Исследование и разработка жаропрочных, легких композиционных материалов с матрицей на основе моноалюминида титана тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.01, кандидат технических наук Антонова, Анна Валерьевна

• Антонова, Анна Валерьевна
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Антонова, Анна Валерьевна

Введение.

Глава 1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР. ЖАРОПРОЧНЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ С МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ И ИНТЕРМЕТАЛЛИДНОЙ МАТРИЦЕЙ, УПРОЧНЕННЫЕ ЧАСТИЦАМИ ИЛИ ВОЛОКНАМИ ОКСИДОВ, БОРИДОВ, КАРБИДОВ.

1.1 Искусственные композиционные материалы с металлической или интерметаллидной матрицей, упрочненные металлическими или керамическими волокнами.

1.2 «Естественные» композиционные материалы.

1.3 Способы получения композиционных материалов с интерметаллидными матрицами.

1.3.1 Реакционное спекание или реакционное сплавление композиционных материалов, упрочненных частицами фаз внедрения.

1.3.2 Направленная кристаллизация естественных композиционных материалов.

1.4 Обоснование выбора пар для стабильных искусственных композиционных материалов с интерметаллидной матрицей, упрочненных фазами внедрения.

1.4.1 Характеристики фаз внедрения.

1.4.2 Порошковые композиционные материалы с дисперсными частицами оксидных фаз.

1.4.3 Композиционные материалы с интерметаллидной матрицей, упрочненные оксидными волокнами.

1.5 Выводы по главе 1.

1.6 Цель и задачи исследования.

Глава 2 СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ СПЛАВОВ ИНТЕРМЕТАЛЛИДНЫХ МАТРИЦ,

УПРОЧНЯЮЩИХ ФАЗ, КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ИХ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ.

2.1 Получение сплавов на основе TiAl для интерметаллидных матриц.

2.2 Упрочняющие фазы.

2.3 Способы получения композиционных материалов.

2.4 Методы исследования структуры, фазового состава и свойств.

Глава 3 УСТАНОВЛЕНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

АЛЮМИНИДОВ ТИТАНА С ЛЕГИРУЮЩИМИ ЭЛЕМЕНТАМИ И ФАЗАМИ ДЛЯ ОБОСНОВАНИЯ ВЫБОРА ЖАРОПРОЧНЫХ И ЖАРОСТОЙКИХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ С МАТРИЦЕЙ

Ti-AI.

3.1 Двойная система Ti-AI.

3.2 Характерные особенности строения тройных диаграмм состояния систем Ti-AI-Me, где Me - легирующий металл или металлоид.

3.2.1 Твердорастворное легирование алюминидов титана.

3.2.2 Фазы, находящиеся в равновесии с алюминидами титана.

3.3 Возможность использования легирования для повышения жаропрочности и низкотемпературной пластичности TiAl.

3.3.1 Рабочие температуры.

3.3.2 Низкотемпературная пластичность.:.

3.3.3 Упрочнение алюминидов титана.

3.3.4 Плотность.

3.4 Характерные особенности строения тройных диаграмм состояния систем Ti-AI-X, где X - элемент или фаза внедрения и выбор фаз внедрения для упрочнения композиционных материалов с интерметаллидной матрицей на основе TiAl.

3.5 Выбор литейных жаропрочных сплавов на основе TiAl для интерметаллидных матриц в композиционных материалах, упрочненных монокристаллическими сапфировыми волокнами.

3.5.1 Микроструктура литейных сплавов на основе TiA.

3.5.2 Экспрессная оценка жаропрочности литейных сплавов на основе TiAl методом измерения «горячей» твердости.

3.5.2.1 Влияние легирования на кратковременную «горячую» твердость сплавов (Y-TiAI+a2-Ti3AI).

3.5.2.2 Длительная «горячая» твердость сплавов на основе TiAl.

3.5.3 Сравнение характеристик жаропрочности TiAl и Ni3AI, имеющих аномальную температурную зависимость предела текучести, перспективы повышения жаропрочности сплавов TiAl путем легирования.

3.6 Изучение жаростойкости литейных сплавов на основе TiAl.

3.6.1 Анализ механизмов образования защитной оксидной пленки на TiAl и других интерметаллидах.

3.6.2 Окисление сплавов на основе TiAl.

3.6.3 Обоснование выбора легирующих добавок для повышения жаростойкости сплавов TiAl и композиционных материалов.

3.7 Механическая совместимость компонентов, составляющих композиционный материал.

3.8 Выводы по главе 3.

