CC BY
22
УДК 669.295:536.46
Канд. техн. наук Ю. О. Белоконь, О. А. Жеребцов, канд. техн. наук К. В. Белоконь
Запорiзька державна ¡нженерна академiя, м. Запорiжжя
ДОСЛ1ДЖЕННЯ ОСОБЛИВОСТЕЙ ПРОЦЕС1В ОТРИМАННЯ 1НТЕРМЕТАЛ1ДНИХ ТИТАНОВИХ СПЛАВ1В ПРИ НЕСТАЦ1ОНАРНИХ ТЕМПЕРАТУРНИХ УМОВАХ
Розглянуто особливостг отримання 1нтерметал1дних титанових сплавгв на баз! досл1дження процес1в структуроутворення алюм1тд1в титану в режимI теплового самозапалювання. Проанал1зоваш температурн! умови процесу фазоутворення в б1нарн1й систем1 Т1-Л1. Теоретичш викладки тдтверджено експериментально за допомогою металограф1чних досл1джень.
Ключовi слова: ¡нтерметалгди, система Т1-Л1, структуроутворення, СВС.
Вступ
Розробка новишх матерiалiв з покращеними фiзи-ко-хiмiчними характеристиками для роботи при екст-ремальних умовах е актуальною темою в авiацiйнш га-Лузi [1].
Вiдомо, що велика увага серед розробник1в та нау-ковц1в надаеться сплавам на iнгерметалiднiй основi си-стеми Ti-Al [2]. Це обумовлено цiлою ланкою високих показник1в властивостей цих сполук [3]. Попри це, деяк1 недолiки цих сплавiв пов'язанi зi складностями i особ-ливостями 1хньо1 технологи отримання [4]. Так, процес сткання порошков металiв, що мають дiаграму стану з iнгерметалiдними з'еднаннями, пропкае при нестацю-нарних температурних умовах, що ускладнюе умови дослвдження фазоутворення тд час реакцiйного синтезу легкоплавкого та тугоплавкого компоненпв.
Одшею з перспективних технологiй отримання цих сплавiв е саморозповсюджувальний високотемператур-ний синтез, що при режимi теплового самозапалювання надае можливiсть дослвдження кинетики реакцiй, як1 обумовлюють процес горшня та факторiв, що вплива-ють на змiни об' емiв у реакцiйних брикетах.
При тепловому самозапаленш дослiдний матерiал являе собою екзотермiчну сумiш порошкових компонента у насипному або спресованому станi [5]. Ця тех-нолопя зазвичай протiкае при неiзотермiчних умовах та супроводжуеться об'емним змiненням заготовок, що пов'язано з дифузiею ашшв легкоплавкого компонента до часток тугоплавкого [6]. При цьому практично не встановлеш умови, при яких можливий направлений потiк з редко! фази до твердих часток i вплив термета-лiдних фаз на процес синтезу.
Метою ще! роботи е встановлення закожтрнос-тей об' емних та структурних змш при тепловому само-запаленнi штерметалвдних титанових сплавiв.
Матерiали та методика дослщжень
Об'ектом дослiдження обранi штерметалвдш спла-ви системи Ti-Al, дiаграма стану яко! наведена на ри-
сунку 1. Ця система належить до групи iнтерметалiдних систем, у яких ащабатична температура синтезу нижча за температуру плавлення отриманого з' еднання Т < Тад) (таблиця 1).
А1, (ат.)
