НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МАТЕРІАЛОЗНАВСТВА

ім. І.М.Францевича

КУЗЬМЕНКО МИКОЛА МИКОЛАЙОВИЧ

УДК 669.2/8:621.762:539.3

„РОЗРОБКА ТЕРМОДЕФОРМОВАНИХ ТИТАНОВИХ КОМПОЗИТІВ СИСТЕМИ Ti-Si-(Al,Zr) КОНСТРУКЦІЙНОГО ПРИЗНАЧЕННЯ ДЛЯ ВИКОРИСТАННЯ В ІНТЕРВАЛІ ТЕМПЕРАТУР 20-700 оС”

Спеціальність 05.02.01 – матеріалознавство

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2006

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті проблем матеріалознавства ім. І.М.Францевича Національної академії наук України

Науковий керівник: академік НАН України, доктор фізико-математичних наук, професор Фірстов Сергій Олексійович,

Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України, заступник директора

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, старший наук. співробітник

Ахонін Сергій Володимирович,

Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона

НАН України, завідувач відділу фізико-металургійних проблем зварювання титанових сплавів

доктор технічних наук, професор

Іванченко Володимир Григорович,

Інститут металофізики ім. В.Г. Курдюмова

НАН України, завідувач відділу фазових рівноваг

Провідна установа: Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України (м. Львів), відділ високотемпературної міцності конструкційних матеріалів у газових та рідкометалевих середовищах

Захист відбудеться " 23 " жовтня 2006 р. об 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.207.03 Інституту проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України за адресою: 03680, Київ-142, вул. Кржижанівського, 3

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України за адресою: 03680, Київ-142, вул. Кржижанівського, 3

Автореферат розіслано " 18 " вересня 2006 року

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д26.207.03

доктор технічних наук Р.В. Мінакова

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми досліджень визначається значним попитом промисловості на нові матеріали конструкційного призначення з високою питомою міцністю, здатних витримувати навантаження за надважких умов роботи. В даний час виникла потреба в пошуку матеріалів, які могли б об’єднати в собі: малу питому вагу, високі міцність та пластичність при кімнатній температурі, жароміцність та жаростійкість. Існує великий інтерес до матеріалів із високими питомою міцністю та модулем пружності.

Аерокосмічна та авіаційна техніка потребують матеріалів, які зможуть доповнити традиційно використовувані в даних областях жароміцні сплави на основі нікелю, кобальту та заліза. Жароміцні сплави на основі титану – один із шляхів вирішення цієї проблеми. Але незважаючи на те, що титанові сплави переважають по питомій міцності традиційні жароміцні матеріали при помірних температурах, зі зростанням температури їх міцність починає суттєво зменшуватись. Робочі температури сучасних промислових титанових сплавів (ВТ18У, ІМІ 834, Ті-1100) не перевищують 600 оС, що обмежує їх використання. Тому проблема поліпшення механічних характеристик титанових сплавів при температурах вищих за 600 оС актуальна на даний момент та потребує свого вирішення.

Одним із напрямків вирішення даної проблеми – створення титанових композитів на основі системи Ti-Si із вмістом кремнію, що перевищує термодинамічно стабільну величину у твердому розчині. Такі композити мають багатофазну структуру, де зміцнення титанової матриці тугоплавким з’єднанням Ti5Si3 відбувається природним чином у процесі кристалізації. Сплави даної системи є перспективними для створення нового класу матеріалів із високим рівнем жароміцних та жаростійких характеристик. Великий вклад у розвиток даного напрямку матеріалознавства внесли такі видатні вітчизняні вчені як Ю.М. Таран, В.І. Трефілов, В.І. Мазур та С.О. Фірстов. Протягом останніх двадцяти років подібний клас матеріалів вивчався за кордоном у роботах F.W. Crossman, G. Frommeyer, J.L. Murray, R.L. Saha та інших. Попередні дослідження показали, що класу титанових композитів системи Ti-Si притаманна низька пластичність у литому стані при кімнатній температурі, що суттєво обмежує їх застосування в реальних виробах. Для підвищення комплексу фізико-механічних характеристик при кімнатній температурі та отримання високої жароміцності та жаростійкості таких композитів у роботі вперше проводиться оптимізація їх хімічного складу, розробка режимів гарячого деформування, дослідження їх структури та механічних властивостей в литому та деформованому станах.

У зв’язку із цим, визначення закономірностей зміни фізико-механічних характеристик сплавів системи Ti-Si-(Al,Zr) у діапазоні експлуатаційних температур 20-700 оС та оцінка впливу при цьо-

му мікроструктури та механізмів руйнування в цих матеріалах є актуальним науковим і приклад-

ним завданням.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація відповідає основним науковим напрямкам робіт Інституту проблем матеріалознавства ім. І.М.Францевича НАН України і виконана в рамках тематичних планів НАН України:

· 1.6.2.22-01, ”Вплив термомеханічної обробки на будову та механічну поведінку титанових сплавів та in-situ композитів на їх основі” (2001-2005 р.р.);

· Проект УНТЦ Р-060, ”Вивчення будови та механічної поведінки теплостійких титанових сплавів з евтектичним зміцненням” (2001-2003 р.р.);

· Ц/12-2, ”Структурні та фізико-механічні підґрунтя оптимізації властивостей перспективних жароміцних сплавів на основі титану” (2002-2006 р.р.).

