АЛЮМІНІДИ ТИТАНУ ТА СПЛАВИ НА ЇХ ОСНОВІ


В сплавах системі Ti-Al із підвищеним вмістом Al утворюються інтерметаліди Ti3Al (a2-фаза) та TiAl (g-фаза), рис.3.6 [10]. Вони мають малу густину, високу жароміцність та жаростійкість, високі ливарні властивості. Недоліки цих фаз: висока крихкість та низька технологічна пластичність.

Інтерметалід Ti3Al має значну область гомогенності. При кімнатній температурі концентрація Al в a2-фазі в межах 22…35% (ат.). Впорядкованість фази зберігається до температури 1090°С. a2-фаза має гратку ГЩП, близьку до гратки a-фази, але відрізняється від неї впорядкованим розташуванням атомів Ti та Al (рис.3.29). Періоди гратки a2-фази (аa, сa - періоди гратки a-фази): а = 2аa; с = сa (а = 0,577 нм; с = 0,460 нм; с/а = 0,797 нм). Густина Ti3Al становить 4,2 г/см3.

Рисунок 3.29 – Кристалічна структура алюмініду Ti3Al (a2-фаза)

Пластичність алюмініду Ti3Al при кімнатній температурі дуже низька (< 1%). Це обумовлено його дислокаційною будовою та властивостями дислокацій.

Механічні властивості алюмініду Ti3Al при кімнатній температурі суттєво залежать від вмісту домішок, типу і параметру мікроструктури, величини та форми мікрозерна і знаходяться в межах: sв = 220…600 МПа, d = 0…0,5%. При цьому модуль пружності майже не змінюється: Е » 140 ГПа, G » 52,5 ГПа. Алюмінід Ti3Al внаслідок утворення оксидної плівки TiO2 має незадовільну жаростійкість при робочих температурах. Для покращення характеристик пластичності, технологічних властивостей, підвищення жаростійкості та жароміцності алюмінід Ti3Al легують Hf, Mo, Nb, Ta, V, W, Zr та деякими іншими елементами. Але перевага віддається ніобію, оскільки він найкраще впливає на властивості алюмініду.

Вертикальний переріз системи Ti3Al-Nb наведено на рис. 3.30. Ніобій знижує температуру перетворення a®b. Крім того, легована ніобієм b-фаза переходить із невпорядкованого у впорядкований стан (В2) з кубічною граткою. При температурах нижче 1000°С утворюється впорядкована орторомбічна фаза (фаза О) на основі інтерметаліду Ti2AlNb. Фаза О утворюється в сплавах з концентрацією від Ti-25%Al-12,5%Nb до Ti-25%Al-30%Nb.

При легуванні ніобієм впорядкованість алюмініду Ti3Al зменшується і тому доля ковалентного зв’язку послаблюється. Крім основних систем ковзання з’являються ще додаткові: , (0001), що суттєво підвищує пластичність Ti3Al як при кімнатній так і підвищеній температурах.

Рисунок 3.30 – Вертикальний переріз діаграми стану Ti3Al-Nb

Принципи легування сплавів на основі алюмінідів Ti3Al та Ti2AlNb:

1. Вміст алюмінію в межах 23…25% (ат.). Збільшення вмісту алюмінію призводить до різкого зниження в’язкості.

2. Легування Nb для підвищення міцності, пластичності, в’язкості та жароміцності.

3. Для підвищення жароміцності бажане легування Мо (~1%). Фаза О може в значній кількості розчиняти Мо, Та, Cr, V.

4. Для стабілізації О-фази вміст Nb повинен бути не більше 15% (ат.), що забезпечує достатню в’язкість сплавів.

5. Для забезпечення достатнього опору повзучості структура повинна мати пластинчату будову.

Сплави на основі алюмінідів титану наведені в табл.3.9.

Структура сплавів на основі алюмініду Ti3Al: a2, a2 + b, a2 + О+ b, О, О + В2 + a2, О + В2.

Однофазні сплави (О-фаза) на основі алюмініду Ti2AlNb (наприклад Ti-25Al-23Nb) мають більші характеристики питомої міцності, в’язкості руйнування та окалиностійкості порівняно із сплавами на основі a2 або a2 + b. Двофазні сплави (наприклад Ti-22Al-27Nb) із структурою О + В2 (В2 – впорядкована b-фаза) мають найкращі властивості міцності та в’язкості при кімнатній температурі в порівнянні із сплавами із структурою a2+b або однофазними О-сплавами.

Приклади використання сплавів на основі алюмінідів Ti3Al та Ti2AlNb: із сплаву 22-25 виготовляють диски авіаційного двигуна; із сплаву ВТИ-1 – диски останніх ступеней компресора, сопла форсажних камер авіаційних двигунів.

Таблиця 3.9 – Хімічний склад сплавів на основі алюмінідів Ti3Al та Ti2AlNb [10]

Марка сплаву Хімічний склад, % (ат.).
Сплави на основі алюмініду Ti3Al
Альфа-2 (24-11) Ti-24Al-11Nb
Супер альфа-2 Ti-25Al-10Nb-3V-1Mo
25-10-4 Ti-25Al-10Nb-4Ta
24,5-12,5-1,5 Ti-24,5Al-12,5Nb-1,5Mo
ВТИ-1 Ti-25Al-11Nb-0,75Zr-0,75Mo
Сплави на основі алюмініду Ti2AlNb
24-15 (24-14) Ti-24Al-15Nb (Ti-24Al-14Nb)
25-17 Ti-25Al-17Nb
25-23 Ti-25Al-23Nb
23-24 (22-23) Ti-23Al-24Nb (Ti-22Al-23Nb
22-27 (25-25) Ti-22Al-27Nb (Ti-25Al-25Nb
22-25 (Mo, Zr, Si) Ti-22Al-25Nb-(1-3) (Mo, Zr, Si)
24,5-17-1 Ti-24,5Al-17Nb-1Mo
23-24-1,5-0,5 Ti-23Al-24Nb-1,5Mo-0,5Si

