CC BY
60
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ
УДК 669.295
ОРТОСПЛАВЫ В СЕМЕЙСТВЕ ЖАРОПРОЧНЫХ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ
О.Н. Мочалова, аспирант, В.С. Саленков*, канд. техн. наук
(ОАО ВИЛС, e-mail: info@oaovils.ru)
Рассмотрены современные тенденции развития интерметаллидных титановых сплавов на основе ортофазы. Проанализированы отечественные и зарубежные публикации по улучшению механических свойств этих сплавов. Показаны перспективы применения жаропрочных интерметаллидных материалов для деталей авиакосмической отрасли.
Ключевые слова: интерметаллиды, а2-, у-, ортофазы, механические свойства, легирование, микроструктура, фазовый состав.
Orthorhombic Phase-Based Titanium Aluminide Alloys in the Family of High-Temperature Titanium Alloys. O.N. Mochalova, V.S. Salenkov.
Current trends in developments of orthorhombic phase-based titanium aluminide alloys are discussed. Domestic and foreign publications concerning an improvement in mechanical properties of these alloys are analysed. Prospects of application of the high-temperature intermetallic materials for needs of the aerospace industry are shown.
Key words: intermetallics, а2-, у-, orthorhombic phases, mechanical properties, alloying, microstructure, phase composition.
Перспективным направлением, получившим распространение в области разработки и применения титановых сплавов с высокой жаропрочностью, жаростойкостью и низкой плотностью является создание титановых сплавов на базе интерметаллидов (алюмини-дов титана), имеющих уникальный набор физико-механических свойств [1].
Наиболее известны три группы сплавов на основе алюминидов титана, имеющие различный фазовый состав: у-сплавы (ИД!), а2-спла-вы (ПэД!) и ортосплавы (Т12Д!ЫЬ), которые обладают высокими прочностью, жаростойкостью, низкой плотностью, высокими антикоррозионными свойствами, высоким сопротивлением усталостному разрушению и ползучести.
На рис. 1 приведена диаграмма состояния Т1-Д!-ЫЬ при 700 °С, на которой нанесены области существования наиболее исследуе-
мых и перспективных сплавов интерметаллидов титана, таких как Т1Д!, Т1эД!, Т12Д!ИЬ, и выделены однофазные области существования основных фаз (Р/В2, а, а2, О, ш, у), наблюдаемых в этих сплавах.
Сплавы на основе алюминида Т1эД! содержат (24-25)Д! - (10-12,5)ЫЬ и небольшие добавки Мо, V, Та, 7г. Лучшим промышленным
* Авторы выражают благодарность проф. И.С. Поль-кину за помощь в написании статьи.
Рис. 1. Изотермический разрез диаграммы состояния Ti—Al—Nb при 700 °С [2]
• ф
-t
-Ф-
-Ф-
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ
сплавом этого типа считают супер альфа-2 (табл. 1). К сплавам на основе алюминида ИзД! принадлежит также отечественный сплав ВТИ-1. Сплавы на основе алюминида ИД! содержат (45-48)Д! и могут быть легированы третьими компонентами, такими как Та, W, ЫЬ, Мп, Сг, V. Сплавы на основе алюминида ^Д^Ь содержат (22-25)Д! - (12,5-30) ЫЬ и небольшие добавки Мо, Та, V, 7г [3].
Удельные (отнесенные к плотности) механические свойства ряда новых конструкци-
Таблица 1 Химический состав наиболее исследуемых и перспективных сплавов на основе алюминидов титана [3]
Алюминид титана Марка Химический состав, % ат.
