Изучение процессов формирования двухфазной структуры в сплавах системы Ti-Al : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук : 05.16.01

В настоящее время титановые сплавы широко применяются в изделиях авиакосмической промышленности в силу их высоких характеристик удельной прочности, жаропрочности и коррозионной стойкости. Разработка новых изделий, в том числе авиационных двигателей, требует создания материалов, работающих при повышенных температурах. Существующие в настоящее время титановые сплавы, на основе -фазы, способны работать до температур, не превышающих 600 °С, при времени эксплуатации не более 100 часов при заданной температуре. В тоже время сплавы на основе алюминидов титана могут эксплуатироваться и при более высоких температурах, но, к сожалению, они обладают пониженной вязкостью и пластичностью при комнатных температурах, что затрудняет их применение. В этой связи представляют интерес сплавы типа (+2) с большим количеством интерметаллидной фазы, разработка которых может обеспечить некоторое повышение рабочих температур и увеличить длительность эксплуатации создаваемых изделий. В этой связи вызывает большой интерес псевдо- сплавы, упрочненные выделениями вторых фаз, в том числе Ti3Al, поскольку они характеризуются пониженной плотностью, стабильными модулями упругости и повышенными прочностными свойствами.
На сегодняшний день повышение жаропрочности титановых сплавов достигается за счет создания пластинчатой структуры, полученной обработкой в высокотемпературной -области, а наибольшее внимание уделяется основным фазам  и , их количественному соотношению и морфологии. При этом закономерностям формирования интерметаллидных фаз, в частности Ti3Al, уделяется на наш взгляд недостаточно внимания. В тоже время количество, морфология и характер распределения этих фаз может существенно поменять свойства материала. Поэтому для практической реализации оптимального комплекса свойств необходимо глубокое понимание закономерностей выделения данных интерметаллидых фаз в титановых сплавах. При этом актуальной задачей
4
является изучение механизмов формирования (+2) структуры в сплавах с
большой объемной долей второй фазы.
Степень разработанности темы исследования
Формирование двухфазных ( + ) – структур в жаропрочных титановых сплавах является довольно изученной темой в российской и зарубежной литературе. Большое количество работ по тематике было выполнено научными коллективами во главе с Ильиным А.А. и Колачевым Б.А. (МАИ); Хоревым А.И., Ночовной Н.А. (ВИАМ); Полькиным И.С. и Ноткиным А.Б. (ВИЛС); Гринберг Б.С. и Карькиной Л.Е (ИФМ УрО РАН). Постоянный рост публикаций по данной тематике показывает необходимость изучения жаропрочных сплавов с целью совершенствования структуры и фазового состава для повышения комплекса свойств. Также большое количество исследований посвящено выделению интерметаллидных фаз в этих сплавах. Однако особенности механизмов выделения Ti3Al являются недостаточно изученными. При этом известно, что образование интерметаллидной α2-фазы возможно по двум различным механизмам: гетерогенному (зарождения и роста) и гомогенному (фазового превращения 2 рода). В зависимости от механизма образования данная фаза может существенно влиять на эксплуатационные свойства изделий при комнатной температуре.
В связи с этим целью данной работы является изучение закономерностей процессов выделения интерметаллидной фазы Ti3Al в высоколегированных алюминием модельных сплавах с различной структурой, определяемой режимами термической обработки, выявление особенностей формирования двухфазной (⍺ + ⍺2) структуры, а также установление ее влияния на комплекс механических свойств.
Задачи:
1. Исследовать особенности процессов формирования структуры после нагрева в однофазную β-область и последующего отжига в сплаве на основе ⍺2-фазы Ti-26Al.

5
2. Изучить процессы выделения интерметаллида Ti3Al в двухфазном (⍺ + ⍺2)
сплаве Ti-17Al после нагрева в однофазную β-область и последующего старения. 3. Выяснить влияние условий термической обработки на механизмы образования двухфазной структуры и формирующийся комплекс механических свойств в сплаве Ti-17Al.
Научная новизна:
Установлено, что в двухфазном сплаве Ti-17Al после охлаждения на воздухе с температур β-области и старения при температурах 500…900 °С происходит распад пересыщенного α – твердого раствора с образованием дисперсных частиц α2-фазы, размеры которых увеличиваются с увеличением времени и температуры старения. В то время в сплаве Ti-26Al при аналогичных обработках протекает процесс упорядочения, что подтверждается формированием и совершенствованием антифазных границ.
Выявлено, что в сплаве Ti-17Al в процессе изотермической выдержки при 400…600 °С после переохлаждения с 950 °С образование частиц α2-фазы происходит как фазовое превращение I рода по механизму зарождения и роста. Размер формирующихся частиц в основном определяется температурой изотермической выдержки и незначительно увеличивается с ростом продолжительности термической обработки. При этом наблюдаемые в структуре -твердого раствора парные дислокации свидетельствует о протекании процессов упорядочения, как фазовых превращений второго рода.
Показано, что после закалки сплава Ti-17Al с 1200 °С формируется мартенситная структура без видимых признаков выделения α2–фазы, в то время как при закалке с 950 °С образуется (α+α2) структура, характер которой свидетельствует о спинодальном механизме ее образования. В результате длительного старения при 500 °С в структуре выделяются дисперсные частицы α2–фазы, не имеющие четких границ. Размытые границы исследуемых выделений могут косвенно свидетельствовать о гомогенном механизме образования данной

