автореферат диссертации по металлургии, 05.16.06, диссертация на тему:Исследование процессов формирования алюминидов титана и композитов на их основе, упрочненных дисперсными углеродсодержащими соединениями

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ СТАЛИ И СПЛАВОВ

На правах рукописи Экз. №

МОРГУНОВ Сергей Олегович

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ АЛЮМИНИДОВ ТИТАНА И КОМПОЗИТОВ НА ИХ ОСНОВЕ, УПРОЧНЕННЫХ ДИСПЕРСНЫМИ УГЛЕРОДСОДЕРЖАЩИМИ СОЕДИНЕНИЯМИ

02.00.16- Химия композиционных материалов 05.16.06 - Порошковая металлургия и композиционные материалы

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители доктор технических наук профессор ВАРЕНКОВ А.Н.

кандидат технических наук профессор КРАШЕНИННИКОВ М.Г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..........................................................................................................5

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.............................................12

1.1. Краткая характеристика современных легких жаропрочных сплавов на основе титана...........................................................................12

1.2. Характеристика свойств алюминидов титана .

Методы их получения..................................................................................17

1.3. Упрочнение дисперсными частицами как способ повышения высокотемпературных прочностных свойств материалов........................24

1.3.1 Основные принципы создания дисперсноупрочненных

композиционных материалов (ДУКМ).....................................................25

1.3.2. Механизм упрочнения дисперсными частицами..................................29

1.3.3. Выбор упрочняющих фаз........................................................................34

1.4. Методы получения ДУКМ и их применимость к композитам

на основе алюминидов титана и титановых сплавов..............................45

1.4.1 Методы получения металлических порошков.

Получение порошков титана и его сплавов..........................................47

1.4.2. Методики формования и спекания порошков

титановых сплавов...................................................................................50

2. ИЗУЧЕНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛУФАБРИКАТОВ ДИСПЕРСНОУПРОЧНЕННЫХ КОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИДА ТИТАНА

ТШ, ПРОТЕКАЮЩИХ ПРИ СПЕКАНИИ КОМПАКТИРОВАННЫХ ПОРОШКОВЫХ СМЕСЕЙ СОСТАВА ТьА1-ТЮ....................................52

2.1. Исследование кинетических закономерностей

формирования алюминидной матрицы ДУКМ в процессе реакционного спекания компактированных смесей порошков

титана, алюминия и карбидной упрочняющей фазы.................................52

2.2 Анализ особенностей процессов формирования

алюминидной матрицы при спекании компактированных порошковых смесей системы ТьА1-ТЮ (Б1С)..........................................67

2.3. Изучение физико-химических процессов, протекающих

в области межфазных границ в системах А1-Т1, АЬ-ТТ-ТлС, А1-Ть8Ю в процессе нагрева и изотермической выдержки...................75

2.4. Кинетические закономерности роста дисперсных частиц алюминидной фазы А^Тл в системе

титан - алюминиевый расплав...................................................................82

2.5. Исследование вопроса стабильности карбидных упрочняющих фаз НС и БЮ в условиях формирования алюминидной матрицы ДУКМ...................................................................88

2.5.1. Исследование характера взаимодействия ТлС с алюминидной матрицей Т1А1 на стадии ее формирования............................................90

2.5.2. Исследование характера взаимодействия БЮ с алюминидной матрицей Т1А1 на стадии ее формирования.............................................95

2.5.3. Исследование процессов взаимодействия жидкого раствора титана на основе алюминия с карбидными упрочняющими

фазами ТЮ и БЮ......................................................................................99

2.6. Изучение процессов диффузионного формирования

алюминида ЛА\..........................................................................................107

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ СПЕКАНИЯ СМЕСЕЙ

ПОРОШКОВ СПЛАВА TiAl-4Nb И TiC.................................................110

3.1. Методика проведения исследований и экспериментальные

данные................................................................................ПО

3.2. Анализ экспериментальных данных и исследование механизмов усадки порошковых образцов TiAl-4Nb+TiC

в процессе спекания....................................................................................118

