Сплавы на основе интерметаллидов

Общие положения, классификация и области применения сплавов на основе интерметаллидов. Материалы с эффектом памяти формы. Сплавы на основе алюминидов титана. Сплавы на основе алюминидов никеля. Области использования сплавов на основе интерметаллидов.

Рубрика Производство и технологии
Вид курсовая работа
Язык русский
Дата добавления 02.06.2014
Размер файла 1,1 M

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

  • Введение
  • Общие положения, классификация и области применения сплавов на основе интерметаллидов
  • Сплавы на основе алюминидов титана
  • Сплавы на основе алюминидов никеля
  • Области использования сплавов на основе интерметаллидов
  • Использованная литература

Введение

Прогресс цивилизации, так или иначе, связан с материалами. Создание новых материалов, их совершенствование и применение находятся в зависимости от уровня развития общества, так как потребности в новых машинах и агрегатах не могут быть удовлетворены без создания новых материалов. Жаропрочные сплавы, металлокомпозиты, конструкционная керамика, углеродные композиционные материалы - это лишь небольшой перечень материалов, создание которых в ХХ в. стимулировалось развитием ракетной и аэрокосмической техники, работающей в экстремальных условиях.

Сплавы на основе интерметаллидов - новый класс материалов (на основе химических соединений металлов), которые по своей структуре занимают промежуточное положение между металлами и керамикой. Они имеют сложную кристаллическую структуру с наличием в межатомных связях до 30% ковалентной составляющей, что и определяет их уникальные физико-механические свойства (высокая жаропрочность, низкая плотность, низкая возгораемость в кислороде, высокая износостойкость).

Современное развитие аэрокосмической техники требует создания материалов, способных эффективно работать в условиях длительного циклического воздействия высокотемпературных агрессивных сред. Эти материалы должны быть жаро- и эрозионностойкими, обладать высокой жаропрочностью и низкой плотностью, стойкостью к факторам космического пространства. Традиционные методы разработки новых материалов сегодня уже исчерпали свои возможности. Например, повышение жаропрочности металлических материалов путем увеличения содержания легирующих элементов, технологий термохимического упрочнения достигло своих предельных возможностей. То же самое можно сказать о керамике. Повысить стойкость к термоударам и термоцикличности, которые возникают при эксплуатации ответственных узлов аэрокосмической техники, традиционными способами сегодня не удается.

Большой резерв повышения эксплуатационных характеристик конструкций лежит в использовании сплавов с интерметаллидными соединениями [1].

Общие положения, классификация и области применения сплавов на основе интерметаллидов

Интерметаллиды уже давно используют для различных назначений. Хорошо известно использование алюминидов и силицидов в качестве защитных покрытий при горячей деформации и термической обработке химически активных металлов. Интерметаллиды составляют основу сплавов - накопителей водорода, которые легко поглощают большое количество водорода при температурах, близких к комнатной, и отдают его при невысоком нагреве при снижении давления. Интерметаллиды, в частности, SmCo5, Sm2Co17, Fe14NdB используют как магнитожесткие материалы с высокими магнитными характеристиками. Ряд интерметаллидов (Nb3Sn, Nb3Al, Nb3Ge и другие) относятся к достаточно перспективным сверхпроводящим материалам.

Интерметаллиды являются перспективными конструкционными материалами. Например, алюминиды - титана (TiAl, Ti3Al) и никеля (NiAl, Ni3Al) являются конструкционными материалами, и успешно используются в авиационной технике благодаря их малой плотности, высокой жаростойкости и жаропрочности, хорошим литейным свойствам [1].

Отдельный класс сплавов составляют материалы с эффектом памяти формы. На примере никелида титана была изучена способность некоторых металлических материалов запоминать свою форму, которая предшествовала деформации и восстанавливать ее после определенного теплового воздействия.

Интерметаллидными соединениями или интерметаллидами называют соединения металлов между собой, причем, к компонентам интерметаллидов относят также и ковалентные кремний и германий. Общая классификация интерметаллидов включает в себя дальтониды, бертоллиды и фазы Курнакова. Под дальтонидами понимают фазы на основе интерметаллидов постоянного (определенного) химического состава, которым на кривых состав - свойство соответствует сингулярная, особая точка С, положение которой не зависит от температуры измерения свойств.

Бертоллиды - фазы на основе интерметаллидов переменного химического состава, для которых на кривых состав - свойство сингулярная точка отсутствует. На диаграммах состав - свойство бертолидных фаз могут наблюдаться максимумы или минимумы свойств, но они не имеют сингулярного характера и их положение зависит от температуры и давления. Бертоллиды представляют собой соединения в состоянии диссоциации или твердые растворы на основе мнимых интерметаллидов.

Под фазами Курнакова понимают непрерывные твердые растворы между дальтонидами и бертоллидами. Фазы Курнакова пока еще не используют ни как конструкционным, ни как функциональным материалом.

Самостоятельный класс интерметаллидов - соединения Н.С. Курнакова. Соединения Курнакова образуются в результате упорядочения атомов неупорядоченных твердых растворов при понижении температуры. Впервые такие фазы были изобретены Н.С. Курнаковым в сплавах системы Cu - Au (Cu3Au, CuAu). Соединения Курнакова имеют достаточно высокие пластические свойства. Таким образом, следует отличать " фазы Курнакова" и "соединения Курнакова" [2].

