Выбор легирующих элементов для сплавов на основе алюминида титана

Автор: Деменок Анна Олеговна, Ганеев Альмир Амирович, Деменок Олег Борисович, Кулаков Борис Алексеевич

Журнал: Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Металлургия @vestnik-susu-metallurgy

Статья в выпуске: 1 т.13, 2013 года.

Бесплатный доступ

Выполнено исследование тройных диаграмм состояния системы Ti-Al-Элемент для синтеза интерметаллидных сплавов на их основе. Определены наиболее перспективные легирующие элементы для создания интерметаллидного сплава. Получены области варьирования легирующих элементов для сплавов с необходимым фазовым составом.

Титан, алюминий, диаграмма состояния, фазовый состав, интерметаллид, алюминид титана, синтез сплавов

Короткий адрес: https://sciup.org/147156816

IDR: 147156816

Текст научной статьи Выбор легирующих элементов для сплавов на основе алюминида титана

С развитием авиационного двигателестроения от поколения к поколению усложняется конструкция двигателей, увеличиваются рабочие температуры, уменьшается вес самого двигателя за счет применения более конструктивных материалов.

Наиболее ответственной частью газотурбинного двигателя (ГТД) являются лопатки, которые работают в условиях воздействия статического и динамического газового потоков. Напряжения изгиба, возникающие под действием газового потока, достигают 200 МПа. При этом возможны температурные перепады типа тепловых ударов до 600–700 °С [1].

На данный момент в России для изготовления лопаток турбин низкого давления (ТНД) и компрессора высокого давления (КВД) используются жаропрочные никелевые сплавы, поскольку они обладают наилучшими механическими свойствами, широким диапазоном рабочих температур (до 1050 °С), высокими эрозионными и коррозионными свойствами. Но они имеют низкую удельную жаропрочность из-за высокой плотности. Применение данных сплавов при рабочих температурах ниже 900 °С не увеличивает ресурс лопаток, но приводит к значительному увеличению веса авиадвигателя.

В процессе литературного обзора показано, что для двигателей нового поколения более перспективными материалами являются интерметал-лидные сплавы системы Ti–Al. Они обладают высокой удельной жаропрочностью, стойкостью к окислению, высоким модулем упругости и малой плотностью.

По удельной прочности γ-TiAl сплавы в интервале температур 600–850 °С превосходят (в зависимости от структурного состояния) все традиционные конструкционные материалы. Предполагается, что γ-TiAl сплавы частично заменят жаропрочные никелевые сплавы в ГТД, что позволит качественно увеличить соотношение «тяга–вес» летательного устройства [2]. Применению этих материалов мешает недостаточная пластичность и вязкость. Улучшение пластичности может быть обеспечено за счет микро- и макролегирования, а также за счет получения определенной структуры сплава и оптимизации химического состава.

В настоящее время в России отсутствуют сплавы этого класса. Поэтому конечной целью работы является синтез нового интерметаллидного сплава системы Ti–Al для лопаток ГТД.

Однако разработка новых жаропрочных сплавов является сложной задачей из-за многокомпонентной и высокой степени их легирования. Использование новой методики синтеза интерметал-лидных сплавов позволит существенно сократить трудовые, временные и экономические затраты. Обычно выбор легирующих элементов проводится путем проведения многочисленных экспериментов, достигающих порядка 1000. Применение же математического аппарата сопряжено с трудностями получения адекватных уравнений из-за многофазной структуры сплавов.

В соответствии с разработанной методикой синтеза сплавов на первом этапе проводится выбор легирующих элементов с использованием физико-химического анализа, что позволяет исключить неэффективные и вредные элементы для жаропрочных сплавов. Для выбора легирующих элементов интерметаллидных сплавов предлагается использовать тройные диаграммы состояния системы Ti–Al–Элемент (Э).