Глава 4 ИССЛЕДОВАНИЕ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ С МАТРИЦЕЙ

TiAl, УПРОЧНЕННЫХ КАРБИДАМИ (SiC) И БОРИДАМИ (TiB2).

4.1 Композиционные материалы типа «SiC/TiAl» и их получение пропиткой волокон SiC расплавом или напылением гранул материала матрицы TiAl

4.1.1 Получение композитов типа «SiC/TiAl» пропиткой волокон SiC расплавом материала матрицы TiAl.

4.1.2 Структура и свойства композитов типа «SiC/TiAl», полученных пропиткой волокон SiC расплавом материала матрицы TiAl.

4.1.3 Получение композитов типа «SiC/TiAl» напылением гранул сплава матрицы TiAl на волокно SiC.

4.2 Композиты типа «TiB2/TixAly» и их получение методом реакционного спекания.

4.2.1 Разработка метода получения композитов с матрицей TiAl, упрочненных (15-60)o6.%TiB2 путем реакционного спекания и реакционного сплавления.

4.2.2 Структура и фазовый состав композитов типа «TiB2/TixAly».

4.2.3 Композиты системы Ti-AI-B типа «TiB2/TiAI», упрочненные волокном сплава титана.

4.3 Выводы по главе 4.

Глава 5 ПОЛУЧЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ

КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ТИПА «А1203ГПА1».

5.1 Выбор способа получения композитов с матрицей из сплавов на основе TiAl, упрочненных непрерывными оксидными волокнами.

5.2 Получение композитов с матрицей на основе сплавов TiAl, упрочненных монокристаллическими волокнами сапфира.

5.3 Микроструктура и излом композитов типа «АЬО/ПА!».

5.4 Механические свойства композитов типа «AI203/TiAI».

5.4.1 Испытания на ползучесть.

5.4.2 Длительная и удельная длительная прочность композитов.

5.4.3 Низкотемпературная пластичность и вязкость разрушения композитов.

5.4.4 Процессы на межфазной границе волокно/матрица.

5.5 Потенциальные рабочие температуры композитов.

5.6 Стойкость композитов типа «Al203/TiAI» против окисления.

5.7 Выводы по главе 5.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка жаропрочных, легких композиционных материалов с матрицей на основе моноалюминида титана»

Эффективность авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) и «горячих» деталей других типов летательных аппаратов возрастает с повышением рабочих температур (tpa6)- Успехи в создании жаропрочных сплавов на основе железа, никеля, кобальта [1,2] позволили поднять \раб деталей современных ГТД до 1000-1100°С (никелевые суперсплавы) и до 600°С (титановые сплавы). Более высокий уровень температур может быть достигнут как за счет новых решений конструкторов в разработке систем охлаждения двигателя, так и путем создания жаропрочных сплавов нового поколения, способных работать при более высоких температурах, чем применяющиеся традиционные никелевые суперсплавы (tpa6<1050°C) и титановые сплавы (tpa6<600°C), более легких и стойких против газовой коррозии при tPa6 по сравнению с указанными применяющимися традиционными сплавами. Тугоплавкие металлы - тантал, ниобий, молибден, вольфрам и высокопрочные сплавы на их основе являются слишком тяжелыми для авиации и не обладают необходимой жаростойкостью в окислительных средах, к которым относятся продукты сгорания топлив, образующие рабочий газ в ГТД. В то же время известные легкие жаростойкие сплавы систем Ni-AI, Fe-Cr-AI и малолегированные сплавы хрома недостаточно прочны при температурах выше 1100°С [3].

Одним из наиболее эффективных способов повышения \.ра5 «горячих» деталей авиационно-космических двигателей является создание композиционных материалов (КМ) с матрицей, более тугоплавкой легкой жаропрочной и жаростойкой, чем применяющиеся традиционные сплавы на основе никеля и титана, упрочненных дисперсными частицами, дискретными или непрерывными волокнами более тугоплавких прочных и «жестких» фаз, чем матрица.

Разнообразные комбинации упрочняющих фаз и матриц, способов изготовления из них КМ позволяют получать широкий спектр материалов с комплексом желательных свойств.

Основой для разработки нового поколения легких, жаростойких и жаропрочных материалов для матриц КМ являются интерметаллиды (ИМ) с упорядоченной кристаллической структурой, прежде всего, наиболее легкие из них -алюминиды титана: y-TiAl, a2-Ti3AI, TiAI3.