К настоящему времени обнаружено и описано более 1500 интерметаллидных соединений, образующих около 200 различных типов кристаллических структур. К перспективным конструкционным материалам относят следующие типы интерметаллидов:

1. фазы типа А3В с кубической кристаллической решеткой (Ni3Al, Ni3Si, Ni3Fe, Ni3Mn, Zr3Al);

2. фазы типа А3В с гексагональной решеткой (Ti3Al, Ti3Sn);

3. алюминиды типа М3Al (А3В) со структурой, отличающийся от первых двух (Fe3Al, Nb3Al);

4. алюминиды типа МAl3 (NbAl3, NiAl3, ТаAl3, TiAl3, ZrAl3);

5. фазы типа АВ (TiAl, CuAu, NіAl, СоTi, СоZr, NіВе, FeAl, FeСо, TiNi);

6. тройные алюминиды: Al1 - x - y Tix Меy, где Ме - Co, Cr, Cu, Fe, Mn, Ni;

7. тройные фазы Лавеса: (TiCr1, ТаFeAl, ТаNіAl, NbNіAl);

8. силициды: (МоSi2, NbSi2, Nі3Si, TiSi2, Ti5Si3, Mg2Si, CoSi2) [3].

Высокотемпературные интерметаллидные сплавы должны обладать следующими свойствами: высокие прочностные и жаростойкие удельные характеристики, достаточное сопротивление износу, приемлемые пластичность и технологичность, высокое сопротивление коррозии и окислению.

Наиболее практичный интерес представляют алюминиды и сплавы на их основе по следующим причинам:

а) алюминиды и сплавы на их основе имеют высокие прочностные свойства при рабочих температурах, присущие никелевым сплавам, и выше них (при меньшей плотности). Особое внимание вызывают интерметаллиды с высокой температурой плавления: Nb3Al (1960°C), MoSi2 (2030°C), которые предназначены для работы при температурах выше 1200° С. Ленты из сплава Nb3Al быстро закристаллизованы, имеют временное сопротивление разрыву 900 МПа при 1300°С и 700 МПа при 1400°С. В связи с этим считают, что жаропрочные материалы на интерметаллидной основе заполнят пробел в температурах эксплуатации, которая наблюдается между никелевыми сплавами (~ 1100°С) и керамикой (1300°С). Предельную температуру эксплуатации интерметаллидов оценивают равной 0,5-0,7 tпл (преимущественно 0,5 tпл).

б) алюминий существенно снижает плотность сплавов. Так, в частности, плотность интерметаллида TiAl в 2,5 раза меньше, чем в жаростойких никелевых сплавах. Низкая плотность алюминидов способствует повышению удельных характеристик прочности и жаропрочности. В последнее время активно изучается и используется один из самых легких интерметаллидов - Mg2Si (плотность которого 1,94 г/см3).

сплав интерметаллид никель титан

в) по сравнению с другими материалами алюминиды имеют высокое сопротивление окислению. Одним из лучших материалов является интерметаллидов Fe3Al. Высокую жаростойкость имеют силициды.

г) алюминий относится к сравнительно недорогим, недефицитным легирующим элементам.

Использование интерметаллидов и сплавов на их основе в качестве конструкционных материалов тормозится по следующим причинам [3]:

1. свойственна интерметаллидам хрупкость, особенно, при комнатной температуре

2. недостаточное в некоторых случаях сопротивление окислению;

3. недостаточная надежность методов проектирования и предсказания продолжительности эксплуатации изделий из интерметаллидов;

4. отсутствие поставщиков качественной продукции с интерметаллидами;

5. высокая стоимость изделий.

Способы повышения пластичности интерметаллидов: микролегирования, легирование, формирование оптимальной микроструктуры, повышение чистоты исходных материалов.

Известно, что введение 0,02-0,1% В в алюминии никеля Ni3Al и практически во все сплавы на его основе повышает их пластичность. Хром положительно влияет на механические свойства почти всех интерметаллидов, ниобий - улучшает свойства алюминида титана.

В настоящее время активно используют укрепление интерметаллидов дисперсными частицами. К подобным сплавам относятся: NiAl - NbNiAl, NiAl - TaNiAl, NiAl - Ni2AlTi, NiAl - Ni2AlTa. Дисперсное упрочнение, реализуется методами порошковой металлургии, обеспечивают оксид. К таким сплавам относятся интерметаллиды FeAl, Fe2Al, NiAl, Ni3Al, Ti3Al, которые упрочнены оксидами (Al2O3, Y2O3), карбидами (HfC), боридами (TiB2).

Для улучшения механических свойств необходимо получать определенный тип и параметры микроструктуры. Необходимо стремиться получить как можно мелкозернистую структуру. С измельчением зерна повышаются пластические и прочностные характеристики, осложняется зерно граничное разрушение, создаются условия сверх пластической деформации. Мелкозернистую структуру получают при кристаллизации при больших скоростях охлаждения, выбором оптимальных условий термомеханической обработки, методами порошковой металлургии. При сверхбыстрой кристаллизации формируется нанокристаллическая структура, что приводит к повышению пластичности, сопротивления растрескиванию и вязкости разрушения.

