1016/j.matlet.2016.12.049

9. Das J., Rao G., Pabi S. Microstructure and mechanical properties of tungsten heavy alloys / Mater. Sci. Eng. A. 2010. Vol. 527. Nos. 29 – 30. P. 7841 – 7847. DOI: 10.1016/j.msea.2010.08.071

10. Сиротинкин В. П., Михайлова А. Б., Шамрай В. Ф. и др. Анализ микроструктуры нанопорошков вольфрама методом Вильямсона – Холла на дифрактометре с высокоскоростным детектором / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2013. Т. 79. № 6. С. 25 – 28.

11. Kiran U., Venkat S., Rishikesh B., et al. Effect of tungsten content on microstructure and mechanical properties of swaged tungsten heavy alloys / Mater. Sci. Eng. A. 2013. Vol. 582. P. 389 – 396. DOI: 10.1016/j.msea.2013.06.041

12. Haag IV J., Wang J., Edwards D., et al. A boundary-based approach to the multiscale microstructural characterization of a W-Ni-Fe tungsten heavy alloy / Scripta Mater. 2022. Vol. 213. P. 114587. DOI: 10.1016/j.scriptamat.2022.114587

13. Сиротинкин В. П., Михайлова А. Б., Шамрай В. Ф. и др. Определение Структурных характеристик нанопорошков вольфрама по профилю одного рентгеновского дифракционного пика по программе WINFIT / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2014. Т. 80. № 4. С. 33 – 37.

14. El-Guebaly L., Setyawan W., Henager Jr C., et al. Neutron activation and radiation damage assessment for W-Ni-Fe tungsten heavy alloys with variable Ni content / Nuclear Mater. Energy. 2021. Vol. 29. P. 101092. DOI: 10.1016/j.nme.2021.101092

15. Neu R., Maier H., Balden M., et al. Investigations on tungsten heavy alloys for use as plasma facing material / Fusion Eng. Design. 2017. Vol. 124. P. 450 – 454. DOI: 10.1016/j.fusengdes.2017.01.043

16. Laas T., Laas K., Paju J., et al. Behaviour of tungsten alloy with iron and nickel under repeated high temperature plasma pulses / Fusion Eng. Design. 2020. Vol. 151. P. 111408. DOI: 10.1016/j.fusengdes.2019.111408

17. Maier H., Neu R., Schwarz-Selinger T., et al. Tungsten heavy alloy: An alternative plasma-facing material in terms of hydrogen isotope retention / Nuclear Fusion. 2020. Vol. 60. No. 12. P. 126044. DOI: 10.1088/1741-4326/abb890

18. An Q., Elshafiey A., Huang L., et al. Plasma and X-ray radiation-induced damage mechanisms in a tungsten heavy alloy / J. Nuclear Mater. 2020. Vol. 539. P. 152325. DOI: 10.1016/j.jnucmat.2020.152325

19. Haag IV J. V., Edwards D. J., Henager Jr. C. H., et al. Characterization of ductile phase toughening mechanisms in a hot-rolled tungsten heavy alloy / Acta Mater. 2021. Vol. 204. P. 116523. DOI: 10.1016/j.actamat.2020.116523

20. Krasovskii P. V., Samokhin A. V., Fadeev A. A., et al. Alloying effects and composition inhomogeneity of plasma-created multimetallic nanopowders: а case study of the W-Ni-Fe ternary system / J. Alloys Compounds. 2018. Vol. 750. P. 265 – 275. DOI: 10.1016/j.jallcom.2018.03.367

21. Gryaznov M., Samokhin A., Chuvildeev V., et al. Method of W-Ni-Fe composite spherical powder production and the possibility of its application in Selective Laser Melting technology / Metals. 2022. Vol. 12. No. 10. P. 1715. DOI: 10.3390/met12101715

22. Самохин А. В., Фадеев А. А., Алексеев Н. В. и др. Сфероидизация нанопорошковых микрогранул вольфрама в термической плазме электродугового разряда / Перспективные материалы. 2023. № 12. С. 71 – 82.

23. Савенко В. И., Топоров Ю. П., Чернышев В. В. и др. Микроструктура и свойства поверхностно-модифицированных порошков вольфрама, механоактивированных в различных средах / Физика металлов и металловедение. 2017. Т. 118. № 11. С. 1121 – 1128. DOI: 10.7868/s0015323017110134

24. Малкин А. И., Фомкин А. А., Клюев В. А. и др. Влияние механоактивации на адсорбционные свойства порошкообразного вольфрама / Физикохимия поверхности и защита материалов. 2015. Т. 51. № 1. С. 49. DOI: 10.7868/s0044185615010088

25. Агеев Е. В., Латыпов Р. А. Состав, структура и свойства электроэрозионных порошков, полученных из отходов сплава ВНЖ в дистиллированной воде / Электрометаллургия. 2020. № 5. С. 35 – 40. DOI: 10.31044/1684-5781-2020-0-5-35-40

26. Дорофеев А. А., Самохин А. В., Фадеев А. А. и др. Исследование процесса гранулирования нанопорошка системы W-Ni-Fe методом распылительной сушки / Физика и химия обработки материалов. 2022. ¹ 6. С. 54 – 69. DOI: 10.30791/0015-3214-2022-6-54-69

27. Manikandan R., Raja Annamalai A. Tungsten heavy alloys processing via microwave sintering, spark plasma sintering, and additive manufacturing: a review / Processes. 2022. Vol. 10. No. 11. P. 2352. DOI: 10.3390/pr10112352

28. Chuvildeev V. N., Nokhrin A. V., Boldin M. S., et al. Impact of mechanical activation on sintering kinetics and mechanical properties of ultrafine-grained 95W-Ni-Fe tungsten heavy alloys / J. Alloys Compounds. 2019. Vol. 773. P. 666 – 688. DOI: 10.1016/j.jallcom.2018.09.176

