Свойства сплавов на основе алюминидов титана γ-TiAl/α₂-Ti₃Al при комплексном легировании
Представлены результаты изучения влияния комплексного легирования Nb (3...4 %), Mo, Cr, Zr (до 2 %), B, Y (до 0,2 %) на механические свойства литых интерметаллидных γ-TiAl/α₂-Ti₃Al сплавов, содержащих от 44,0 до 48,5 % Al, полученных способом вакуумно-дугового переплава. Определены механические свой...
Збережено в:
| Дата: | 2018 |
|---|---|
| Автори: | , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2018
|
| Назва видання: | Современная электрометаллургия |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/167506 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Свойства сплавов на основе алюминидов титана γ-TiAl/α₂-Ti₃Al при комплексном легировании / С.А. Фирстов, И.Д. Горная, Ю.Н. Подрезов, А.А. Бондарь, А.В. Шереметьев // Современная электрометаллургия. — 2018. — № 3 (132). — С. 32-38. — Бібліогр.: 20 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-167506 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1675062020-03-31T01:26:00Z Свойства сплавов на основе алюминидов титана γ-TiAl/α₂-Ti₃Al при комплексном легировании Фирстов, С.А. Горная, И.Д. Подрезов, Ю.Н. Бондарь, А.А. Шереметьев, А.В. Вакуумно-дуговой переплав Представлены результаты изучения влияния комплексного легирования Nb (3...4 %), Mo, Cr, Zr (до 2 %), B, Y (до 0,2 %) на механические свойства литых интерметаллидных γ-TiAl/α₂-Ti₃Al сплавов, содержащих от 44,0 до 48,5 % Al, полученных способом вакуумно-дугового переплава. Определены механические свойства при испытаниях на изгиб, одноосные растяжение и сжатие. Измерены твердость по Виккерсу и длительная горячая твердость (жаропрочность). Испытания проводили в температурном интервале 20...800 °С. Показано, что оптимальные свойства при растяжении при 20 и 700 °С демонстрирует литой сплав Ti–47Al–5,5(Nb, Cr, Mo): модуль упругости составляет примерно 170 и 126 ГПа, предел прочности — 770 и 644 МПа, пластичность — 0,15 и 0,65 % соответственно. Трещиностойкость этого сплава составляет приблизительно 22,4 МПа∙м¹/², длительная горячая твердость при 700 °С — 2,0 ГПа, что вдвое превышает значение твердости высокотемпературных титановых сплавов. Представлено результати вивчення впливу комплексного легування Nb (3…4 %), Mo, Cr, Zr (до 2 %), B, Y (до 0,2 %) на механічні властивості литих інтерметалідних γ-TiAl/α₂-Ti₃Al сплавів з вмістом Al від 44,0 до 48,5 %, отриманих способом вакуумно-дугового переплаву. Визначено механічні властивості в випробуваннях на згин, одновісні стиснення і розтягування. Вимірювані твердість по Віккерсу і довготривала гаряча твердість (жароміцність). Випробування проводили в температурному інтервалі 20…800 °С. Показано, що оптимальні властивості при розтягуванні при 20 і 700 °С демонструє литий сплав Ti–47Al–5,5 (Nb, Cr, Mo): модуль пружності становить майже 170 і 126 ГПа, границя міцності — 770 і 644 МПа, пластичність — 0,15 і 0,65 % відповідно. Тріщиностійкість цього сплаву складає приблизно 22,4 МПа∙м¹/², довготривала гаряча твердість при 700 °С — майже 2,0 ГПа, що практично вдвічі перевершує значення твердості високотемпературних титанових сплавів. Presented are the results of study of effect of a complex alloying by Nb (3...4 %), Mo, Cr, Zr (up to 2 %), B, Y (up to 0.2 %) on mechanical properties of cast intermetallic γ-TiAl/α₂-Ti₃Al alloys, containing from 44.0 up to 48.5 % Al, produced by the method of vacuum arc remelting. The mechanical properties were determined at bending, uniaxial tension and compression tests. Vickers hardness and long-time hot hardness (high-temperature strength) were measured. The tests were carried out within the temperature interval of 20...800 °С. It was shown that the optimum properties during tension at 20 and 700 °С were demonstrated by the cast alloy Ti–47Al–5.5 (Nb, Cr, Mo); coefficient of elasticity was approximately 170 and 126 GPa, tensile strength was 770 and 644 MPa, ductility was 0.15 and 0.65 %, respectively. Crack resistance of this alloy is approximately 22.4 MPa∙m¹/², long-time hot hardness at 700 °С is 2.0 GPa, that twice increases the value of hardness of high-temperature titanium alloys. 