К новым перспективным направлениям технологии производства интерметаллидов относится получение монокристаллических материалов.

Наибольшие успехи достигнуты в разработке конструкционных жаропрочных интерметаллидных материалов для алюминидов титана и никеля, а в области функциональных материалов с эффектом памяти формы - для никелида титана.

Сплавы на основе алюминидов титана

С промежуточных фаз, образующихся в системе Ti - Al, наибольший практический интерес представляют алюминиды Ti3Al и TiAl. Интерметаллиды Ti3Al (2-фаза) представляют собой надструктуры на основе -фазы, в которой атомы титана и алюминия расположены упорядоченно. Пластичность интерметаллида Ti3Al мала. Существенное повышение пластичности обеспечивается путем создания мелкозернистой структуры за счет термомеханической обработки или методов порошковой металлургии. В области хрупкого разрушения (при 400°С) относительное удлинение интерметаллида Ti3Al с мелким зерном достигает 3,2 %, а при переходе к вязкому разрушению (600-650°С) относительное удлинение возрастает с 15% до 45%.

У интерметаллидов Ti3Al при малой скорости деформации (5*10-4с-1) обнаруживается при 1000°С признаки сверхпластичности (120%). Механические свойства алюминида Ti3Al могут быть улучшены легированием гафнием, молибденом, ниобием, танталом, ванадием, вольфрамом, цирконием и некоторыми другими элементами. Наилучшие результаты обеспечиваются легированием алюминида Ti3Al ниобием, так, что система Ti3Al - Nb является базовой при разработке сплавов на его основе. К системе Ti3Al - Nb относятся зарубежные сплавы: промышленный сплав альфа - 2 (Ti - 14 %, Al - 21 %, Nb ваг.) И супер - альфа - 2 (Ti - 15 %, Al - 20 %, Nb - 3 %, V-2 %, Mo) [5].

Сплав альфа - 2 после отжига при температуре 1200°С и старения при температуре 760°С в течение 8 часов имеет при 20°С В=665 МПа, =2,1%. Сплав супер - альфа - 2 после закалки при температуре 1060° С и старения при температуре 650°С в течение 2 часов имеет В=1400 МПа, =0,1% [6].

Таблица 1. Механические свойства сплавов на основе интерметаллида Ti3Al

сплав

Термическая обработка (структура)

Свойства сплава,°С

100, МПа

20

650

В, МПа

, %

В, МПа

, %

Ti3Al

отжиг

220…600

0

430…460

2…3

130 (800)

Ti3Al

Мелкозернистая структура

538

0,3

-

-

-

альфа-2

(24-11)

отжиг 1200°С+760°С, 8 час

665

2,1

-

-

-

24-15

(2+) - закалка

800

5…6

-

-

-

супер-альфа - 2

закалка1060°С+старение 650°С, 2 час

1400

0,1

-

-

-

супер-альфа - 2

Закалка 1060°С+старение 850°С, 2 час

1050

1,5

-

-

-

супер-альфа - 2

бимодальная

1000

6…9

-

-

-

ВТИ-1

глобулярная

1050

2,5…3

820…880

-

380 (650)

мелкое зерно

1100

-

-

-

-

крупное зерно

1020…1050

1…1,5

830…860

-

-

Сплав супер - альфа - 2 после закалки при температуре 1060°С и старения при температуре 850°С, в течение 2 часов имеет: В=1050 МПа, =1,5%

К этому же типу сплавов на основе Ti3Al принадлежит отечественный сплав ВТИ - 1 (Ti - 14, 5 % Al - 22 % Nb - 1, 5Zr - 0, 25Si). Сплав ВТИ - 1 с мелкозернистой структурой подвержен сверхпластичности при температурах, близких к 1000°С ( (=600%, =10-4с-1).

Интерметаллид TiAl имеет упорядоченную тетрагонально искривленную гранецентрированную структуру, в которой плоскости100, заполненные атомами титана, чередуются с плоскостями, занятыми атомами алюминия. Пластичность интерметаллида TiAl при температурах ниже 700°С незначительна, что обусловлено особенностями его дислокационного строения. В зависимости от чистоты и микроструктуры механические свойства интерметаллида TiAl колеблются в довольно широких пределах, и при комнатной температуре составляют 350-580 МПа, = 0,5-1,5 %, TiAl = 3,8 г/см3. В зависимости от технологии получения заготовок, режимов горячей деформации и последующей термической обработке можно получить 3 основных типа структур интерметаллида TiAl: пластинчатую (ламельную), рекристализованую и смешанную (дуплексную) [7].

Пластинчатая структура: полностью двойникованые пластины - фазы, по границам которых расположены тонкие слои 2 - фазы. В зависимости от скоростей кристаллизации и охлаждения толщина - пластин и 2 - слоїв может значительно изменяться (от нескольких микрометров до десятих долей микрометра).

Механические свойства интерметаллида TiAl с пластинчатой структурой невелики:: В=350-400 МПа, =0,5%, .

Рекристализованная структура представлена зернами - фазы и выделениями 2 - фазы, которые сформированы в результате динамической или статической рекристаллизации. Такая структура обеспечивает более высокий комплекс механических свойств [8].

