Зернограничный фазовый переход смачивания в сплавах титан-хром Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

УДК 539.3

ЗЕРНОГРАНИЧНЫЙ ФАЗОВЫЙ ПЕРЕХОД СМАЧИВАНИЯ В СПЛАВАХ ТИТАН-ХРОМ

© А.С. Горнакова, В.Н. Семенов, Н.С. Афоникова, А.В. Тимонина, Б.Б. Страумал

Ключевые слова: границы зерен; фазовые переходы; титановые сплавы.

Впервые исследовался зернограничный фазовый переход смачивания в системе Т-Ог, и были построены температурные зависимости доли смоченных границ зерен. Результаты микроструктурных исследований показали, что концентрация второго компонента в сплавах титан-хром оказывает сильное влияние на зернограничный фазовый переход смачивания второй твердой фазой. В частности, наблюдали немонотонное изменение доли полностью смоченных границ зерен с температурой.

Титан и его сплавы благодаря хорошему сочетанию механических и технологических свойств и высокой коррозийной стойкости находят широкое применение в самых различных отраслях промышленности: авиакосмической, химическом и нефтяном машиностроении, черной и цветной металлургии, пищевой промышленности, медицине и других отрослях. Прочность технически чистого титана зависит от степени его чистоты и соответствует прочности обычных конструкционных сталей. По коррозионной стойкости титан превосходит даже высоколегированные нержавеющие стали. Для получения сплавов титана с заданными механическими свойствами его легируют алюминием, молибденом, хромом и другими элементами. Главное преимущество титана и его сплавов заключается в сочетании высоких механических свойств и коррозионной стойкости с малой плотностью. Алюминий повышает жаропрочность и механическую прочность титана. Ванадий, марганец, молибден и хром повышают жаропрочность титановых сплавов. Сплавы хорошо поддаются горячей и холодной обработке давлением, обработке резанием, имеют удовлетворительные литейные свойства, хорошо свариваются в среде инертных газов. Поведение титановых сплавов при термомеханической обработке и последующее изменение свойств во время эксплуатации (коррозия, охрупчивание) зависят от морфологии и взаимного расположения фаз а-Т и Р-Т1 в микростуту-ре сплавов. В сплаве системы Т-Сг образуется соединение Т1Сг2, имеющее две полиморфные модификации, твердые растворы на основе которых обозначаются 5 и у. По влиянию на полиморфное превращение титана хром относится к сильным Р-стабилизаторам. Растворимость хрома в а-титане не превышает 0,5 %. Для закалки с фиксацией однофазной Р-структуры в сплаве достаточно 9 % Сг. Хром обеспечивает в сплавах с титаном высокую прочность при хорошей пластичности и эффективность упрочняющей термообработки. Поэтому для достижения оптимальной эффективности материалов на основе титана необходимо знать соответствующие фазовые диаграммы и особенности фазовых превращений. Это относится как к объемным диаграммам и превращениям, так и к зернограничным превращениям. В работах авторов недавно впервые были обнаружены зернограничные фазовые превраще-

ния смачивания второй твердой фазой (в системах ги-ЛІ, Ее-С, Со-Си, гг-ЫЪ) [1, 2].

Цель данной работы: исследовать зернограничный фазовый переход смачивания в системе титан-хром. Для этого методом индукционного плавления в вакууме были приготовлены двухкомпонентные сплавы титана с 2, 4, 5,5 мас. % хрома. Из полученных стержней были нарезаны шайбы толщиной 5 мм. Затем поликри-сталлические образцы запаивались в вакуумированные кварцевые ампулы (остаточное давление Р = 4-1(Т4 Па) и отжигались в двухфазной области а-Ті + Р-Ті объемной фазовой диаграммы Ті-Сг (рис. 1). Продолжительность отжигов была 720 и более часов.