20 40 Я) 60 70 80 90 100
4 0С -т-:---Г-Г—Г-1-1-1-
А1.% (по массе) Рис. 1. Дiаграма стану системи Т1-Л1
Таблиця 1 - Параметри дослвдно! системи
Реакция Я + ^ Р ТщС^Х К Тпл^), К Тпл(Р), К Т ■"■ад' К
Ti + Л1 ^ Т1Л1 1941 933 1733 1654
Щд час дослвдження використовували порошки алю-мiнiю (АСД -1) та титану (губка титанова подрiбнена (середнш розмiр фракцл - 100±50 мкм). Для рiвномiр-ностi розпод^ часток у сумiшi порошки тддавали змiшуванню у «п'янш дiжцi» протягом 2 годин. Сумiш
© Ю. О. Белоконь, О. А. Жеребцов, К. В. Белоконь, 2017
48
порошив тддавали пресуванню з виготовленням цил-шдричних брикелв розм1рами 20x36 мм. Процес синтезу проводили у спещально виготовленому СВС-ректор1 з шертним середовищем при постшному тиску 1 атм.
Зразки синтезованого продукту тддавали дослд-женням на шнетику реакцшного сткания, на початко-ву та шнцеву щшьтстъ. Структуру та фазовий склад отриманих зразк1в дослщжували за допомогою рентге-ноструктурного, мжрорешгеноспектрального та мета-лограф1чного анал1з1в.
Теорiя та анал1з отриманих результата
У робот1 розглянуто законом1рносп змши об'емних 1 структурних параметр1в пористих тш у процеа синтезу при таких сшвввдношеннях температурних умов:
- температура синтезу перевищуе точку плавления шнцевого продукту;
- температура синтезу нижча в1д точки плавления к1нцевого продукту, проте вища за точку плавлення про-м1жних фаз;
- температура синтезу нижча в1д точки плавлення шнцевого продукту та пром1жиих фаз.
Експериментальш дослщжения показують, що ек-зотерм1чний ефект та прирют зразк1в визначаються про-цесами змiшувания компонеипв у рвдшй фаз1 й появою фаз на границ тверд1 частки - розплав. Установлено, що тд час синтезу в систем! Т1-Л1 розвиваються так процеси: утворения р1дко! фази завдяки контактному плавленню та плавленню рщкого компонента; змочу-вания часток твердого компонента й розпкания р1дко! фази в об'ем1 брикета; розчин часток твердого компонента в рвдкш фазц виникиення нових фаз шляхом реакцию! дифузи й кристалзацл сплаву (рисунок 2).
Металограф1чний анал1з показав, що на поверхш часток тигану утворюеться шар штерметалщу, який роз-трюкуеться 1 робить частки пористими. У деяких шарах утворення трщин спостер1гаеться усередиш часток, у зонах чистого титану, вщдалених в1д зони формувания штерметалщу, причому, судячи з деяких ознак, р1дкий алюмшш дифундуе в межах цих трщин. Розтрюкуваи-ия штерметалщу на поверхш часток може бути обу-мовлено тим, що його зростання вщбуваеться на кор-дош з титаном, куди дифундуе алюм1нш з розплаву через сформований шар. Осшльки утворення штерметалщу на основ1 решики титану пов'язано з1 збшьшениям об'ему (внаслщок зароджения в ньому нових вузл1в для розмщення атом1в алюмшш), виутршнш шар 1птерметал1ду, що межуе з чистим мета-лом, ввдчувае напруження стискаиня, тод як зовтшнш -розтягуванпя. У зв'язку з низькою пластичшстю штер-металщ руйнуеться тсля досягнення показник1в напруження розтягуванпя гранищ його мщносп. Одночасно, внаслщок арочного ефекту, обумовленого замкнутою формою часток 1 напруженнями стискаиия в зростаю-чому шар1 1итерметал1ду, в цеигральнiй його частиш та-кож виникають напруження розтягування, як1 можуть викликати зародження 1 зростання пор 1 тр1щин всере-дит часток.