Дуплексная структура (смешанная) состоит из областей, которые представлены рекристализованы зернами и областями пластинчатого строения. Такая структура имеет лучший комплекс механических свойств: В=550 МПа, =1,5%, .

Мелкозернистый интерметаллид TiAl проявляет склонность к сверхпластичности: при температуре 800°С и скорости деформации 8,3 * 10-4 с-1 пластичность составляет 225 %. Сплавы на основе интерметаллида TiAl, содержащие 47-48 % ат. Al, имеют лучшую пластичность. Пластичность алюминида TiAl можно повысить легированием следующими компонентами: Be, Cr, Nb, Mo, Ni, Si, Sn, Mn, V, W, Ag, Ga. Повышение пластичности может быть связано с уменьшением вклада ковалентной и увеличением доли металлической связи. Легирования TiAlNb, Si, W приводит к повышению жаростойкости. Сопротивление ползучести (жаропрочность) увеличивается при легировании: B, С, Cr, Nb, Та, W.

К лучшим сплавам на основе TiAl относят сплав 48-2-2 (Ti - 48 % Al - 2% Cr - 2% Nb). Этот сплав имеет хорошее сочетание пластичности и технологичности, высокие характеристики жаропрочности, коррозионной стойкости [9]. Благодаря низкой плотности и достаточно высоким прочностными характеристикам интерметаллидов TiAl и сплавы на его основе превосходят существующие жаропрочные сплавы на основе титана, железа, никеля по удельным значениям модулей упругости и показателям жаропрочности в интервале температур до 850-900° С.

Сплавы на основе алюминидов никеля

С алюминидов никеля наибольший интерес как жаропрочные материалы представляют интерметаллиды Ni3Al и NiAl, которые имеют достаточно высокие характеристики жаропрочности и жаростойкости.

Алюминид никеля Ni3Al составляет основу фазы бертолидного типа - - фазы. Фазы Ni3Al - надструктура с кубической решеткой. В элементарной ячейке такой решетки атомы алюминия занимают вершины куба, а атомы никеля - центры граней. При комнатной температуре предел прочности литого алюминида Ni3Al стехиометрического состава (13,3 % Al) составляет 190-215 МПа и относительное удлинение 1%. Увеличение содержания алюминия до 14 % приводит к некоторому повышению 270-350 МПа и 1,2-1,7 % литого интерметаллида. Предел текучести интерметаллида Ni3Al, полученный методами порошковой металлургии, колеблется в пределах от 100 МПа до 900 МПа, при изменении величины зерна от d = 1000 мкм до d = 3 мкм. Относительное удлинение при этом составляет 1-2,5 %. Аномальная температурная зависимость прочностных свойств интерметаллида Ni3Al связана с особым механизмом движения дислокаций [10].

Монокристаллы Ni3Al имеют высокую пластичность, в то время, как поликристаллы Ni3Al отличаются хрупкостью. Хрупкость поликристаллов Ni3Al является следствием слабости границ зерен и осложнения осуществления скольжения по границам зерен.

Пластичность и прочность интерметаллида Ni3Al можно повысить измельчением зерна и повышением чистоты исходных материалов. Наиболее эффективным способом повышения комплекса его свойств является легирования.

Низкотемпературную пластичность Ni3Al наиболее эффективно повышают небольшие добавки бора (0,05-0,1 % ат.), который сегрегирует на границах зерен и ликвидирует межзеренные разрушения. По возрастанию интенсивности упрочняющие легирующие элементы можно расположить в следующий ряд: хром, ванадий, титан, молибден, вольфрам, ниобий, тантал, цирконий, гафний.

Элементы тем сильнее укрепляют Ni3Al, чем дальше от никеля (влево и ниже) они располагаются в периодической системе Д.И. Менделеева.

Интерметаллидные соединения Ni3Al может быть основой создания литейных жаропрочных сплавов с рабочими температурами до 1250° С, которые отличаются высокой термической стабильностью и низкой плотностью. Отечественные сплавы на основе Ni3Al - ВКНА - 1В и ВКНА - 4В относятся к комплексно - легированным. Жаропрочность сплава ВКНА - 1В при температурах 1100-1300°С выше, чем у лучших жаропрочных никелевых сплавов [11].

Интерметаллид NiAl относится к дальтонидам с упорядоченной кубической объемно-центрированной кристаллической решеткой. Температура плавления NiAl составляет 1638°С, теоретическая плотность - 6,02 г/см3.

Интерметаллид NiAl более хрупкий, чем Ni3Al. Хрупкость NiAl - его естественное свойство, самым тщательным очищением не удается перевести его в пластическое состояние.

Области использования сплавов на основе интерметаллидов

Области использования интерметаллидов и сплавов на их основе чрезвычайно широкие из-за большого разнообразия их свойств. К этим материалам относятся сплавы с особыми физическими и химическими свойствами. Жаропрочные алюминиды и сплавы на их основе представляют значительный интерес для авиационной и аэрокосмической техники вследствие высокой стабильности, жаропрочности и жаростойкости. Так, в частности, сплавы на основе алюминида титана (Ti3Al) используют для изготовления уплотнений сопел форсажной камеры двигателя (авиационного), сотовых конструкций сверхзвуковых самолетов, а также других деталей [11-18].