Мета і задачі роботи. Метою даної роботи є розв’язання науково-технологічної задачі з розробки нових титанових сплавів із силіцидним зміцненням та режимів їх гарячого деформування. Досягнення поставленої мети вимагало вирішення наступних задач:

- вивчити процеси структуроутворення у композитах систем Ti-Si та Ti-Si-(Al,Zr) при гарячому деформуванні;

- дослідити вплив структури та фазового складу на закономірності формування механічних властивостей сплавів системи Ti-Si та Ti-Si-(Al,Zr) при кімнатній та підвищеній температурах;

- дослідити вплив додаткового легування, схем та параметрів деформування (способу, температури, ступеня) на формування високотемпературної міцності та низькотемпературної пластичності;

- на основі отриманих результатів розробити режими гарячого деформування сплавів системи Ti-Si-(Al,Zr) та оптимізувати їх хімічний склад для одержання високої жароміцності та низькотемпературної пластичності.

Об’єктом дослідження є процеси структуроутворення литих та термодеформованих сплавів систем Ti-Si та Ti-Si-(Al,Zr) та їх фізико-механічні властивості в інтервалі температур 20-700 оС.

Предметом дослідження є вивчення особливостей формування структури, фазового складу та механічних властивостей титанових композитів системи Ti-Si-(Al,Zr) при проведенні гарячого пластичного деформування, що забезпечують оптимальне поєднання високих характеристик міцності та пластичності в інтервалі температур 20-700 оС.

Методи дослідження – мікроструктурний аналіз (оптична та растрова електронна мікроскопія), рентгенівський фазовий аналіз, диференціально-термічний аналіз, вимірювання мікротвердості та довготривалої гарячої твердості, механічні випробування на розтяг та згин.

Наукова новизна отриманих результатів

· В результаті проведеного дослідження впливу температури та ступеню деформування тита-

нових композитів Ti-3Al-5Zr-хSi, із вмістом кремнію 2, 4 та 6 % (мас.), показано їх значний вплив на структуру та комплекс механічних характеристик у діапазоні температур 20-700 оС. Встановлено, що після деформування цих композитів із ступенем не менше 90 % відбувається кардинальна зміна структурних параметрів, що приводить до підвищення міцності та пластичності при кімнатній температурі та деякого зниження жароміцності.

· Встановлено закономірності перетворень в комплексно легованих сплавах системи Ti-Si-(Al,Zr) при термомеханічному обробленні вихідних силіцидів фази типу (Ti,Zr)5(Al,Si)3 на (Ti,Zr)2(Al,Si), що супроводжується зміною морфології зміцнюючої фази та збільшенням її кількості.

· В результаті проведеного комплексного системного дослідження структури та фазового складу складнолегованих титанових композитів системи Ti-Si-(Al,Zr) для оптимального поєднання високих характеристик міцності та пластичності в інтервалі температур 20-700 оС вперше оптимізовано вміст кремнію на рівні 1,3-2,0 % (мас.).

· Встановлено вплив термомеханічного оброблення в - та - областях складнолегованого сплаву Ti-8Al-1,4Si-2,2Zr на співвідношення характеристик міцності, жароміцності та пластичності при кімнатній та підвищених температурах. При цьому, деформація сплаву в - області призводить до суттєвого підвищення жароміцності, а завершення деформування в - області дозволяє отримати підвищену низькотемпературну пластичність та високу в’язкість руйнування.

Практичне значення отриманих результатів. Отримані в ході виконання роботи основні науково-експериментальні результати були використані для виготовлення деталей відповідального призначення із титанових композитів системи Ti-Si-(Al,Zr) із високими питомою міцністю, в’язкістю руйнування та жароміцністю для роботи при температурах 20-700 оС.

Проведені на КП “ХКБД” (м. Харків) стендові випробування малолітражного дизельного двигуна МД показали, що використання нових титанових композитів Ti-Si-(Al,Zr), для виготовлення його окремих деталей, дозволило суттєво підвищити температуру випускних газів перед турбіною турбонаддування із 847 оК до 935 оК. Завдяки цьому покращились техніко-економічні параметри двигуна МД, за якими він став у один ряд із найкращими зразками.

На НВО “ІНМЕД” (м. Київ) виготовлені зразки імплантатів тазостегнового суглобу із композитів Ti-Si. Вони показали підвищення комплексу механічних властивостей та кращу біологічну сумісність у порівнянні із стандартним титановим сплавом ВТ-6, що дозволяє суттєво подовжити безопераційний період експлуатації виробів.

Експериментально обґрунтовано найбільш прийнятний спосіб деформування складнолегованих сплавів Ti-Si-(Al,Zr) із високим вмістом кремнію. Це кування в ізотермічних

умовах при швидкостях деформування до 0,1 с-1.

Особистий внесок автора. Основні результати та положення, які становлять суть дисертаційної роботи, здобувачем отримані самостійно. Особистий внесок здобувача полягає у формулюванні задач досліджень; проведенні експериментальних досліджень; оптимізації параметрів гарячого деформування сплавів; аналізі й обробці результатів експериментальних досліджень. У співпраці з к.т.н. Кулаком Л.Д. проведено оптимізацію співвідношення легуючих елементів; з д.ф.-м.н. Подрезовим Ю.М - механічні випробування; з д.ф.-м.н. Васильєвим О.Д. - структурні дослідження. Вибір об’єктів досліджень та формулювання наукової мети, планування експериментів та осмислення результатів роботи виконано спільно з керівником дисертації. За результатами усіх етапів роботи здобувачем сформульовано висновки.

Апробація результатів дисертації. Основні результати та положення дисертаційної роботи доповідались та обговорювались на міжнародних науково-технічних конференціях: “Інструментальні, конструкційні, порошкові та композиційні матеріали” (Ленінград, 1991р.), ICCE/8 (Tенеріфе, 2001 р.), „Матеріалознавство на рубежі століття, сучасні досягнення та проблеми” (Київ, 2002 р.), „Металічні матеріали з високо структурною ефективністю” (Київ, 2003 р.), „Тhermec-2003” (Мадрид, 2003 р.).