2018 Article Свойства сплавов на основе алюминидов титана γ-TiAl/α₂-Ti₃Al при комплексном легировании / С.А. Фирстов, И.Д. Горная, Ю.Н. Подрезов, А.А. Бондарь, А.В. Шереметьев // Современная электрометаллургия. — 2018. — № 3 (132). — С. 32-38. — Бібліогр.: 20 назв. — рос. DOI: http://dx.doi.org/10.15407/sem2018.03.05 0233-7681 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/167506 621.793.18.06.002.6 ru Современная электрометаллургия Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Вакуумно-дуговой переплав Вакуумно-дуговой переплав |
| spellingShingle |
Вакуумно-дуговой переплав Вакуумно-дуговой переплав Фирстов, С.А. Горная, И.Д. Подрезов, Ю.Н. Бондарь, А.А. Шереметьев, А.В. Свойства сплавов на основе алюминидов титана γ-TiAl/α₂-Ti₃Al при комплексном легировании Современная электрометаллургия |
| description |
Представлены результаты изучения влияния комплексного легирования Nb (3...4 %), Mo, Cr, Zr (до 2 %), B, Y (до 0,2 %) на механические свойства литых интерметаллидных γ-TiAl/α₂-Ti₃Al сплавов, содержащих от 44,0 до 48,5 % Al, полученных способом вакуумно-дугового переплава. Определены механические свойства при испытаниях на изгиб, одноосные растяжение и сжатие. Измерены твердость по Виккерсу и длительная горячая твердость (жаропрочность). Испытания проводили в температурном интервале 20...800 °С. Показано, что оптимальные свойства при растяжении при 20 и 700 °С демонстрирует литой сплав Ti–47Al–5,5(Nb, Cr, Mo): модуль упругости составляет примерно 170 и 126 ГПа, предел прочности — 770 и 644 МПа, пластичность — 0,15 и 0,65 % соответственно. Трещиностойкость этого сплава составляет приблизительно 22,4 МПа∙м¹/², длительная горячая твердость при 700 °С — 2,0 ГПа, что вдвое превышает значение твердости высокотемпературных титановых сплавов. |
| format |
Article |
| author |
Фирстов, С.А. Горная, И.Д. Подрезов, Ю.Н. Бондарь, А.А. Шереметьев, А.В. |
| author_facet |
Фирстов, С.А. Горная, И.Д. Подрезов, Ю.Н. Бондарь, А.А. Шереметьев, А.В. |
| author_sort |
Фирстов, С.А. |
| title |
Свойства сплавов на основе алюминидов титана γ-TiAl/α₂-Ti₃Al при комплексном легировании |
| title_short |
Свойства сплавов на основе алюминидов титана γ-TiAl/α₂-Ti₃Al при комплексном легировании |
| title_full |
Свойства сплавов на основе алюминидов титана γ-TiAl/α₂-Ti₃Al при комплексном легировании |
| title_fullStr |
Свойства сплавов на основе алюминидов титана γ-TiAl/α₂-Ti₃Al при комплексном легировании |
| title_full_unstemmed |
Свойства сплавов на основе алюминидов титана γ-TiAl/α₂-Ti₃Al при комплексном легировании |
| title_sort |
свойства сплавов на основе алюминидов титана γ-tial/α₂-ti₃al при комплексном легировании |
| publisher |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| publishDate |
2018 |
| topic_facet |
Вакуумно-дуговой переплав |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/167506 |
| citation_txt |
Свойства сплавов на основе алюминидов титана γ-TiAl/α₂-Ti₃Al при комплексном легировании / С.А. Фирстов, И.Д. Горная, Ю.Н. Подрезов, А.А. Бондарь, А.В. Шереметьев // Современная электрометаллургия. — 2018. — № 3 (132). — С. 32-38. — Бібліогр.: 20 назв. — рос. |
