Технология производства тонкостенных сложнопрофильных отливок из интерметаллидного титанового сплава для авиадвигателестроения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.04, кандидат наук Бакерин, Сергей Васильевич

• Бакерин, Сергей Васильевич
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Бакерин, Сергей Васильевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

1.1. Сведения об интерметаллидах

1.2. Интерметаллид ТлА1

1.3. Влияние строения границ зёрен на пластичность интерметаллидов

1.4. Структура и свойства интерметаллидов у-Т1А1 и а2-Т1зА1, выплавленных в индукционной установке

1.5. Плавка и литьё интерметаллидов титана

1. 6. Эффективность применения газостатирования для устранения

внутренних дефектов в титановых отливках

*

1.7. Выводы и задачи исследования

ГЛАВА 2. МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1. Плавильно-заливочная установка СопБагс

2.2. Методы качественной и количественной металлографии

2.3. Методика исследования на горячую твердость

2.4. Испытание на длительную прочность

2.5. Методика определения жаростойкости и коррозионной стойкости

2.6. Методика математической обработки результатов эксперимента

2.7. Методы оценки физико-химического и структурно-фазового состава поверхностного слоя и эксплуатационных свойств исследуемых материалов

2.7.1. Методика рентгенострунтурного анализа

2.7.2. Методика вторичной ионной масс-спектроскопии (ВИМС)

2.8. Методы определения микротвердости, механических свойств, жаропрочности, усталостной прочности

ГЛАВА 3. ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ИНТЕРМЕТАЛЛИДНОГО ТИТ AHO-АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА В ЛИТОМ СОСТОЯНИИ

3.1. Исследование химического, фазового состава и микроструктуры исходной шихтовой заготовки для выплавки интерметаллидного титанового сплава

3.2. Исследование влияния технологических параметров плавки и литья

на структуру и свойства интерметаллидных титановых сплавов

3.3. Разработка методики и расчет литниково-питающей системы для изготовления лопаток ТНД из интерметаллидного титанового сплава

литьем по выплавляемым моделям центробежным способом

3.4. Анализ структуры и свойств литых лопаток ТНД из

интерметаллидного титанового сплава

3.5. Выводы по главе 3

ГЛАВА 4. ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННОЕ ИСПЫТАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ

ПОЛУЧЕНИЯ ЛОПАТОК ИЗ ИНТЕРМЕТАЛЛИДНОГО

ТИТАНОВОГО СПЛАВА

4.1. Анализ качества отливок, полученных при различных технологических параметрах

4.2. Анализ характера разрушения интерметаллидного титанового сплава

4.3. Результаты испытаний образцов лопаток из интерметаллидного титан-алюминиевого сплава

4.4. Выводы по главе 4

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

ПРИЛОЖЕНИЯ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Технология производства тонкостенных сложнопрофильных отливок из интерметаллидного титанового сплава для авиадвигателестроения»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы

В настоящее время интерметаллиды стали достаточно востребованными материалами. Постоянно растущий интерес к ним связан как с решением технологических, так и фундаментальных проблем. Благодаря своей уникальной природе некоторые из интерметаллидов, в частности алюминиды титана, уже стали основой аэрокосмических материалов нескольких поколений. Алюминиды титана представляют значительный интерес для авиационной и аэрокосмической техники вследствие высокой стабильности механических свойств, жаропрочности и жаростойкости. Содержание алюминия в этих сплавах составляет 25,8-28,6 мае. %, титана 59,68-60,18 мае. %.

Серьезным недостатком этих сплавов, сдерживающим широкое применение их в промышленности, является их низкая пластичность. Для повышения пластичности интерметаллидных сплавов Ti-Al их легируют цирконием, ниобием, молибденом, ванадием. Измельчение зерна достигается легированием бором, приводящее к образованию боридов.

Исследованиями российских и зарубежных ученых Гринберг Б.А., Имаевым P.M., Имаевым В.М., Салищевым Г.А., Колачевым Б.А., Kong F., Chen Y., Clemens H., Dimiduk D.M. и др. разрешен ряд важнейших теоретических задач, связанных с проблемами получения необходимых свойств изделий из интерметаллидов для авиакосмической отрасли, а также изучена их зависимость от структуры этих сплавов.

Будущее этих сплавов существенно зависит от того, насколько быстро и эффективно будет разработана полная технология: состав - плавка - литье -структура - свойства. В связи с этим разработка технологии плавки и литья тонкостенных сложнопрофильных отливок на примере лопаток компрессора

высокого давления (КВД) и турбины низкого давления (ТНД) авиационных двигателей, исследование их структуры и свойств являются важной и актуальной задачей.

Работа выполнялась в рамках государственной программы по созданию высокотехнологичного производства (Постановление Правительства № 218 от 9.04.2010, договор № 13.0 25.310047).

Цель работы

Разработка технологии плавки и литья тонкостенных сложнопрофильных отливок из интерметаллидного титано-алюминиевого сплава методом литья по выплавляемым моделям на примере лопаток авиационных двигателей.

Основное внимание было уделено решению следующих задач:

- исследованию химического и фазового состава исходной шихтовой заготовки для выплавки интерметаллидного титано-алюминиевого сплава;

- определению технологических параметров плавки интерметаллидного титано-алюминиевого сплава и центробежной заливки литейных форм с учетом свойств сплава и технологии изготовления керамических оболочек при изготовлении отливок литьем по выплавляемым моделям;

химическому и металлографическому анализу отливок из интерметаллидного титано-алюминиевого сплава, полученных в вакуумной индукционной плавильно-заливочной установке «Сопэагс» с «холодным» медным тиглем, и определению эксплуатационных свойств отливок после их газостатирования и термической обработки;

- разработке технологического регламента плавки и изготовления литых лопаток из интерметаллидного титано-алюминиевого сплава на основании результатов исследования и опытно-промышленных испытаний.