Публікації. Основні результати дисертації опубліковано у 20 друкованих працях, з них 4 у провідних фахових наукових журналах, отримано 1 авторське свідоцтво на винахід.

Структура та об’єм роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, джерел використаної літератури та додатків. Загальний обсяг роботи становить 144 сторінок, у тому числі 52 рисунків, 14 таблиць, 123 найменувань використаних джерел літератури та 2 додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкрито суть та стан наукової проблеми створення нових сучасних титанових сплавів, обґрунтовано актуальність та доцільність розвитку даного напрямку досліджень, показані наукове й практичне значення роботи.

Перший розділ присвячено огляду літературних даних стосовно уявлень по створенню сучасних титанових сплавів для роботи при підвищених температурах, методів їх гарячого пластичного деформування та стану досліджень сплавів із силіцидним зміцненням. Аналіз літературних даних показав, що подальше підвищення механічних властивостей промислових титанових сплавів за рахунок твердорозчинного зміцнення практично вичерпано. Одним із напрямків підвищення жароміцності титанових сплавів є створення композитів на основі з’єднань тугоплавких силіцидів. Аналіз літератури показав, що пластичність і тріщиностійкість титанових композитів із силіцидним зміцненням дуже чутливі до умов їх отримання та подальшої обробки. Так у литому стані ці характеристики достатньо низькі, що пояснюється наявністю первинної ден-дритної структури та особливістю морфології силіцидної фази.

У розглянутих джерелах літератури і патентних даних відсутні систематизовані дані щодо розроблення нових титанових композитів із силіцидним зміцненням. Бракує системного вивчення впливу режимів пластичної деформації на структуру та їх механічні властивості.

На основі проведеного аналізу літератури зроблено висновки про актуальність роботи, сформульовано її мету та завдання.

У другому розділі описано об’єкт досліджень, обладнання і методики проведення експериментів. У роботі вивчали механічні властивості та будову різних модифікацій сплавів систем Ti-Si та Ti-Si-(Al,Zr), одержаних плазмово-дуговою та електронно-променевою виплавками та наступним гарячим деформуванням при різних температурах (табл. 1).

Таблиця 1

Хімічний склад та режими оброблення сплавів

Хімічний склад | Спосіб виплавки | Спосіб деформування | Температура деформування, оС

Ti-(0,1; 1;2; 4; 6)Si | дуговий | кування | 850 - 1050

Ti-3Al-5Zr-(2; 4; 6)Si | дуговий | кування | 870 - 1050

Ti-3Al-5Zr-4Si | дуговий | штампування | 800 - 1200

Ti-8Al-1,4Si-2,2Zr | електронно-променевий | кування

прокатування | 970 - 1085

Для досліджень виплавляли зливки вагою 2,5-10 кг. В якості шихтових матеріалів були використані: технічний титан марки ВТ1-0, алюміній марки А0, кремній марки КР1, йодидний цирконій.

Фізико-механічні властивості досліджених сплавів визначають, в основному, їх мікроструктурні особливості та фазовий склад, які зумовлюють зміну міцності (ув), пластичності (д) та тріщиностійкості (К1С).

Механічні властивості визначалися у випробуваннях на згин та розтяг в інтервалі температур 20ч800 оС. Для випробування на чотирьохточковий згин при кімнатній температурі використовувалася комп’ютеризована машина “CERAMTEST” з автоматичною реєстрацією експериментальних даних. Тестування на розтяг проводилось зі швидкістю 1,2 10-3 с-1 на машині У2 НІІКІМП. На згин виготовляли зразки із розміром 2,5х5х50 мм, на розтяг - загальною довжиною 38 мм і діаметром робочої частини 3 мм.

Дослідження структури, механізмів деформації та руйнування вивчались за допомогою оптичної (JENAPHOT 2000), електронної просвічувальної (ПЕМ) та скануючої (СЕМ) мікроскопії (JEМ-100Х, Т-20, SYPERPROB 723) та рентгеноспектрального мікроаналізу (РМА). Рентгеноструктурні та фазові дослідження проводились на дифрактометрах ДРОН-3М та HZG 4-А в мідному випромінюванні з неперервним записом дифрактограм за загально прийнятою методикою із використанням Si еталону. Рентгеноструктурний аналіз показав наявність у сплавах системи Ti-Si б- титанової матриці та силіцидів Ti5Si3. При додаванні в сплав Al та Zr відбувається одночасне легування матриці та силіцидів, які набувають складу (Ti,Zr)5(Sі,Al)3.

Характеристику тріщиностійкості К1С визначали згідно ГОСТ 25.506-85 при статичних випробуваннях на згин при використанні зразків із розмірами 2,5х5х25 мм. В якості вихідної тріщини вважали такі, що виникають при виготовленні надрізу електроіскровим методом.

Третій розділ присвячений вивченню впливу пластичної деформації на будову та механічні властивості подвійних сплавів системи Ti-Si, які були вибрані в якості модельних. Проаналізовано вплив структури на мікрофрактографічні особливості руйнування та механічні властивості литих та деформованих сплавів із різним вмістом кремнію.

Переплавлений сплав BT1-0 із 0,1 % (мас.) Sі має структуру, що складається із великих (0,2-0,6 мм) зерен та розташованих всередині них б- пластин у вигляді мартенситних рейок (рис. 1a). Зростання вмісту кремнію до 2,1 % (мас.) веде до видимого зменшення розміру зерна та виникнення надзвичайно тонкої титаново-силіцидної евтектики уздовж меж зерен (рис. 1б). Збільшення вмісту кремнію в сплаві до 3,6 % (мас.) та вище призводить до значного підвищення гетерогенності будови та зміни полікристалічної структури на дендритно-евтектичну. Видно грубі силіциди фази евтектичного походження (первинні) та більш тонкі (вторинні) виділення силіцидів (рис. 1в).