| series |
Современная электрометаллургия |
| work_keys_str_mv |
AT firstovsa svojstvasplavovnaosnovealûminidovtitanagtiala2ti3alprikompleksnomlegirovanii AT gornaâid svojstvasplavovnaosnovealûminidovtitanagtiala2ti3alprikompleksnomlegirovanii AT podrezovûn svojstvasplavovnaosnovealûminidovtitanagtiala2ti3alprikompleksnomlegirovanii AT bondarʹaa svojstvasplavovnaosnovealûminidovtitanagtiala2ti3alprikompleksnomlegirovanii AT šeremetʹevav svojstvasplavovnaosnovealûminidovtitanagtiala2ti3alprikompleksnomlegirovanii |
| first_indexed |
2025-07-15T00:40:04Z |
| last_indexed |
2025-07-15T00:40:04Z |
| _version_ |
1837671402076897280 |
| fulltext |
32 ISSN 2415-8445 СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ, № 3 (131), 2018
ВАКУУМНО-ДУГОВОЙ ПЕРЕПЛАВ
УДК 621.793.18.06.002.6 DOI: http://dx.doi.org/10.15407/sem2018.03.05
СВОйСТВА СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИДОВ ТИТАНА
γ-TiAl/α2-Ti3Al ПрИ КОМПЛЕКСНОМ ЛЕГИрОВАНИИ
С. А. Фирстов1, И. Д. Горная1, Ю. Н. Подрезов1,
А. А. Бондарь1, А. В. Шереметьев2
1Институт проблем материаловедения им. И. Н. Францевича НАН Украины.
03142, г. Киев, ул. Кржижановского, 3. E-mail: dir@ipms.kiev.ua
2ГП «Ивченко-Прогресс».
69068, г. Запорожье, ул. Иванова, 2. E-mail: progress@ivchenko-progress.com
Представлены результаты изучения влияния комплексного легирования Nb (3...4 %), Mo, Cr, Zr (до 2 %), B, Y
(до 0,2 %) на механические свойства литых интерметаллидных γ-TiAl/α2-Ti3Al сплавов, содержащих от 44,0
до 48,5 % Al, полученных способом вакуумно-дугового переплава. Определены механические свойства при
испытаниях на изгиб, одноосные растяжение и сжатие. Измерены твердость по Виккерсу и длительная горячая
твердость (жаропрочность). Испытания проводили в температурном интервале 20...800 оС. Показано, что опти-
мальные свойства при растяжении при 20 и 700 оС демонстрирует литой сплав Ti–47Al–5,5(Nb, Cr, Mo): модуль
упругости составляет примерно 170 и 126 ГПа, предел прочности — 770 и 644 МПа, пластичность — 0,15 и
0,65 % соответственно. Трещиностойкость этого сплава составляет приблизительно 22,4 МПа∙м1/2, длительная
горячая твердость при 700 оС — 2,0 ГПа, что вдвое превышает значение твердости высокотемпературных тита-
новых сплавов. Библиогр. 20, табл. 5, ил. 1.
К л ю ч е в ы е с л о в а : титановые сплавы; алюминиды титана; легирование; механические свойства; жа-
ропрочность
За счет малой плотности (4,2...3,9 г/см3), термоди-
намической стабильности и жаростойкости, повы-
шенной жесткости и высокой удельной прочности
в интервале температур 600...750 оС сплавы на ос-
нове алюминидов титана γ-TiAl/α2-Ti3Al рассма-
триваются как наиболее перспективные, отвечаю-
щие современным требованиям авиакосмической,
авиационной и автомобильной промышленности
[1–7]. Замена суперсплавов на никелевой основе
сплавами на основе алюминидов титана позволит
снизить вес деталей ГТД и ГТУ в 1,5...2,0 раза
вместе с их удешевлением почти на треть. Акту-
альной остается также задача повышения темпе-
ратуры, которая для коммерческих жаропрочных
титановых сплавов типа IMI834, ВТ18У, ВТ41 со-
ставляет 550...600 оС, что является недостаточным
для деталей компрессора и турбины ГТД нового
поколения. Несмотря на большой объем работ,
посвященных разработке и исследованию γ-TiAl
сплавов, проблема достижения оптимального ба-
ланса свойств в литом состоянии для удешевления
процессов их производства остается актуальной,
поэтому необходимо продолжение исследований
влияния легирования, в первую очередь Nb, в
комплексе с другими b-стабилизирующими и мо-
дифицирующими элементами на свойства γ-TiAl/
α2-Ti3Al сплавов [8–14].