б
Рис. 2. Основш стадй структуроутвореппя штерметалщ-них фаз (а) та мiкроструктура штерметалщного зразка на перехiдпiй стадй (б)
1607-6885 Новi матерiали i технологи в металургп та машинобудувант №1, 2017
49
Установлено, що температура синтезу Т1Л1 сплав1в нижча в1д точки плавления шнцевого продукту 1 тугоплавкого компоненту, однак вища точки плавлення про-м1жних фаз (у цьому випадку Т1Л13 - 1613 К, та Т1Л12 -1273 К). Взаемод1я часток титаиу та редкого алюмшш в зот синтезу носить гетерогенний характер 1 призводить до утворения шару тугоплавкого продукту Т1Л13, який роздшяе реагенти. Л1м1тувальною стадаею процесу е ди-фуз1я ашшв через шар цього з'еднання, який педко-рюеться парабол1чному закону (слабке шнетичне галь-мувания) 1 визначаеться парщальними коефщентами дифузп 1 структурою осередку. У результат реакцшно! дифузи процес пропкае у вузьк1й зот та без змши об' ему, тому що другий компонент, у якому повинна йти пере-важна дифуз1я, знаходиться у редкому сташ.
Проведет розрахунки змши вшьно! енергп Пббсу А О при утворенш р1зних алюмшвдв титану педтверди-ли, що у всьому температурному д1апазош найменшою енерпею з1 стабшьних штерметалщв володае фаза Т1Л13 (рис. 3). Дещо нижча А О е у метастабшьних фазах Т1Л12 1 Т12Л15, але вони можуть формуватися тшьки кр1зь дек1лька пром1жних реакцш траисформуваиня Т1Л1, що термодинам1чно малоймов1рно.
Рис. 3. Результати розрахунюв термодипамiчпих властиво-стей штерметаладно'' системи Т1-Л1|: 1 - Т1Л1; 2 - ТьЛЦ;
3 - Т1Л13; 4
Т>3Л1
Проведет мжрорентгеноспектральш (рисунок 4) доследжения наочно тдтвердили описан вище проце-си структуроутворения. У результат! юльюсного аналь зу встановлено, що матриця (ара область) у -Т1Л1 сплаву мае такий склад (у ведсотках масових): 36,17 % Л1 1 63,83 % Т1, що ведповедае iигерметалiдпiй фаз1 Т1Л1 (рис. 4, спектр 2). Бш за кольором втянул обласп, згедно з результатами мiкрорентгеноспектрального аналiзу (рис. 4, спектр 1), являють собою iнтерметалiди складу
а 2 -Т13Л1, з1 вмютом елемеипв: 22,83 % Л1 1 77,17 % Т1.
Поблизу цих включень, а у деяких випадках 1 в 1хньо-му цеитр1, виявлеш дисперст зм1цнююч1 фази. Показ-ники точечного х1м1чного аиал1зу (рис. 4, спектр 3) дозволили едетифшувати 1х як iигерметалiди а 2 -Т13Л1, що м1стять 11,42 % Л1 ! 88,58 % Т1. Це збтаеться з результатами, що отримаш в попереднiх роботах з моделюван-ия процеав структуроутворения алюмiнiдiв титану в умовах СВС [7, 8].
Рис. 4. Мжрорентгеноспектральний апалiз синтезованого продукту: 1 - а 2 -Т13Л1; 2 - У -Т1Л1; 3 - Т13Л1
Загальний вигляд синтезованого в режимi теплового самозапалювання зразка з1 сплаву на основ! алюмш-еду титану Т1Л1 наведено на рис. 5.
Рис. 5. Зразки синтезованого алюмшщу титану в режимш теплового самозапалювання
Доследжения пористосп методом гiдростатичного зважування показали, що зразок, який не тддавався по-дальшому пресуванню тсля проходження синтезу, мав загальну пориспсть 30 ± 1,5 %. У нашому випадку при в1дсутност1 зовшшшх сил iснуе внутр1шн1й осередок деформаци: утворення на поверхиi часток фази, яка мае шший, н1ж у матрищ, питомий об'ем i забезпечуе пе-реважиу дифуз1ю легкоплавкого компонента в тугоплавкий. У результат! об'ем окремих часток або конгло-мерапв збiльшуеться, що викликае макроскотчне роз-ширения брикета на ва боки за умови, що свобода перемщения часток порошку в брикет обмежена.