3.3. Исследование процессов спекания порошковых образцов системы TiAl-TiC под давлением в

атмосфере азота или аргона.......................................................................125

ВЫВОДЫ...........................................................................................................132

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ...............................................134

ПРИЛОЖЕНИЕ..................................................................................................141

ВВЕДЕНИЕ

Широкое развитие перспективных изделий различных отраслей промышленности в последние годы требует разработки новых конструкционных материалов, обладающих сочетанием полезных для практики эксплуатационных свойств. Одной из важнейших задач современного материаловедения является разработка материалов, обладающих низкой плотностью, высокой стойкостью к окислению при повышенных температурах, высокой прочностью как при комнатной, так и при повышенных температурах.

Традиционные жаропрочные титановые сплавы сыграли решающую роль в разработке конструкций современных летательных аппаратов. Тем не менее, ограничение по температуре эксплуатации (до 450 - 600 °С) сдерживает их дальнейшее применение.

Современные исследования соединений титана со многими элементами периодической системы Менделеева вызывают значительный интерес для разработки новых конструкционных материалов. В ряде двойных титановых систем известны химические соединения, обладающие широким интервалом гомогенности и имеющие ряд практически важных свойств. Например, в системе Т1 - А1 существует эквиатомное соединение Т1А1 (интервал гомогенности от 33.5 до 44.5 масс. % А1 ), имеющее сравнительно невысокую твердость при комнатной температуре, хорошее сопротивление окислению и некоторую пластичность при сжатии. Алюминид титана Т1А1 имеет жаропрочность, сравнимую с жаропрочностью никелевых сплавов, а плотность ( 3.5 г/см ) - в 2.5 раза меньшую. Повышенное внимание разработчиков новых материалов вызывают также алюминиды титана Т1зА1 и Т1А13.

Однако, широкое промышленное применение чистых алюминидов титана ограничено их низкой пластичностью, склонностью к хрупкому разрушению в результате деформации при растяжении при комнатной температуре и высокой ползучестью при температурах выше 800 °С. Это обстоятельство является причиной интенсивных исследований, направленных на улучшение как высокотемпературных, так и низкотемпературных свойств алюминида титана ТлА1.

Основные причины хрупкости рассматриваемых

интерметаллических соединений вызваны определенным строением их кристаллической решетки: -гексагональной БО^ для а - Тл3 АЬ , -тетрагональной Ь1о для у -Т1А1, б022 для аьз т1.

Присущие этим кристаллическим структурам характеристики, такие как ограниченное число систем скольжения, большой вектор скольжения, развитие поперечного скольжения, затрудненный переход плоскости скольжения через межзеренные границы, являются причиной недостатка пластичности в этих соединениях [1].

Одним из способов повышения пластичности алюминидов титана является введение в сплав добавок легирующих элементов М>, Сг, Мп, №, Ре, которые позволяют трансформировать низкосимметричные кристаллические структуры алюминидов в кубическую 1Л2 -структуру, представляющую собой кубическую гранецентрированную решетку и обладающую более высокой симметрией, а следовательно, и пластичностью.

Эффективным методом увеличения высокотемпературной прочности является введение в металлическую основу дисперсных частиц тугоплавких высокомодульных соединений. Дисперсноупрчненные композиты на основе титановых сплавов или алюминидов титана (как правило, на основе ТлзА1) в большинстве случаев получают методами порошковой металлургии с

последующей обработкой спеченных полуфабрикатов давлением. Часто в качестве упрочняющей фазы при этом используется карбид титана или карбид кремния [2],[3]. Практически не встречается в научной литературе исследований возможности введения частиц упрочняющей фазы в алюминид титана ТлА1. Однако известно [4], что сплавы, лежащие в области у-фазы являются наиболее жаропрочными. Твердость по Виккерсу при 800 °С для

л

них может достигать 1300 Мн/м . Обладают они и наиболее высокими модулями упругости. Так сплав, содержащий 37 % А1, имеет:

л

- модуль нормальной упругости 144100 Мн/м ,

л

- предел пропорциональности 162 Мн/м ,

л

- предел текучести 408 Мн/м .