Целью настоящей работы является изучение
влияния комплексного легирования Nb, Mo, Cr,
Zr, B и Y на физико-механические свойства литых
интерметаллидных γ-TiAl сплавов разного номи-
нального состава.
Материалы и способы исследования. Для ис-
следований выплавлены две серии γ-TiAl сплавов,
легированных 3...4 % Nb, Mo, Cr, Zr (до 2 %), B и
Y (до 0,2 %) с содержанием от 44 до 48,5 % Al (тут
и далее ат. %).
Слитки сплавов серии 1 получены способом
вакуумно-дугового переплава в лабораторной ва-
куумно-дуговой печи в медном цилиндрическом
охлаждаемом водой кристаллизаторе в среде арго-
на путем послойного расплавления спрессованных
шихтовых брикетов [15]. Для слитков диаметром
65...70 мм, длиной 12 мм и весом приблизительно
200 г в качестве исходных материалов использова-
ли губчатый титан MHT-100 и металлы техниче-
ской чистоты. Бор вводили в виде лигатуры 94Al–
5Ti–1B (мас. %). Химический состав сплавов
серии 1 и твердость по Виккерсу представлены в
табл. 1. Сплав номер 6–1 имеет такой же состав,
что и сплав 5–1, но выплавлен с использованием
титановой губки ТГ100 производства Запорожско-
го титано-магниевого комбината (ЗТМК).
© С. А. ФИРСТОВ, И. Д. ГОРНАЯ, Ю. Н. ПОДРЕЗОВ, А. А. БОНДАРЬ, А. В. ШЕРЕМЕТЬЕВ, 2018
33ISSN 2415-8445 СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ, № 3 (131), 2018
ВАКУУМНО-ДУГОВОЙ ПЕРЕПЛАВ
Для определения влияния микролегирования
бором выплавлено серию 2 модельных слитков,
составы которых и твердость по Виккерсу при-
ведены в табл. 2. Для сравнения свойств химиче-
ский состав сплава номер 6–2 (без добавок бора)
соответствует составу сплава номер 5–1 серии 1.
Слитки весом приблизительно 15 г изготовлены
способом аргонно-дуговой плавки в электродуго-
вой печи с использованием нерасходуемого воль-
фрамового электрода на медном поду с водным
охлаждением и позволяющим получать более ка-
чественные сплавы [12].
Изучение структурно-фазового состояния
сплавов выполняли способами оптической ме-
таллографии (ОМ), сканирующей (СЭМ) и транс-
миссионной (ТЭМ) электронной микроскопии,
рентгеновского анализа. Механические свойства
сплавов изучали при испытаниях на одноос-
ные растяжение и сжатие при температурах 20 и
700 оС. Испытания на растяжение проводили со-
гласно ГОСТ-1497 на образцах диаметром 3 мм
и длиной рабочей части 15 мм со скоростью де-
формации 10−3 с−1. Удлинение фиксировали тен-
зометрическими датчиками непосредственно с
рабочей части образца. Конструкция тензометра
позволяла определять деформацию образца с чув-
ствительностью 10–5 и измерять модуль упругости
с погрешностью не более 2 %.
Испытания на сжатие проводили со скоро-
стью деформации 10–3 с–1 при 20 и 700 оС мето-
дом построения диаграмм нагрузка–деформация.
Образцы имели размер 3×3×5 мм согласно ГОСТ
11150–75. Для расчета трещиностойкости спла-
вов использовали данные испытания образцов на
трехточечный изгиб при 20 оС. Жаропрочность
сплавов оценивали экспресс-методом измерения
долговременной горячей твердости с нагрузкой
10 Н в интервале температур 20...800 оС [16]. Из-
мерения твердости сплавов по Виккерсу проводи-
ли при нагрузке 30 Н.
результаты и обсуждение. Структурные исследо-
вания показали, что все сплавы имеют типичную
литую дендритную структуру, размер зерна кото-
рой зависит от их состава. Так, литой сплав номер
1−1 (44 % Al) состоит из кристаллитов размером
до нескольких миллиметров (рисунок, а). Допол-
нительное легирование бором, как известно, при-
водит к значительному измельчению структуры
сплавов на основе γ-TiAl [17], поэтому размер зер-
на сплава номер 2−1 с добавкой бора уменьшился
до десятков микрометров (рисунок, б). Увеличе-
ние концентрации алюминия до 47 % при одина-
ковом содержании легирующих элементов (сплав
номер 5–1) обусловило формирование четко выра-
женной ламельной структуры, состоящей из двух
фаз алюминидов титана — γ-TiAl и α2-Ti3Al (рису-
нок, в, г). Согласно данным рентгенофазового ана-
лиза, СЭМ и ТЭМ в структуре изучаемых сплавов
наблюдается небольшое количество β-фазы, име-
ющей ОЦК решетку.