6
фазы. Старение при температурах 650…700 °С с выдержками до 300 часов
способствует росту частиц Ti3Al вдоль направления [001] α.
Теоретическая и практическая значимость работы
Выявлена реализация различных механизмов распада метастабильной α-фазы в зависимости от предшествующей обработки двухфазного сплава с (α + α2)-структурой. Так при первоначальной высокотемпературной обработке в однофазной α-области возможно формирование двухфазной структуры в результате развития гомогенного фазового превращения. В то время как обработка в однофазной β-области приводит к выделению интерметаллидных частиц по механизму зарождения и роста.
Установлено, что заключительная термическая обработка должна исключать β  α превращение для реализации процессов упорядочения, как фазового превращения II рода, в α твердом растворе для повышения термостабильности материала, а также получения удовлетворительного комплекса механических свойств.
Результаты, полученные в диссертационной работе, используются при корректировке режимов термической обработки жаропрочных титановых сплавов в ПАО «Корпорации ВСМПО-АВИСМА».
Методология и методы исследования Основой для работы послужили труды отечественных и зарубежных ученых в области изучения структуры и свойств жаропрочных титановых сплавов, а также сплавов на основе интерметаллидов. В ходе работы были использованы такие современные методы исследований как дифференциальная сканирующая калориметрия, изучение относительного электросопротивления, рентгеноструктурный фазовый анализ, просвечивающая и растровая электронная микроскопия (ПЭМ и РЭМ), микродюрометрический анализ, а также исследование механических свойств при сжатии и ползучести.

7
Положения, выносимые на защиту:
1. Возможность регулирования механизмов процессов распада метастабильных фаз при помощи различных режимов термической обработки.
2. Целесообразность развития α  α2 превращения как фазового превращения II рода, а также исключение β  α превращения на последних этапах термической обработки.
3. Получение двухфазной (α+α2) структуры после закалки с 950 °С и последующего старения, обладающей большей пластичностью при комнатной температуре.
Оценка достоверности результатов исследования выявила, что экспериментальные результаты получены на современном оборудовании, показана воспроизводимость результатов исследования, согласуются с опубликованными экспериментальными данными по теме исследовательской работы, использованы современные методы сбора и обработки исходной информации.
Апробация результатов работы выполнена путем докладов итогов исследований на конференциях и публикацией в рецензируемых изданиях, в том числе, зарубежных и из перечня ВАК.
Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: XII Российская ежегодная конференция Молодых научных сотрудников и аспирантов «Физико-химия и технология неорганических материалов» (Москва: ИМЕТ РАН, 2015); XVI Международная научно- техническая Уральская школа-семинар металловедов – молодых ученых (Екатеринбург: УрФУ, 2015); IV Всероссийская молодежная школа-конференция «Современные проблемы металловедения» (Севастополь: НИТУ «МИСиС», 2016); XVII Международная научно-техническая Уральская школа-семинар металловедов – молодых ученых (Екатеринбург: УрФУ, 2016); VII Международная конференция «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов» (Москва: ИМЕТ РАН, 2017); XVIII Международная научно-техническая Уральская школа- семинар металловедов – молодых ученых (Екатеринбург: УрФУ, 2017);

8
Международная конференция 16th High Temperature Materials Chemistry Conference
(HTMC-XVI), (Екатеринбург, 2018); XIХ Международная научно-техническая Уральская школа-семинар металловедов – молодых ученых (Екатеринбург: УрФУ, 2018); Международная конференция “Materials science of the future: research, development, scientific training (MSF’2019)” (Нижний Новгород, Университет Лобачевского, 2019); XХ Международная научно-техническая Уральская школа- семинар металловедов – молодых ученых (Екатеринбург: УрФУ 2020)
Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 25 печатных трудах, в том числе 4 из них опубликованы в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Три статьи вошли в международные базы Scopus и Web of Science.
Работа выполнена на кафедре термообработки и физики металлов ФГАОУ ВО «Уральский Федеральный Университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина» в рамках исследований, включённых в следующие научные программы: «Разработка научно-обоснованных подходов по управлению структурой и свойствами цветных металлов и сплавов, и совершенствования методов их получения и обработки для изделий ответственного назначения» в соответствии с соглашением /договором /госконтрактом No 075-03-2020-582/4 от 10.06.2020.