Диссертация (Закономерности формирования фазового состава и структуры в жаропрочном сплаве на основе интерметаллида титана ВТИ-4 при термической и термоводородной обработках), страница 6

Даже, несмотря на то, что окись алюминияобразуется наряду с окисью титана, непрерывной пленки из окиси алюминия наданных сплавах обычно не образуется. Хотя более сложнолегированныеорторомбические сплавы, такие как Ti-22Al-20Nb-Ta-1Mo не демонстрируюттакого перехода до 500 часов, эффективный интервал рабочих температур простыхтрехкомпонентных орторомбических сплавов ограничивается температурами ниже700°С.

Защитные покрытия могут значительно расширить температурный интервал[19].Из всего вышеперечисленного можно сделать вывод, что титановые сплавына основе интерметаллида Ti2AlNb обладают высокими упругими, прочностными ипластическими характеристиками,низкимкоэффициентомтермическогорасширения, высокими характеристиками МЦУ и МнЦУ, лучшими жаропрочнымисвойствами при температурах 500-650°С по сравнению с остальными титановымисплавами, высокой жаростойкостью при температурах до 650°С.1.2.2 Принципы легирования сплавов на основе интерметаллида Ti2AlNbСплавы на основе интерметаллида Ti2AlNb (О-фазы) дополнительнолегируют такими элементами, как W, V, Mo, Zr и Si.

Mo, V и W являются β-- 35 -стабилизаторами, причем их β-стабилизирующая способность гораздо сильнее, чемNb: согласно данным работы [20], введение в сплав на основе О-фазы 1 ат.% Mo, Wили V эквивалентно введению 4,25, 3,36 и 1,58 ат. % Nb, соответственно.Введение в сплав Mo значительно улучшает свойства ползучести, повышаетпрочность при комнатной и повышенной температурах, что связано с его малойдиффузионной подвижностью. Распределение V в сплаве более равномерное, чемраспределение Mo, в связи с чем более целесообразно легирование двумя βэлементами (V и Mo), так как при снижении содержания Mo уменьшаетсянеравномерность его распределения в сплаве [21].Введение Zr повышает жаропрочность сплава, поскольку Zr имеет высокуютемпературу плавления, и, следовательно, понижает диффузионную подвижностьатомов.

Также Zr обеспечивает небольшое твердорастворное упрочнение титана иповышает термическую стабильность сплава, увеличивает предел ползучести,понижает склонность к хладноломкости [21, 22].Добавка Si, не превышающая предела его растворимости в сплаве, такжеповышает жаростойкость и жаропрочность. В последнем случае за счетобразования атмосфер на дислокациях, что ограничивает их подвижность.Вследствие большого параметра размерного несоответствия с титаном (более 20%), Si обеспечивает эффективное твердорастворное упрочнение, однако вколичестве нескольких десятых долей процента, превышающем его растворимостьв твердом растворе, он резко снижает ударную вязкость из-за выделения намежфазных границах хрупких силицидов. Оптимальное содержание Si составляет0,15-0,35 ат.

% [21, 22].Влияние легирующих элементов на физико-механические характеристики Офазы было рассмотрено в работе [23]. Отмечается, что Nb, Mo и Si повышаютмодуль упругости, при этом Si и V понижают коэффициент Пуассона. Упругиесвойства О-фазы в сплавах с различными легирующими добавками при комнатнойтемпературе приведены на рис.

1.15 [23].Модуль упругости О-фазы ниже, чем α2-фазы (161 ГПа), но близок к модулюупругости сплава на основе Ti3Al, легированному 5 ат.% Nb [24] и показываетаналогичную зависимость от температуры: при комнатной температуре он- 36 -Модуль упругостиМодуль сдвигаКоэффициент ПуассонаРисунок 1.15 – Упругие свойства О-фазы при комнатной температуре [23].составляет порядка 120…130 ГПа, при температуре 800°С он равняется 80…85ГПа.