Досліджено механічні властивості сплавів Ti-Si у литому та деформованому станах (рис. 2 а,б). При початковому зростанні вмісту кремнію відбувається підвищення міцності та зниження пластичності. При досягненні вмісту кремнію, що перевищує межу розчинності у твердому розчині, його частина починає утворювати додаткову силіцидну фазу Ti5Si3. Литий стан зберігає деяку пластичність до моменту, доки кількість силіцидної фази не призводить до значного обмереження нею первинних зерен. Це відбувається при вмісті кремнію близько 2 % (мас.) та призводить до зниження міцності з 830 до 660 МПа. При цьому змінюється механізм руйнування із міжкристалічного на крихке міжзеренне та майже повністю зникає пластичність.

Рис. 1. Литий сплав системи Ti-Si із вмістом 0,1 (а), 2,1 (б, СЕМ) та 3,6 (в)

% (мас.) кремнію

Рис. 2. Міцність (а) та подовження (б) сплавів Ti-Si при температурі 20 оС:

?- литий стан, 0 - кування на 90 % та відпал

Подальше зростання кремнію до 4 % (мас.) підвищує міцність до 970 МПа. При 6 % (мас.) Si у литому стані повністю відсутній поріг плинності, руйнування крихке, а міцність знову знижується до майже 850 МПа.

Пластична деформація диспергує литу будову, руйнує суцільний силіцидний каркас та призводить до структурної гомогенізації матеріалу. Відбувається зміна механізму руйнування, від змішаного - відкол плюс коалесценція пор у литому стані, до в’язкого - через злиття пор у деформованому. При цьому збільшується пластичність при кімнатній температурі при вмісті кремнію близько 2 % (мас.), від нульового значення у литому стані до 16 % у деформованому. При подальшому зростанні кремнію пластичність зберігається на рівні не менше 9 %. Із зростанням вмісту кремнію, за рахунок додаткового зміцнення титанової матриці силіцидами, границя міцності деформованих сплавів підвищується від 800 до 1000-1070 MПa. Після пластичної деформації рентгенографічний аналіз підтверджує наявність у сплавах евтектичної фази Ti5Si3.

Рис. 3. Міцність сплавів Ti-Si при температурі 600 оС: ?- литий стан, 0- кування на 90%

Досліджено вплив кремнію на границю міцності подвійних сплавів системи Ti-Si при температурі випробування 600 оС в литому та деформованому станах (рис. 3). Іспити показують зростання границі міцності в литому стані від 200 до 400 МПа при підвищенні вмісту кремнію від 0 до 2 % (мас.). Збільшення кремнію до 4 та 6 % (мас.) не призводить до значного зростання міцності. Литі сплави при цьому переважають деформовані.

Дослідження подвійних сплавів, які тут можна визначити як модельні, показують їх значний запас пластичності при кім-натній температурі. Це дозволяє провести додаткове твердорозчинне зміцнення сплавів системи Ті-Si за рахунок легування матриці. З точки зору оптимального поєднання характеристик пластичності, міцності та жароміцності сплави із вмістом кремнію близько 2 % (мас.) є найбільш перспективними для подальшого легування, та створення на їхній основі більш жароміцних композицій.

У четвертому розділі проаналізовано вплив пластичної деформації та легуючих елементів на структуру та механічні властивості складнолегованих сплавів системи Ti-Si-(Al,Zr) та оптимізованого по хімічному складу сплаву Ti-8Al-1,4Si-2,2Zr.

Додаткове легування подвійних сплавів Ti-Si алюмінієм та цирконієм призводить до зростання жароміцності та різкого зниження низькотемпературної пластичності. Для покращення співвідношення фізико-механічних характеристик складнолегованих композитів, особливо при кімнатній температурі необхідно проведення пластичного деформування.

Для вибору оптимальних параметрів деформування в роботі визначено середні значення допустимих ступенів одноразового деформування литих матеріалів при різних температурах, а також вплив ступеню деформування на структуру та механічні властивості модельного складнолегованого сплаву Ti-3Al-4Si-5Zr. Показано зростання середнього ступеню одноразового деформування із збільшенням температури нагрівання. При температурі 850 оС максимально допустимий ступінь одноразової деформації не перевищує 35 %. Нагрівання до температур 1000-1200 оС дозволяє підвищити ступінь одноразового деформування до 60 % без видимих ознак руйнування бічної поверхні зразків, що свідчить про прийнятну технологічну пластичність матеріалу в даному температурному інтервалі. Комплексний аналіз структури та механічних властивостей дозволив зробити висновок про оптимальний температурний інтервал пластичного деформування в діапазоні 950-1100 оС. При цьому можливе деформування із ступенем 60 % та отримання дрібнозернистої структури із рівномірним розподілом в матеріалі зміцнюючої фази.

Вивчено вплив деформування ковкою до ступенів 30, 60 та 90 % на структуру та комплекс механічних характеристик сплавів Ti-3Al-5Zr-хSi, із вмістом кремнію 2, 4 та 6 % (мас.). Деформування із невисокими (до 30 %) ступенями призводить до руйнування силіцидного каркасу (рис. 4а) та утворення всередині евтектичних колоній тріщин деформаційної природи Відбувається зниження механічних властивостей матеріалу.

