CC BY
21
УДК 669.782.621.315.592
ВОЗМОЖНОСТИ ЛЕГИРОВАНИЯ ПРИ СОЗДАНИИ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ С ЗАДАННЫМИ СВОЙСТВАМИ
Б.Н. Сатбаев
РГКП «Институт металлургии и обогащения», г. Алматы
Композицияльщ материалдар фазасы цурамына лггирлеу к,осымша сыныц эсер етутщ жалпы зацдыльщтары щарастырылады. Балк,удъщ шекпйк жагдайы мен к^рылымыныц параметрам эсер ету элементтер1 интерметалдьщ материалдьщ легирлену! болып табылатыны Kepceminzdi. Титан карбидтщ ducnepcmix бвлштер1мен титан алюминидшщ нег'ч1нде материалдар гаммасын жасаудагы жалпы жэне втмЫ легирлеудщ к,орытындысы жасалынды.
Рассмотрены общие закономерности влияния легирующих добавок на составляющие фазы композиционного материала. Показано, что легирование интерметаллического материала является эффективным средством повышения комплекса механических свойств за счет влияния легирующих элементов на параметры структуры и состояние границ зерен сплава. Сделан вывод о целесообразности и продуктивности основанного на легировании подхода к созданию гаммы материалов на основе алюминида титана с дисперсными частицами карбида титана. ^_
Considered are the general regularities of influence of alloying addition agent on the component phases of the compositional material. It is shown that intermetal material alloyage is an efficient means of the increasing the complex of mechanic properties with the help of alloying elements influence on the structure parameters and alloy seeds borders condition. There was made the conclusion about the expediency and efficiency of the alloyage based approach to the creation of the materials gamma on the base of titanium aluminide with the disperse particles of the titanium carbide.
Осуществленный на основании литературных источников обзор осдов-ных физико-химических свойств алюминия и карбида титана показал высокий уровень эксплутационных параметров этих соединений и целесообразность их использования для решения задачи по разработке композиционного материала со специальными свойствами.
Современный подход к созданию нового материала предполагает одновременную разработку на его основе гаммы материалов, ориентированных на охват расширенного круга условий эксплуатации, выдвигающих специальные требования к различным эксплутационным свойствам материала.
Одним из принципиальных подходов к созданию гаммы сплавов является направленное легирование базового состава с целью оптимизации его структуры и свойств. Легирование композиционного (в нашем случае -имеющего две различные по химической природе и комплексу свойств фазы) материала, получаемого в режиме горения, представляет собой новую, не имеющую общего решения научную задачу, не сводимую к оптимизации свойств составляющих фаз.
Тем не менее, при выработке принципов легирования нового материала целесообразно рассмотреть общие закономерности влияния легирующих добавок на составляющие фазы.
Легирование титановых сплавов [1-3] основывается на управлении полиморфизмом титана и варьировании соотношения в структуре сплава низко- и высокотемпературной фаз. Все элементы, вводимые в титан в качестве легирующих, могут быть сгруппированы по влиянию на полиморфизм. Элементы, повышающие температуру Э<-кх превращения и расширяющие область существования а-модификации, относятся к группе а-ста-билизаторов. Характерным представителем данной группы является алюминий, в нашем случае представляющий собой основной компонент материала. Структурное состояние сплавов с введением ос-стабилизаторов характеризуется наличием только низкотемпературной а-фазы. К группе р-стабилизаторов относятся элементы, понижающие область существования а-фазы. В эту группу входит большинство легирующих элементов-металлов. По воздействию на структурно-механическое состояние сплавов элементы этот группы могут быть разделены на три подгруппы:
1. Элементы, образующие непрерывный ряд твердых растворов с а- и Р-модификациями титана - цирконий и гафний. В относительно небольших количествах эти элементы незначительно снижают температуру полиморфного превращения, что послужило основанием рассматривать их в качестве «нейтральных упрочнителей». При повышенных (до 10 мас%) концентрациях легирующих элементов данной подгруппы в сплавах температура полиморфного превращения может существенно (до 823К) снижается, однако структура сплавов во всех случаях однофазна и представлена низкотемпературной а-модификацией.
2. Элементы, изоморфные Р-модификации титана и образующие с ней непрерывный ряд твердых растворов, ограниченно растворимые в а-мо-дификации - тантал, ванадий, молибден.
3. Элементы, ограниченно растворимые как в высоко-, так и в низкотемпературной модификациях титана и при концентрациях, превышающих предел растворимости, образующие с титаном интерметаллические соединения - хром, кремний, никель и др. При охлаждении из Р-области распад р-твердого раствора на а-фазу и интерметаллид реализуется по эв-тектоидной реакции, поэтому элементы данной группы получили наименование эвтектоидообразующих. Скорость (и полнота) превращения зависит от температуры эвтектоидобразования и эвтектоидной концентрации элемента; в связи с этим реакция может протекать как практически мгновенно и с высокой степенью превращения (при введении меди, кремния), так и с квазиравновесными скоростями (при легировании хромом, железом).