Результаты измерения твердости по Виккер-
су серии 1 литых γ-TiAl сплавов представлены
в табл. 1. По уровню значений твердости (выше
Т а б л и ц а 1 . химический состав и твердость по Виккерсу γ-TiAl сплавов серии 1
Номер
сплава
Состав
HV 30, ГПа
ат. % мас. %
1–1 Ti–44Al–5,5(Nb, Cr, Mo) Ti–29Al–12 (Nb, Cr, Mo) 4,3
2–1 Ti–44Al–5,7(Nb, Cr, Mo, B) Ti–29Al–12,1(Nb, Сr, Mo, B) 4,1
3–1 Ti–44Al–5,7(Nb, Cr, Mo, Y) Ti–29Al–12,5(Nb, Cr, Mo, Y) 4,5
4–1 Ti–47Al–4,8(Nb, Cr, Mo, Zr) Ti–31,6Al–10,2(Nb, Cr, Mo, Zr) 3,7
5–1 Ti–47Al–5,5(Nb, Cr, Mo) Ti–32,4Al–12,2(Nb, Cr, Mo) 3,5
6–1 Ti–47Al–5,5(Nb, Cr, Mo) Ti–32,4Al–12,2(Nb, Cr, Mo) 3,2
Т а б л и ц я 2 . химический состав и твердость по Виккерсу γ-TiAl сплавов серии 2
Номер
сплава
Состав
HV 30, ГПа
ат. % мас. %
1–2 Ti–44Al–5,6(Nb, Cr, Mo, В) Ti–29Al–12,1(Nb, Cr, Mo, B) 4,4
2–2 Ti–45,5Al–5,6(Nb, Cr, Mo, В) Ti–30,2Al–12,2(Nb, Cr, Mo, B) 3,7
3–2 Ti–47Al–5,6(Nb, Cr, Mo, В) Ti–31,4Al–12,3(Nb, Cr, Mo, B) 3,2
4–2 Ti–48,5Al–5,6(Nb, Cr, Mo, В) Ti–32,7Al–12,4(Nb, Cr, Mo, B) 2,9
5–2 Ti–47Al–4,6(Nb, Cr, Mo, В) Ti–31,8Al–10,1(Nb, Cr, Mo, B) 3,3
6–2 Ti–47Al–5,5(Nb, Cr, Mo) Ti–31,4Al–12,2(Nb, Cr, Mo) 3,5
34 ISSN 2415-8445 СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ, № 3 (131), 2018
ВАКУУМНО-ДУГОВОЙ ПЕРЕПЛАВ
и ниже 4 ГПа) сплавы можно разделить на две
группы. К первой относятся сплавы номер 1−1,
2−1, 3−1 с 44 % Al. Более высокие значения твер-
дости первой группы сплавов по сравнению со
второй объясняются как увеличением соотно-
шения объемной доли α2-/γ-фаз при уменьшении
концентрации Al [4–6], так и существенным дис-
пергированием структуры литых сплавов за счет
модифицирующего эффекта В, Y [17−19]. Вторая
группа сплавов номера 4−1, 5−1 и 6−1 содержат
47 % Al и, соответственно, большую объемную
долю менее жесткой γ-TiAl фазы. Cплав номер
6−1 имеет самую низкую твердость примерно
3,2 ГПа, что может быть результатом использова-
ния в качестве исходного материала более чистой
по содержанию кислорода титановой губки произ-
водства ЗТМК.
В табл. 3 представлены механические свойства
литых γ-TiAl сплавов серии 1: трещиностойкость
(К1с), модуль упругости (Е), предел текучести
(σ0,2), предел прочности (σв), относительное удли-
нение (δ) и поперечное сужение (ψ), которые опре-
деляли при испытаниях на одноосное растяжение
при температурах 20 и 700 оС.