Т13Д! ВТИ -1 Супер альфа-2 24-11 Т1-25Д!-11ЫЬ-0,752г-0,75Мо Т1-25Д!-10ЫЬ- 3V-1Mo Т1-24Д!-11ЫЬ
Т1Д! 4822 ТЫВ Т1-47Д!-2ЫЬ-2Сг Т1-45Д!-(5-10)ЫЬ-(С, В)
Т12Д!ЫЬ 22-25 (22-23) 22-27 (25-25) Т1-22Д!-25ЫЬ (Т1-22Д!-23ЫЬ) Т1-22Д!-27ЫЬ (Т1-25Д!-25ЫЬ)
30
П2А№>
20
ц
о И
10
=я к
л
Ч о
£
N1 (¡N718)
_1_
200 400 600 800 Температура, °С
1000 1200
Рис. 2. Удельный предел текучести в зависимости от температуры
онных материалов, таких как алюминиды титана, значительно выше, чем у традиционных материалов (рис. 2), что позволяет при их использовании снизить до 50 % массу вращающихся с высокими скоростями и ускорениями деталей двигателя, тем самым уменьшить на-груженность механизмов и добиться, в ряде случаев, многофакторной эффективности. Из рис. 2 следует, что ортосплавы превосходят по удельной прочности при 650 °С все традиционные и интерметаллидные сплавы, а при 750 °С по удельной прочности вне конкуренции находятся у-сплавы.
Существенным препятствием для масштабного применения интерметаллидных сплавов на основе а2- и у-фаз является их низкая пластичность (относительные удлинение и сужение, ударная вязкость при комнатной температуре).
Ортосплавы имеют несколько более высокую плотность, чем сплавы Т1Д! и Т1зД!, но несмотря на это, обладают более высокими характеристиками низкотемпературной удельной прочности (рис. 3, а) и имеют несомненное превосходство по пластичности при комнатной температуре (рис. 3, б), что позволяет рассматривать их как весьма перспективный материал для изготовления ответственных деталей аэрокосмической техники.
Для деталей, работающих при повышенной температуре, например, в реактивных двигателях, ортосплавы или, как их называют в зарубежной литературе, сплавы на основе супер альфа 2-фазы (или орторомбические), могут применяться наравне с у-сплавами (Т1Д!) и жаростойкими титановыми сплавами, а также сплавами на основе никеля. Ортосплавы являются более легкими, чем никелевые суперсплавы , не требуют защиты от окисления при рабочих температурах, имеют достаточно высокие прочностные характеристики. Эти материалы могут стать серьезными конкурентами никелевым суперсплавам, используемым не только в авиакосмическом и энергетическом двигателестроении, но и в других отраслях промышленности [3].
Для достижения наилучших механических свойств в ортосплавах необходимо за счет термомеханической обработки получить оптимальный фазовый состав сплава.
0
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ
Рис. 3. Механические свойства интерметаллидных сплавов при Тк[4]:
О - ИД!; * - Т13А!; О - Т12Д!МЬ
Ортосплавы в зависимости от легирования и термообработки могут содержать три равновесные фазы:
- твердый раствор на основе р-титана с кубической объемно-центрированной решеткой, которая может быть упорядочена по типу В2;
- фазу на основе интерметаллида а2(Т1зД!) с гексагональной структурой, упорядоченной по типу 0019;
- фазу О (Т12Д!ЫЬ) с орторомбической решеткой на основе искаженной решетки а2-фазы [3].
Наличие указанных фаз в орто- сплавах зависит от колебания химического состава и термомеханической обработки, что, в свою очередь, ведет к различию в механических свойствах этих сплавов. Поэтому для ортосп-лавов требуются весьма прецизионный химический состав, знание областей существования различных фаз и их изменение при термической обработке.
Рассмотрим на примере типичного орто-сплава Т1-22Д!-25ЫЬ (% ат.) распределение
химических элементов внутри каждой фазы. Как видно из табл. 2, в однофазной области содержание ниобия в р0-фазе равно примерно 25 %, а алюминия - 22 %, в двухфазной области Ро-фаза имеет примерно такой же состав, как в однофазной области, а новая а2- фаза содержит примерно 17 % ЫЬ и 26 % Д!. В трехфазной области в Ро-фазе уменьшается количество алюминия и повышается содержания ниобия до 15,5 и 30,5 % соответственно, состав а2-фазы практически не меняется по сравнению с двухфазной областью. О-фаза состоит из приблизительно равного количества алюминия и ниобия, содержание последнего в О-фазе находится на среднем уровне между обогащенной ниобием Ро-фазой и обогащенной алюминием а2-фазой. Главное преимущество ортосплавов основывается на уникальных свойствах ортофазы, таких как благоприятный баланс между хорошей пластичностью при комнатной температуре и высоким сопротивлением ползучести по сравнению с а2-фазой при повышенной температуре [5, 6].
