CC BY
33
УДК 669.295.5
В. С. Голтвяница1, д-р техн. наук Э. И. Цивирко1, канд. техн. наук С. К. Голтвяница2, д-р техн. наук Ю. Н. Внуков1, С. Ю. Саенко3, Г. А. Холомеев3
1 Запорожский национальный технический университет, 2 ООО «Риал», г. Запорожье;
3 Институт физики твердого тела, материаловедения и технологий Национального научного центра «Харьковский физико-технический институт», г. Харьков
МИКРОЛЕГИРОВАНИЕ СКАНДИЕМ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИДОВ ТИТАНА
Изучено влияние микролегирования скандием на структуру и свойства сплавов на основе (у + а2)-ТШ. Установлено, что с введением микродобавок скандия увеличился индекс включений а^-фазы в 2раза, увеличилось количество квазихрупких составляющих излома, что, в свою очередь, увеличило жаростойкость в 2—2,5 раза и незначительно увеличило твердость. В процессе испытаний по определению жаростойкости на поверхности сплавов образовывалась прочная пленка, состоящая из Л203 и сложной фазы (Л!0 N^0 2^0 б)0?
Ключевык слова: микролегирование, алюминиды титана, квазихрупкий излом, интерме-таллиды, баротермическая обработка.
Решающую роль при использовании материалов, особенно при высоких температурах, играет их способность противостоять влиянию агрессивной среды.
Влияние легирующих элементов на жаростойкость металлов и сплавов на их основе исследовано достаточно широко. На основе этих исследований создана теория жаростойкого легирования [1—4], которая помогает прогнозировать стойкость материала в агрессивной среде, но она не является универсальной и не имеет математической модели. Поэтому исследователям во время разработки новых материалов приходится изучать влияние легирующих элементов на разные сплавы.
В течение последних десятилетий интенсивно проводятся разработки сплавов на основе или упрочненных интерметаллидами. В качестве перспективных жаростойких сплавов на основе титана, наиболее широко изучены сплавы с высоким содержанием алюминия (>11 %) [5] и сплавы на основе Т1Л1 [6] в связи с тем, что интер-металлиды Т1Л1 и Т1зЛ1 имеют большую жаростойкость, чем многокомпонентные а- и р-титановые сплавы [7, 8].
В данной работе было изучено влияние микролегирования скандием на твердость и жаростойкость интерметаллидного (у + а2)-Т1Л1 сплава.
Материалы и методика исследования. Сплавы Т1-31,6Л1-6№>-1,3Сг-2,5Мо-0,42г-0,3З1-0,5У* без скандия и с 0,2 % Зс были получены методом сплавления спрессованных шихтовых бри-
кетов (губчатый титан марки ТГ 110М ГОСТ 17746-79, алюминий марки А8 ГОСТ 11070-74, лигатура Л1-Мо с содержанием молибдена 50 %, металлический кремний, электролитический хром 99,8 %, металлургический иттрий ИТМ-2 (ТУ 48-4-208-72), металлический цирконий, лигатура Л1Зс с содержанием скандия 2,2 %, металлический ниобий) в лабораторной вакуумно-ду-говой печи при силе тока около 420—450 А и напряжении 40—45 В. В начальный период плавки вакуумированием в камере печи достигали остаточного давления 0,12 Па, после чего камера заполнялась аргоном до давления 50 кПа. Слитки массой 200 г и размерами 0 65х 12 мм получали в медном цилиндрическом водоохлаждаемом кристаллизаторе.
Далее образцы литых сплавов подвергались высокотемпературной баротермической обработке (БТО). Для этого при помощи специальной оснастки их размещали в рабочей зоне лабораторной газостатической установки ГАУС-4/2000-35, где поддерживалось давление аргона ~167—221 МПа (рис. 1). Нагрев образцов проводился при помощи микропроцессорного прецизионного регулятора температуры ПР0ТЕРМ-100 по режиму: скорость нагрева 30 °С/мин до температуры 1250—1303 °С, выдержка при ней на протяжении ~5 ч, снижение температуры до 955—988 °С и выдержка при ней в течение ~2 ч, охлаждение с печью без снятия давления (рис. 1). Температуру образцов измеряли WRe5/WRe20 термопарами.