Сплавы на основе TiAl считают перспективными материалами для изготовления опор трубопроводов, уплотнителей кожуха, статора компрессора, воздушных фильтров камеры низкого давления, деталей сопла, лопаток компрессора, корпуса турбины авиационных двигателей. Сплавы на основе TiAl могут быть использованы для изготовления элементов обшивки космических аппаратов и элементов теплозащитных систем сверхзвуковых самолетов. Интерметаллид TiAl предполагается использовать для изготовления выхлопных клапанов, деталей турбокомпрессоров и других элементов двигателей автомобилей вместо жаропрочных нержавеющих сталей и никелевых сплавов [13].

Сплавы на основе алюминидов никеля могут быть использованы в качестве конструкционных литейных материалов для изготовления деталей машин, работающих длительное время при повышенных температурах в окислительных средах, причем, для обеспечения их работоспособности в этих условиях не требуется специальной защиты. Использование этих сплавов в промышленности позволит существенно повысить срок службы и эксплуатационную надежность деталей, уменьшить их вес. Новые сплавы на основе Ni3Al предназначены для работы при повышенных температурах в среде активных газов и жидкостей. Из них, в частности, могут изготавливаться поршни, вентили, роторы в машиностроении, нагревательные трубы.

Интерметаллидных соединения и сплавы на их основе являются перспективными конструкционными материалами для работы при высоких температурах. Считается, что использование интерметаллических соединений может открыть новую эру в создании двигателей для аэрокосмической техники и развития других отраслей промышленности.

Сплавы с эффектом памяти формы используются в тех случаях, когда конструкцию или элемент сложно, или вовсе невозможно изготовить стандартными способами. Например, установка защелок в соединение, к которому нет подхода с внутренней стороны. В этом случае крючок с двумя головками охлаждают до температуры ниже Мк и замыкающую головку деформацией превращают в цилиндр, равный по диаметру стержню защелки. Стержень вставляют в отверстие соединения защелки и после нагрева до температур выше Ак конец стержня превращается снова в замыкающую головку.

Сплавы типа "нитинол" используют для изготовления муфт соединения и уплотнений трубопроводов в сложно доступных для монтажа местах, в частности, при изготовление авиационной техники. Такие муфты для увеличения их диаметра деформируют в жидком азоте и в охлажденном вида свободно насаживают на место стыка. После нагрева до комнатной температуры муфта восстанавливает свою форму и обеспечивает плотное и прочное соединение труб.

Для космической техники большой интерес представляют устройства большой длины, саморозгортаються, типа антенн. Изделию придают форму, которая требуется при эксплуатации, затем его сворачивают (деформируют) при комнатной температуре, чтобы можно было транспортировать в компактном виде. После доставки на место назначения свернутый изделие отогревается результате подогрева на солнце и принимает форму, требуется.

Кроме указанных, было предложено много различных других областей использования сплавов с ЕЗФ: биологические имплантанты, новые материалы в стоматологии, пружины различного назначения, тепловые двигатели, манипуляторы и др. Без сомнения, области использования сплавов с ЕЗФ будут непрерывно расширяться.

1. Жаропрочные титановые сплавы для деталей ГТД

Существенное повышение требований к экономичности и надежности газотурбинных двигателей, к снижению их шумовых характеристик и увеличению ресурса заметно обострили проблему выбора конструкционных материалов, используемых для изготовления ответственных деталей двигателя, в первую очередь, - для лопаток и дисков компрессора высокого давления.

Если учесть, что в современном авиационном двигателе доля титановых сплавов составляет >30% (рис.1) [1], то станет понятно, насколько важны эти материалы для авиации и насколько необходимо интенсивное развитие материаловедения титановых сплавов и технологии их производства.

Рис. 1. Области применения жаропрочных титановых сплавов в конструкции ГТД

Одним из главных лимитирующих факторов при разработке титановых сплавов стало требование по повышению рабочей температуры деталей компрессора высокого давления ГТД до 550-650°С. По этой причине создание жаропрочных титановых сплавов с высоким сопротивлением малоцикловой усталости и ползучести является в настоящее время одной из наиболее актуальных задач современного двигателестроения.

Прототипами таких сплавов стали отечественные жаропрочные титановые сплавы ВТ25У и ВТ18У, разработанные и внедренные в 80-х годах прошлого столетия, и зарубежные сплавы IMI834 и IMI550 (Великобритания). Различия в химических составах отечественных и зарубежных сплавов невелики, но они носят крайне принципиальный характер. Разработчики сплавов серии IMI в целях обеспечения высокого сопротивления ползучести и термостабильности существенно уменьшили содержание в-фазы в своих сплавах. В результате этого значительно ухудшилась их технологичность. В отечественных сплавах небольшое количество остаточной в-фазы было сохранено, поэтому они обладают приемлемой для производства технологичностью, что позволяет изготовлять блиски, барабаны, диски и лопатки различных ступеней КВД авиационных двигателей. Однако наличие остаточной в-фазы привело к тому, что хотя по характеристикам кратковременной и длительной прочности при рабочих температурах отечественные титановые сплавы и превосходят импортные аналоги (табл.1), но все же сопротивление ползучести и термическая стабильность при предельной температуре (600°С) у наших сплавов ниже, чем у зарубежных.