Анализ литературного обзора показал, что наиболее устойчивыми интерметаллидными фазами, повышающими физико-механические свойства алюминида титана, являются γ-TiAl, α2-Ti3Al и γ-TiAl + α2-Ti3Al. Дополнительное увеличение пластичности этих сплавов при комнатной температуре достигается при получении сплавов с определенной структурой. Так, мелкодисперсная двухфазная дуплексная структура сплавов обладает наилучшей пластичностью, но при этом снижается другая не менее важная характеристика – вязкость сплава. Оптимальным вариантом является получение сплавов с полностью ламельной двухфазной (γ/α 2 ) структурой с определенным количеством γ-и α2-фаз в сплаве [2].

Данные области рассматриваются в дальнейшем на тройных диаграммах, например, диаграм- ма состояния Ti–Al–Nb [9, 10] при температуре 1000 °С (рис. 1), и диаграмма состояния Ti–Al–Cr [4] при температуре 1000 °С (рис. 2).

Диаграммы состояния представляют собой треугольник, на двух сторонах которого размечено процентное содержание алюминия и титана, а на третьей стороне – легирующего элемента. Области необходимых фаз отделены друг от друга линиями, по которым определяется максимальное и минимальное содержание каждого элемента в системе.

На диаграмме выделены области образования фаз: фаза Ti3Al образуется при процентном атомном содержании Nb – 0–15 %, Ti – 68–80 %, Al – 20–40 %; фаза TiAl образуется при процентном атомном содержании Nb – 0–28 %, Ti – 15–53 %,

Рис. 1. Диаграмма вида Ti–Al–Э на примере Nb, изотермический разрез при 1000 °С

Рис. 2. Диаграмма вида Ti–Al–Э на примере Cr, изотермический разрез при 1000 °С

Al – 42–60 %; фаза Ti 3 Al+TiAl образуется при процентном атомном содержании Nb – 0–9 %, Ti – 48–60 %, Al – 38–45 %.

На диаграмме выделены области образования фаз: фаза Ti 3 Al образуется при процентном атомном содержании Cr – 0–2 %, Ti – 62–77 %, Al – 22–38 %; фаза TiAl образуется при процентном атомном содержании Cr – 0–8 %, Ti – 44–54 %, Al – 45–62 %; фаза Ti3Al+TiAl образуется при процентном атомном содержании Cr – 0–2 %, Ti – 53–62 %, Al – 36–47 %.

По такой же методике проанализированы диаграммы состояния системы TiAl–Э с другими легирующими элементами. Установлено, что наибольший интерес представляют тройные диаграммы: TiAl–Co [3], TiAl–Cr [4], TiAl–Cu [5], TiAl–Mn [6], TiAl–Mo [7], TiAl–N [8], TiAl–Nb [9, 10], TiAl–Nd [11], TiAl–Ni [12], TiAl–Si [13], TiAl–Ta [14], TiAl–V [15], TiAl–Y [16]. Из рассмотрения этих диаграмм выявлены области c необходимыми фазами – γ-TiAl, α2-Ti3Al и γ-TiAl + + α2-Ti3Al (отмечены жирными линиями) – и процентное содержание каждого элемента в данной области. Составлена таблица по полученным данным (табл. 1).

При анализе срезов диаграмм состояния при различных температурах определили, что область необходимых фаз при различных легирующих элементах может увеличиваться с уменьшением температуры, а может уменьшаться. На примере диаграмм Ti–Al–Nb при температурах 1200, 1100, 1000 и 800 °C (рис. 3–6) область фазы TiAl увеличивается. При 1100 °C начинают образовываться фазы Ti3Al и TiAl + Ti3Al, и при дальнейшем снижении температуры области остаются стабильными.

На примере диаграммы состояния Ti–Al–Cr видно обратную реакцию на понижение температуры. На изотермических разрезах при 1200, 1000, 800 °C (рис. 7–9) области фаз сужаются, из чего можно сделать предположение, что с данным легирующим элементом будет трудно обеспечить необходимый фазовый состав сплава, но возможно его использование в качестве балласта.