Таблица 2
Фазовый состав сплава Т1-22А!-25ЫЬ (% ат.) [5, 6]
Микроструктура во а2 0
Д! ЫЬ Т1 Д! ЫЬ Т1 Д! ЫЬ Т1
Одна фаза Две фазы Три фазы 22,0 22,1 15,5 25,0 25,5 30,5 Осн. Осн. Осн. 25,8 25,2 16,9 16,9 Осн. Осн. 24,6 21,4 Осн.
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ
-0,2
-1,2
О + в + а2 в + а2 -_I_'
600 700 800 900 1000 Температура, °С а
1100
Термообработка, °С а2, % об. О, % об. В2, % об.
855, 3 ч, охлаждение 4 83 13
в воде
910, 3 ч, то же 3 50 47
960, 3 ч, '' 1 38 61
990, 3 ч, '' 6 0 94
1005, 3 ч, '' 5 0 95
1050, 3 ч, '' 0 0 100
1075, 3 ч, '' 0 0 100
1105,3 ч, '' 0 0 100
Рис. 4. Кривая ДТА (а) и количественное соотношение фазового состава при различных температурах закалки (б) [7]
1200
В работе [7] было исследовано количественное содержание фаз на примере сплава Т1-21Д!-29ЫЬ в интервале температур 600-1200 °С. После проведенного анализа фазового состава сплава с использованием метода закалок при различных температурах и дифференциального термического анализа было выявлено (рис. 4, а), что р-область находится при Т > 1040 °С, (а2 + Р) - в интервале температур 990-1040 °С, (а2 + р + О) - в интервале температур 960-990 °С и (О + Р) -при Т < 960 °С. Как видно из приведенных данных, при химическом составе сплава (см. рис. 4, б) область содержания а2-фазы в интервале температур 885-1105 °С составляет 1-6 % от всего объема, тогда как количество О-фазы колеблется от 38 до 83 %, а р-фазы от 13 до 100 %.
Таким образом, для получения заданного уровня механических свойств необходимо знание, как фазового состава сплава, так и оптимального соотношения объемной доли каждой фазы.
Микроструктура ортосплавов изменяется в зависимости от метода получения и последующей термической обработки. В этих сплавах крупнозернистая микроструктура литого слитка может превращаться в равноосную мелкозернистую микроструктуру после многократной ковки.
Однородную микроструктуру получают применением дополнительной термообработки,
что, в свою очередь, приводит к получению заданного уровня механических свойств. Подобно обычным титановым сплавам равноосная, мелкозернистая ламельная (бимодальная) и крупнозернистая ламельная микроструктуры могут быть получены с использованием температурно-деформационной обработки. На рис. 5 показаны три типичные микроструктуры для ортосплавов Т1-22Д!-25ЫЬ, которые термически стабильны при 700 °С [8].