Сплавы на основе алюминидов титана с пластинчатой (ламельной) структурой (y-TiAI+a2-Ti3AI) обладают высокой температурой плавления (tnn=14470C для у-TiAI), низкой плотностью (р=3,6-4,0 г/см3), высокой стойкостью против окисления до 900°С на воздухе, в продуктах сгорания топлив и в других агрессивных средах, высокой длительной прочностью и сопротивлением ползучести до 800-900°С, высокой трещиностойкостью (KiC=15-30 МПа-м1/2) при температурах ниже температуры перехода из пластичного в хрупкое состояние (tn/x 600-700°С). В связи с этим данные сплавы представляют собой практически идеальную матрицу для создания на их основе КМ. Сильные ковалентные связи Ti-AI обеспечивают повышение энергии активации диффузионных процессов в y-TiAl, замедляют развитие процессов ползучести при температурах ниже 800°С и обеспечивают высокую жесткость в широком интервале температур: модуль упругости Юнга (Е) y-TiAl при комнатной температуре составляет 160-180 ГПа, что выше, чем для титановых сплавов (100 ГПа), но несколько ниже, чем и приближается к таковым для никелевых сплавов (200 ГПа); с повышением температуры он медленно снижается до 150 ГПа при 900°С, приближаясь к значениям, характерным для никелевых сплавов при этой температуре [4,5]. К достоинствам конструкционных материалов на основе y-TiAl может быть отнесена аномальная температурная зависимость предела текучести сплавов на основе TiAl (повышение сто,2 с увеличением температуры до 600-750°С) [4,6-8]. Замена жаропрочных сплавов на основе титана, никеля, железа на материалы из алюминидов титана и КМ с матрицей на их основе позволит снизить вес деталей на 20-50%, что в свою очередь позволит увеличить отношение тяги к весу и позволит повысить tpa6 на 200-400°С по сравнению с титановыми сплавами.

Недостатком сплавов на основе y-TiAl является их хладноломкость, обусловленная особенностями кристаллического строения и межатомной связью.

В настоящее время широким фронтом ведутся работы в двух основных направлениях.

1. Повышение характеристик прочности, жаропрочности, низкотемпературной пластичности и/или вязкости разрушения и tpa6 сплавов на основе y-TiAl выше 750-800°С путем создания в сплавах специальных структурно-фазовых состояний при легировании и/или при термической и термопластической обработках.

2. Создание КМ, упрочненных волокнами карбида кремния (SiC), производство которых налажено за рубежом в промышленных масштабах.

Установлено, что мелкозернистые почти однофазные структуры y-TiAl, полученные изотермической деформацией [9], обеспечивают повышение низкотемпературной пластичности (удлинение (5) до 4-6%) при невысокой трещиностойкости (К-ю менее 15-20 МПа-м1/2) и предопределяют низкое сопротивление ползучести при высоких температурах. Одновременное повышение сопротивления ползучести при tpa6 и высокой трещиностойкости при температурах ниже tn/x может быть достигнуто при формировании в гетерофазных сплавах ~П-(46-48)ат.%А1 крупнозернистых ламельных структур (y-TiAI+(3-10)o6.%a2-Ti3AI), в которых работа распространения хрупкой трещины возрастает за счет увеличения пути ее распространения из-за ветвления трещины на межфазных границах у-~ПА1/а2-~ПзА1, двойниках и зубчатых границах зерен [6,7,10-13].

Исследовано влияние практически всех возможных легирующих элементов (ЛЭ) и их комбинаций на структуру и свойства сплавов на основе TiAI. В обобщенном виде оптимальный состав сплавов (y-TiAi+a2-Ti3AI) на основе TiAI может быть описан как Ti - (44-50) ат.% AI - (1-3) ат.% V, Сг, Мп - (2-4) ат.% Nb, Та, W, Мо [6,8,14]. Формирование в сплавах TiAI заданных структурно-фазовых состояний позволяет в настоящее время считать, что в этой сфере достигнуты значительные успехи, которые дают возможность изготавливать ряд критических деталей для аэрокосмической техники вплоть до деталей сложной формы [58,13,15,16]. Ведутся работы по разработке и созданию специализированного технологического оборудования для реализации технологических процессов, обеспечивающих формирование специальных структурно-фазовых состояний при термопластической обработке (например, при изотермической деформации (горячее изостатическое прессование (ГИП), прокатка) и др.), которые улучшают либо низкотемпературную пластичность сплавов TiAI с мелкозернистой однофазной y-TiAl структурой, либо жаропрочность сплавов TiAI с крупнозернистой гетерофазной (y-TiA[+a2-Ti3AI) структурой.