Путем формирования заданного фазового состава, а также параметров микроструктуры сплавов оптимизируются механические свойства материалов, показатели их коррозионной стойкости [1, 2]. Улучшение высокотемпературных свойств сплавов достигается прежде всего на основе легирования тугоплавкими переходными металлами, повышающими температуру плавления твердого раствора и расширяющими область его термической стабильности [1, 4].
Опыт легирования интерметаллических соединений, как показывает изучение литературных источников, крайне ограничен. Примером повышения механических (в том числе высокотемпературных) свойств интерметаллического соединений за счет легирования может служить работа [5], где разработаны некоторые принципы легирования интерметаллида ~ПА1. Как отмечается в цитируемой работе, сопротивление разрушению хрупких материалов, таких как ~ПА1 зависит от морфологии, структуры и когезивной прочности границ зерен. Очистка зерен введением рафинирующих добавок элементов, имеющих высокое средство с примесями внедрения, приводит к повышению когезивной прочности зерен и улучшению механических свойство интерметаллических соединений. Наиболее эффективным признано комплексное легирование добавками элементов, вытесняющих с границ зерен охрупчивающие примеси по конкурирующему механизму, и добавками элементов с высокой склонностью к образованию дисперсных фаз тугоплавких соединений с высокой термодинамической стабильностью. За счет легирования по изложенному принци-
пу авторами цитируемой работы достигнуты повышенные показатели механической прочности интерметаллида (прочность при сжатии - до 2000 МПа), пластичности (предельная деформация при сжатии до 18%) и тре-щиностойкости.
Как показано в данной работе, высокий уровень механических свойств обусловлен состоянием границ зерен, дисперсностью и анизотропией формирующейся при кристаллизации структуры. Изучение авторами образцов легированного интерметаллида привело к выводу о существовании в области границ зерен тонкодисперсных выделений частиц вторых фаз. Как показано в цитируемой работе, а также в работах [6, 7], выделение дисперсных фаз по границам тормозит распространение интеркристаллитных трещин и повышает тем самым трещиностойкость хрупких металлических материалов. Кроме того, неровноосная форме зерен может приводить к повышению трещиностойкости в результате эффектов переориентации трещины при сгибании частиц, а также к бифуркации трещины при пересечении границ зерен.
Таким образом, результаты работ [5, 7] показывают, что легирование интерметаллического материала является эффективным средством повышения комплекса механических свойств за счет влияния легирующих элементов на параметры структуры и состояние границ зеренсплава.
Легирование дисперсной фазы - карбида титана - целесообразно использовать для направленного варьирования таких свойств, как микротвердость, морфология частиц, сопротивление окислению, с также показатели диффузионной стабильности. Целью легирования в данном случае является получение сложных карбидов [8], обладающих требуемыми свойствами. Легирующими элементами-карбидообразователями могут выступать прежде всего тугоплавкие переходные металлы 1У-У1 групп.
По взаимной растворимости карбидов этих металлов с карбидом титана карбидообразователи могут быть подразделены на две группы. К первой группе относятся металлы, карбиды которых образуют непрерывный ряд твердых растворов с карбидом титана. Физической основой существования непрерывного ряда твердых растворов является близость атомных размеров металла-карбидообразователя и титана, а также изоморфизм решеток карбидов [8]. К элементам данной группы относятся цирконий, ванадий, гафний. Ко второй группе можно отнести металлы с частичной растворимостью карбидов в карбиде титана. Получение двойных карбидов с участием элементов этой группы возможно лишь в ограниченном диапазоне, однако, ряд сложных карбидов титана с карбидами элементов
данной группы обладает комплексом полезных эксплуатационных свойств. К элементам, образующим карбиды с ограниченной растворимостью титана, относятся хром, молибден, вольфрам.
Одной из существенных проблем создания новых гетерогенных материалов является достижение максимально возможной структурной стабильности материала из основе химической (а при высокой температурах и кинетической) совместимости карбидной и матричной фаз [9-11]. Возможности легирования в части повышения стабильности фаз гетерогенного материала показаны в работе [12] на примере введения тугоплавких карбидообразу-ющих элементов в сплавы на основе никеля и железа, дисперсно упрочненные частицами карбида титана. Установлено, что повышение уровня свойств материалов достигается благодаря реализации следующих явлений:
1. Лучшего смачивания карбидов легированным расплавом с формированием более прочной границы раздела фаз и более однородной го химическому составу приграничной зоны, прилегающей к карбидно\у материалу.
2. Образования двойных карбидов с выравниванием концентрации легирующего элемента в составе карбида и прилегающей к нему области что препятствует диффузионному перераспределению легирующего элемента в процесса эксплуатации сплава при повышенных температурах.
3. Большей химической стойкости сложного карбида при взаимодействий с расплавами и при окислении.
Подводя итог рассмотрению литературных данных, касающихся легирования гетерогенных материалов и составляющих их фаз, можно сделать вывод о целесообразности и продуктивности основанного на легировании подхода к созданию гаммы материалов на основе алюминида титана с дисперсными частицами карбида титана, а также принципиальной научной новизне данной задачи.