29. Ланцев Е. А., Малехонова Н. В., Нохрин А. В. и др. Электроимпульсное («искровое») плазменное спекание нанопорошков вольфрама и W + 5 % Ni, полученных методом высокоэнергетической механоактивации / Журнал технической физики. 2023. Т. 93. ¹ 11. С. 1550 – 1560. DOI: 10.61011/jtf.2023.11.56486.143-23

30. Chen H., Ye L., Han Y., Chen C., et al. Additive manufacturing of W-Fe composites using laser metal deposition: Microstructure, phase transformation, and mechanical properties / Mater. Sci. Eng. A. 2021. Vol. 811. P. 141036. DOI: 10.1016/j.msea.2021.141036

31. Chen H., Zi X., Han Y., et al. Microstructure and mechanical properties of additive manufactured W-Ni-Fe-Co composite produced by selective laser melting / Int. J. Refr. Metals Hard Mater. 2020. Vol. 86. P. 105111. DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2019.105111

32. Грязнов М. Ю., Самохин А. В., Чувильдеев В. Н. и др. Получение композитного порошка системы W-Ni-Fe со сферической формой частиц и исследование возможности его использования в технологии послойного лазерного сплавления / Физика и химия обработки материалов. 2022. № 3. С. 54 – 66. DOI: 10.30791/0015-3214-2022-3-54-66

33. Брагов А. М., Чувильдеев В. Н., Мелехин Н. В. и др. Динамическая прочность тяжелого сплава ВНЖ-90, полученного методом электроимпульсного плазменного спекания / Физическая мезомеханика. 2018. Т. 21. № 2. С. 96 – 102. DOI: 10.24411/1683-805x-2018-12010

34. Поварова К. Б., Макаров П. В., Шамшев К. Н. и др. Разработка тяжелых сплавов на основе тугоплавких металлов (W, Mo, Re) как материалов с высоким сопротивлением воздействию ударных волн / Металлы. 2004. № 1. С. 120 – 130. DOI: 10.24411/1683-805x-2018-12010

35. Ищенко А. Н., Афанасьева С. А., Белов Н. Н. и др. Особенности разрушения ударников из пористого сплава на основе вольфрама с упрочняющим наполнителем при взаимодействии с бронепреградами / Журнал технической физики. 2020. Т. 90. № 3. С. 434 – 440. DOI: 10.21883/jtf.2020.03.48928.226-19

36. Трунин И. Р., Терешкина И. А., Подурец А. М. и др. Откольное разрушение сплава ВНЖ-90 при его нагружении ударными волнами / Прикладная механика и техническая физика. 2019. Т. 60. № 5(357). С. 194 – 201. DOI: 10.15372/pmtf20190520

37. Подурец А. М., Ткаченко М. И., Баландина А. Н. и др. Особенности деформирования и разрушения псевдосплавов вольфрама с никелем и железом при ударном нагружении / Физика металлов и металловедение. 2022. Т. 123. ¹ 11. С. 1242 – 1247. DOI: 10.31857/s0015323022100187

38. Strunz P., Kunčická L., Beran P., et al. Correlating microstrain and activated slip systems with mechanical properties within rotary swaged WNiCo pseudoalloy / Materials. 2020. Vol. 13. No. 1. P. 208. DOI: 10.3390/ma13010208

39. Gero R., Borukhin L., Pikus I. Some structural effects of plastic deformation on tungsten heavy metal alloys / Mater. Sci. Eng. A. 2001. Vol. 302. No. 1. P. 162 – 167. DOI: 10.1016/s0921-5093(00)01369-1

40. Копылов В. И., Чувильдеев В. Н., Нохрин А. В. и др. Исследование прочности, релаксационной и коррозионной стойкости ультрамелкозернистой аустенитной стали 08Х18Н10Т, полученной методом РКУ-прессования. I. Исследование релаксационных свойств и стойкости против межкристаллитной коррозии / Металлы. 2023. № 5. С. 44 – 59. DOI: 10.31857/s0869573323050063

41. Чувильдеев В. Н., Нохрин А. В., Мышляев М. М. и др. Влияние процессов возврата и рекристаллизации на параметры соотношения Холла – Петча в субмикрокристаллических металлах. I. Экспериментальные исследования / Металлы. 2018. № 1. С. 81 – 102.

42. Чувильдеев В. Н., Шадрина Я. С., Нохрин А. В. и др. Исследование термической стабильности структуры и механических свойств субмикрокристаллических алюминиевых сплавов Al — 0,5 % Mg — Sc / Металлы. 2021. ¹ 1. С. 10 – 28.

43. Chuvildeev V. N., Nokhrin A. V., Kopylov V. I., et al. Investigation of mechanical properties and corrosion resistance of fine-grained aluminum alloys Al-Zn with reduced zinc content / J. Alloys Compounds. 2022. Vol. 891. P. 162110. DOI: 10.1016/j.jallcom.2021.162110

44. Nokhrin A. V., Malekhonova N. V., Chuvildeev, et al. Effect of high-energy ball milling time on the density and mechanical properties of W – 7% Ni – 3% Fe alloy / Metals. 2023. Vol. 13. No. 8. P. 1432. DOI: 10.3390/met13081432

45. Геминов В. Н., Рахштадт А. Г. Микропластичность. — М.: Металлургия, 1972. — 342 с.

46. Головин С., Пушкар А. Микропластичность и усталость металлов. — М.: Металлургия, 1980. — 240 с.

47. Дударев Е. Ф. Микропластическая деформация и предел текучести поликристаллов. — Томск: Томский университет, 1988. — 254 с.