Научная новизна работы

1. Установлены требования к химическому и фазовому составу шихтовой заготовки интерметаллидного титано-алюминиевого сплава, обеспечивающие получение отливок с необходимыми служебными свойствами в процессе их эксплуатации при температуре 750...800°С.

2. Установлены закономерности влияния параметров плавки и заливки интерметаллидното титано-алюминиевого сплава на распределение у-, аг- и Р-фаз в литом металле, их размеры, химический состав и перераспределение легирующих элементов в этих фазах.

3. Установлен характер разрушения литого сплава, которое происходит по границам структурных составляющих и особенно в областях с повышенным содержанием бора.

Практическая значимость работы

Определены технологические параметры плавки интерметаллидного титанового сплава в условиях вакуума с последующей подачей аргона для уменьшения потери элементов, входящих в состав сплава. Рекомендованы температура заливки сплава, давление аргона, частота вращения формы при заливке и время заливки сплава. Предложен состав огнеупорной суспензии для изготовления оболочковых форм по выплавляемым моделям. Разработана конструкция литниково-питающей системы для получения тонкостенных сложнопрофильных отливок на примере лопатки из интерметаллидного сплава системы Т1-А1.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА 1.1. Сведения об интерметаллидах

Интерметаллиды в последнее время стали достаточно востребованными материалами. Постоянно растущий интерес к ним связан как с решением технологических, так и фундаментальных проблем. Благодаря своей уникальной природе некоторые из интерметаллидов уже стали основой аэрокосмических материалов нескольких поколений, а другие - потенциальными кандидатами для аэрокосмических материалов следующих поколений. История развития интерметаллидов характеризуется непрерывным стремлением реализовать присущий им замечательный комплекс свойств и преодолеть присущие им недостатки. Деформационное поведение интерметаллидов обнаруживает ряд странностей, таких как температурная аномалия предела текучести и коэффициента упрочнения, исчезновения дислокаций некоторых типов в определённых температурных интервалах, макроскачок напряжения при многоступенчатом нагружении и др.

Интерметаллиды занимают промежуточное место между металлами и керамиками как по типу химической связи, так и по свойствам. Это широкий класс соединений исходных металлических элементов. В целом интерметаллиды имеют лучшую обрабатываемость, чем керамики. Наряду с определённой пластичностью они сохраняют свою структуру и прочность при высоких температурах, обладают хорошими антикоррозионными и антифрикционными свойствами, в чём обычно превосходят обычные металлы. Принципиальное отличие интерметаллидов от металлов, их образующих, состоит прежде всего в их высокой прочности.

Краткий очерк исследования интерметаллидов, являющихся основой высокотемпературных конструкционных материалов, дан в обзоре Ямагучи и Умакоши [1].

Начиная с первых десятилетий XX века найдены многие бинарные композиции металлов, которые являются интерметаллидами. Многие особенности деформационного поведения интерметаллидов были обнаружены в 50-е годы. Среди них следует выделить представление о сверхдислокациях как носителях пластической деформации и аномальное возрастание предела текучести с температурой. Попытки использовать №зА1 для высокотемпературных структурных приложений были неудачны из-за зернограничного охрупчивания интерметаллида. Были предложены различные способы пластификации поликристалла №зА1. Дальнейшие успехи связаны с получением монокристаллических лопаток из суперсплавов. Все эти разработки стимулировали конструирование сплавов не только на основе №зА1, но и лёгких интерметаллидов, таких как, Т1А1, Т1зА1, А1зТл и др. Интерметаллиды представляют уникальный класс материалов, которые сохраняют упорядоченную структуру вплоть до температуры плавления, т.е. температуры плавления и упорядочения совпадают. Дальний порядок обеспечивает более сильную межатомную связь.

Интерметаллиды обладают прекрасными свойствами [2]:

- высокая прочность, которая не деградирует с возрастанием температуры;

- аномальная зависимость предела текучести, наблюдаемая в некоторых интерметаллидах;

- низкая и очень низкая плотность интерметаллидов на основе А1, П, 81, что приводит к высокому отношению прочность / плотность;

высокие упругие модули, причём с ростом температуры они уменьшаются медленнее, чем в разупорядоченных сплавах;

- высокая стойкость к окислению, которую имеют интерметаллиды с высоким содержанием А1;

- низкие коэффициенты диффузии и в результате более низкая степень крипа (ползучести), рекристаллизации и коррозии.

Существенные факторы, которые влияют на механические свойства интерметаллидов, следующие [3]:

кристаллическая симметрия; при понижении симметрии уменьшается число систем скольжения;

- увеличение вектора Бюргерса при упорядочении приводит к повышению упругой энергии дислокации, затрудняет рождение дислокаций, понижает их подвижность (усиливая тем самым тенденцию к хрупкости);

- число возможных систем скольжения определяет совместность деформации в поликристалле; уменьшение их числа может привести к хрупкости и др.