Сплави на основі алюмініду TiAl (g-фаза). TiAl має впорядковану тетрагонально-викривлену гранецентровану гратку, в якій шари, упаковані атомами титану, чергуються шарами зайнятими атомами алюмінію (рис.3.31). Періоди гратки: а = 0,3984…0,3949 нм; с = 0,4065…0,4089 нм. Область гомогенності g-фази при кімнатній температурі становить від 50 до 60% (ат.). Впорядкованість інтерметаліду TiAl зберігається до температури плавлення (~1450°С). Густина інтерметаліду TiAl становить 3,8 г/см3.

Рисунок 3.31 – Кристалічна структура TiAl

При температурах нижче 700°С пластичність інтерметаліду TiAl дуже низька (d » 0,5%). Пластична деформація інтерметаліду може здійснюватися тільки переміщенні дислокацій з вектором Бюргерса а/2 <101>, а <101> та а/2 <112>. При низьких температурах ці дислокації заблоковані. Вище температури 700°С відбувається розблокування дислокацій і їх здатність до переміщення приводить до різкого зростання пластичності. Крім того, при цих температурах може відбувається деформація двійникуванням по системам {111} <112>, що вносить додатковий вклад в підвищення пластичності..

Механічні властивості алюмініду TiAl при кімнатній температурі в залежності від чистоти та мікроструктури коливаються в межах: sв = 350…580 МПа, d = 0,5…1,5%. Модулі пружності: Е » 175 ГПа, G » 67 ГПа.

В залежності від технології виготовлення заготовок, режиму гарячої пластичної деформації, та наступної термічної обробки можна отримати три основних типи структур інтерметаліду TiAl: ламельну (пластинчату), рекристалізовану (глобулярну), бімодальну (дуплексну). Ламельна структура уявляє собою повністю здвійниковані пластини g-фази, по межах котрих розташовані тонкі прошарки a2-фази. Така структура має найкращі характеристики жароміцності. Рекристалізована структура складається з зерен g-фази та a2-фази, яка сформувалась в результаті динамічної або статичної рекристалізації. Така структура має більш високий комплекс механічних властивостей ніж ламельна. Бімодальна структура складається з областей із ламельною та рекристалізованою структурою. Таку структуру можна отримати в результаті рекристалізації при температурі в області існування g- та a2-фаз. При кімнатній температурі така структура має найкращий комплекс механічних властивостей.

Сплави на основі алюмініду TiAl ділять на дві групи:

– однофазні g-сплави (вміст Al в межах 50…52%). Для підвищення жароміцності легують Nb, Та, Mo, W. g-сплави мають дуже невисокі технологічні властивості (у всьому інтервалі температур алюмінід TiAl зберігає впорядковану структуру).

– двофазні (g + a2)-сплави (вміст Al в межах 44…49%). Сплави цієї групи мають найкращу пластичність. Додатково пластичність підвищується внаслідок легування Ag, Be, Cr, W, Mn, Mo, Nb, Si, V, C, N (в доволі невеликій концентрації 1…4%, ат.). Покращити характеристики міцності та окалиностійкості сплавів можна легуванням Nb, Ta, Mn, Zr, Hf, W (1…3%). Деякі сплави для підвищення жароміцності легують боридом титану ТіВ2. Двофазні сплави (g + a2) порівняно із сплавами першої групи більш пластичні: деформацію можна проводити при температурах існування невпорядкованої однофазної структури: a2-фаза.

Хімічний склад промислових сплавів на основі алюмініду TiAl наведено в табл.3.10.

Таблиця 3.10 – Хімічний склад промислових сплавів на основі алюмініду TiAl [10]

Тип сплаву Марка сплаву Хімічний склад, % (ат.)
Перше покоління 45XD 47XD Ti-47Al-2Nb-2Cr Ti-45Al-2Nb-2Mn-0,8%об.TiB2 Ti-47Al-2Nb-2Mn-0,8%об.TiB2
Другого покоління WMS ABB-2 TAB Daido IHI 3-95 K5 Ti-47Al-2Nb-1Mn-0,5W-0,5Mo-0,2Si Ti-47Al-2W-0,5Si Ti-47Al-1,5Nb-1Mn-1Cr-0,2Si-0,5B Ti-48Al-2Nb-0,7Cr-0,3Si Ti-32Al-1,9Fe-1,5V-0,7% мас. В Ti-47Al-2Nb-2Cr-1Mo-0,2B Ti-46,2Al-3Nb-2Cr-0,2W-(0,1-0,2)B-0,2C
Третього покоління IRC - TNB PM-gMET Ti-44Al-4Nb-4(Zr або Hf)-1B-0,2Si Ti-45Al-(5-10)Nb Ti-45Al-(5-10)Nb-(C, B) Ti-46,5Al-4(Cr, Nb, Ta, B)

Приклади використання сплавів на основі алюмініду TiAl: 47XD – в авіакосмічній техніці (лопатки турбіни низького тиску); ТАВ – литі та штамповані лопатки турбін авіаційних двигунів; Daido – ротори двигунів спортивних автомобілів; ІНІ – литі лопатки двигунів.

 









Последнее изменение этой страницы: 2016-04-18; Нарушение авторского права страницы

infopedia.su не принадлежат авторские права, размещенных материалов. Все права принадлежать их авторам. Обратная связь