CC BY
50
УДК 669.295.5
В. С. Голтвяница, Э. И. Цивирко, С. К. Голтвяница
ВЛИЯНИЕ МИКРОЛЕГИРОВАНИЯ СКАНДИЕМ И
ГАДОЛИНИЕМ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ИНТЕРМЕТАЛЛИДНЫХ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ
Интерметаллидный титановый сплав Т1-36А1 микролегировали скандием и гадолинием (0,09-0,2 масс. %) каждый. Установлено, что гадолиний измельчал пластинчатую микроструктуру и приводил к образованию отдельных округлых включений Оё2<Э3, незначительно повлияв на увеличение микротвердости. В присутствии скандия сформировалась вид-манштеттова микроструктура с мелкими округлыми включениями белого цвета 8с2<Э3, существенно измельчились зерна матрицы и увеличилась микротвердость сплава. Микролегирование 0,2 % Бс и 0,2 % Ой практически не изменило жаропрочность базового сплава Т1-36А1 в интервале температур 300-900 °С.
Благодаря высокой температуре плавления, низкой плотности (3800-4200 кг/м3), высокой удель -ной прочности и хорошему сопротивлению ползучести при температурах 600-800 °С, а также хорошему сопротивлению окислению и низкой себестоимости, у-Т1Л1 сплавы являются альтернативой жаропрочным никелевым сплавам. Кроме того, интер-металлиды титана имеют большую удельную теплопроводность, чем керамика и керамические композиционные материалы, что обусловливает низкие термические напряжения в условиях термоцикли-рования [1-7].
Из у-Т1Л1 сплавов изготавливаются мишени для ионо-плазменного напыления в вакууме [1, 2, 5] и атмосфере азота, лопатки и лопасти компрессоров высокого давления, крупногабаритные лопатки турбин, выхлопные детали, камеры сгорания [1] и т.д.
В настоящее время повышение пластичности этих сплавов имеет решающее значение для таких технологических операций, как экструзия, прокатка, штамповка, вытяжка, волочение, гибка и др., что возможно путем микролегирования этих сплавов редкоземельными металлами, а в частности, скандием и гадолинием.
Целью данной работы было изучить влияние микролегирования скандием и гадолинием на структуру и свойства интерметаллидных титановых сплавов.
Материалы и методика исследования
Сплав Т1-36Л1 *, микролегированный скандием и гадолинием в количестве 0,09-0,2 %, был получен методом сплавления спрессованных шихтовых брикетов (губчатый титан марки ТГ 110М ГОСТ
* Здесь и далее цифры рядом с химическим элементом (кроме титана - основа) - масс. %
17746-79, алюминий марки А8 ГОСТ 11070-74, лигатура AlSc с содержанием скандия 2,2 %, металлический гадолиний производства компании Treibacher Industrie AG) в лабораторной вакуумно-дуговой печи при силе тока около 420-450 А и напряжении 40-45 В. В начальный период плавки ва-куумированием в камере печи достигали остаточное давление 0,12 Па, после чего камера заполнялась аргоном до давления 50 кПа. Слитки массой 200 г и размерами 0 65 х 12 мм получали в медном цилиндрическом водоохлаждаемом кристаллизаторе.
Фазовый состав сплавов изучали методами рентгеновского анализа и сканирующей электронной микроскопии на микрорентгеноспектральном анализаторе JEOL Superprobe-733. Твердость по Виккер-су (HV) измеряли на приборе HPQ 250 при нагрузке 300 Н. Микротвердость определяли методом автоматического индентирования на приборе «Микрон-гамма» с использованием алмазной пирамиды Бер-ковича [8, 9]. Для оценки жаропрочности использовали экспрессный метод измерения длительной горячей твердости (HV1) (значения твердости под нагрузкой 10 Н в течение 1 ч при соответствующей температуре) [10]. Испытания проводили в интервале температур 300-900 °С.
Химический состав (табл. 1) и микроструктуры травленых шлифов сплавов были получены при помощи растрового электронного микроскопа JSM, оснащенного системой рентгеноспектрального энергодисперсионного микроанализа (PCMA) JED 2200 при ускоряющем напряжении 20 кВ и диаметре электронного зонда 4 нм.