Атомные проценты Сг

70 80 90 100

1863X

1670'С L

(pTUCr) 70С ~,ЇЇСгГ''\

у^лгго'с (

Si — pTlCr,

882 С / і \ -800’C

«“Ті)

Ті Весовые проценты Сг Сг

Рис. 1. Объемная фазовая диаграмма Ti-Cr

После закалки в воду микроструктуру поликри-сталлических образцов исследовали с помощью оптического микроскопа Neophot-32 со встроенной камерой 10 Mpix Canon Digital Rebel XT и с помощью растрового электронного микроскопа (РЭМ) Tescan Vega TS5130 MM Oxford Instruments. На рис. 2 представлена микрофотография, полученная с помощью РЭМ для сплава Ti - 5,5 мас. % Cr. Темно-серая область вдоль границ зерен - это a-Ti (что подтверждается рентгеноструктурными исследованиями рис. 3), светло-серая область зерно - это кубический pTi(Cr). Было опреде-

1833

лено, что гексагональная фаза a-Ti составляет 67,6 %, а кубическая P-Ti(Cr) - 32,4 %.

Рис. 2. Микрофотография сплава Т-5,5 мас. % Сг, отожженного при температуре 720 °С в течение 840 ч

20, градусы

Рис. 3. Кривая рентгеновской дифракции для отожженного сплава Т-5,5 мас. % Сг

Рис. 5. Часть объемной фазовой диаграммы Ті-Сг, на которой линиями 1 и 2 показаны зернограничные коноды фазового перехода смачивания

По результатам исследования было определено, что максимальная доля полностью смоченных границ зерен для наших сплавов титан-хром достигает 70 + 5 %. Температура достижения максимальной доли смоченных границ зерен у каждого сплава своя. Мы отметили эти три максимальные температуры на фазовой диаграмме (рис. 5). В результате получили область, ограниченную двумя зернограничными конодами 1 и 2, в которой серия сплавов от Ті-2 мас. % Сг до Ті-5,5 мас. % Сг достигает максимальной доли смоченных границ зерен.

По результатам наших исследований мы установили: во-первых, максимальная доля полностью смоченных границ зерен для наших сплавов титан-хром достигает 70 + 5 %; во-вторых, температурный интервал, в котором изменяется доля смоченных границ, весьма невелик (около 100 °С); в-третьих, чем больше доля второй фазы, тем ниже температура перехода от неполного к полному смачиванию границ зерен второй твердой фазой.

ЛИТЕРАТУРА

Температура, “С

Рис. 4. Температурная зависимость доли поностью смоченных границ зерен (ГЗ) для сплавов: Ті-2 мас. % Сг; Ті-4 мас. % Сг и Ті-5,5 мас. % Сг

По серии микрофотографий, сделанных для каждой температуры отжига и каждого сплава, производился подсчет доли полностью смоченных границ зерен. Результаты представлены на рис. 4.

1. Straumal B.B., Gornakova A.S., Kogtenkova O.A., Protasova S.G., Sursaeva V.G., Baretzky B. Continuous and discontinuous grain boundary wetting in the Zn-Al system // Phys. Rev. B. 2008. V. 78. P. 054202.

2. Горнакова А.С., Страумал Б.Б., Петелин А.Л., Страумал А.Б. Твердофазное смачивание на границах зерен в системе Zr-Nb // Изв. РАН. Серия физическая. 2012. Т. 76. Вып. 1. С. 114-117.

БЛАГОДАРНОСТЬ: Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 12-03-00894).

Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.

Gornakova A.S., Semenov V.N., Afonikova N.S., Timoni-na A.V., Straumal B.B. GRAIN BOUNDARY WETTING PHASE TRANSITION OF Ti-Cr ALLOYS

The grain boundary wetting phase transition in the system Ti-Cr is investigated, the temperature dependence of the fraction of completely wetted grain boundaries is constructed. The results of microstructural studies showed that the concentration of the second component in Ti-Cr alloys has a strong influence on grain boundary wetting phase transition of the second solid phase. In particular, a non-monotonic change of share fully wet grain boundaries with temperature is observed.

Key words: grain boundaries; phase transitions; titanium alloys.

1834