Интенсивные исследования по созданию доступных КМ с матрицей из сплавов на основе титана или алюминидов титана (а2-Т1зА1, y-TiAl), упрочненных частицами SiC или высокопрочными непрерывными волокнами SiC, показали, что главным недостатком КМ этого типа является деградация структуры и механических свойств из-за интенсивного взаимодействия волокон SiC с матрицей TixAly в процессе получения и длительной высокотемпературной службы. Для предотвращения взаимодействия на межфазной границе SiC/TixAly, которое сопровождается образованием промежуточных хрупких соединений, на поверхность волокон наносятся барьерные покрытия (например, углерод), препятствующие взаимной диффузии компонентов волокна и матрицы, обеспечивающие прочную адгезию и высокие механические свойства КМ в течение ограниченного времени.

Это широко используется в многочисленных попытках создать дееспособный жаропрочный КМ типа «SiC/TixAly».

Следует признать, что оба указанных направления имеют недостатки, которые практически не позволяют получить материал с tpa6 выше 800°С.

Для повышения жаропрочности ведутся работы по созданию in-situ КМ, упрочненных дисперсными частицами фаз внедрения, методами реакционного спекания (PC) или реакционного сплавления (РП), т.к. в этом случае не происходит взаимодействия между компонентами матрицы и упрочняющей фазы при длительной высокотемпературной службе, возможно только некоторое укрупнение упрочняющих частиц. Однако такие КМ не обладают достаточно высокой низкотемпературной пластичностью и сопротивлением коррозии, а их tpa6 определяются tpa6 матрицы.

Таким образом, назрела необходимость создания термически стабильных, .легких, жаропрочных конструкционных материалов (сплавов или КМ), с высокой удельной прочностью, высокими жаропрочностью и жаростойкостью. Эти материалы должны иметь tpa6 выше tpa6 титановых сплавов и способны заменить более тяжелые никелевые сплавы при температурах 850-1050°С, что очень важно для обеспечения высокого уровня служебных характеристик ряда ответственных деталей ГТД.

Однако, для создания таких материалов отсутствовала необходимая теоретическая и экспериментальная база, отсутствовали систематизация данных о стабильности «жестких» твердых упрочняющих фаз (фазы внедрения, другие ИМ) и «мягких» вязких фаз (твердые растворы на основе металлов с неупорядоченной кристаллической структурой) в равновесии с y-TiAl, критерии выбора упрочняющих фаз (состав, морфология, способ введения в матрицу на основе TiAl), не были обоснованы механизмы упрочнения матрицы на основе TiAl фазами разных типов.

В связи с этим для разработки термически стабильного, легкого, жаропрочного и жаростойкого КМ с интерметаллидной матрицей (ИММ) на основе гетерофазных сплавов (y-TiAl+аг-Т1зА1) и дальнейшего развития КМ с ИММ на основе TiAl было необходимо разработать физико-химические подходы к созданию термически стабильных, легких, жаропрочных и жаростойких КМ с ИММ на основе TiAl с tpa6 выше tpa6 сплавов на основе титана или TiAl, изучить строение тройных диаграмм состояния (ДС) в окрестностях алюминидов титана, выявить основные критерии, определяющие выбор пар «упрочняющая фаза/ИММ» для КМ, предназначенных для длительной высокотемпературной службы, с высоким сопротивлением деградации структуры и свойств в целом и для КМ с гетерофазной ИММ на основе сплавов (у-~ПА1+а2-Т|'зА1) в частности, определить наиболее перспективные ЛЭ, позволяющие повысить прочность при высоких температурах, выбрать типы упрочняющих фаз (частицы, волокна) и способы их введения в матрицу на основе TiAl, обеспечивающие равномерное распределение упрочняющих фаз и целостность армирующих волокон при получении компактных КМ.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Обоснование физико-химических подходов к выбору пар «упрочняющая фаза/ИММ» для КМ с высокой термической стабильностью, предназначенных для длительной высокотемпературной службы.

2. Анализ диаграмм состояния систем Ti-AI-X (X - металл, металлоид, элемент или фаза внедрения), установление закономерностей взаимодействия алюминидов титана (y-TiAl и аг-ЛПзА!) с указанными элементами или фазами и выбор на этой основе: 1) гетерофазных (у-Т1А1+а2-Т1зА1) сплавов на основе TiAl с повышенной жаропрочностью и вязкостью разрушения в качестве ИММ и 2) упрочняющих термодинамически стабильных фаз внедрения, находящихся в равновесии с алюминидами титана (y-TiAl и a2-Ti3AI), для создания термически стабильных, легких, жаропрочных КМ. Оценка роли физико-химической и механической совместимости ИММ и упрочняющих фаз при выборе пар для формирования КМ с повышенной термической стабильностью, армированных дисперсными частицами или непрерывными волокнами упрочняющих фаз.