Результаты исследований и их обсуждение
Интерметаллидный сплав Ti-36Al (рис. 1, а) характеризовался наличием темной матрицы y-TiAl и
© В. С. Голтвяница, Э. И. Цивирко, С. К. Голтвяница, 2008 - 180 -
Таблица 1 - Влияние микролегирования на физико-механические свойства литого сплава Т1-36А1
Микролегирование Массовая доля алюминия, % НУ, ГПа Микротвердость матрицы, ГПа Длительная горячая твердость (НУ1) при температуре, °С
20 300 500 700 900
- 33,03 2,23 3,3 2,9 2,3 2,2 1,5 0,5
0,09 8с 34,54 2,23 3,6 н.о. н.о. н.о. н.о. н.о.
0,2 8с 35,29 2,23 4,0 2,7 2,3 2,0 1,7 0,6
0,09 Gd 36,55 2,41 4,0 н.о. н.о. н.о. н.о. н.о.
0,2 Gd 31,18 2,30 3,8 2,9 2,6 2,0 1,5 0,7
Примечание. Методом РСМА не обнаружено наличие в сплавах скандия и гадолиния.
светлых зерен длиной 79-100 мкм а2-фазы. Хотя введенный в сплав скандий (0,09-0,2 %) не был обнаружен РСМА (табл. 1), однако метод картирования показал его равномерное распределение по всей площади шлифа. Поскольку атомный радиус скандия (2,09 Е) отличается от атомного радиуса титана (2 Е) на 4 %, то 8с может образовать твердый раствор замещения в титане и способствовать формированию видманштеттовой микроструктуры с темными и светлыми участками фаз (рис. 1, б, в) приблизительно одинакового химического состава (-34,54-35,29 % А1). При этом существенно измельчились зерна матрицы (- 6-26 мкм) и незначительно увеличилась микротвердость сплава (на - 9-20 %) (табл. 1) при неизменной твердости по Виккерсу (2,23 ГПа). Также в сплавах были обнаружены мелкие округлые включения белого цвета, на наш
взгляд, состоящих из окислов 8с203.
В результате определения локального состава фаз сплава, микролегированного гадолинием (0,09-0,2 %), был обнаружен гадолиний (- 14-41 %) в отдельных включениях (рис. 1, г, д) размером -1,36,3 мкм. Судя по их округлой форме, эти включения образовались до начала затвердевания жидкого металла, а значит их температура плавления (см. диаграмму состояния Т1-А1 [11]) должна быть выше температуры ликвидус сплава Т1-36А1, что составляет 1475-1500 °С. По термодинамическим характеристикам [12] образования соединений элементами сплава (табл. 2) можно утверждать, что такими включениями могли быть оксиды или нитриды. Гадолиний, обладая большим сродством к кислороду, чем титан и алюминий, по-видимому, образовывал только тугоплавкие (Т = 2350 °С) оксиды гадолиния Gd20з, выделившиеся в виде отдельных вклю-
д
Рис. 1. Микроструктуры образцов титановых сплавов, х 500: а - Т1-36А1; б - Т1-36А1-0,098с; в - Т1-36А1-0,28с; г - Ti-36A1-0,09Gd; д - Ti-36A1-0,2Gd
188М1727-0219 Вестникдвигателестроения№ 2/2008
- 181 -
Таблица 2 - Термодинамические свойства некоторых оксидов и нитридов, кДж/моль [12]
Соединение -AG300 -AG500 -AG1000 -AG1500 -AG2000 Точность, ± кДж
Gd2Ö3 1730,4 1651,7 - - - 13
M2O3 1580,5 1517,3 1359,9 1143,4 - 17
Sc2Ö3 1818,7 1756,8 - - - -
TiO2 862,1 827,3 739,5 652,7 564,8 16
AlN 294,3 275,9 - - - 67
TiN 308,1 289,7 243,3 195,9 148,2 1
Хотя в результате РСМА, наличие гадолиния в матрице обнаружено не было, тем не менее, сплав с микродобавками Gd имел измельченную пластинчатую микроструктуру, обладая незначительно повышенной микротвердостью, по сравнению с нелегированным сплавом.
Микролегирование базового сплава Ti-36Al 0,2 % Sc и
0.2.% Gd практически не изменило жаропрочность в интервале температур 300-900 °С (табл. 1). Можно отметить лишь незначительное возрастание твердости при 900 °С.
Выводы
Установлено, что микролегирование скандием и гадолинием интерметаллидного сплава Ti-36Al приводит к измельчению пластинчатой структуры и образованию окислов скандия и гадолиния, что может повысить низкотемпературную пластичность интерметаллидного сплава.