Рис. 4. Структура деформованого сплаву Ti-3Al-4Si-5Zr: а - 30 %, б - 90 %

Підвищення ступеню деформування вище 60 % призводить до заліковування тріщин в евтектичних колоніях (рис. 4б) та появи пластичності при кімнатній температурі. На характерному для цієї групи сплаві Ti-3Al-2Si-5Zr спостерігається збільшення пластичності та міцності в зразках, які деформовані до великих (60 та 90 %) ступенів деформування (рис. 5). Пластичність при кімнатній температурі сягає 4 %, що суттєво вище, ніж у композитах з 4 та 6 %(мас.) Si. Суттєво вища пластичність після деформування досягається за рахунок зменшення розміру зерна до 3-5 мікронів (в порівнянні із 100-200 мкм для вихідного литого стану) та руйнування суцільного силіцидного каркасу.

Таким чином, структурні перетворення під час великої пластичної дефор-мації усувають причину зародження нових тріщин при подальшому деформуванні та дозволяють суттєво підвищити низькотемпературну пластичність.

Рис.5. Залежність границі міцності (а) та подовження (б) сплаву Ti-3Al-2Si-5Zr від температури: литий стан (?), кування на 30% (¦), 60% (?) та 90% (о)

Аналіз температурних залежностей границі міцності сплавів Ti-3Al-хSi-5Zr із різним вмістом кремнію свідчить про зниження жароміцності після деформування та дозволив виділити на них три характерні інтервали:

1 - зниження границі міцності в інтервалі температур 0-200 оС, пов’язане із температурною активацією дислокаційного ковзання;

2 - слабка зміна границі міцності в діапазоні температур 200-500 оС, пов’язана з ефектами динамічного деформаційного старіння;

3 - подальше зниження міцності при температурах вище за 500 оС обумовлене дією механізму повзучості. При цьому відбувається суттєве збільшення пластичності.

Високотемпературні випробування показали, що після деформування відбувається вирівнювання жароміцності у сплавах із вмістом кремнію від 2 до 6 % (мас.). Можна зробити висновки про більш суттєвий вплив на композит при високих температурах жароміцності б- титанової матриці, ніж кількості силіцидної фази та про перспективність застосування при підвищених температурах складнолегованих сплавів із вмістом кремнію до 2 % (мас.).

Одним із шляхів підвищення жароміцності деформованих сплавів є їх раціональне легування. Основним елементом, який підвищує температуру поліморфного перетворення титанових сплавів є алюміній. Для визначення граничної температури експлуатації матеріалу був проведений термоактиваційний аналіз температурної залежності твердості сплавів із різним вмістом алюмінію. Така залежність в напівлогарифмічних координатах lnHV1/-1/Т відображається відрізками прямих ліній із характерними переломами, що свідчить про існування декількох областей з експоненціальним законом зміни твердості:

H=Aexp(

U

), де

3kT

U – енергія (ентальпія) активації пластичної деформації;

Т – абсолютна температура;

k – постійна Больцмана;

А – постійна, яка є функцією параметрів матеріалу і швидкості деформації.

В кожній із вказаних областей твердість контролюється певним механізмом пластичної деформації і температурна залежність є фактично діаграмою деформаційних механізмів. Доцільність температурної границі використання різних сплавів визначається температурою зміни дислокаційного механізму деформації на дифузійний.

Термоактиваційний аналіз литих сплавів Ti-Si-(Al-Zr) із різним вмістом алюмінію (рис. 6) показав наявність трьох прямолінійних ділянок, які підтверджують існування трьох температурних інтервалів, що характеризуються постійним значенням енергії активації та різними механізмами деформації.

Рис. 6. Температурна залежність твердості в напівлогарифмічних координатах

^ -Ti-14Al-1,6Si-2Zr; ¦ - Ti-8Al-1,4Si-2,2Zr; - Ti-5Al-2Si-4Zr

Визначено енергію активації пластичної деформації трьох прямолінійних ділянок для кількох литих сплавів із різним вмістом Al (табл. 2). Видно, що значення енергії активації пластичної деформації для різних сплавів (перша температурна область) практично однакові і лежать в дуже вузькому інтервалі 1,86-2,07 кДж/моль до температур 501-515 оС. У другій температурній ділянці відмінність між значеннями енергій активації незначна і складає 37-41 кДж/моль. Особливий інтерес становить температура переходу між областями 2 і 3, яка відповідає зміні механізму пластичної деформації з дислокаційного на дифузійний, що призводить, як правило, до різкого падіння жароміцності. У третій температурній області енергія активації пластичної деформації суттєво відрізняється для всіх сплавів. Так у сплаві з 14 % (мас.) алюмінію енергія активації найвища та складає 325 кДж/моль. Зміна механізму пластичної деформації відбувається при температурі 895 оС на перегині прямої, відповідної даному сплаву.

Таблиця 2.

Зміна енергії активації пластичної деформації литих сплавів

Хімічний склад | Температурна область | Температурний інтервал, оС | Енергія активації, кДж/моль

Ti-14Al-1,6Si-2Zr | 1 | 0 - 515 | 2,07

2 | 515 - 895 | 37,17

3 | 895 | 325,78

Ti-8Al-1,4Si-2,2Zr1 | 0 - 502 | 2,04

2 | 502 - 73138,02

3 | 731244,44

Ti-5Al-2Si-4Zr | 1 | 0 - 501 | 1,86

2 | 501 - 65941,07

3 | 659192,81

Сплав з 8 % (мас.) алюмінію має енергію активації 244 кДж/моль та перегин прямої при температурі 731 оС. Сплав з 5 % (мас.) алюмінію має більш низькі високотемпературні характеристики. Встановлено, що збільшення вмісту Al різко знижує пластичність сплавів при кімнатній температурі. Сплав із Ti-8Al-1,4Si-2,2Zr зберігає мікропластичність в литому стані, може працювати до температури близько 731 оС та є перспективним для проведення ТМО.