3. Обоснование, выбор и опробование способов получения КМ с ИММ на основе TiAl применительно к характеру физико-химического взаимодействия ИММ с упрочняющими фазами и разному типу упрочнения: частицами или волокнами фаз внедрения.

4. Сравнительный анализ двух механизмов упрочнения КМ с ИММ при температурах, превышающих tpa5 ИММ: 1) повышение жаропрочности и жаростойкости ИММ за счет создания направленных структур, границы зерен в которых стабилизированы тугоплавкими частицами оксидной фазы; 2) «склеивание» волокон упрочняющей оксидной фазы при пропитке пучка волокон расплавом ИММ и направленной кристаллизации.

5. Разработка термически стабильного, легкого, жаропрочного и жаростойкого КМ с ИММ на основе TiAl, упрочненного монокристаллическими волокнами сапфира, имеющего tpa6 на 200-300°С выше tpa6 матрицы на основе TiAI. Исследование микроструктуры, жаропрочности и жаростойкости указанных КМ.

Работа проводилась при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ): грант № 00-03-32663 «Разработка физико-химических принципов подбора матриц из сплавов на основе алюминидов никеля и титана для композиционных материалов с оксидным упрочнением», грант № 03-03-32463 «Разработка физико-химических принципов создания термостабильных структурно-фазовых состояний в высокотемпературных материалах на основе интерметаллидов - алюминидов переходных металлов», грант № 04-03-33067 «Разработка физико-химических принципов создания жаропрочных конструкционных композиционных материалов с повышенной низкотемпературной вязкостью разрушения и жаростойкостью на основе легких алюминидов переходных металлов (титана, никеля, железо-хрома), армированных вязкой структурной составляющей»; грант РФФИ по поддержке молодых ученых № 02-03-06514 мае; гранты поддержки научной школы академика О.А. Банных: № 0015-97293 «Развитие физико-химических основ создания высокопрочных сплавов с заданными специальными свойствами» и № 2079.2003.3 «Развитие физико-химических основ создания новых металлических материалов (стали, сплавы и композиты на основе интерметаллидов, композиты, упрочненные сверхтвердыми алмазоподобными фазами, магнитомягкие сплавы) с повышенным в 1,5-3 раза, по сравнению с применяющимися материалами, уровнем свойств»; в интересах Минобороны РФ с Секцией прикладных проблем при Президиуме РАН по х/д № 993 от 27.08.1999 г. «Поисковые исследования в обеспечение разработки новых материалов на основе тугоплавких химических соединений с участием металлов для гиперзвуковых летательных аппаратов» (Шифр «УХИМЕТ»), х/д № 1153/7 от 14.06.2001 г. «Поисковые исследования и разработка принципиально новых высокопрочных материалов для элементов ВВТ на основе коррозионно-стойких свариваемых хромистых сталей, тугоплавких химических соединений, тяжелых сплавов и композитов на основе вольфрама и наноструктурной меди» (Шифр «УНСТИЛ»), государственный контракт № 1362 от 25.03.2004 г. «Поисковые исследования путей создания новых высокопрочных материалов на базе тяжелых сплавов, высокотермостойких и легких конструкционных композитов, а также интерметаллидов и керамик для элементов конструкций вооружения, военной и специальной техники» (Шифр «УГОВОЛ»).

Заключение диссертации по теме «Металловедение и термическая обработка металлов», Антонова, Анна Валерьевна

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Выбран наиболее эффективный способ повышения tpa6 «горячих» деталей авиационно-космических двигателей, которым является создание КМ с жаропрочной ИММ, более тугоплавкой, жаростойкой и легкой, чем традиционные сплавы на основе титана и никеля, армированных непрерывными волокнами термодинамически стабильных тугоплавких прочных и «жестких» фаз.

2. Выявлены основные причины деградации известных жаропрочных КМ:

1) физико-химическая несовместимость компонентов КМ, т.е. высокая активность материалов матрицы и упрочняющей фазы по отношению друг к другу;

2) механическая несовместимость компонентов КМ, т.е. значительное различие КТР упрочняющего волокна и матрицы, резко ухудшающее стойкость КМ при термоциклировании.