При температурах 650-750°С темп снижения модуля упругости значительноменьше, чем у «супер-α2»-сплавов, что может свидетельствовать о его хорошихжаропрочных свойствах.В целом сочетание более низких по сравнению с α2-фазой коэффициентаПуассона (ν=0,33) и модуля упругости О-фазы свидетельствует об ослаблениинаправленных межатомных связей, что и приводит к увеличению пластичностиэтого интерметаллида по сравнению с Ti3Al.Дляматериалов,работающихпривысокихтемпературах,важнымпараметром является коэффициент термического расширения (КТР). Исследованиясистем Ti-Al-(Nb, V, Mo, Cr) показали, что тугоплавкие элементы понижают КТР, в- 37 -результате чего среди сплавов на основе титана при температурах до 1000°Снаименьший КТР имеют сплавы на основе О-фазы (табл.

1.8) [10].Таблица 1.8 – Коэффициент термического расширения интерметаллидных сплавовразличных классов при разной температуре, α, 1*10-6К-1 [10]СплавТ, °С4006008001000Ti2AlNb9,59,51011,7псевдо-α Ti-спл.1011,51111,7Ti3Al1011,51113TiAl11,511,7121314,51517-IN 718(никелевый)Содержание Nb в орто-сплавах варьируется в пределах 15-30 ат.%, причемчем выше содержание Nb, тем выше количество β(В2)-фазы и меньше количествоα2-фазы, что в свою очередь улучшает пластические свойства сплавов как прикомнатной, так и при повышенных температурах.

Также Nb способствуетэффективному зернограничному скольжению вследствие увеличения подвижностидислокаций как в пластичной β фазе, так и в менее пластичной α2-фазе [14].Как отмечалось выше, β-стабилизирующая способность Mo, W и V сильнее,чем у Nb, в связи с чем часть Nb может быть заменена этими элементами. Приисследовании сплавов на основе О-фазы, в которых часть Nb была замененадругими β-стабилизаторами, было показано, что только в сплавах, содержащих до4 ат.% V и до 2 ат. % Mo и W после закалки и старения фиксируется (О+β)структура (табл. 1.9).

Повышение содержания Mo и W приводит к появлению вструктуре сплава α2-фазы и/или увеличению его плотности [21]. Поскольку однимиз основных преимуществ интерметаллидных сплавов является малый весконструкций, изготовленных из них, легирование этих сплавов большимколичеством W нецелесообразно. Также в работе [21] было показано, что из всехисследованных орто-сплавов максимальные значения предела прочности прирастяжении при комнатной температуре имеют сплавы, содержащие V. Ванадийтакже увеличивает пластические свойства при комнатной температуре.- 38 Таблица 1.9 – Плотность и фазовый состав сплавов после закалки с 1050°С и старения при730°С [21]Состав сплава, ат.

%Плотность, г/см3Фазовый составTi–22Al–24Nb- 2V5,27О+βTi–22Al–21Nb- 4V5,17О+βTi–22Al–19Nb- 2Mo5,15О+βTi–22Al–11Nb- 4Mo4,92α2+ О+βTi–22Al–20Nb- 2W5,35О+βTi–22Al–14Nb- 4W5,38α2+ О+βTi–22Al–27Nb5,39О+βВ работе [25] на примере двух орто-сплавов Ti-22Al-27Nb и Ti-22Al-20Nb2W было показано, что легирование вольфрамом приводит к уменьшению размераисходного β(В2) зерна, и как следствие, к уменьшению размеров пластин О-фазы вβ(В2) матрице. Измельчение структурных составляющих в сплаве Ti-22Al-20Nb2W,обусловленноелегированиемвольфрамом,приводиткулучшениюжаропрочных характеристик (сопротивление ползучести) при температурахиспытаний выше 700°С по сравнению со сплавом Ti-22Al-27Nb.