Здесь и далее цифры рядом с химическим элементом (кроме титана — основа) — масс. % © В. С. Голтвяница, Э. И. Цивирко, С. К. Голтвяница, Ю. Н. Внуков, С. Ю. Саенко, Г. А. Холомеев, 2010
- 144 -
Химический состав (табл. 1) и микроструктуры травленых шлифов (рис. 2, а, б), фрактог-раммы изломов (рис. 2, в, г) сплавов получены при помощи растрового электронного микроскопа .ТБОЬ .Г8М-6360 ЬЛ, оснащенного системой рентгеноспектрального энергодисперсионного
микроанализа (PCMA) JED 2200 при ускоряющем напряжении 15 кВ и диаметре электронного зонда 4 нм. Количество и размер интерметалли-дов в сплавах определялось методом секущих (метод Л ГОСТ 1778-70) на фотографиях шлифов (увеличение х 2000).
Рис. 1. Давление аргона (р, МПа), средняя температура (Т, °С) образцов за время (т, ч:мин) их пребывания
в камере установки БТО
Таблица 1 — Химический состав матрицы (числитель) и интерметаллидов (знаменатель). Размеры и количество (индекс) интерметаллидов
Массовая Массовая доля элементов, % Размеры Индекс
доля Sc, % Al Nb Cr Mo Zr Si Y интерметаллидов, мкм интерметаллидов
0 30,9 16,4 5,5 5,2 1,3 3,5 2,2 6,6 1,3 1,5 н.о. н.о. 233 0,1 - 8,6* 1,2 0,095
0,2 32,2 8,6 5,2 53 1,0 22 1,6 3,2 н.о. 0,3 6,1 н.о. 317 0,2 - 22,0 5,2 0,239
Рис. 2. Микроструктуры шлифов (а, б) и фрактограммы изломов (в, г) титанового сплава без Sc (а, в) и с 0,2 % Sc
(б, г), х 2000
Ренггеноструктурные исследования покрытий выполняли с использованием рентгеновского дифрактометра И20-4/Л-2 в фильтрованном Со-Ка излучении (напряжение на трубке 30 кВ и сила тока 20 мА).
Твердость по Виккерсу (ИУ при 25 °С, табл. 2) измерялась на приборе ИРр 250 при нагрузке 300 Н. Испытания на жаропрочность (ИУ при 500—900 °С, табл. 2) проводились одним из ускоренных методов — определением длительной твердости (значение твердости после выдержки 1 ч и нагрузке 10 Н) при гомологических температурах 0,4Т^П (500 °С), 0,5ТялТ1 (700 °С) и 0,6ТялТ1 (900 °С). Перед испытаниями образцы отжигали при 0,6Тял в течение 1 ч для снятия литейных напряжений и выравнивания твердого раствора по примесям внедрения.
Таблица 2 — Твердость (ИУ) титановых сплавов в зависимости от температуры
Массовая доля 8е, % НУ, МПа при температуре, °С
25 500 700 900
0 2870 2520 1950 850
0,2 3020 2440 2070 830
Жаростойкость сплавов определяли методом термогравиметрии. Кинетику окисления (рис. 3) определяли на дериватографе системы «Паулик-Паулик-Эрдей» с непрерывной записью изменения массы в течение нагрева и выдержки на протяжении 6 ч. Прерывистое окисление с измерением изменения массы образцов на аналитичес-
ких весах с точностью до ±0,0001 г. через определенные интервалы времени (1, 3, 5, 10 ч) было выполнено в печи сопротивления со скоростью нагрева до 20 °С/мин.
Результаты исследований и их обсуждение. Рентгенофазовым анализом полученных сплавов обнаружено наличие у-фазы (интерметаллид ТА1) и небольшого количества а2-фазы (интерметаллид Т13А1). Рентгеноспектральный микроанализ показал уменьшение количества включений (*2-фазы с одновременным увеличением ее линейных размеров. С введением скандия увеличился индекс включений а2-фазы (рис. 2, а, б, табл. 1) в 2,5 раза, при этом их размеры увеличились, цирконий полностью растворился в Т1Л1-матри-це, а кремний перешел в а2-фазу. В структуре излома наблюдалось большое количество квазихрупких составляющих (рис. 2, в, г), что в свою очередь незначительно увеличило твердость сплавов (табл. 2).
Сплав без скандия и с 0,2 % Зс окислялся по параболической зависимости (рис. 3), скорее всего, с образованием оксида алюминия Л12О3 и, предположительно, сложного оксида (А10 2^0 2^0 б)О2, т.е. процесс окисления зависел не только от диффузии элементов в твердой фазе, но и от скорости химической реакции на границе раздела металл-окалина (табл. 3). Скандий способствовал образованию однородной оксидной пленки и ее хорошей адгезии к поверхности окисляемого сплава, таким образом, препятствуя высокотемпературному окислению этого материала.