3. Показано, что наиболее перспективной основой для создания КМ с ИММ являются сплавы (у-Т1А1+а2-Т1зА1) на основе моноалюминида титана y-TiAI с упорядоченной (110) ГЦТ кристаллической структурой, tnn 1450°С, плотностью 3,84,0 г/см3.

4. На основании анализа известных тройных ДС систем Ti-AI-X (X -легирующий металл, элемент или фаза внедрения) установлена невозможность стабилизации в равновесии с алюминидами титана (y-TiAI, a2-Ti3AI) вязких твердых растворов с неупорядоченной ГЦК кристаллической структурой на основе металлов VIII, I групп Периодической системы (y-Fe, Ni, р-Со, Си, Аи), присутствие которых обеспечило бы повышение низкотемпературной пластичности сплавов TiAl. Однако в системах с металлами IV,V групп (Zr, Hf, V, Nb, Та) возможна стабилизация в равновесии с y-TiAI и oc2-Ti3AI высоколегированных твердых растворов типа a-(Ti,Zr), a-(Ti,Hf) с ГПУ или p-(Ti,V), p-(Ti,Nb), p-(Ti,Ta) с ОЦК неупорядоченной кристаллической структурой, которые в определенных условиях способны обеспечить некоторый запас низкотемпературной пластичности сплавов TiAl. Показано, что тугоплавкие монокарбиды или мононитриды переходных металлов IV, V групп не могут использоваться в качестве упрочняющих фаз для создания термически стабильных КМ с ИММ (y-TiAI+a2-Ti3AI) в связи с тем, что тройные легкоплавкие карбиды или нитриды перекрывают область их взаимодействия с алюминидами титана. Высокая термическая стабильность характеризует КМ типа «TiB2/TixAly», получаемые in-situ путем PC (РП), упрочненные дисперсными частицами, и КМ, получаемые армированием ИММ (y-TiAI+a2-Ti3AI) волокнами термодинамически стабильных фаз внедрения - оксидов, например, Al203, который имеет низкую плотность (3,97 г/см3), высокую tnn (2050°С).

5. Изучены КМ с ИММ (y-TiAI+10o6.%a2-Ti3AI) с различным типом упрочнения: частицами Т1В2, волокнами SiC, волокнами из сплава на основе титана. Высокая реакционная активность расплава TiAl по отношению к волокнам SiC делает нецелесообразным получение жаропрочных конструкционных материалов из КМ типа «SiC/TiAl» методом пропитки волокон расплавом ИММ. Эффект от упрочнения частицами TiB2 относительно невелик даже при сочетании с армированием волокнами из сплава на основе титана.

6. Установлена корреляция между данными по жаропрочности, оцененными экспрессным методом измерения «горячей» кратковременной (до 1000°С) и длительной (при 800°С) твердости, и механическими свойствами на растяжение при 800-825°С сплавов TiAl. Характеристики жаропрочности сплавов TiAl с (1-2) ат.% тугоплавких p-стабилизаторов (Hf, Zr, Nb, Та), замещающих Ti в y-TiAl, являются максимальными (аюо80°=250-280 МПа и аюо825=180-210 МПа).

7. На основании имеющихся данных о влиянии ЛЭ на свойства сплавов TiAl для ИММ высокотемпературных КМ, получаемых по жидкофазной технологии, выбраны литейные (y-TiAI+a2-Ti3AI) сплавы состава Ть48ат.%А1, легированные (1-2) ат.% Zr, Nb, Та, V (и Si), которые должны обеспечить жаростойкость и жаропрочность при температурах более 750-900°С на воздухе.

8. Впервые получены совместно с ИФТТ РАН пропиткой пучка ОВ расплавом ИММ под давлением КМ с ИММ (y-TiAI+10o6.%a2-Ti3AI), упрочненные монокристаллическими сапфировыми волокнами (20-25 об.%А1203), полученные методом внутренней кристаллизации. Хорошая физико-химическая и механическая совместимость Al203 (КТР=(8-11)-10"6 град"1) со сплавами (y-TiAI+10o6.%a2-Ti3AI) (КТР=10-10"6 град"1) обеспечивает высокую стабильность данных КМ. Исследование полученных КМ типа «AI203/TiAl» показало, что хорошая смачиваемость ОВ расплавом ИММ обеспечивает однородное распределение ОВ в ИММ и высокую прочность границы ОВ/ИММ, что определяет высокое сопротивление ползучести КМ при температурах вплоть до 1050°С (0,94 от 1ЭВтектоид или 0,72 от t™ матрицы, когда ее прочность мала) благодаря «склеиванию» высокопрочных ОВ между собой материалом ИММ, что позволяет нагружать ОВ до высоких напряжений и передавать нагрузку от волокна к волокну. Данные КМ имеют высокое сопротивление ползучести (напряжение, вызывающее 1%-ую деформацию ползучести за 100 ч) при 1000°С равное 170 МПа, при 1050°С равное 120 МПа и высокую удельная длительная прочность при 1000°С равную 43,6 МПа/(г/см3), при 1050°С равную 30,7 МПа/(г/см3), что превышает характеристики других известных КМ.