При определении конкретных легирующих элементов, введение которых в состав материала априорно оценивается как полезное, выделяют;я две типа элементов: элементы, введение которых окажет влияние прежде всего на состав и свойства интерметаллической матрицы; и элементы, с помощью которых возможно управление параметрами карбидной составляющей - размерами, плотностью распределения и физико-химическими свойствами карбидов.
На основании анализа характера и термодинамических процессов взаимодействия широкого круга элементов с составляющими базовую тройную систему компонентами [4, 8, 13, 14], а также оценки свойств образую-
щихся соединений и их совместимости предложено использовать для экспериментов по легированию следующие элементы:
1. Элементы, являющиеся эффективными упрочнителями алюминия и низкотемпературной модификации титана (а-титана), действие которых должно осуществляться прежде всего на интерметаллическую матрицу композиционного материала - кремний и цирконий.
2. Элементы, способные при малых концентрациях упрочнять а-титан, а при повышенных (более 15-20 мас%) стабилизировать высокотемпературную модификацию титана-хром, молибден и вольфрам. Исходя из вида диаграмм состояния [4], а также из накопленного опыта создания легированных титановых сплавов [15], можно ожидать повышения при введении элементов данной группы жаростойкости матрицы и расширения диапазона ее термической стабильности. Являясь (3- стабилизаторами, указанные элементы дают возможность улучшить структуру матрицы методами термической обработки с фиксацией высокотемпературных и метастабиль-ных фаз. Кроме того, элементы данной группы склонны к карбидообразо-ванию, и их введением в смесь можно добиться как параллельного образования наряду с карбидами титана карбидов легирующих элементов, так и появления в структуре материала сложных карбидов, что позволит совершенствовать свойства карбидной составляющей в части совместимости с матрицей, прочностных и термоокислительных свойств.
3. Элементы, взаимодействие которых предполагается прежде всего с алюминием с образованием соединений и твердых растворов, обладающих вязкостью и имеющих определенный ресурс пластичности. Введение элементов данной группы имеет целью совершенствование прочностных характеристик материала при воздействии на матричную составляющую. В качестве представителей данной группы легирующих элементов в экспериментальных исследованиях предложено использовать медь.
ЛИТЕРАТУРА
1. Цвиккер У. Титан и его сплавы: Пер. с нем.- М.: Металлургия, 1976 - 184 с.
2. Калачев Б.А. Физические свойства и металловедение титана,- М.: Металлургия, 1976 - 184 с.
3. Титановые сплавы в машиностроении. / Под ред. Г.И. Копырииа. - Л.: Машиностроение, 1977,- 248 с.
4. Еременко В Н., Третьяченко JI.A. Тройные системы титана с переходными металлами IV-VI групп - Киев: Наукова думка, 1987 - 232 с.
5. Баринов С.М., Масленников С Б., Андриашвили П.И. и др. Повышение механических свойств алюминида титана. // Докл. АН СССР. -1989,- Т.309- №2 -С.344-346.
6. Трефинов В.И., Нилъмэн Ю.В., Фирстов С.А. Физические основы прочности тугоплавких металлов,- Киев: Наукова думка, 1975,- 316 с.
7. Трефинов В.И., Моисеев В.Ф. Дисперсные частицы в тугоплавких металлах -Киев: Наукова думка, 1978,- 238 с.
8. Киффер Р., Бенезовский Ф. Твердые материалы: Пер. с нем.- М • Металлуп-гия, 1968,- 384 с.
9. Варенков А.Н., Полькин И. С., Ягубчиков А.Н. Взаимодействие расплавов на основе никеля с карбидами переходных тугоплавких металлов - М • АН СССР 1981,-Вып. 1.-С.46-47.
10.Кутенков В.А., Иванов В.К., Соколовская Е.М. и др. Исследование совместимости волокон карбида титана с матрицей из сложнолегированного никелевого сплава. // Физика и химия обработки материалов - 1980.- №4 - С. 156-159.
\\. Кипарисов С.С., Нарва В.К., ДаляеваЛ.И. и др. Физико-химическое исследование взаимодействия в сплавах карбид титана - сталь. // Изв. вузов. Черн металлургия,- 1976,- №2,- С. 136-140.
12.ЯкубчиковА.М., Костиков В.И., БаренковА.Н. идр. Совместимость тугоплавких карбидов со сплавами на основе никеля или железа, легированными тугоплавкими металлами. // Физика и химия обработки материалов - 1989 - №3 -С.127-132.
13.Костиков В.И., Восренков A.M. Взаимодействие металлических расплавов с у1|леродными материалами - М.: Металлургия, 1981.-184 с.
14. Самсонов Г.В.. Виницкий И.М. Тугоплавкие соединения,- М • Металлургия 1976,-560 с. '
15.Солонина О.П., Глазунов С.П. Жаропрочные титановые сплавы,- М.: Металлургия, 1976- 447 с.