у
/ / О- без в О 0,2 с
> у Эс
И _—ф
!- — Г" -т
2,5
I 1,5
К к о
г 1
2
0,5
4 6
Длительность выдержки при 900 °С, ч
Рис. 3. Кинетика окисления титановых сплавов при 900 °С
Таблица 3 — Изменение массы (д) во время нагрева до 1000 °С со скоростью 10 °/мин в течение ~2,5 ч (числитель) и во время окисления при 900 °С в течение ~10 ч (знаменатель), значение показателя параболы (п) при окислении
сплавов
Массовая T * макс, q(Am/S), мг/см2 Значение n в зависимости от длительности окисления, ч
доля Sc, % °С ?1(дер.) q2(весы) 3 5 10 среднее
0 780 1,99 1,99 2,45 2,66 1,2 1,47 2,5 1,55
0,2 920990 0,54 0,54 0,58 0,41 3,4 2,46 0,97 1,84
Выводы
Таким образом, титановый сплав, микролегированный 0,2 % скандия, обладая повышенной жаростойкостью, является перспективным материалом при изготовлении жаростойких конструкционных деталей.
Перечень ссылок
1. Эванс Ю. Р. Коррозия и окисление металлов / Ю. Р. Эванс - М. : Машгиз. - 1962. -856 с.
2. Кофстад П. О. Высокотемпературное окисление металлов / П. О. Кофстад - М. : Мир. -1969. -312 с.
3. Францевич И. Н. Высокотемпературное окисление металлов и сплавов / Францевич И. Н., Войтович Р. Ф., Лавренко В. А. — К. : Гос-техгиздат. — 1963. — 323 с.
4. Томашов Н. Д. Высокотемпературное окисление (газовая коррозия) металлических спла-
вов / Н. Д. Томашов // Итоги науки и техн. ВИНИТИ. Сер. Коррозия и защита от коррозии. - 1997. - 120 с.
5. Дослщження поведшки при окисленш но-вих титанових сплав1в, легованих кремшем, алюмгшем 1 циркошем / [I. В. Оришич, Н. Е. Порядченко, Н. Д. Хмелюк та ш.] // Ф1зико-мшчна механжа матер1ал1в. - 2005. -№ 2. - С. 83-89.
6. Поварова К. Б. Высокотемпературное окисление сплавов на основе Т1Л1 / К. Б. Поварова, А. В. Антонова, И. О. Банных // Металлы. - 2003. - № 5. - С. 61-72.
7. Зеленков И. А. Металлофизика / Зеленков И. А., Мартынчук Е. Н. -К. : Наук. Думка, 1972. -Вып. 42. - С. 63-67.
8. Игнатов Д. В. Высокотемпературная коррозия и методы защиты от нее / Игнатов Д. В., Корнилов З. И., Лазарев Э. М. - М. : Наука, 1973. - 48 с.
Поступила в редакцию 20.09.2010
Голтвяниця B.C., Цив1рко Е.., Голтвяниця С.К., Внуков Ю.М., Саенко С.Ю., Хо-ломеев Г.О. Мшролегування скацдем сплав1в на основ! алюмшид1в титану
Вивчено вплив мкролегування скандием на структуру i властивостi сплавав на ocnoei (g + a^-TiAl. Установлено, що i3 введенням мкродобавок скандт зменшився ндекс вкрапленъ а2-фази в 2 рази, збтъшилася кыъкютъ квазкрихких складових зламу, що у свою чергу, збыъшило жаростштстъ у 2—2,5 рази та незначно збыъшило твердстъ. У процеа випро-буванъ по визначенню жарocтiйкocтi на поверхш cплавiв утворювалася мщна плiвка, що складаласъ з Al^O3 та складног фази (Alg^Nbo^Tio^O^^.
Ключов1 слова: мкролегування, алюмтиди титану, квазкрихкий злам, интерметалiди, барoтермiчна обробка.
Goltvyanitsa V., Cyvirko E., Goltvyanitsa S., Sayenko S., Holomeyev G. Scandium microalloying of titanium aluminides-based alloys
Influence of scandium microalloying on (g + a2)-TiAl based alloys on structure and properties was studied. Scandium microaddition introduction in 2 times reduced a^-phase inclusion index, increased the number of quasibrittle fracture components, which in turn increased heat resistance in 2—2,5 times and insignificantly gained hardness, were determined. During the heat resistance test on alloys surface solid oxide film was formed, which was consisted of Al2O3 and
(Al0,2Nb0,2Ti0,6)O2.
Key words: microalloying, titanium aluminides, quasibrittle fracture, intermetallics, barothermal treatment.