Таблица 2

Механические свойства жаропрочных титановых сплавов [2]

Сплав

Предел прочности, МПа

Длительная прочность, МПа, в течение 100 ч

при температуре испытаний,°С

20

550

600

550

600

ВТ18У

910

-

600

-

372

IMI834

1040

-

600

-

300

ВТ25У

1080

784

-

450

-

IMI550

1048

715

597

410

-

Следует отметить, что приведенные в табл.1 данные по уровню свойств жаропрочных титановых сплавов уже вряд ли удовлетворяют конструкторов. По этой причине относительно новые жаропрочные титановые сплавы - как отечественные, так и зарубежные (ВТ25У и ВТ18У, Тi-6-2-4-2 и IM834) - нуждаются в дальнейшем улучшении их эксплуатационных характеристик.

Несмотря на то, что исследователи подошли практически вплотную к предельным возможностям твердо-растворного упрочнения псевдо-б-сплавов титана, проводимые во ФГУП "ВИАМ" в данном направлении работы, позволяют считать, что применение дополнительного многокомпонентного легирования обеспечит некоторое повышение жаропрочных характеристик титановых сплавов.

Так, использование дополнительного легирования такими элементами, как W и Fe, позволило обеспечить повышение и предела прочности ув600° до 720 МПа, и предела длительной прочности при 600°С на базе 100 ч (у100600°) - до 335 МПа (рис.2) для нового жаропрочного титанового сплава ВТ41.

Улучшение прочностных характеристик и жаропрочности при введении дополнительных легирующих элементов связано, главным образом, с образованием некоторого количества карбидной фазы на основе вольфрама и упрочнением, вызванным дополнительным легированием б-твердого раствора железом, введенным в пределах растворимости.

Рис. 2. Механические свойства серийного сплава ВТ18У (?) и нового сплава ВТ41 (¦), полученные на штамповках дисков, изготовленных методом в-деформации (при испытании на МЦУ: N=104 цикл; R=0; f=10 Гц; Kt=3,35; rн=0,25 мм)

В то же время свойства, связанные с механизмом ползучести и распространения трещины, зависят не столько от вида легирования, сколько от типа структуры. Получение заданного типа микроструктуры материала детали определяется технологическими режимами деформации, используемыми при ее изготовлении, и последующей термической обработки [3].

Проследить, каким образом технологические режимы термомеханической обработки влияют на микроструктуру сплава и, как следствие, - на трещиностойкость и характеристики усталостной прочности можно на примере нового жаропрочного титанового сплава ВТ41, который предназначен для работы при температурах до 600°С. Полуфабрикаты, изготовленные (б+в) - деформацией, обладают глобулярно-пластинчатой структурой (рис.3), которая обеспечивает повышенные характеристики усталостной прочности на мало - и многоцикловой базах испытаний (табл.2). Метод в-деформации позволяет получить на полуфабрикатах пластинчатую структуру (рис.3, а), которая обеспечивает повышенную жаропрочность и трещиностойкость (табл.3) [4].

Рис.3. Микроструктура полуфабрикатов из сплава ВТ41: а - пластинчатая (штамповка, в-деформация); б - глобулярно-пластинчатая (штамповка диска, (б+в) - деформация); в - глобулярно-пластинчатая (пруток, (б+в) - деформация)

Таблица 3

Механические свойства нового отечественного и зарубежного жаропрочных титановых сплавов [2, 3, 5, 6]

Сплав

Полуфабрикат, состояние

ув

у0,2

ув600°

у100600°

(МЦУ/МнЦУ): уR*, МПа, при N=2Ч104/N=2Ч107 цикл

МПа

ВТ41

Штамповка (b-деформация),

отожженное состояние

1030

945

720

330

930/410

Штамповка ( (б+в) - деформация), отожженное состояние

1080

1020

660

295

970/490**

IMI834

Штамповка, пруток

( (a+b) - деформация),

закалка и старение

1040

935

660

300

915/470

(N=107 цикл)

*Для МЦУ: R=0; f=10 Гц; для МнЦУ: R=-1;

** Катаный пруток, закалка и старение.

По данным, приведенным в табл.3, можно сделать вывод, что эксплуатационные свойства нового жаропрочного титанового сплава ВТ41 не только превышают свойства серийного сплава ВТ18У, но и превосходят свойства зарубежного жаропрочного титанового сплава-аналога IMI834.

Однако предел рабочих температур жаропрочных титановых сплавов типа ВТ18У, ВТ41 и IMI834 составляет 550-600°С, что является недостаточным для деталей компрессора и турбины ГТД нового поколения. Поэтому в течение последних лет внимание разработчиков и исследователей всего мира приковано к новому классу материалов. Благодаря высоким удельным прочностным характеристикам, рабочей температуре >600°С и стойкости к окислению и возгоранию [7, 8], интерметаллидные сплавы на основе алюминидов титана, а именно на основе орто-фазы Ti2AlNb, являются наиболее перспективными материалами для изготовления деталей последних ступеней компрессора и турбины ГТД нового поколения.

Типичными представителями интерметаллидных титановых орто-сплавов являются сплавы, приведенные в табл.3.