В случае бимодальной структуры (рис. 6) в процессе термообработки при Тр-20 °С первичные а2-частицы чаще располагаются по границам зерен и затормаживают рост р-зе-
> <?У1У4
5мкм
¿Як
щпщняя Ч-Чч -
I-1
10 мкм
Рис. 5. Типичная микроструктура ортосплава Т—22А!—25ЫЬ:
а - равноосная; б - бимодальная; в - ламельная [8]
в
"Ф
-Ф-
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ
700
<и 600
к
к
о
£ 500
к
«
к
§ 400
I 300
Й й
^ 200
ч ч Бимодальная
■ЧР \1 ---- Ь -О-»- 1М1 834
------ И* Равноосная
г* Ламельная
105
106
10'
108
Число циклов до разрушения N
Рис. 6. Влияние различной структуры ортосплавов на сопротивление усталости в сравнении с (а + Ь)-сплавом 1М1834[9]
Таблица 3 Механические свойства ортосплавов в зависимости от фазового состава и термической обработки [10]
Сплав (фазовый состав) Температура отжига, °С Температура испыта -ния, °С ^0,2' МПа МПа 5, %
25А1-21ЫЬ (О + а2) 22А1-25ЫЬ (О + Р2) 1050+815 1000 + 815 20 20 845 1245 880 1415 0,4 4,6
25А1-21ЫЬ (О + а2) 22А1-25ЫЬ (О + Р2) 1050 + 815 1000 + 815 650 6500 680 1005 935 1110 18,1 9,9
5, %
1200
1100
1000
а
С
900
п
800
700
600
\
- □ \
% * * 4 ■ > ^ сх _ 5 -— — -О
*
| 1 1111 ., в-1 _ *" *□ 1 1 1
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Объемная доля а2, %
12 и
10 8 6 4 2 0
10'
рен. Для того чтобы эффективно препятствовать росту р-зерна при температуре Тр необходимо медленное охлаждение со скоростью 1 К/мин и наличие приблизительно 8-12 % а2-частиц от всего объема [8].
В зависимости от режимов термомеханической обработки структура ортосплавов может изменяться в широких пределах, от грубой пластинчатой до тонкой бимодальной, что, в свою очередь, влияет на усталостные свойства получаемых полуфабрикатов (см. рис. 6).
Как видно из рис. 6, ортосплавы с бимодальной структурой отличаются более высокими значениями сопротивления усталости, чем сплавы с равноосной или ламельной структурой.
Рис. 7 иллюстрирует влияние различного количества а2- и О-фаз на механические свойства ортосплавов типа Т1-(20-25) А1 -(20-25) ЫЬ - (1-1,5) Мо - (7г, Б1).
Увеличение объемной доли а2-фазы мало влияет на предел текучести сплава при комнатной температуре, однако приводит к снижению удлинения и уменьшению сопротивления ползучести при 650 °С. С увеличением объемной доли первичной ортофазы снижается предел текучести и растет удлинения и повышается сопротивление ползучести при 45 % О-фазы [4].
В табл. 3 приведены механические свойства двух ортосплавов на основе титана разного химического состава. Все сплавы двухфазные: один - содержит (О + а2)-, второй -
-1, с-1 7-107
5, %
в"1, с-1
12 и
10 8 6 4 2
0 -I 10
109
30
35 40 45 50 55 Объемная доля О, %
60
Рис. 7. Влияние объемной доли ад- и О-фаз на кратковременные механические свойства отросплавовтипа П-(20-24,5)А1-(20-25)ЫЬ-(1-1,5)Мо-(гг, в)) при комнатной температуре и сопротивление ползучести при 650 °С, 300МПа [4]
8
-Ф
-Ф-
-Ф-
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ
Таблица 4
Свойства интерметаллидных и серийных титановых сплавов
Свойства Ортосплавы у-сплавы а2- сплавы (а + ß)-сплавы (ВТ25У)
Рабочая температура,°С 650-700 750 650 550
Удельная прочность при Тк 20 12 18 24
Удельная прочность при Тр 17 15 17 17
Пластичность при Тк, % 6 1,5 3 12
Сопротивление окислению Хорошее Хорошее Среднее Удовлетворительное
Деформируемость Хорошая Плохая Удовлетворительная Хорошая
Механическая обработка Хорошая Плохая Удовлетворительная Хорошая
(О + р2)-фазы. Как видно из табл. 3, сплав 22Д!-25ЫЬ, содержащий в своем составе (О + р2)-фазы, обладает повышенной прочностью (1245 МПа) и пластичностью (4,6 %) по сравнению со сплавом 25Д!-21ЫЬ, содержащим (О + а2), особенно при комнатной температуре, а при рабочей температуре 650 °С имеет высокую прочность (1005 МПа) при достаточно значительной пластичности (9,9 %). Влияние количественного содержания данных фаз на механические свойства ортосплавов до конца не изучены и требуют детальных исследований.
Правильный выбор химического состава, режимов деформации и термической обработки ортосплавов позволит получать детали для применения в различных отраслях промышленности при рабочих температурах 650-700 °С.