Применению этих материалов мешают недостаточные значения пластичности и вязкости. Многие интерметаллиды настолько хрупкие, что из них трудно изготавливать конструкционные изделия. Даже если это сделано, низкая вязкость мешает их применению. Полагают [4], что причина хрупкости интерметаллидов состоит, во-первых, в низкой кристаллографической симметрии и в недостаточном числе систем скольжения, во-вторых, в низкой прочности скола, и, наконец, в слабости границ зёрен.

Существуют различные способы улучшения пластичности [4]:

- возрастание числа систем скольжения;

- модификация кристаллографической структуры;

- упрочнение границ зёрен;

- уменьшение размера зёрен;

- переход к монокристаллам.

Кроме того, улучшение пластичности может быть обеспечено за счёт микро- и макролегирования. Микролегирование влияет на структуру границ зёрен, макролегирование (> 1%) влияет на структуру всего объёма материала и фазовую стабильность. За счёт макролегирования удаётся заменить, например, структуру кристалла с низкой симметрией (упорядоченная гексагональная) на структуру с высокой симметрией (упорядоченная кубическая) и в результате

перейти к тройному сплаву с достаточной пластичностью. Попытки увеличить вязкость ещё более трудны. Этого удаётся добиться, в частности, за счёт создания ламельной структуры.

Вестбрук [5] подчёркивает, что свойства интерметаллидов действительно уникальны и их нельзя предсказать из свойств и параметров исходных материалов. Следует отметить, что успешное применение зависит не только от знания их природы и свойств, но и от контроля за способом их получения.

Фазы для высокотемпературных приложений должны прежде всего иметь достаточную прочность при температуре эксплуатации, т. е. высокую жаропрочность или, другими словами, высокое сопротивление крипу. Оно связано с коэффициентом диффузии, модулем сдвига, а оба параметра - с температурой плавления. Плотность сплава является дополнительным параметром, причём очень важным. Для движущихся частей машин существенно отношение прочности к плотности. Для фаз, содержащих лёгкие металлы, такие как Тл, А1, 81, прочность которых ниже, указанное соотношение может быть высоким благодаря низкой плотности.

Интерметаллиды должны быть коррозионностойкими, в частности стойкими к окислению. Последнее достигается присутствием элементов, которые могут обеспечить защитную плёнку. Таковыми являются Сг, А1, 81. Причём алюминиды более предпочтительны для высокотемпературных условий работы.

Для аэрокосмических систем необходимы новые материалы, которые должны быть более «прочными, горячими, жёсткими, лёгкими» [6], чем традиционные материалы. В конструировании и эксплуатации газотурбинных двигателей существует две проблемы. Во-первых, повышение рабочих температур некоторых частей двигателя при увеличении удельной мощности и экономии горючего. Во-вторых, применение более лёгких материалов для снижения массы двигателя, снижение рабочих напряжений от тяжёлых вращающихся деталей, увеличение срока службы дисков, валов и опор подшипников. Интерметаллиды особо пригодны для этих целей благодаря

сохранению высокой статической прочности, а также высокого сопротивления ползучести и усталости. В случае же алюминидов добавляется ещё и высокое сопротивление окислению. Для разработки составов интерметаллидных сплавов надо решать проблему ползучести без нарушения ценной упорядоченной структуры, которая обеспечивает высокие жаропрочность и жёсткость. Потенциальная ценность алюминидов заключается в их жёсткости, т.е. высоком модуле упругости, а это сводит к минимуму упругие деформации под нагрузкой при рабочих температурах.

1.2. Интерметалл ид ТЧА1

Замечательный баланс свойств, обнаруженный у алюминидов Т1А1, способствовал разработке сплавов, предназначенных для использования в качестве лёгких высокотемпературных материалов или компонентов. Хотя эти сплавы и называют у - сплавами, на самом деле речь идёт о двухфазных сплавах: у - Т1А1 и СС2 - Т1зА1. Содержание алюминия в этих сплавах составляет 45-48 ат.

[7-9], у-сплавы содержат также другие элементы, предназначенные для улучшения их характеристик. В обзоре [10] проанализирована роль, которую играют легирующие элементы в формировании микроструктуры и свойств у-сплавов. Основная роль А1, как известно, состоит в изменении прочности и сопротивления окислению: первая растёт, а второе падает, когда уменьшается содержание А1. Такие элементы, как Сг и Мп, увеличивают пластичность в определённом температурном интервале, тогда как другие из основных легирующих элементов обычно её понижают. №), улучшают сопротивление окислению, причём действие №> становится более эффективным при наличии добавок Углерод наиболее эффективно повышает прочность при крипе, когда присутствует в форме соответствующим образом распределённых карбидов.

Разработаны различные методы измельчения зерна. Наиболее эффективным оказалось легирование бором, приводящее к образованию различных боридов. В таблице 1.1 приведены составы сплавов на основе Т1А1, легированных различными элементами, а также указаны преимущества и недостатки каждого из них [11].