Исследовав данным образом диаграммы состояния выделенных на первом этапе легирующих

Таблица 1

Содержание легирующих элементов в интерметаллидных фазах

№ п/п

Легирующий элемент

Плотность, г/см3

Содержание легирующего элемента, %

Содержание Ti, %

Содержание Al, %

Фазовый состав области

1

Y

4,48

0–1,5

39–60

40–61

TiAl

2

Si

2,33

40–62

30–50

9–62

TiAl+Ti 5 Si 3

3

Ni

8,9

0–20

35–52

46–58

TiAl+ Al 3 NiTi 2

0–27

36–73

33–46

Ti 3 Al+Al 3 NiTi 2

0–20

35–63

37–49

TiAl+Ti 3 Al+Al 3 NiTi 2

4

Cr

7,19

0–8

44–54

45–62

TiAl

0–2

62–77

22–38

Ti 3 Al

0–2

53–62

36–47

TiAl+Ti 3 Al

5

N

1,25

0–22

39–52

30–60

TiAl+Ti 2 AlN

0–20

60–76

20–38

Ti 3 Al+Ti 3 AlN

0–20

52–62

20–48

TiAl+Ti 3 Al+Ti 3 AlN

6

Mo

10,2

0–2

42–52

48–58

TiAl

7

Nb

8,57

0–28

15–53

42–60

TiAl

0–15

58–80

20–40

Ti 3 Al

0–9

48–60

38–45

TiAl+Ti 3 Al

8

Cu

8,96

0–20

35–53

38–57

TiAl+TiCuAl

0–30

40–72

28–39

Ti 3 Al+TiCuAl

0–21

40–63

36–47

TiAl+Ti 3 Al+TiCuAl

9

Ta

16,6

0–15

22–52

48–62

TiAl

0–9

52–73

27–39

Ti 3 Al

0–9

46–61

39–48

TiAl+Ti 3 Al

10

Co

8,9

0–22

30–52

38–60

TiAl+ CoAl 2 Ti

0–25

42–70

30–38

Ti 3 Al+CoAl 2 Ti

11

Mn

7,21

0–9

10–45

45–75

TiAl

0–2

61–64

35–39

Ti 3 Al

0–3

50–62

38–48

TiAl+Ti 3 Al

12

V

6,11

0–22

15–50

48–62

TiAl

0–16

49–78

22–37

Ti 3 Al

0–8

49–63

37–48

TiAl+Ti 3 Al

Рис. 3. Диаграмма состояния Ti–Al–Nb, изотермический разрез при 1200 °C

Рис. 4. Диаграмма состояния Ti–Al–Nb, изотермический разрез при 1100 °C

Рис. 5. Диаграмма состояния Ti–Al–Nb, изотермический разрез при 1000 °C

Рис. 6. Диаграмма состояния Ti–Al–Nb, изотермический разрез при 800 °C

Рис. 7. Диаграмма состояния Ti–Al–Cr, изотермический разрез при 1200 °C

Рис. 8. Диаграмма состояния Ti–Al–Cr, изотермический разрез при 1000 °C

Рис. 9. Диаграмма состояния Ti–Al–Cr, изотермический разрез при 800 °C

Реакции областей необходимых фаз при различных легирующих элементах на понижение температуры

Таблица 2

Легирующий элемент Y Si Ni Cr N Mo Nb Cu Ta Co Mn V Уменьшение (–) / увеличение(+) фазовых областей – – + – – – + + + + + + элементов, составили таблицу реакции областей фаз на понижение температуры (табл. 2)

Выводы

  • 1.    По результатам обзора установлено, что наиболее перспективными материалами для лопаток ГТД являются интерметаллиды на основе системы Ti–Al.

  • 2.    Проведен анализ условий работы лопаток ГТД, из которого были сформулированы требования к материалам лопаток.

  • 3.    Современные методы разработки сплавов требуют больших временных и экономических ресурсов. Поэтому в данной работе мы используем метод физико-химического анализа.

  • 4.    Данный метод синтеза сплавов позволяет в среднем в 4–5 раз сократить сроки создания новых многокомпонентных интерметаллидных сплавов, снизить в 20–30 раз трудозатраты, сэкономить в 10–20 раз дефицитные дорогостоящие материалы по сравнению с эмпирическими методами.

