Сплавы на основе алюминидов титана

 

Из промежуточных фаз, образующихся в системе Ti – Al, наибольший практический интерес представляют алюминиды Ti₃Al и TiAl (рис. 6.2). Интерметаллид Ti₃Al (α₂-фаза) представляет собой сверхструктуру на основе α-фазы, в которой атомы титана и алюминия расположены упорядоченно, имеет ГП кристаллическую решетку.

 

 Рис. 6.2. Диаграмма состояния системы Ti – Al

 

Механические свойства интерметаллида Ti₃Al при комнатной температуре сильно зависят от чистоты по примесям, типа и параметров микроструктуры, величины и формы зерен. Поэтому механические свойства интерметаллида Ti₃Al меняются в широких пределах: σ_в = 220...600 МПа, δ = 0...0,5 %. Модули упругости в меньшей степени зависят от указанных выше факторов и составляют Ε ≈ 140 ГПа; G ≈ 52,5 ГПа. Плотность алюминида Ti₃Al равна 4,20 г/см³.

При повышении температуры временное сопротивление разрыву интерметаллида Ti₃Al повышается примерно до 700 °С, а затем снижается. До 600 °С разрушение носит хрупкий характер, так что разрушение происходит до достижения предела текучести. При температурах выше 650 °С повышается подвижность дислокаций, начинает развиваться их поперечное скольжение и переползание, что и обусловливает повышение пластичности интерметаллида.

Создание мелкозернистой структуры термомеханической обработкой или методами порошковой металлургии приводит к существенному повышению пластичности. В области хрупкого разрушения (при 400 °С) относительное удлинение интерметаллида Ti₃Al с мелким зерном достигает 3,2 %, а при переходе к вязкому разрушению (600...650 °С) относительное удлинение возрастает с 15 до 45 %. Интерметаллид Ti₃Al с такой структурой при малой скорости деформации (5 х 10^-4 с^-1) обнаруживает при 1000 °С признаки сверхпластичности (δ > 120 %; m = 0, 46).

Механические свойства алюминида Ti₃Al могут быть улучшены легированием Hf, Mo, Nb, Та, V, W, Zr и некоторыми другими элементами. Наилучшие результаты дает легирование ниобием, так что система Ti₃Al – Nb является основополагающей при разработке сплавов на его основе.

 

Рис. 6.3. Вертикальный разрез диаграммы состояния Ti₃Al – Nb

 

Ниобий понижает температуру перехода сплавов в β-область (рис. 6.3), причем при легировании β-фазы ниобием неупорядоченный твердый раствор переходит в упорядоченное состояние с кубической решеткой В2. Упорядочение β-фазы по типу В2 структуры было обнаружено также в богатых алюминием сплавах систем Ti – Al – Mo, Ti – Al – Ta, Ti – Al – V. Полностью упорядоченная структура образуется вблизи состава Ti₂AlX. Растворимость ниобия в α₂-фазе при 900...1000 °С составляет примерно 12,5 % (ат.) или 24 % (по массе). Фаза Ω представляет собой твердый раствор на основе интерметаллида Ti₂AlNb с ромбической структурой.

Ниобий существенно повышает пластичность интерметаллида Ti₃Al, несколько снижая жаропрочность. Повышение пластичности Ti₃Al при легировании ниобием объясняется действием дополнительных систем скольжения как при комнатной, так и повышенных температурах.

Интерес к сплавам на основе Ti₃Al в последнее время несколько снизился в связи с разработкой высокожаропрочных деформируемых псевдо a-сплавов типа ВТ18У. Характеристики жаропрочности у наиболее удачно легированных псевдо a-сплавов и их предельные рабочие температуры (до ~ 600 °С) примерно такие же, как и у сплавов на основе Ti₃Al, a технологические возможности лучше.

Интерметаллид TiAl обладает упорядоченной теграгонально искаженной ГЦК решеткой. Область гомогенности этого интерметаллида в системе Ti – Αl достаточно велика (рис. 6.2).

Пластичность интерметаллида TiAl при температурах ниже 700 °С ничтожно мала. Пластическая деформация этого интерметаллида может осуществляться скольжением одиночных дислокаций с вектором Бюргерса а /2<101> и сверхдислокаций с векторами Бюргерса а <101> и а /2<112>. Однако при температурах, близких к комнатной, все эти дислокации заблокированы из-за сильно развитых ковалентных связей. Поскольку в TiAl все дислокации при комнатной температуре заблокированы, даже монокристаллы этого интерметаллида разрушаются хрупко.

Выше температуры 700 °С пластичность интерметаллида резко возрастает из-за снятия блокировки дислокаций и как следствие увеличения их подвижности; помимо этого, начинается интенсивное двойникование по системам {111}<112>. Эти эффекты можно объяснить уменьшением ковалентной составляющей связи.

В зависимости от чистоты и микроструктуры механические свойства интерметаллида TiAl колеблются в широких пределах и при комнатной температуре составляют: s_в = 350...580 МПа; δ = 0,5...1,5 %, Ε = 175 ГПа, G = 67 ГПа. Из-за высокого содержания алюминия плотность интерметаллида TiAl невелика (3,8 г/см³),

В зависимости от технологии получения заготовок, режимов горячей деформации и термической обработки можно получить три основных типа структур интерметаллида TiAl: ламельную (пластинчатую), рекристаллизованную и смешанную (дуплексную). Механические свойства интерметаллида TiAl при комнатной температуре с такими типами структур приведены в табл. 6.1.

 

Таблица 6.1

Влияние типа структуры интерметаллида TiAl на механические свойства

Тип структуры	Механические свойства
	σв, МПа	δ, %	s100^700, ΜΠа
Ламельная Рекристаллизованная Дуплексная	350...400 580 550	0,5 0,8 1,5	480 310 380

 

Мелкозернистый интерметаллид TiAl проявляет определенную склонность к сверхпластичности; при температуре 800 °С и скорости деформации 8,3 х 10^-4 с^-1 относительное удлинение составляет более 225 %.

Из двойных сплавов на основе интерметаллида TiAl наилучшей пластичностью обладают сплавы, содержащие 47...48 % (ат.) Αl.

Пластичность алюминида TiAl может быть повышена при легировании третьими компонентами: Be, Cr, Nb, Mo, Ni, Si, Sn, Μn, V, W, Ag, Ga. Повышение пластичности может быть связано с уменьшением вклада ковалентной и увеличением доли металлической связи, что уменьшает степень блокировки дислокаций. Наилучший комплекс свойств достигается при многокомпонентном легировании.

К лучшим сплавам на основе TiAl относят Ti – 48 % Al – 2 % Cr – 2 % Nb. Этот сплав обладает хорошим сочетанием пластичности и технологичности, высокими характеристиками жаропрочности, коррозионной стойкости.

Благодаря низкой плотности и достаточно высоким прочностным характеристикам и сплавы на его основе TiAl превосходят существующие жаропрочные сплавы на основе Ti, Fe и Ni по удельным значениям модулей упругости и показателям жаропрочности в интервале температур вплоть до 850...900 °С.