Таблица 1.1 - Некоторые у-сплавы, их составы и преимущества

№ сплава Состав, ат. % Преимущество

1 Ть47А1-2МЪ-2Сг Пластичность, вязкость разрушения

2 ТМ5А1-2№>-2Мп-0.8 об. % Т1В2 Прочность при растяжении и усталости, литейные качества

3 Ть47А1-2№>-2Мп-0.8 об. % Ш2 Прочность при повышенной температуре, литейные качества

4 Ti-47Al-2Nb-lMn-0.5W-0.5Mo-0.2Si Сопротивление крипу

5 Ti-47Al-2W-0.5Si Крип, сопротивление окислению

6 Ti-47Al-l.5Nb-lMn-lCr-0.2Si-0.5B Литейные качества, баланс свойств

7 П-44А1-4ЫЪ-4(& или Ш)-1В-0.281 Прочность

8 Ti-48Al-2Nb-0.7Cr-0.3Si Пластичность

9 Ti-32Al-l.9Fe-l.5V-0.7B (мае. %) Литейные качества

10 Ть47А1-2ЫЪ-2Сг-1 Мо-0.2В Сопротивление крипу, обрабатываемость

11 ■П-46.2А1-ЗМ>-2Сг-0.2^¥-(0.1 -0.2В)-0.2С Обрабатываемость, сопротивление крипу, баланс свойств

Сплавы, занимающие верхние три строки таблицы, являются первым поколением литых у ~~ сплавов. Использование сплава 1 предпочтительно в тех случаях, когда пластичность и вязкость важнее, чем прочность. Напротив, тонкая однородная почти ламельная структура сплавов 2,3 обеспечивает их применение в качестве материалов с более высокой прочностью и сопротивлением окислению. Одно из возможных применений сплава 3 - демпферы для лопаток турбин. При определённых условиях эксплуатации они могут заменить те, что изготовлены из суперсплавов.

Сплавы 4 и 5, содержащие и 81, принадлежат второму поколению у - сплавов, которое разрабатывалось для повышения сопротивления крипу.

Однако большой размер зёрен и низкая пластичность сплава 4 ограничивает его применение. Дальнейшее улучшение сопротивления крипу и окислению достигнуто для сплава 5 благодаря почти ламельной литой структуре. Область применения - стационарные турбины. При конструировании сплава 6 внимание было сосредоточено на измельчении зерна. Область его применения - литые лопатки турбин с температурой эксплуатации около 700°С. Сплав 7 имеет тонкую литую структуру: мелкие зёрна (30-50 мкм.), содержащие ламели.

Среди всех сплавов, представленных в таблице 1, сплав 8 имеет наименьшую прочность. Сплав аналогичного состава, но с большим содержанием Nb, был использован для изготовления turbocharder роторов для двигателей спортивных автомобилей. Благодаря более высокому содержанию А1 и пониженному содержанию Сг, температура эксплуатации может быть доведена до 700...900°С, а требования к прочности при указанном использовании достаточно низки. Сплав 9 разрабатывался для турбинных лопаток. Оптимизация литых характеристик достигается благодаря комбинации Fe + V, но это понижает стойкость к окислению. Сплав 11 обнаруживает сочетание пластичности и стойкости к крипу. Комбинация Nb/W обеспечивает наилучшее сопротивление окислению. Дополнительное микролегирование углеродом позволяет повысить сопротивление крипу, доведя температуры эксплуатации до 840 °С.

Если говорить о перспективах использования сплавов с высокими удельными показателями, то у-сплавы представляют интерес в том случае, когда важна плотность материала. Для сравнения используют прочностные характеристики, нормированные на плотность, так называемые удельные (specific) величины. Данные по удельной жёсткости (отношение модуля Юнга к плотности) при различных температурах приведены на рисунке 1.1 [10].

Видно явное преимущество у - TiAl по сравнению с обычным титановым сплавом, а также с никелевым суперсплавом и интерметаллидом NiAl.

На рисунке 1.2 приведено отношение прочность/плотность для некоторых сплавов при различных температурах. Указанное отношение для у - сплавов

значительно выше, чем для суперсплавов при всех температурах и выше, чем для титановых сплавов при Т>500 К [10].

и

¥

С —

л И о о к

Н

о ч .с

"-а н о О И н о «и

50

40

30

20

10

У-ПА1

№А1

11-6-4

1Ы-718

300

500

700

900

т, к

Рисунок 1.1- Нормированная жесткость к плотности в зависимости от температуры для различных материалов

300

| 250

¥ С и

л

н р

о я н о ч .е

н о о я

V о

Он

С

200 150 100 50 0

А1 Суперсплавы

Суперсплавы-моно

Тугоплавкие металлы

250

750

1250

1750

Т,К

Рисунок 1.2- Нормированная прочность к плотности в зависимости от температуры для различных материалов

Как показывают результаты испытаний, при низких температурах у -сплавы не имеют преимущества по крипу перед титановыми сплавами, но

обладают более высокой стойкостью к окислению и возгоранию. При Т>1000К у - сплавы имеют более высокое сопротивление крипу, чем титановые сплавы. Область применения у-Т1А1 как лёгкого аэрокосмического материала обширна и включает в себя компоненты двигателей, реактивные сопла, теплозащитные системы для космических аппаратов и др. Усилия направлены на то, чтобы использовать у-ТлА1 для изготовления различных аэрокосмических деталей, эксплуатирующихся в температурном интервале 600.. .900 °С [11].

На рисунке 1.3 приведены данные по теплофизическим свойствам у-ТлА1 и сплава П - 6А1 - 4У (мае. %) при различных температурах [12].

2

30

О

на

о 0,8

300 400 500 600 700 800 Т, К

Рисунок 1.3 - Зависимость некоторых тепловых свойств почти эквиатомного сплава ТлА1 от температуры; для сравнения приведены данные для сплава И-6А1-4У (мае. %)

Значения теплопроводности К и коэффициента теплового расширения а для у - Т1А1 на 30-40 и 20% соответственно выше, чем для титанового сплава. Из-за разности модуля Юнга Е значения величины К/а для у-Т1А1 примерно на 70% выше, чем для титанового сплава. Поскольку именно эта величина определяет поведение материала при быстром, в том числе и циклическом, изменении температуры, то преимущество у-Т1А1 перед титановыми сплавами становится очевидным.