9. Изучено сопротивление окислению и механизмы образования защитных оксидных пленок на ИММ легированных сплавов (y-TiAI+a2-Ti3AI) и на КМ с данными ИММ, упрочненных сапфировыми волокнами. Установлено, что наилучшим сопротивлением окислению на воздухе при 1000°С обладают КМ, упрочненные волокнами А1203, с ИММ на основе TiAl, легированной Si, в т.ч. совместно легированной Nb+Si или Та+Si благодаря образованию сплошного наружного слоя Si02 или слоистой параллельной поверхности образца «сетки» Al203 с замкнутыми ячейками, которая является барьером, тормозящим диффузионные процессы в ячейках «сетки» - «островках» ТЮ2. Привес этих КМ при 1000°С за 100 ч на воздухе составил 20-40 г/м2, тогда как сплавы TiAl имеют привес порядка 1000 г/м2. Коррозия на границе волокно/матрица у всех исследованных КМ отсутствует, что указывает на высокую стабильность системы AI203-(TiAI+J13)-0.

10. Впервые полученные совместно с ИФТТ РАН композиционные материалы нового типа «AI203/TiAI» позволили повысить tpa6 до 1000-1050°С, что на 250-300°С выше tPa6 ИММ (y-TiAI+a2-Ti3AI) на основе TiAl и на 400-450°С выше tpa6 сплавов на основе титана. Это делает перспективным применение разработанных материалов для замены сплавов на основе титана и никеля в части «горячих» деталей (например, лопаток) ГТД, работающих при температурах от 750 до 900-1000°С.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Антонова, Анна Валерьевна, 2005 год

1. Sims С.Т., Stoloff N.S., Hagel W.C. Superalloys li. N. Y. et al. 1987 (Жаропрочные материалы для аэрокосмических и промышленных энергоустановок. М.: Металлургия. 1995).

2. Масленков С.Б., Масленкова Е.А. Стали и сплавы для высоких температур. Справ, изд. В 2-х кн. М.: Металлургия. 1991, 832 с.

3. Банных О.А., Поварова К.Б., Кутьенков В.А., Фридман А.Г., Головкина Т.Е., Заварзина Е.К. Высокотемпературный композиционный материал с металлической матрицей // Металлы. 1992, № 3, с. 145-149.

4. Dimiduk D.M., Miracle D.B., Kim Y.-W., Mendiratta M.G. Recent Progress on Intermetallic Alloys for Advanced Aerospace Systems // ISIJ Intern. 1991, v. 31, N. 10, p.1223.

5. Поварова К.Б., Банных O.A. Принципы создания конструкционных сплавов на основе интерметаллидов // Материаловедение. 1999, № 2, с. 27-33 (Часть 1); № 3, с. 29-37 (Часть 2).

6. Kim Y.-W., Froes F.H. Physical Metallurgy of Titanium Aluminides // Proc. Symp. High-Temperature Aluminides and Intermetallics / Eds. S.H. Whang, C.T. Liu, D. Pope. The Minerals, Metals and Materials Society. Warrendale, PA. 1990, p. 451465.

7. Kim Y.-W. Microstructural Evolution and Mechanical Properties of Forged Gamma Titanium Aluminide Alloy //Acta Metalurgica et Materialia. 1992, v. 40, N. 6, p. 1121.

8. Huang S.C., Chesnutt J.C. Gamma TiAI and its Alloys // Intermetallic Compounds, v. 2. Practice / Ed. Westbrook J.H., Fleischer R.I., Wiley J., Sons Ltd. 1994, v. 2, p. 7390.

9. Имаев В.И., Имаев P.M., Салищев М.Р., Кузнецов А.В., Поварова К.Б. Влияние скорости деформации и размера зерен на пластичность интерметаллида TiAI при комнатной температуре // Металлы. 1996, № 5, с. 135-145.