  • 5.    На основе анализа диаграмм состояния систем Ti–Al–Э в работе выбраны основные легирующие элементы и области их варьирования для интерметаллидных сплавов.

  • 6.    Проанализировав тройные диаграммы по температурным срезам, определили легирующие 2013, том 13, № 1

элементы, при которых происходит сужение и расширение фазовых областей. На основе этого выявили наиболее перспективные легирующие элементы: Ni, Nb, Cu, Ta, Co, Mn, V.

Список литературы Выбор легирующих элементов для сплавов на основе алюминида титана

  • Иноземцев, А.А. Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок: в 5 т./А.А. Иноземцев, М.А. Нихамкин, В.Л. Сандрацкий. -М.: Машиностроение, 2008. -T. 2. -366 с. -(Газотурбинные двигатели).
  • In Proceedings of the 2nd International Symposium «Structural Intermetallics»/F. Appel, M. Öhring, J.D.H. Paul, U. Lorenz; еds. K.J. Hemker et al.//the Minerals, Metals & Mater Soc. -2001. -P. 63-72.
  • Raghavan, V. Al-Co-Ti (Aluminum -Cobalt -Titanium)/V. Raghavan//J. Phase Equilb. Diffus. -2005. -Vol. 26, no. 2. -P. 175-177.
  • Raghavan, V. Al-Cr-Ti (Aluminum -Chromium -Titanium)/V. Raghavan//J. Phase Equilb. Diffus. -2005. -Vol. 26, no. 4. -P. 349-356.
  • Raghavan, V. Al-Cu-Ti (Aluminum -Copper -Titanium)/V. Raghavan//J. Phase Equilb. Diffus. -2006. -Vol. 27, no. 2. -P. 156-157.
  • Raghavan, V. Al-Mn-Ti (Aluminum -Manganese -Titanium)/V. Raghavan//J. Phase Equilb. Diffus. -2005. -Vol. 26, no. 3. -P. 256-261.
  • Raghavan, V. Al-Mo-Ti (Aluminum -Molybdenum -Titanium)/V. Raghavan//J. Phase Equilb. Diffus. -2005. -Vol. 26, no. 4. -P. 357-359.
  • Raghavan, V. Al-N-Ti (Aluminum -Nitrogen -Titanium)/V. Raghavan//J. Phase Equilb. Diffus. -2006. -Vol. 27, no. 2. -P. 159-162.
  • Raghavan, V. Al-Nb-Ti (Aluminum -Niobium -Titanium)/V. Raghavan//J. Phase Equilb. Diffus. -2005. -Vol. 26, no. 4. -P. 360-368.
  • Raghavan, V. Al-Nb-Ti (Aluminum -Niobium -Titanium)/V. Raghavan//J. Phase Equilb. Diffus. -2010. -Vol. 31, no. 1. -P. 47-52.
  • Raghavan, V. Al-Nd-Ti (Aluminum -Neodymium -Titanium)/V. Raghavan//J. Phase Equilb. Diffus. -2008. -Vol. 29, no. 2. -P. 186-187.
  • Raghavan, V. Al-Ni-Ti (Aluminum -Nickel -Titanium)/V. Raghavan//J. Phase Equilb. Diffus. -2010. -Vol. 31, no. 1. -P. 55-56.
  • Raghavan, V. Al-Si-Ti (Aluminum -Silicon -Titanium)/V. Raghavan//J. Phase Equilb. Diffus. -2009. -Vol. 30, no. 1. -P. 82-83.
  • Raghavan, V. Al-Ta-Ti (Aluminum -Tantalum -Titanium)/V. Raghavan//J. Phase Equilb. Diffus. -2005. -Vol. 26, no. 6. -P. 629-634.
  • Raghavan, V. Al-Ti-V (Aluminum -Titanium -Vanadium)/V. Raghavan//J. Phase Equilb. Diffus. -2005. -Vol. 26, no. 3. -P. 276-279.
  • Raghavan, V. Al-Ti-Y (Aluminum -Titanium -Yttrium)/V. Raghavan//J. Phase Equilb. Diffus. -2005. -Vol. 26, no. 2. -P. 191.
Еще
Статья научная