Свойства у-сплавов крайне чувствительны к микроструктуре. Авторы работы [13] предложили следующую классификацию микроструктур у-сплавов:

- почти у-микроструктура (N0);

- дуплексная микроструктура (О);

- почти ламельная микроструктура (№.);

- полностью ламельная микроструктура (БЬ).

Почти у-структура состоит из крупных у-зёрен, связанных областями, заполненными мелкими у- и ссг-частицами. Почти ламельная микроструктура образована крупными ламельными зёрнами и составляющими малую часть объёма мелкими а-зёрнами. Полностью ламельная микроструктура состоит только из ламельных зёрен.

Влияние описанных выше микроструктур на механические свойства у-сплавов можно описать следующим образом.

БЬ-структура обнаруживает низкую пластичность и прочность, особенно при комнатной температуре, но относительно высокую вязкость разрушения и превосходные свойства при крипе.

Дуплексная микроструктура показывает достаточную пластичность и прочность при растяжении при комнатной и повышенной температурах, но низкую вязкость разрушения и сопротивление крипу.

Оптимальный баланс между вязкостью разрушения и сопротивлением крипу объясняется, с одной стороны, пластичностью и прочностью, с другой стороны, ожидается для мелкозернистой полностью ламельной структуры с

мелкими зёрнами у-фазы на границах ламельных зёрен. Контроль за этой структурой позволяет выявить неблагоприятным образом ориентированные колонии ламелей. Установлено, что прочность ламельной структуры крайне чувствительна к размеру зерна и толщине ламелей. Уменьшение размера зёрен оказывается эффективным способом улучшения пластичности при комнатной температуре. Введением бора (0,5-1 ат. %) в расплав удалось уменьшить размер колоний ламелей в сплаве в литом состоянии с 1000—2000 до 50-300 мкм. Сочетание пластичности и чувствительности прочности к размеру зерна открывает перспективы для конструирования нового класса у-сплавов [13].

Ламельная структура обеспечивает также хорошие усталостные свойства при высокотемпературных испытаниях, причём уровень этих свойств выше, чем у суперсплавов. Будущее у-сплавов существенно зависит от того, насколько быстро и эффективно будет разработана полная технология: состав - плавка — литьё — структура — свойства. Итак, алюминиды титана и сплавы на их основе представляют значительный интерес для авиационной и аэрокосмической техники вследствие высокой стабильности, жаропрочности и жаростойкости.

1.3. Влияние строения границ зёрен на пластичность интерметаллидов

Ранее показано [2-5], что промышленное использование интерметаллидов и сплавов на их основе сдерживается хрупкостью многих из них. Хрупкость интерметаллидов может быть обусловлена их недостаточной чистотой, особенно по примесям внедрения, или является следствием особенностей их кристаллического, дислокационного и электронного строения.

Примеси в интерметаллидах вызывают межзёренное разрушение, причём для этого вовсе не требуется формирование межзёренных прослоек, достаточно сегрегации примесных элементов в приграничных объёмах. Такие сегрегации обнаружены, в частности, в серии работ Ветсбрука и др. [14, 15].

Хрупкость достаточно чистых по примесям интерметаллидов может быть свойством самого материала, обусловленным недостаточным числом действующих систем скольжения или следствием слабости границ зёрен [16].

Альтернативный подход к проблеме природной межзёренной хрупкости основан на результатах расчёта атомного строения границ зёрен. Компьютерные расчёты атомного строения показали [17], что для интерметаллидов с сильной ковалентной связью и, соответственно, с большой энергией упорядочения характерны границы зёрен, имеющие упорядоченное строение с большим числом разорванных связей между ближайшими соседями. Из-за большой энергии упорядочения релаксации в расположении атомов на границах наклона вдоль оси разориентировки имеются пустоты в виде узких каналов, которые служат зародышами трещин. В таких интерметаллидах пластическая деформация у вершины трещины затруднена из-за отсутствия разупрочнения, что и вызывает хрупкое разрушение. В табллице 1.2 приведены механические свойства некоторых интерметаллидов при комнатной температуре [18].

Таблица 1.2 - Механические свойства интерметаллидов при комнатной

температуре

Интерметалл ид р, г/см3 Е, ГПа НУ, МПа св, МПа со,2, МПа 8,%

№3А1 7,43 179 - - 200 1-2,5

№А1 5,86 295 5000 - 220-312 0-2

Т1А1 3,91 175 - 350-580 180-280 0,5-1,5

Т13А1 4,20 145 - 220-600 - 0-0,5

Т1А13 3,37 - 40007000 - 180 0

Границы зёрен с разорванными связями, по-видимому, наиболее легко образуются при кристаллизации из жидкости. Следует отметить, что интерметаллиды, полученные методами порошковой металлургии, пластичнее литого материала. Один из способов получения пластичности интерметаллидов -горячая и холодная деформация и последующий рекристаллизационный отжиг с

формированием мелкозернистой структуры [19]. Интерметаллиды, например ИА1, при ультрамелкозернистой структуре обладают не только повышенной пластичностью, но и склонностью к сверхпластической деформации. При этом механическое поведение интерметаллида ТлА1 зависит не только от величины зерна, но и строения границ зёрен: его пластичность возрастает с увеличением протяжённости границ произвольного пика [20]. И наоборот, формирование крупнозернистой структуры с сегрегацией примесей по границам зёрен будет усиливать хрупкость интерметаллидов [21].