Встречающиеся в иностранной периодической литературе способы улучшения высокотемпературных свойств сплавов на основе Т1А1 заключаются либо в термомеханической обработке , либо в сложном легировании[5,6,7]. Однако, эти меры не позволяют существенно повысить жаропрочность таких материалов.

Одним из технических решений повышения жаропрочности алюминида титана Т1А1 является введение в металлическую основу дисперсных частиц тугоплавких высокомодульных соединений, т.е. создание на его основе дисперсноупрочненного композиционного материала (ДУКМ).

При разработке технологии получения ДУКМ одним из наиболее важных вопросов, помимо выбора упрочняющей фазы, является способ введения ее в матричный металл. Способ введения упрочняющей фазы в матрицу должен гарантировать как сохранность упрочняющей фазы на технологическом этапе, так и прочную связь между матрицей и упрочняющей фазой, что возможно лишь за счет ограниченного (контролируемого) химического взаимодействия составляющих композита на границе раздела фаз.

Целью данной работы является теоретическое обоснование и оптимизация параметров предложенного способа получения композитов на основе алюминидов титана, содержащих карбиды титана или кремния, основанного на введении упрочняющих частиц в алюминидную матрицу на стадии ее формирования из порошков исходных металлов (А1 и Тл). Также в работе ставилась цель определения кинетических закономерностей процесса получения композита на основе Т1А1-4№> спеканием компактированной смеси порошков атоминида и упрочняющей фазы (Т1С).

В рамках поставленной цели решались следующие задачи:

Установление термокинетических закономерностей процессов фазообразования в алюминидной матрице на этапе ее формирования из порошков составляющих металлов (Т1, А1) при температурах, не превышающих температуру плавления алюминида титана Т1А1.

Определение механизма и кинетики взаимодействия упрочняющих углеродсодержащих фаз ТЮ и БЮ с матричным металлом.

Количественная оценка объемного и теплового эффектов, наблюдающихся в процессе спекания компактированных порошковых смесей состава ТьА1-Т1С в зависимости от размерных характеристик используемых порошков и объемного содержания упрочняющей фазы.

Определение механизма и кинетики процесса спекания в вакууме без нагрузки и в атмосфере газа при повышенном давлении компактированных порошковых смесей состава Т1А1-ТЮ, содержащих переменное количество частиц упрочняющей фазы (10-20 % об.)

Отработка режимов получения компактированных порошковых брикетов и их спекания.

Научная новизна.

Установлены термокинетические закономерности процессов формирования алюминидов титана в условиях диффузионного обогащения

алюминиевого расплава титаном при содержании в алюминиевом расплаве до 20 об. % дисперсных углеродсодержащих соединений (ТЮ, 8Ю).

Показано, что изученный процесс формирования алюминидов титана в области межфазных границ системы ТьА1-МеС реализуется в условиях гетерофазной диффузии и осуществляется в два основных этапа :

- диффузионное насыщение алюминиевого расплава титаном до предела его растворимости при технологической температуре и формирование в расплаве алюминидной фазы А13Тл;

- диффузионное формирование алюминидных зон на поверхности титановых частиц и диффузионный рост зоны алюминида заданной стехиометрии (Т1А1).

Установлено, что стабильность упрочняющих фаз в основном определяется условиями протекания первого этапа формирования алюминидной матрицы ( температурой и продолжительностью).

Представлена модель процессов формирования вторичного карбида титана, заключающаяся во взаимодействии свободного углерода ТлС с титаном обогащенной зоны в области фазовой границы Тл-А1ж, позволяющая проводить количественную оценку взаимодействия компонентов алюминидной матрицы с карбидными частицами упрочняющей фазы (ТЮ,

БЮ).

Показано, что при температурах 900-1000 °С дисперсная упрочняющая фаза ТЮ стабильна в формирующейся алюминидной матрице композиционного материала системы А1-ТьТЮ.

Получены экспериментальные зависимости, характеризующие влияние состава исходных порошковых смесей АЬТьНС (размера частиц титанового порошка и количества порошка упрочняющей фазы ) на интенсивность протекания экзотермической реакции формирования алюминидной матрицы (СВС- процесс).

