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 (а _a, с _a - періоди гратки a-фази): а = 2 а _a; с = с _a (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: s_в = 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: s_в = 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.