Представления о решающей роли разупрочнённого строения границ зёрен в пластичности интерметаллидов позволяют объяснить ряд других экспериментальных закономерностей, в частности, зависимость пластичности от стехиометрии и эффекты микролегирования [22]. Механические свойства поликристалла Т1А1 при различных температурах исследованы в работах [23-24]. На рисунке 1.4 приведена температурная зависимость предела текучести и удлинения до разрушения для поликристалла Т1А1 со средним размером зерна около 25 мкм. Во всём исследованном температурном интервале наблюдается нормальный ход кривой Оу(Т), причём слабое температурное падение сменяется более сильным при температурах выше 600°С. Как видно, при температурах ниже 600°С пластичность СТ(Т) крайне низка и начинает увеличиваться лишь при более высоких температурах.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Бакерин, Сергей Васильевич, 2014 год

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Yamaguchi М, Umakoshi Y. // Progress in Mat. Sei., 1990. - Vol. 34. -№1. - P. 1-148.

2. Varin R.A., Winnicka M.B. // Mater. Sei. Eng. A., 1991. - Vol. A 137. -P. 93-103.

3. Fleischer R.L., Dimiduk D.M., Lipsitt H.A. // Ann. Rev. Mater. Sei., 1989. - Vol. 19.-P. 231-263.

4. Гринберг Б.А., Иванов M.A. Интерметаллиды №зА1 и TiAl: микроструктура деформационное поведение. - Екатеринбург: УрО РАН, 2002. - 359 с.

5. Vestbrook J.H. // Metall. Trans. А., 1977. - Vol. 8А. - №9. - P. 1327-1360.

6. Froes F.H., de Barbadillo J.J., Suryanarayana C. // Proc. Cont. Structural Applications of Mechanical Alloying. Myrtle Beach, Sc, USA, 1990. -P. 1-14.

7. Trans. Metallurg. Soc. AJME, 1961. - Vol. 221. - №2.

8. Clark D.A.O.J. Jnst. Metals. Bull, Jnst. Metals, 1956. - Vol. 85(3). - №13. - P. 116.

9. Anderko K.U.A.Z. Metallkunde, 1957. - Bd. 48. - №2. - S. 57.

10.Dimiduk D.M., Mcquay P.A. Kim Y. -W. // Titanium' 99: Science and Technology // Ed. J. V. Gorynin et al., 2000. - Vol. 1. - P. 259-268.

11.Dimiduk D.M., Mendiratta M.G. Subramanian P.R. // Structural Intermetallics / Ed.R. Darolia et al. Pabl. TMS. Warrekdale. PA, USA, 1993. - P. 619-630.

12.Yamaguchi M., Jnui H.// Structural Jntermetallics / Ed.R. Darolia et al. Pabl. TMS. Warrekdale, PA USA, 1993.-P. 127-142.

13.Kim Y.-W., Dimiduk D.M. // JOM, 1991. - Vol. 43. - №8. - P. 40.

14. Wood D.L., Westbrook J.H. Tensile behaviour of the intermttallic compound // Trans. Met. Sok. AFME, 1962. - Vol. 224.10 - P. 1024-1037.

15. Westbrook J.H. The sources of strength and brittleness in intermttallic compounds / High strength materials // Proc. Second Berkely cont. USA, 1964. - N.Y.: L. Sydney, 1965.-P. 720-735.

16.Taub A.J., Briant C.L. // Acta metallurgies 1987. - Vol. 35. - №7. - P. 1597.

17.Frost HJ. // Acta metallurgies 1987. - Vol. 35. - №2. - P. 519-520.

18.Колачев Б.А., Ильин A.A., Дроздов П.Д. Состав, структура и механические свойства двойных интерметаллидов // Изв. вузов. Цв. металлургия, 1997.-№6.-С. 40-52.

19.Aoki К. Duktilization of Lb intermetallik compound №зА1 by mikroallouing with boron // Mater. Trans. JIM. - 1990. Vol. 31. -№6. - P. 443-448.

20.Имаев P.M., Кайбышев O.A., Салищев Г.А. Механические свойства мелкозернистого интерметаллида TiAl // ФММ. - 1991. - №8. - С. 179-197.

21.Шашков Д.П. Влияние рекристаллизации на сегрегационно-примесную хрупкость металлических соединений // Металлургия. — 1994. - №6. — С. 25-27.

22.Колачев Б.А., Ильин А.А., Дроздов П.Д. О влиянии строения границ зёрен на пластичность интерметаллидов / Металлы. - 2001. - №3. - С. 41-48.

23.Lipsitt Н.А., Schechtman D., Schafrik R.R. // Metall. Trans. A. - 1975. - Vol. 6. -P. 1991-1996.

24.Lipsitt H.A. // High Temperature Ordered Intermetallic. Alloys // Eds. C.C. Kock et. al. Pittsburg MRS, 1985. - Vol. 39. - P. 351-364.

25.Kawabata Т., Kakai Т., Jzumi O. // Acta Met. - 1985. - Vol. 33. -P. 1355-1366.

26.Kawabata Т., Abumiya Т., Kakai T. Jzumi O. // Acta Met. Mater. - 1990. - Vol. 38.-P. 1381.

27.Weihs T.P., Zinoviev V., Weihs D.V., Schulson E.M. // Acta. Met. - 1987. - Vol. 5.-P. 1109.