Таблица 4

Интерметаллидные сплавы на основе орто-фазы (Ti2AlNb) [2, 9]

Сплав

Система легирования

Страна-разработчик

22-27

22-25

ВТИ-4

ВИТ1

Ti-Al-Nb

Ti-Al-Nb- (Mo, Zr, Si)

Ti-Al-Nb- (Zr, Mo) - Si

Ti-Al-Nb- (Zr, Mo, Ta, W) - (Si, C)

США

Франция

РФ (ФГУП "ВИАМ")

РФ (ФГУП "ВИАМ")

Современные орто-сплавы в качестве легирующих элементов (кроме ниобия) содержат также элементы: Mo, V, Ta, W и Zr. Выбор указанных элементов обусловлен тем, что в тройных сплавах Ti-Al-Nb они повышают упругие и прочностные свойства, снижают окисляемость, а за счет изменения фазового состава и структурных превращений позволяют сформировать многочисленные типы структур с повышенными прочностными и пластическими характеристиками и параметрами надежности [9-12]. Для повышения жаропрочных свойств в сплавы вводят Si и С, которые благодаря образованию сложных силицидов, карбидов и дисперсного упрочнения, повышают температурные характеристики - кратковременную и длительную прочность композиций.

Повышенные жаропрочные свойства орто-сплавов наблюдаются при легировании их тугоплавкими элементами, однако повышенное легирование нецелесообразно, поскольку увеличивается плотность сплавов и снижается пластичность, что приводит к уменьшению удельных жаропрочных характеристик и ухудшению технологичности. Преодоление указанных трудностей достигается путем разработки экономно легированных орто-сплавов и использования технологий производства титановых сплавов, позволяющих за счет твердо-растворного, дисперсионного и структурного упрочнения орто-фазы сохранить хорошую технологичность при сохранении приемлемой жаропрочности. Используя указанные приемы и методы, во ФГУП "ВИАМ" разработаны орто-сплавы ВТИ-4 и ВИТ1 [9, 13].

В табл.4 представлены физико-механические свойства интерметаллидных титановых сплавов на основе орто-фазы (Ti2AlNb).

Таблица 5

Физические и механические свойства интерметаллидных титановых сплавов на основе орто-фазы [2, 9]

Сплав

d, г/см3

ув, МПа

д, %

ув/d, км (усл. ед.)

ув650°

у100650°

МПа

22-27

22-25

ВТИ-4

(лист 2,5 мм)

ВИТ1

(пруток 25 мм)

5,4

5,39

5,1

5,3

1080

1415

1150

1250

5,1

4,6

8,0

6,0

200,0

262,5

225,5

236,0

850

944

950

1150

340

350

450

Хотя интерметаллидные сплавы на основе орто-фазы Ti2AlNb являются наиболее перспективными материалами для изготовления деталей последних ступеней компрессора и турбины ГТД нового поколения, освоение орто-сплавов в промышленном масштабе сдерживается рядом трудностей, которые вызваны специфическими особенностями (большое количество легирующих элементов, повышенная температура плавления и вязкость расплавов, трудность точного определения основных компонентов) и использованием мощного металлообрабатывающего оборудования для производства конечных деформированных полуфабрикатов - штамповок, поковок, листов, прутков и пр. Поэтому оптимизация химического состава, технологий выплавки и деформации, направленная на повышение характеристик пластичности, технологий механической обработки, изучение кинетики структурно-фазовых превращений, происходящих при термомеханической обработке, являются первоочередными задачами при исследовании интерметаллидных титановых сплавов [12-15].

В настоящее время проводятся работы по освоению разработанных интерметаллидных титановых сплавов на базе промышленных предприятий и их внедрению в перспективные изделия. Одновременно с этим продолжаются работы по дальнейшему совершенствованию композиций сплавов и технологий их металлургического производства в соответствии со стратегическими направлениями развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года [16-18]. Требования, предъявляемые конструкторами к материалам для модернизируемых и новых изделий авиационной техники, ставят перед разработчиками материалов все новые задачи.

Использованная литература

1. Иноземцев А.А., Башкатов И.Г., Коряковцев А.С. Титановые сплавы в изделиях разработки ОАО "Авиадвигатель". Современные титановые сплавы и проблемы их развития: Сборник. М.: ВИАМ. 2010. С.43-46.

2. Ильин А.А., Колачев Б.А., Полькин И.С. Титановые сплавы. Состав, структура, свойства. Справочник. М.: ВИЛС-МАТИ. 2009.520 с.

3. Материаловедение: учебник для высших технических учебных заведений. Арзамасов Б.Н., Сидорин И.И., Косолапов Г.Ф. и др. / Под общ. ред. Арзамасова Б.Н. - 2-е изд., исправл. и доп. - М.: Машиностроение. - 1986. - 384 с.

4. Проходцева Л.В., Филонова Е.В., Наприенко С.А., Моисеева Н.С. Исследование закономерностей развития процессов разрушения при циклическомнагружении сплава ВТ41 /В сб. Авиационные материалы и технологии: Юбилейный науч. - технич. сб. (приложение к журналу "Авиационные материалы и технологии"). М.: ВИАМ. 2012. С.407-411.