Цирконій в титанових сплавах покращує здатність до гартування, впливає на дисперсність і тип силіцидної фази, дещо підвищує жароміцність. Разом з цим він зменшує розчинність кремнію в титановій матриці, що позитивно впливає на її пластичність. Вміст цирконію до 6 (мас.) % істотно не впливає на тривалу гарячу твердість, яка характеризує жароміцність сплаву. Подальше підвищення вмісту Zr може приводити до зміни фазового складу сплаву, внаслідок чого вихідна зміцнююча фаза (Ti,Zr)5(Sі,Al)3 перетворюється на фазу (Ti,Zr)2(Sі,Al). Тому в сплав доцільно вводити до 5 % (мас.) цирконію.

В результаті попередніх досліджень для високотемпературного застосування рекомендовано сплав Tі-8Al-1,4Sі-2,2Zr. Відомо, що алюміній, у кількості більше 6,5 % (мас.), призводить до утворення додаткової інтерметалідної фази Ti3Al. Структурні дослідження литого сплаву показали, що титанова матриця має рейкову будову із розташованою по межам розділу б- пластин силіцидною фазою Ti5Si3 (рис.7а). При дослідженні ТЕМ в світлому та темному полях самої б- титанової матриці, добре видно у її складі надзвичайно дрібну Ti3Al фазу у вигляді брижі, що також підтверджується дифракційним зображенням.

Рис. 7. Структура сплаву Ti-8Al-1,4Si-2,2Zr: литий стан (а), деформація в - (б) та - областях (в)

Показано, що найбільший вплив на властивості сплаву робить температура деформації, а саме співвідношення її з температурою поліморфного перетворення. Після деформування сплаву у - області при температурі 1065 оС в процесі охолодження утворюється мартенситоподібна пакетна структура із в-прошарками між б-пакетами (рис.7б).

Таблиця 3

Механічні властивості та режими ТМО сплаву Ti-8Al-1,4Si-2,2Zr

Температура випробування | Механічні властивості | Деформація в б- області | Деформація в

в- області

20 оС | границя міцності, МПа | 1210-1235 | 1180-1190

границя плинності, МПа | 1130-1185 | 1080-1100

подовження, % | 6,1-6,6 | 1,6-1,8

600 оС | границя міцності, МПа | 590-610 | 780-920

границя плинності, МПа | 530-545 | 720-810

подовження, % | 18-19 | 8,4-12

700 оС | границя міцності, МПа | 400-410 | 600-653

границя плинності, МПа | 310-330 | 575-610

подовження, % | 25-27 | 14,8-19

Ця внутрішньозеренна структура настільки стійка, що навіть наступний рекристалізаційний відпал майже її не змінює. В структурі видно ізольовані силіциди округлої форми. За даними рентгеноструктурного фазового і електронно-мікроскопічного аналізів в структурі присутня крихка Ti3Al фаза. Сплави показують високу міцність (табл.3) при підвищених температурах, але знижену пластичність (д=1,6 %) і тріщиностійкість (К1с=19 МПа м1/2) при кімнатній температурі.

Деформування при температурі 970 оС в - області обумовлює одержання у сплавах рівновісьової зеренної (або глобулярної) структури із середнім розміром зерна після відпалу 7-8 мкм та ізольованими силіцидами округлої форми (рис.7в). Сплави із глобулярною структурою б- фази, мають високу пластичність (близько 7 %) і тріщиностійкість (К1С=50 МПа м1/2), але помітно поступаються сплавам із пластинчастою структурою по характеристиках високотемпературної міцності.

Фрактографічні дослідження показали, що після деформування при 1065 оС в в- області руйнування відбувається по межам б- пакетів з великою долею крихкої складової (рис.8а). Зниження температури деформування до 970 оС (б- область) значно підвищує в’язкість руйнування та призводить до появи достатньої пластичності при кімнатній температурі (рис.8б).

Рис. 8. Фрактографічні дослідження сплаву Ti-8Al-1,4Si-2,2Zr після закінчення ТМО в - області при температурі 1065 оС (а) та б- області при 970 оС (б)

Таблиця 4

Порівняльні властивості зарубіжних та експериментального сплаву

Показники | Сплав

Великобританія | Україна

IMI550 | IMI834 | Ti-8Al-1,4Si-2,2Zr

деформація в в- області | деформація в б- області

ув, МПа | 20°C | 1048 | 1029 | 1180-1190 | 1210-1235 | 540°C | 715 | 730 | - | - | 600°C | 597 | 646 | 780-920 | 590-610 | 700°C | - | - | 600-653 | 400-410 | д, % (20°C) | 9,0 | 6,0 | 1,6-2,2 | 6,1-6,6 |

В таблиці 4 представлені узагальнюючі дані по основним механічним властивостям кращих промислових закордонних жароміцних титанових сплавів у порівнянні із експериментальним сплавом Ti-8Al-1,4Si-2,2Zr після закінчення термомеханічного оброблення в б- та в- областях. Виходячи із представлених даних можна зробити висновок, що досліджувані в даній роботі сплави знаходяться на рівні кращих світових промислових жароміцних титанових сплавів після випробувань при кімнатній температурі та переважають їх по міцності при середніх і підвищених температурах.

Таким чином, внаслідок виконаної роботи з’ясовано основні причини обмеження пластичності сплавів системи Ti-Si-(Al,Zr) при кімнатній температурі. Запропоновано перспективні склади та режими термомеханічного оброблення, які дозволяють формувати оптимальні структурні стани для забезпечення кращої комбінації низькотемпературної міцності, пластичності, тріщиностій-кості та жароміцності до температури 700 оС.