10. Анташев В.Г., Иванов В.И., Ясинский К.К. Разработка технологии получения литых деталей из интерметаллидного сплава TiAI и их использование вконструкциях // Технология легких сплавов. М.: ВИЛС. 1996, № 3, с. 20-23, с. 100.

11. Банных О.А., Поварова К.Б., Буров И.В., Заварзина Е.К., Титова Т.Ф., Заварзин И.А., Иванов В.И. Структура и некоторые свойства литых сплавов на основе TiAl, легированных V, Nb, Та, Hf, Zr// Металлы. 1998, № 3, с. 31-41.

12. Dimiduk D.M., Miracle D.B., Ward C.H. Development of Intermetallic Materials for Aerospace // Materials Science and Technology. 1992, v. 8, April, p. 367-375.

13. Yamaguchi M. High Temperature Intermetallics with Particular Emphasis on TiAl // Materials Science and Technology. 1992, v. 8, N. 4, p. 299-307.

14. Kannappan A., Fischmeister H.F. High Temperature Stability of Tungsten Fiber Reinforced Nickel Composites // High Temp. Mater. Phenomena. Proc. 4th Nord. High Temp. Symp. NORTEMPS-75. Helsinki. 1975, v. 2, p. 1.

15. Ahlroth R., Kettunen P. Review on Ni- and Co-Base Composite Materials for the Temperature Range of 1000 . 1100°C //Acta Polytechn. Scand. Chemincl. Met. Ser. 1973, N. 112,32 p.

16. Гукасян Л.E., Белов В.В., Рыбальченко М.М., Антипов В.И., Исследование композиционного материала с матрицей из никелевого сплава, армированной вольфрамовой проволокой, при многократном нагреве и охлаждении. М. 1974, 14 с. Деп. В ВИНИТИ 09.08.74.

17. Warren R. The Mechanical Properties of Fibre-Reinforced Superalloy Composites. Amsterdam. 1984, p. 215-237.

18. Еременко В.И. Влияние объемной доли волокон на некоторые закономерности повреждаемости матрицы при термоциклировании композита вольфрам-сплав ЭИ 765 // Физика и химия обработки материалов. 1984, № 2, с. 101.

19. Савицкий Е.М., Поварова К. Б., Макаров П.В. Металловедение вольфрама. М.: Металлургия. 1978, 224 с.

20. Диаграммы состояния двойных металлических систем: Справочник: В 3 т.: Под общ. ред. Н.П. Лякишева. М.: Машиностроение. 1996, Т. 1, 992 с; 1997, Т. 2, 1024 с; 2001, Т. 3, Кн. 1, 872 с; 2000, Т. 3, Кн. 2, 448 с.

21. Миротворский B.C., Ольшевский А.А., Поликарпов Ю.А. и др. Влияние состава матрицы на диффузию никеля в вольфрамовое волокно // Физика и химия обработки материалов. 1980, № 6, с. 74.

22. Исайкин А.С., Двойченкова Л.В., Чубаров В.М. и др. О склонности к рекристаллизации дисперсионно-твердеющих вольфрамовых сплавов // Металловедение и термическая обработка металлов. 1980, № 11, с. 38.

23. Поварова К.Б. Конструкционные сплавы вольфрама и рения. В кн. Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова. 60 лет (Сборник научных трудов под ред. Н.П.Лякишева). М.; ЭЛИЗ. 1998, с. 201-212.

24. Васильева А.Г., Устинов Л.М. и др. // Вестник МВТУ. 1991, № 1, с. 91-96.

25. Singh P., Sankar R., Synthesis of 7075AI/SiC Particulate Composite Powders by Mechanical Alloying // Materials Letters. 1998, v. 36, p. 201-205.

26. Чернышева T.A., Коболева Л.И., Болотова Л.К. Дискретноармированные композиционные материалы с матрицами из алюминиевых сплавов и их трибологические свойства // Металлы, 2001, № 6, с. 85-98.

27. Wawer F.E., Whatley W.J. The Effect of Elevated Temperature Exposure on the Properties of SiC/Ti-6AI-4V Composites // Space Age Metals Technology. F.N. Froes, R.A. Cull eds., SAMPLE, Covina, CA. 1988, p. 470-479.

28. Elzey D.M., Wadley H.N.G. // Acta Metallurgica et Materialia. 1993, v. 41, p. 22972316.

29. Krishnamurthy S., Smith P.R., Miracle D.B. Preliminary Evaluation of a Ti-24,5AI-17Nb/SiC Composite // Scripta Metallurgica et Materialia. 1994, v. 31, p. 653-658.35