Ортосплавы отлично свариваются с серийными жаропрочными титановыми сплавами (ВТ25У) методом диффузионной сварки. Исследования сварного шва свидетельствуют о высоком качестве диффузионного соединения. Испытания на срез показали, что сдвиговая прочность сварного шва не уступает свойствам основных металлов, а зона твердофазного соединения не содержит пор [11].
В табл. 4 приведено сравнение основных эксплуатационных характеристик четырех ос-
новных групп жаропрочных титановых сплавов, используемых в деталях ответственного назначения.
Выводы
Ортосплавы обладают более высокими рабочими характеристиками по сравнению с серийными титановыми сплавами и имеют превосходство над другими интерметаллид-ными титановыми сплавами (см. табл. 4):
- рабочая температура на 100-150 °С выше, чем у серийных жаропрочных титановых сплавов, и приближается к у-сплавам;
- удельная прочность при комнатной температуре выше, чем у у- и а2- интерметаллидных сплавов титана;
- пластичность при комнатной температуре в 2-4 раза выше, чем у у- и а2-сплавов;
- высокая технологическая пластичность при комнатной температуре позволяет использовать традиционные схемы деформации;
- хорошо подвергаются механической обработке;
- обладают превосходной свариваемостью.
Учитывая все вышесказанное, ортосплавы
безусловно являются новым классом жаропрочных титановых сплавов и найдут применение как материал для деталей ответственного назначения авиакосмической отрасли.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Банных О.А., Поварова К.Б. Перспективы создания жаропрочных и жаростойких сплавов и интерметаллических соединений // В сб.: Новые металлические материалы. - Киев: ИЭС им. Е.О. Патона, 1989. - С. 29-33.
2. Bendersky L.A. Ternary intermetallic phases in Ti-Al-Nb system and microstructure of the Ti-30Al-20Nb (% at) alloy based on their coexistence / 3rd International SAMPE Metals Conference, SAMPE, Covina, CA, USA. 1993.
-Ф-
-Ф-
-Ф-
-Ф-
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ
3. Ильин А.А., КолачевБ.А., Полькин И.С. Титановые сплавы. Состав, структура, свойства: справ. -М.: ВИЛС-МАТИ, 2009. - 520 с.
4. Полькин И.С., Саленков В.С. Гребенюк О.Н.
Интерметаллиды на основе титана // Технология легких сплавов. 2010. № 2. - С. 5-15.
5. Banerjee D., Gogia A.K., Nandy T.K., Joshi V.A.
A new ordered orthorhombic phase in a Ti3Al-Nb alloy // Acta Metallurgica et Materialia. 1988. 36 (4). -Р. 871-882.
6. Kestner-Weykamp H.T,Ward C.H., Brodrick T. F., Kaufman M.J. Microstructure and phase relationships in the Ti3Al + Nb system // Scripta Metallurgica et Materialia. 1989. 23. - Р. 1697-1702.
7. Cowen C.J., Boehlert C.J. Microstructure, creep, and tensile behavior of a Ti-21Al-29Nb (% at.)
orthorhombic CB2 alloy // Intermetallics. 2006. 14. -Р.412-422.
8. Leyens C., Peters M. (Eds.) Titanium and Titanium Alloys. Fundamentals and Applications, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co., 2003. - 513 p.
9. Lütjering G., Proske G., Albrecht J., Helm D., Daubler M. // Intermetallic Compounds (JIMIS-6). The Japan Institute of Metals, Sendai, Japan. 1991. -P. 537.
10. Rowe R.G., Konitzer D.G., Woodfield A.P., Ches-nutt J.C. High-Temperature Ordered Intermetallic Alloys IV, MRS, Pittsburgh, USA. 1991. - P. 703.
11. Галеев Р.М., Валитиахметов О.Р., Сафиул-
лин Р.В. и др. Микроструктура и свойства слоистого композита титановый сплав - орторомби-ческий аллюминид титан // ФММ. 2009. Т. 107. № 3. - С.331-336.
-Ф-
-Ф-