28.Huang S.C. // SkriptaMet. - 1988. - Vol. 22. - P. 1885.

29.Vasudevan V.K., Court S.A., Kuzath P., Fraser H.L. // Skripta Met. - 1989. - Vol. 23.-P. 467-469.

30.Huang S.C., Mall E.L. // Skripta Met. Mater. - 1991. - Vol. 25. - P. 1805-1812.

31.Неуструев А.А., Ходоровский Г.А. Вакуумные гарнисажные печи. - М.: Металлургия, 1967. - 235с.

32. Волохонский JI.A. Теплофизические процессы и энергетический баланс при плавке в гарнисаже. - М.: ВНИИЭМ. 1966. - 56 с.

33.Коган М.Г. Индукционная плавка в гарнисаже // Теплофизика высоких температур. - 1967. - №3. - С. 485-491.

34.Clemens Н., Appel F., Bartels A., et. al. Processing and application of engineering y-TiAl based alloys / Science and Technology. - Germany, 2003. - P. 2123-2136.

35.Gerling R., Schimansky F., Stark A., et. al. Microstructure and mechanical properties of Ti-45Al-5Nb-(0-0.5C) sheets // Intermetallics. - 2008. - Vol. 16.-P. 689-697.

36.Tetsui Т., Shindo K., Kaji S., et. al. Fabrication of TiAl components by means of hot forging and machining // Intermetallics. - 2005. - Vol. 13. - P. 971-978.

37.Kim Y.-W., Dimiduk D.M. // JOM, 1991. - Vol. 43. - №8. - P. 40.

38.Kong F., Yang F., Chen Y., Xiao S. Microstructure and properties of Ti-45Al-5V-4Nb-0.3Y alloy // Materials of Xth Russian-Chinese Symposium Modern Materials and Technologies 2009. - Khabarovsk, 2009. - P. Ill — 120.

39.Chen Y.Y., Li B.H., Kong F.T. Effects of minor yttrium addition on hot deformability of lamellar Ti-45Al-5Nb alloy // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. - 2007. Vol. 17. - P. 58-63.

40.Tetsui Т., Shindo K., Kaji S., et. al. A newly developed hot worked TiAl alloy for blades and structural components // Scripta Materialia. - 2002. - Vol. 47.-P. 399-403.

41.Chen Y.Y., Wang Z.T., Kong F.T., Xiao S.L., Xu L.J. The effect of yttrium addition on the oxidation resistance of Ti2AlNb based alloy / Materials of 2008 Joint China-Russian Symposium on Advanced Materials and Processing Technology. - Harbin, China, 2008. - P. 7 - 13.

42.Неуструев А.А., Ходоровский Г.А. Вакуумные гарнисажные печи. - М.: Металлургия, 1967. - 235с.

43. Волохонский JI.A. Теплофизические процессы и энергетический баланс при плавке в гарнисаже. - М.: ВНИИЭМ. 1966. - 56 с.

44.Коган М.Г. Индукционная плавка в гарнисаже // Теплофизика высоких температур. - 1967. - №3. - С. 485-491.

45.Петров Ю.Б., Ратников Д.Г. Холодные тигли. - М: Металлургия, 1972. -112 с.

46.Тир JI.JL, Губченко А.П. Индукционные плавильные печи для процессов повышенной точности и чистоты. - М.: Энергоиздат. 1988. - 120с.

47.Кудрявцев Ю.Н. Индукционные тигельные печи для плавки и литья титановых сплавов // Титан. - 1993. - №1. - С. 39-42.

48.Донской А.В., Ратников Д.Г. Об использовании охлаждённых тиглей в индукционных печах // Электротермия. - 1993. - Вып 3. - С. 3-6.

49.Полькин И.С., Гребенюк О.Н., Саленков B.C. Интерметаллиды на основе титана // Технология лёгких сплавов. - 2010. - №2. - С. 5-15.

50.Хауптман Т., Биллхофер Г. Титановые сплавы как перспективные материалы для изготовления литых деталей в авиамоторостроении // Литейщик России. -2011. - №7. — С. 5-8.

51.Kuang J.P., Harding R.A., Campbell J. Jnvestigation into refractoris as crucible and mould materials for melting and casting у - TiAl alloys // Mater. Sci. Technol. -2000.-Vol. 16.-№9.-P. 1007-1016.

52.Kuang J.P., Harding R.A., Campbell J.A. A stady of refractoris as crucible and mould materials for melting and casting у - TiAl alloys // Jntern. Cast Metals Res. -2001.-Vol. 13.-№4.-P. 277-292.

53.Zollinger J., Lapin J., Daloz D., Combean H., Influens of oxygen on solidification behaviour of cast TiAl - based alloys // Jntermetallics. - 2007. - Vol. 15. - №10. -P. 1343-1350.

54.Lefebore W., Loisean A., Menand A. Sappression of the massive transformation in a Ti-48 ат.% Al alloy; a direct conseguence of the oxygen induced chemical ordering of th a-phase // Gamma Titanium Aluminides. Warrendalle. - 2003. — P. 63-74.

55.Картавых A.B., Чердынцев В.В. Химическая совместимость расплава TiAl-Nb с бескислородной тигельной керамикой из нитрида алюминия // Металлы. 2008.-№6.-С. 52-62.

56.Муравьев В.И. Изготовление литых заготовок в авиастроении / В.И. Муравьев, В.И. Якимов, Хосен Ри и др. - Владивосток: Дальнаука, 2003.-616 с.