Рис. 1. Микроструктура литых γ-TiAl сплавов: а — номер 1−1 (Ti−44Al−5,5(Nb, Cr, Mo); б — 2−1 (Ti−44Al−5,7(Nb, Cr, Mo, B);
в, г — 5–1 (Ti−47Al−5,5(Nb, Cr, Mo) (ОМ)
Т а б л и ц а 3 . Влияние легирования на трещиностойкость и механические свойства серии γ-TiAl сплавов серии 1
при одноосном растяжении при 20 и 700 оС
Номер
сплава Состав, ат. % К1с,
МПа·м1/2 Тисп,
оС Е, ГПа σ0,2, МПа σв, МПа δ, % ψ, %
1–1 Ti−44Al−5,5(Nb, Cr, Mo) 16,1
20 158 − 512 0,17 1,0
700 116 463 501 0,28 0,57
2−1 Ti−44Al−5,7(Nb, Cr, Mo, B) 13,6
20 187 − 533 0,02 0,07
700 113 516 562 0,28 2,6
3−1 Ti−44Al−5,7(Nb, Cr, Mo, Y) 14,8
20 170 − 523 0,03 0,14
700 122 − 454 0,12 2,3
4−1 Ti−47Al−4,8(Nb, Cr, Mo, Zr) 20,8
20 185 394 504 0,35 1,4
700 130 396 555 0,65 2,3
5−1 Ti−47Al−5,5(Nb, Cr, Mo) 22,4
20 170 − 770 0,15 1,2
700 126 543 644 0,45 2,9
6−1 Ti−47Al−5,5(Nb, Cr, Mo) 21,8
20 171 510 548 0,28 0,28
700 133 400 514 0,28 2,6
35ISSN 2415-8445 СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ, № 3 (131), 2018
ВАКУУМНО-ДУГОВОЙ ПЕРЕПЛАВ
Следует отметить, что литым γ-TiAl сплавам
при комнатной температуре свойственны малая
пластичность и низкая технологичность [4−6],
приводящие к проблемам изготовления стандарт-
ных образцов и проведения испытаний на растя-
жение. Кроме того, наличие литейных дефектов
и примесей, поступивших из исходной титановой
губки, неоднородность химического состава по
сечению слитка могут также влиять на качество
образцов и достоверность полученных экспери-
ментальных данных.
Анализ результатов испытаний на растяжение
образцов сплавов серии 1 показал, что практиче-
ски все исследованные сплавы при 20 оС имеют
достаточно высокие модули упругости на уровне
158…187 ГПа. Среди указанных сплавов модули
упругости сплавов номер 4−1 и 5−1 сохраняют
высокие значения и при 700 оС, а именно 130 и
126 ГПа соответственно. Наибольшие значения
трещиностойкости (20,8…22,4 МПа·м1/2) демон-
стрируют сплавы под номерами 4−1, 5−1 и 6−1 с
содержанием 47 % Al.
Из данных, приведенных в табл. 3, следует, что
при испытаниях образцов на растяжение в боль-
шинстве случаев не удалось достичь необходи-
мого предела текучести по причинам, указанным
выше. Это касается сплавов номер 1−1, 2−1 и 3−1
с содержанием 44 % Al. Два последних указанных
сплава, легированных дополнительно бором и ит-
трием, имеют минимальную пластичность при-
близительно 0,02…0,03 %. Измеренные при 20 оС
пределы текучести (σ0,2) сплавов 4−1 и 6−1 равны
394 и 510 МПа соответственно.