ВИСНОВКИ

У дисертації наведено вирішення наукового завдання, що полягає у розробці нових титанових композитів Ti-Si-(Al,Zr) із силіцидним зміцненням для застосування у виробах конструкційного призначення в інтервалі температур 20-700 оС та режимів їх гарячого деформування за рахунок досліджень закономірностей еволюції структури, фазового складу та фізико-механічних властивостей. Під час виконання роботи отримані такі основні результати:

1. Показано, що титанові композити системи Ti-Si із евтектичною складовою в литому стані відрізняються покращеними високотемпературними механічними властивостями. Проте їх пластичність при кімнатній температурі є відносно низькою (до д?0,8 %). Встановлено, що така низька пластичність обумовлена в першу чергу наявністю первинної дендритної структури та морфологією силіцидної фази, а також особливістю руйнування силіцидних колоній в процесі навантаження.

2. Встановлено, що деформування подвійних сплавів системи Ti-Si призводить до значного покращення їх пластичності та міцності при кімнатній температурі та деякого зниження жароміцності у порівнянні з литим станом. Враховуючи те, що по жароміцності у деформованому стані сплави з 2 % (мас.) кремнію практично не поступаються сплавам з 4 та 6 % (мас.), вони можуть бути рекомендовані як перспективна основа для комплексного твердорозчинного зміцнення матриці за рахунок легування алюмінієм та цирконієм.

3. Виявлено, що додаткове легування сплавів системи Ti-Si алюмінієм та цирконієм призводить до зменшення розчинності кремнію в в- фазі. При цьому відбувається одно-часне легування твердого розчину та вихідної зміцнюючої фази Ti5Si3, яка трансформується у складнолегований силіцид (Ti,Zr)5(Al,Si)3. У процесі термомеханічної обробки комплекснолегова-

них сплавів Ti-Si-(Al,Zr) із вмістом цирконію до 5 % (мас.) відбувається часткове перетворення

вихідної фази (Ti,Zr)5(Al,Si)3 на (Ti,Zr)2(Al,Si).

4. Встановлено немонотонний вплив ступеню деформації на механічні властивості сплаву Ti-3Al-4Si-5Zr. Деформування до ступеню 30 % призводить до руйнування силіцидного каркасу та утворення всередині евтектичних колоній тріщин деформаційної природи, що негативно впливають на властивості сплаву. Підвищення ступеню деформування до 60 та 90 % покращує однорідність структури, заліковує тріщини та інші дефекти литої структури, що суттєво підвищує характеристики міцності (від 800 до 1100 МПа) та пластичності при кімнатній температурі (від 0 до 4-5 %).

5. Запропоновано комплескнолегований сплав з підвищеним вмістом алюмінію (Ti-8Al-2,2Zr-1,4Si) на основі високолегованої б- титанової матриці, додатково зміцненої високодисперсною інтерметалідною фазою Ті3Al та складним силіцидом (Ti,Zr)5(Al,Si)3. Встановлено, що при оптимальних режимах деформування такий сплав має високі показники міцності, пластичності та жароміцності.

6. Вивчено вплив легування алюмінієм на характеристики жароміцності. За допомогою термоактиваційного аналізу знайдено температурні інтервали зміни дислокаційних механізмів деформації в залежності від вмісту алюмінію. Встановлено, що збільшення вмісту алюмінію до 8 % (мас.) дозволяє підвищити температуру можливого використання сплавів до 731 оС.

7. Встановлено, що температура деформації суттєво впливає на формування структури. ТМО сплаву Ti-8Al-1,4Si-2,2Zr із закінченням деформування в в-області призводить до формування пакетної структури та виділень високодисперсних силіцидів із розміром до 1 мкм. ТМО із закінченням деформування в б-області при температурі 970 оС призводить до формування дисперсної рівновісьової зеренної структури із одночасним подрібненням силіцидної фази. В проміжній (б+в) області формується перехідна структура. При цьому, завершення ТМО в в- області, забезпечує найбільш високу жароміцність (600-653 МПа при 700 оС); в б- області - найкраще співвідношення низькотемпературної міцності, пластичності, в’язкості руйнування (К1С близько 50 МПа·м1/2) та жароміцності; сплави, деформовані в (б+в) області, відрізняються підвищеною міцністю при кімнатній температурі (1290-1310 МПа).

8. На державному підприємстві “ХКБД” (м. Харків) були проведені атестаційні випробування накладок на поршень та вхідника компресора для експериментального двигуна, виготовлених із титанових композитів системи Ti-Si-(Al,Zr). Стендові випробування показали, що застосування нових матеріалів дозволило підвищити температуру випускних газів перед турбіною турбонаддування із 847 оК до 935 оК та покращити цілий ряд техніко-економічних параметрів нового двигуна.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Голуб С.Я., Котко А.В., Кулак Л.Д., Кузьменко Н.Н., Фирстов С.А. Фазообразование в сплавах Ti-Al-Zr-Si при их закалке из жидкого состояния // Физика металлов и металловедение. -1992. - №6. - С. 94-101.

Здобувачем проведені роботи по отриманню порошків сферичної та лускоподібної форми заданого складу з різними швидкостями охолодження, проведено їх компактування для вивчення фазового складу, обговорено результати із співавторами.

2. Фирстов С.А., Подрезов Ю.Н., Кузьменко Н.Н., Даниленко Н.И., Кулак Л.Д. Изучение влияния пластической деформации на механические свойства эвтектических сплавов системы Ti-Al-Si-Zr // ФТВД. - 2002. - №3. - С. 48-56.