Висновки
Таким чином розглянуто осо6ливост1 отримания штерметаледних титанових сплавiв на базi доследжения процеав структуроутворения алюмшщв титану у ре-жим1 теплового самозапаления. Установлено, що взае-мод1я часток титаиу та редкого алюмiнiю в зон1 синтезу носить гетерогенний характер i призводить до утворения шару тугоплавкого продукту Т1Л13, який роздме реагенти.
Усадка тсля синтезу штерметалщв складу TiAl не вщбуваеться, об'ем i форма зразк1в у цьому випадку залишаються практично незмiнними, через те що редка фаза утворюеться й юнуе у вузьк1й реaкцiйнiй зош контакту.
Список лiтератури
1. Суперсплавы II: Жаропрочные материалы для аэрокосмических и промышленных энергоустановок / Под ред. Симса Ч. Т., Столоффа И. О., Хагеля У. К. ; пер. с англ. В 2-х кн. Кн. 1 / Под ред. Р. Е. Шалина. - М. : Металлургия, 1995.
2. Цудзимото Т. Легкие жаропрочные сплавы на основе интерметалида Ti-Al / Цудзимото Т. - НИИ Металлов, Токио, ВЦП №11-41192.
3. Huang S.C., Chesnutt J.C. Gamma TiAl and its alloys // Intermetallic compounds. - 1994. - Vol. 2. - Р. 73-88.
Имаев В. И. Влияние скорости деформации и размера зерен на пластичность интерметаллида TiAl при комнатной температуре / Имаев В. И., Имаев Р. М., Сали-щев М. Р. // Металлы. - № 5. - 1996. - С. 135-145. Мержанов А. Г. Твердопламенное горение // А. Г. Мержанов - Черноголовка : ИСМАН, 2000. - 224 с. Обробка металiв тиском при нестацюнарних темпера-турних умовах: монографiя / Б. П. Середа, I. В. Кругляк, О. А. Жеребцов, Ю. А. Белоконь. - Запорiжжя : Видавництвово ЗД1А, 2009 - 252 с. Sereda B. The Modeling and Processes Research of Titan Aluminides Structurization Received by SHS Technology / B. Sereda, A. Zherebtsov, Y. Belokon' // TMS 2010. -Seattle. Washington, USA. - 2010. - P. 99-108. The Processes Research of Structurization of Titan Aluminides Received by SHS / B. Sereda, I. Kruglyak, A. Zherebtsov, Y Belokon' // Material Science & Technology. -Pittsburg, USA. - 2009. - P. 2069-2073.
Одержано 15.05.2017
Белоконь Ю.А., Жеребцов А.А., Белоконь К.В. Исследование особенностей процессов получения интерметаллических титановых сплавов при нестационарных температурных условиях
Рассмотрены особенности получения интерметаллических титановых сплавов на базе исследования процессов структурообразования алюминидов титана в режиме теплового самовоспламенения. Проанализированы температурные условия процесса фазообразования в бинарной системе Ti-Al. Теоретические выкладки экспериментально подтверждены при помощи металлографических исследований.
Ключевые слова: интерметаллиды, система Ti-Al, структурообразование, СВС.
Belokon Yu., Zherebtsov A., Belokon K. The features research of intermetallic titan alloys process obtaining at non stationary heat conditions
The features of intermetallic titan alloys process obtaining are shown on the base of titan aluminides structurization researching at combustion synthesis. The heat conditions at phase structure formation processes in Ti-Al binary system are analized. The theoretical approachings are confirmed experimentally owning to metallographic researches.
Key words: intermetallic compounds, Ti-Al system, structurization, combustion synthesis.
7
8
ISSN 1607-6885 Hoei матерiали i технологи в металургй' та машинобудувант №1, 2017 51