Для повышения пластичных характеристик ин-терметаллидных титановых сплавов типа Ti-36Al целесообразно микролегировать их скандием или гадолинием в количестве 0,2 %.
Сплав Ti-36Al-0,09Sc, обладая повышенными прочностными и пластичными свойствами, является перспективным материалом при изготовлении конструкционных деталей.
Перечень ссылок
1. Titanium Aluminide Intermetallics // Advanced Materials and Processes Technology, The AMPTIAC Newsletter. - 2000. - Volume 4, Number 3. - pp. 7-9.
2. ^I^ering G., Williams J. C. Titanium. - Springer, 2007. - 442 p.
3. H. Clemens, H.Kestler: Processing and applications of intermetallic gamma-TiAl-based alloys //
Advanced Engineering Materials. - 2000. - № 9. -pp. 551-570.
4. H. Clemens, F. Appel, A. Barteis, H. Baur, R. Gerling, V. Gbther, H. Kestler. Processing and Application of Engineering y-TiAl Based Alloys // Ti-2003 Science and Technology. Proceedings of the 10 th World Conference on Titanium Held at the CCH-Congress Center Hamburg, Germany 1318 July 2003. - 2003. - Volume IV. - pp. 21232136.
5. F. Appel. TiAl - New Opportunity in the Aerospace Industry // Ti-2003 Science and Technology. Proceedings of the 10th World Conference on Titanium Held at the CCH-Congress Center Hamburg, Germany 13-18 July 2003. - 2003. -Volume V. - pp. 2899-2906.
6. U. Prasad, M.C. Chaturvedi. Influence of Alloying Elements on the Kinetics of Massive Transformation in Gamma Titanium Aluminides // Metallurgical and Materials Transactions A. 2003. - Volume 34A.
- pp. 12-15.
7. С.К. Голтвяниця, В.С. Голтвяниця, E.I. U,mipKO. Отримання щшьних та однорщних вилившв 3i сплаву титан-алюмшш. // HoBi матерiали i технологи в металургл та машинобудуванш. - 2006.
- № 1. - С. 57-59.
8. Булычев С. И., Алехин В. П. Испытание материалов непрерывным вдавливанием. - М.: Машиностроение, 1990. - 224 с.
9. ISO 14577-1:2002. Metallic materials instrumented indentation test for hardness and materials parameters.
10. Борисенко В.А. Твердость и прочность тугоплавких материалов при высоких температурах.
- К.: Наук. думка, 1984. - 212 с.
11. J.C. Schuster, M. Palm. Reassessment of the Binary Aluminum-Titanium Phase Diagram // Journal of Phase Equilibria and Diffusion. - 2006.
- Volume 27, № 3. - pp. 255-277.
12. Смитлз К.Дж. Металлы: Справочник: Пер. с англ. - М.: Металлургия, 1980. - 446 с.
Поступила в редакцию 28.02.2008
IIнтерметалiдний титановий сплав Ti-36Al мжролегували CKandieM i гадолШем (0,090,2 мас. %) кожний. Встановлено, що гадолiнiй подрiбнював пластинчасту мжрострук-туру й приводив до утворення окремих округлих включень 0й20з, незначно вплинувши на .збшьшення мiкpomвеpдocmi й плаcmичнocmi. В пpиcymнocmi скандт сформувалася вiдман-штетова мжроструктура з дpiбними округлими включеннями бшого кольору SC2O3, сут-тево пoдpiбнилиcь зерна маmpицi i збшьшилася мiкpomвеpдicmь сплаву. Мiкpoлегyвання 0,2 % Sc i 0,2 % Gd практично не змтило жаpoмiцнicmь базового сплаву Ti-36Al в iнmеpвалi температур 300-900 °С.
Intermetallic titanium alloy Ti-36Al was alloyed with scandium and gadolinium (0,09-0,2 wt. %). Gadolinium reduced lamellar microstructure and resulted in formation of separate rounded inclusions Gd2O3 with insignificant influence on microhardness and plasticity growth were determined. In scandium presence widmanstatten pattern with white small rounded inclusions Sc2O3 was formed, matrix grains were significantly reduced and alloy microhardness was increased. Alloying with 0,2 % Sc and 0,2 % Gd didn't change high-temperature strength of base alloy Ti-36Al during 300900 °С significantly.
ISSN 1727-0219 Вестникдвигателестроения№ 2/2008
- 183 -