Здобувачем виготовлені зразки для пластичної деформації, проведена термомеханічна обробка сплавів, обговорено результати із співавторами.

3. Баглюк Г.А., Кузьменко Н.Н. Горячая деф-ция жаропрочного титанового сплава с интерметаллидным упрочнением // ФТВД. – 2004. – т.14. - С. 90-97.

Здобувачем виготовлені зразки для пластичної деформації, проведено термомеханічне оброблення сплавів, обговорено результати із співавторами.

4. Порядченко Н.Ю., Кузьменко М.М., Оришич І.В., Кулак Л.Д. Вивчення жаростійкості сплавів титану з кремнієм, алюмінієм і цирконієм // Металофізика і новітні технології.- 2004.- Т. 26, № 4.- С. 559-570.

Здобувачем виготовлені зразки для окиснення, проведено термомеханічне оброблення сплавів Ti-Si-Al-Zr, обговорено результати із співавторами.

5. Порядченко Н.Ю., Кузьменко М.М., Оришич І.В. Дослідження поведінки сплаву ВТ1-0, легованого алюмінієм, кремнієм і цирконієм, при окисленні на повітрі // Фізико- хімічна механіка матеріалів. .- 2005.-Т 41, № 2: 81

Здобувачем виготовлені зразки для окислення, проведено термомеханічне оброблення сплавів Ti-Si-Al-Zr, обговорено результати із співавторами.

6. P. Cavaliere, M. El Mehtedi, E. Evangelista, N. Kuzmenko, O. Vasylyev. Hot forming behaviour of Ti-Al-Zr-Si “in-situ” metal matrix composite by means of hot torsion tests // Editor of Composites: Part A (Elsevier Science Publ.). - 2006.

Здобувачем виготовлені зрази для пластичної деформації, проведено термомеханічне оброблення сплавів, досліджено механічні властивості та структуру отриманого матеріалу та обговорено результати із співавторами.

7. Порошковый сплав на основе титана: А.с. 1818867 (ДСП) СССР, МКИ С22 С 14/00/

/ В.И. Мазур, С.В. Капустникова, Л.Д. Кулак, Н.Н. Кузьменко, С.А. Фирстов. - №4927654/02; Заявл. 16.04.91.

Здобувачем запропоновано режим термомеханічної обробки при компактуванні гранул сплаву титану, досліджено механічні властивості матеріалу.

8. S. Firstov, O. Vasylyev, D. Miracle, M. Kuzmenko. Influence of plastic deformation on structure and properties of Ti-Al-Si-Zr in situ composites // 8-а Міжнародна конференція з композитів (ICCE/8). – Tенеріфе (Spain), 2001.

Здобувачем запропоновано режими термомеханічної обробки досліджуваного сплаву титану, досліджено механічні властивості отриманого матеріалу та обговорено результати із співавторами.

9. M. Kuzmenko, D. Verbilo, O. Koval. Influence of plastic deformation on mechanical behavior of Ti-Al-Si-Zr alloys // International Conference “Science for Materials in the Frontier of Centuries: Advantages and Challenges”. – Kyiv (Ukraine), 2002. - Р.537-538.

Здобувачем виготовлені зрази для пластичної деформації, проведена термомеханічна обробка сплаву, досліджено механічні властивості отриманого матеріалу та обговорено результати із співавторами.

10. S. Firstov, M. Kuzmenko, O. Koval, O. Vasylyev. Structure and mechanical properties of Ti-Si-X in-situ composites // International Conference “Science for Materials in the Frontier of Centuries: Advantages and Challenges”. - Kyiv (Ukraine), 2002. - Р.623-624.

Здобувачем виготовлені зрази для пластичної деформації, проведена термомеханічна обробка сплаву системи Ti-Si-X, досліджено механічні властивості отриманого матеріалу та обговорено результати із співавторами.

11. Kuzmenko M. Effect of thermo-mechanical treatment on structure and properties of Ti-B-X alloys // NATO Advanced Research Workshop “Metallic Mate-rials with High Structural Efficiency”, Kyiv (Ukraine), 2003.

12. B. Vasyliv, A. Ivasyshyn, O. Ostash, S. Firstov, M. Kuzmenko. High-temperature fatigue crack growth resistance of thermo mechanically and heat treated cast Ti-Si-Al-Zr composites // Metallic Materials with High Structural Efficiency (Eds. Senkov at al.), Kluwer Academic Publishers (Netherlands), 2004.-P.235-240.

Здобувачем виготовлені зразки для пластичної деформації, проведено термомеханічне оброблення сплаву системи Ti-Si-Al-Zr, обговорено результати із співавторами.

13. Н.П. Бродниковский, Н.Н. Кузьменко, Л.Д. Кулак. Влияние температуры деформации на механические свойства жаропрочного сплава с Ti3Al матрицей, упрочненной силицидом Ti5Si3 // Международная конференция “ММS-2005”, Киев, 2005,с.362-363.

Здобувачем розроблена методика експерименту, виготовлені зразки, проведено плас-

тичне деформування та узагальнені результати досліджень.

Всі публікації містять результати безпосередньої праці здобувача на всіх етапах досліджень і відбивають основні положення дисертаційної роботи.

АНОТАЦІЯ. Кузьменко М.М. „Розробка термодеформованих титанових композитів системи Ti-Si-(Al,Zr) конструкційного призначення для використання в інтервалі температур 20-700 оС”.– Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.01 – матеріалознавство. - Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України, Київ, 2006.

Дисертація присвячена розробленню термодеформованих титанових композитів системи Ti-Si-(Al,Zr) та дослідженню впливу режимів деформування на їх