57.Братухин А.Г. Технологическое обеспечение высокого качества, надёжности, ресурса авиационной техники. В 2-х т. - М.: Машиностроение, 1996. - Т. 1. -524 с.

58.Сварка в машиностроении: Справочник. В 4-х т. / Под ред. Н.А. Ольшанского. -М.: Машиностроение, 1978. - Т. 1, 2.

59.Салтыков С.А. Стереометрическая металлография. М.: Металлургия, 1970. -375 с.

60.ГОСТ 16263-70. Метрология. Термины и определения. М.: Издательство стандартов, 1982. - 53 с.

61.ГОСТ 8.207-76. Прямые методы измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов измерений. М.: Издательство стандартов, 1981.-10 с.

62.Борисенко В.А. Твердость и прочность тугоплавких материалов при высоких температурах - Киев: Наукова думка, 1984. - 212 с.

63.Алесюк М.М., Борисенко В.А., Кращенко В.П. Механические испытания материалов при высоких температурах. - Киев: Наукова думка, 1980. - 208 с.

64.Кремер Н.Ш. Теория вероятностей и математическая статистика. - М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2002. - 543 с.

65.Линник Ю.В. Метод наименьших квадратов и основы математико-статистической обработки наблюдений. - 2-е изд., исп. и доп. - М.: Гос. изд-во физико-математической литературы. 1962. - 352 с.

66.Румшинский Л.З. Математическая обработка результатов эксперимента. М.: Наука, 1971.-192 с.

67.Методы испытания, контроля и исследования машиностроительных материалов / Под ред. А.Т. Туманова, т.2. - М.: Машиностроение, 1974. - 320 с.

68.Лашко Н.Ф., Глезер Г.М. // Защита металлов. Т.8, №6, 1972.

69.Павлинич С.П., Бакерин C.B., Брусницын C.B., Сулицин A.B., Карпинский A.B. Исследование структуры и свойств шихтовой заготовки для выплавки интерметаллидного сплава // Литейщик России. - 2012. - №2. -С. 17-19.

70.Kim Y.W. Effect of boron addition on grain refinement and lamellar formation in wrought-processed gamma TiAl alloys / Y.-W. Kim, D.M. Dimiduk // Metals & Mater. Soc. - 2001. - P. 625- 632.

71. Положительное решение по заявке на изобретение №2012122304/02 Суспензия огнеупорная для оболочковых форм по выплавляемым моделям, заявл. 29.05.2012, опубл. 10.12.2013, бюл. №34.

72.Павлинич С.П., Мысик Р.К., Зайцев М.В., Бакерин С.В., Хайруллина A.M., Брусницын С.В., Сулицин А.В. Выбор конструкции и расчет элементов литниково-питающей системы для получения литой лопатки турбины низкого давления // Литейщик России. - 2013. - №6. - С. 38-40.

73.Павлинич С.П., Смирнов В.В., Бакерин С.В., Хайруллина A.M. Литниковые системы для центробежного литья лопаток ГТД из интерметаллидных сплавов / Труды XI Съезда литейщиков России. - Нижний Тагил: Изд-во УВЗ, 2013.-С. 333-338.

74.Дубровин В.К. Теоретические основы и технологии процессов формообразования на основе кремнеземистых и силикатных систем в точном литье: дисс... докт. техн. наук. - Челябинск: ЮУрГУ, 2010. - 507 с.

75.Pavlinich S.P., Bakerin S.V., Zaitsev M.V., Mysik R.K., Sulitsin A.V. Investigation of thin-walled titanium aluminide lost-wax casting structure and properties / Advanced Materials and Processing Technology - 2013: Materials by International XlVth Russian-Chinese Symposium. Proceedings. - Khabarovsk: Pacific Ntional University, 2013. - P. 235-238.

76.Павлинич С.П., Мысик P.K., Зайцев M.B., Бакерин С.В., Хайруллина A.M., Брусницын С.В., Сулицин А.В. Влияние технологических параметров плавки и литья на качество сложнопрофильной отливки из интерметаллидного титанового сплава//Литейщик России.-2013. - №5.- С. 15-18.

77.Литье по выплавляемым моделям. Инженерная монография / Под ред. Я.И. Шкленника и В.А. Озерова. - Л.: МАШГИЗ, 1961. - 455 с.

78.Литье по выплавляемым моделям / В.Н. Иванов, С.А. Казеннов, Б.С. Курчман и др. Под общ. ред. Я.И. Шкленника, В.А. Озерова. - М.: Машиностроение, 1984.-408 с.

79.Титановые сплавы. Производство фасонных отливок из титановых сплавов / Е.Л. Бибиков, С.Г. Глазунов, A.A. Неуструев и др. - М.: Металлургия, 1983. -296 с.

80.Мамонов A.M., Ильин A.A., Носов В.К. Особенности и перспективы применения водородной технологии сплавов на основе Т1зА1 // Авиационная промышленность. — 2002. - №2. - С. 14-17.

81.Павлинич С.П., Бакерин C.B., Зайцев М.В., Мысик Р.К., Сулицин A.B. Изготовление тонкостенных отливок из алюминида титана методом литья по выплавляемым моделям / Труды XI Съезда литейщиков России. - Нижний Тагил: Изд-во УВЗ, 2013. - С. 319-322.

82.Gogia A.K. High-temperature titanium alloys // Def. Sei. Journ. - 2005. - Vol. 55. - № 2. - P. 149-173.