Получены зависимости объемной усадки образцов и роста поверхности контактных участков между металлическими частицами от состава исходных порошковых смесей и режимов их компактирования.

Практическая ценность.

Оптимизированы технологические параметры получения полуфабрикатов жаропрочных и жаростойких конструкционных композитов на основе алюминида титана с минимальной остаточной пористостью, содержащих 20 об. % дисперсного углеродсодержащего наполнителя ТЮ . Полученные термокинетические закономерности формирования алюминидной матрицы и стойкости упрочняющей фазы в контакте с алюминидной матрицей позволили предложить оптимальные режимы технологии ДУКМ в зависимости от типа упрочняющей фазы (ТлС или 8Ю) и ее объемного содержания

Определены экспериментальные характеристики процесса твердофазного спекания спрессованных в холодном состоянии порошковых брикетов состава АП1-4М)+ТЮ.

Предложен метод аналитического контроля алюминидных фаз для определения количественного фазового состава порошковых композитов, (акты об использовании результатов работы от МГУ и МАТИ прилагаются).

Компактированные и спеченные по разработанным режимам порошковые системы [Т1А1-4№>+( 10-20) об.% НС ], а также параметры технологии горячего прессования изученных порошковых систем ( Р = 4,5 МПа ,Т < 1000 °С) рекомендованы для использования на АО ВИЛС для получения компактных изделий из жаропрочных конструкционных композитов системы ТлА1-4М)+,ПС.

На защиту выносятся:

- теоретическое обоснование процессов формирования алюминидной матрицы из компактированной порошковой смеси исходных металлов, содержащей добавки упрочняющей фазы (ПС).

- методы изготовления опытных образцов ДУКМ в условиях реакционного диффузионного формирования алюминидной матрицы из компактированной порошковой смеси исходных металлов, содержащей добавки упрочняющей фазы (ТЮ).

результаты исследований термокинетических параметров формирования алюминидных фаз в образцах дисперсноупрочненных композитов, полученных методом реакционного спекания.

результаты исследований термокинетических параметров взаимодействия упрочняющих карбидных фаз (ТЮ или БЮ) с адгезионно активной алюминидной матрицей на стадии ее формирования.

- экспериментальные данные процессов спекания компактных порошковых брикетов состава Т1А1-1МЪ+ТЮ в условиях вакуума и в атмосфере газа (азота или аргона) при повышенном давлении (45 атм.)

Публикация. Материалы диссертационной работы опубликованы в 2 научных статьях и 2 тезисах докладов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, двух глав, общих выводов, списка литературы, содержащего 91 наименование. Работа содержит 102 страницы машинописного текста, 45 рисунков, таблиц 17, 2 приложения.

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Краткая характеристика современных легких жаропрочных

сплавов на основе титана

Интенсивное развитие перспективных технических систем для новой техники предъявляет все более высокие требования к конструкционным материалам. Значительное повышение этих требований обусловлено стремлением к резкому увеличению параметров энергетических, транспортных и других установок. Кроме традиционных требований высокой прочности при низком удельном весе выдвигаются требования жаропрочности и жаростойкости.

Так, например, до недавнего времени в качестве авиационных конструкционных материалов применялись сплавы на основе титана, алюминия и магния [1]. Хотя из легких конструкционных материалов титановые сплавы наиболее жаропрочны, максимальная температура их применения не превышает 450-600 °С. Тем не менее титан и его сплавы часто служат основой для разработки новых легких жаропрочных материалов [2-5].

Общие положения теории жаропрочности металлов справедливы и для титановых сплавов. Основными факторами , определяющими жаропрочность металлов, являются:

- температура плавления,

- прочность межатомных связей,

- процессы диффузии,

- структура.

Большое внимание отводится дислокационным реакциям и диффузионным перемещениям атомов при ползучести и разрушении сплавов. При оценке жаропрочности сплавов не в последнюю очередь

учитываются температуры их рекристаллизации и фазового (полиморфного) превращения. Показано [8], что в момент фазового превращения повышается п