5. Gey N., Bocher P., Uta E., Humbert M., Gilgert J. How texture and microtexture influence dwell fatigue lifetime in forged IMI834 titanium alloys /In: Ti-2011: Proceedings of the 12th World Conference on Titanium. 2011. V.1. P.879-883.

6. TMC-0614. Timet Datasheet alloy 834 - Timet. 2000.3 p. /http://www.timet.com/images/document/datasheets/alphaalloys/834. pdf.

7. Ночовная Н.А., Алексеев Е.Б., Изотова А.Ю., Новак А.В. сплавы и особенности их применения // Титан. 2012. №4. С.42-46.

8. Гольдштейн М.И., Грачев С.В., Векслер Ю.Г. Специальные стали. - 2-е изд. доп. и перераб. - М.: МИСИС. - 1999. - 408 с.

9. Иванов В.И., Ночовная Н.А. Интерметаллиды на основе титана // Титан. 2007. №1. С.44-48.

10. Tang F., Nakazawa S., Hagiwara M. The effect of quaternary additions on the microstructures and mechanical properties of orthorhombic Ti2AlNb-based alloys // Material Science and Engineering A329-331.2002. P.494-498.

11. Germann L., Banerjee D., Guedou J. Y., Strudel J. - L. Effect of composition on mechanical properties of newly developed Ti2AlNb-based titanium aluminide // Intermetallics. 2005. №13. P.920-924.

12. Titanium and titanium alloys. Fundamentals and applications /Ed. by Leyens C., Peters M. Wiley - VCH. Germany. 2003.51 p.

13. Ночовная Н.А., Иванов В.И., Алексеев Е.Б., Кочетков А.С. Пути оптимизации эксплуатационных свойств сплавов на основе интерметаллидов /В сб. Авиационные материалы и технологии: Юбилейный науч. - технич. сб. (приложение к журналу "Авиационные материалы и технологии"). М.: ВИАМ. 2012.С. 196-205.

14. Хаджиева О.Г., Илларионов А.Г., Попов А.А. Влияние водорода на процессы структурообразования и деформируемость сплава на основе орторомбического алюминида титана // Титан. 2012. №4. С.21-26.

15. Nochovnaya N., Izotova A., Alexeev E., Ivanov V. Opportunities of increase of mechanical properties of the deformed semifinished products from Ti-Al-Nb system alloys /In: Ti-2011. Proceedings of the 12th World Conference on Titanium. 2011. V.2. P.1383-1386.

16. Каблов Е.Н. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года /В сб. Авиационные материалы и технологии: Юбилейный науч. - технич. сб. (приложение к журналу "Авиационные материалы и технологии"). М.: ВИАМ. 2012. С.1-7.

17. Каблов Е.Н. ВИАМ. Направление главного удара // Наука и жизнь. 2012. №6. С.14-18.

18. Антипов В.В. Стратегия развития титановых, магниевых, бериллиевых и алюминиевых сплавов /В сб. Авиационные материалы и технологии: Юбилейный науч.-технич. сб. (приложение к журналу "Авиационные материалы и технологии"). М.: ВИАМ. 2012. С. 157-166.

Размещено на Allbest.ru


Подобные документы

  • Алюминий и его сплавы. Характеристика и классификация алюминиевых сплавов. Деформируемые, литейные и специальные алюминиевые сплавы. Литые композиционные материалы на основе алюминиевого сплава для машиностроения. Состав промышленных дюралюминов.

    курсовая работа [2,8 M], добавлен 15.01.2014

  • Титан и его распространенность в земной коре. История происхождения титана и его нахождение в природе. Сплавы на основе титана. Влияние легирующих элементов на температуру полиморфного превращения титана. Классификация титана и его основных сплавов.

    реферат [46,4 K], добавлен 29.09.2011

  • Двухкарбидные твердые сплавы. Основные свойства и классификация твердых сплавов. Метод порошковой металлургии. Спекание изделий в печах. Защита поверхности изделия от окисления. Сплавы на основе высокотвердых и тугоплавких карбидов вольфрама и титана.

    контрольная работа [17,9 K], добавлен 28.01.2011

  • Формирование структуры и методы исследования свойств металлов; диаграмма состояния "железо-цементит". Железоуглеродистые сплавы; термическая обработка металлов и сплавов. Сплавы, применяемые в промышленности; выбор сплава на основе цветного металла.

    контрольная работа [780,1 K], добавлен 13.01.2010

  • Основные виды неметаллических конструкционных материалов. Древесные материалы, их общая характеристика и классификация. Антифрикционные сплавы на основе цветных металлов, их назначение, маркировка, основные области применения и условия эксплуатации.

    контрольная работа [80,7 K], добавлен 20.07.2012

  • Эксплуатационные свойства металлов. Классификация металлических материалов. Черные и цветные металлы, их сплавы. Стали для режущих и измерительных инструментов. Стали и сплавы со специальными свойствами. Сплавы алюминия и меди. Сплавы с "эффектом памяти".

    курсовая работа [1,6 M], добавлен 19.03.2013

  • Система алюминий-магний (Al-Mg) как одна из самых перспективных при разработке свариваемых сплавов, основные недостатки и преимущества данной группы. Сплавы алюминия с прочими элементами, их основные характеристики. Области применения алюминиевых сплавов.

    контрольная работа [24,6 K], добавлен 21.01.2015

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.