W способствуетэффективному твердорастворному упрочнению, вследствие чего улучшаютсяпрочностные характеристики при повышенных температурах.Сплавы на основе интерметаллида Ti2AlNb также легируют Та. Добавлениенебольшого количества Та взамен некоторого количества ниобия приводит кповышению температуры превращения β(В2)-фазы в О-фазу, что позволяетпроводить термическую и термомеханическую обработку сплава при болеевысоких температурах, не опасаясь получения грубой ВидманштеттеновойструктурыО-фазы,котораявпроцессерекристаллизацииобретаеттонкопластинчатое строение. Такое преобразование микроструктуры позволяетполучить оптимальное сочетание предела текучести и пластичности сплава прикомнатной температуре [26].

Вследствие большой плотности Та легирование иморто-сплавов производится в небольших количествах, как и в случае с W.Легирование бором также приводит к измельчению структуры и повышениюмеханических свойств орто-сплавов. По данным работы [27] добавки 0,1 масс.% Вповышают относительное удлинение образцов сплава Ti-22Al-11Nb-2Mo-1Fe как- 39 -при испытаниях при комнатной температуре, так и при температуре 650°С: с 0,3%до 4,3 и с 8,2% до 30,3% соответственно. Характеристики сплава при испытанияхна многоцикловую усталость также повышались при легировании сплава бором[27].Ввидувышесказанного,комплексноелегированиеинтерметаллидныхсплавов является наиболее рациональным, поскольку каждый из элементов,выполняя свою функцию, усиливает положительное действие другого, в целомповышая комплекс свойств.С учетом указанных выше закономерностей принципы легирования сплавовна основе алюминида Ti2AlNb сводятся к следующим положениям:1.Предпочтительноесодержаниеалюминиясоставляет23-25%ат.;увеличение содержания алюминия свыше 25% приводит к катастрофическомупадению вязкости [9].2.

Необходимо легирование ниобием, который повышает прочность,пластичность, вязкость и характеристики жаропрочности.3. Содержание ниобия может находиться в пределах 15-30 ат.%, чтопозволяет стабилизировать О-фазу и формировать в сплаве многофазныеструктуры для получения оптимального комплекса свойств. Однако необходимоучитывать, что легирование большим количеством ниобия приводит к увеличениюплотности сплава, что может негативно сказываться на удельных прочностных ижаропрочных характеристиках материала.4.

Для получения большего количества β-фазы необходимо легирование βстабилизирующими элементами, причем содержание тугоплавких элементов недолжно превышать 1-2% каждого во избежание увеличения плотности сплава.5. Для повышения характеристик жаропрочности желательно легированиемолибденом, а для увеличения прочности и пластичности при комнатнойтемпературе необходимо легирование ванадием.6.

Введение циркония необходимо для повышения жаропрочности итермической стабильности сплава.7. Легирование кремнием способствует повышению жаропрочности ижаростойкости, однако его содержание не должно превышать 0,35 ат.%, воизбежание снижения ударной вязкости и охрупчивания сплава.- 40 -Кнастоящемувремениизвестнынесколькосплавовнаосновеинтерметаллида Ti2AlNb. Это сплавы: ВТИ-4 (РФ) [28], Ti-22-23 (США), Ti-22-20-3(Китай), Ti-22-20-2 (Япония) и Ti-22-25-2-0,5 (Франция). Основа сплавов состоитиз Ti–(20-23)Al–(20-25)Nb–(1-5) (ат.%) и других элементов: (V+Mo+Zr) (ВТИ-4),Ta (Китай), W (Япония), (Mo+Si) (Франция).1.2.3 Фазовый состав и свойства сплавов на основе интерметаллида Ti2AlNbпри термическом и термомеханическом воздействииИз титана и его сплавов производят практически все виды деформированныхполуфабрикатов, возможности изготовления которых зависят от технологических имеханических свойств сплавов и определяются их легированием.