Максимальные значения предела прочности при
20 оС демонстрируют сплавы 5−1 и 6−1 — 770 и
548 МПа соответственно. Пластичность этих спла-
вов равна примерно 0,28 и 0,15 %. Сплав номер 4–1
имеет предел прочности 504 МПа и максимальную
среди всех исследуемых сплавов пластичность в
литом состоянии около 0,35 %. При 700 оС мак-
симальные значения предела прочности имеют
сплавы номер 2−1 (562 МПа), 4−1 (555 МПа) и 5−1
(644 МПа). Таким образом, среди сплавов серии 1
оптимальный баланс всех механических характе-
Т а б л и ц а 4 . Влияние легирования на трещиностойкость и механические свойства литых γ-TiAl сплавов серии 2
при испытаниях на сжатие при 20 и 700 оC
Номер
сплава
Состав сплава (ат. %) К1с, МПа·м1/2 Тисп,
оС σ0,2, МПа σр, МПа ε, %
1−2 Ti−44Al−5,6(Nb, Cr, Mo, В) 14,0 20
700
861
1119
1688
2284
7,0
17,2
2−2 Ti−45,5Al−5,6(Nb, Cr, Mo, В) 16,7 20
700
809
844
2096
2020
12,8
19,4
3−2 Ti−47Al−5,6(Nb, Cr, Mo, В) 24,8 20
700
745
879
2577
2974
16,2
27,0
4−2 Ti−48,5Al−5,6(Nb, Cr, Mo, В) 14,0 20
700
668
551
2181
2735
16,2
31,1
5−2 Ti−47Al−4,6(Nb, Cr, Mo, В) 26,4 20
700
852
617
2315
2951
12,1
7,2
6−2 Ti−47Al−5,5(Nb, Cr, Mo) 24,4 20
700
814
867
2030
2059
7,9
9,1
5−1 Ti−47Al−5,5(Nb, Cr, Mo) 22,4 20
700
852
844
2444
2547
11,9
32,7
Т а б л и ц а 5 . Влияние легирования на длительную горячую твердость литых γ-TiAl сплавов в интервале темпера-
тур 20...800 оС
Номер
сплава
Состав, ат. %
Температура, оС
20 500 700 750 800
1−1 Ti−4Al−5,6(Nb, Cr, Mo, В) 3,0 2,8 2,3 2,2 1,8
2−1 Ti−45,5Al−5,6(Nb, Cr, Mo, В) 2,8 2,6 2,1 1,8 1,6
3−1 Ti−47Al−5,6(Nb, Cr, Mo, В) 3,4 3,2 2,5 2,5 2,1
4−1 Ti−48,5Al−5,6(Nb, Cr, Mo, В) 2,5 1,9 1,9 1,6 1,6
5−1 Ti−47Al−4,6(Nb, Cr, Mo, В) 2,9 2,6 2,0 1,7 1,6
6−1 Ti−47Al−5,5(Nb, Cr, Mo) 2,6 2,1 1,6 1,6 1,4
5−2 Ti−47Al−4,6(Nb, Cr, Mo, В) 2,5 2,1 1,8 1,8 1.4
6−2 Ti−47Al−5,5(Nb, Cr, Mo) 2,6 2,3 2,0 1,7 1,5
36 ISSN 2415-8445 СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ, № 3 (131), 2018
ВАКУУМНО-ДУГОВОЙ ПЕРЕПЛАВ
ристик наблюдается для литого сплава номер 5−1,
имеющего состав Ti−47Al−5,5(Nb, Cr, Mo).
Механические свойства образцов серии 2 ли-
тых γ-TiAl сплавов, учитывая небольшие раз-
меры слитков, определяли при испытаниях на
сжатие при 20 и 700 оС (табл. 4). Для сравнения
в табл. 4 представлены также свойства сплава
номер 5−1 (серия 1). Отмечается, что наиболее
высокий уровень механических свойств как при
20 оС, так и при 700 оС имеют сплавы, содержа-
щие 47 % Al (номера 3−2, 5−2, 6−2). Указанные
сплавы наряду со сплавом номер 5−1 показыва-
ют и наибольшие значения трещиностойкости
(24,4…26,4 МПа·м1/2). Сплавы номер 3−2 и 5−2
(дополнительно легированные бором) имеют са-
мые высокие прочностные характеристики при
20 и 700 оС. У сплава номер 6−2 наблюдается не-
сколько пониженное разрушающее напряжение по
сравнению со сплавом 5−1 серии 1, имеющего с
ним одинаковый состав, что может быть связано с
разными технологиями изготовления слитков.
Результаты измерения длительной горячей
твердости (жаропрочности) литых γ-TiAl сплавов
серии 1 и сплавов 5−2 и 6−2 серии 2 представлены
в табл. 5. Высокие значения жаропрочности при
температурах 700...750 оС имеет группа сплавов с
содержанием 44 % Al. Сплавы 4−1, 5−1 и 6−1 при
температуре 700 оС имеют близкие значения дли-
тельной твердости 1,9…2,0 ГПа, которые практи-
чески в два раза превышают значения твердости
высокотемпературных титановых сплавов с ме-
таллической матрицей α-Тi [20].
Выводы
1. Показано, что комплексное легирование (3–4 %
Nb, до 2 % (Mo, Cr, Zr), до 0,2 % (B, Y)) литых
γ-TiAl сплавов с содержанием Al от 44,0 до 48,5 %
обеспечило оптимальное сочетание физико-меха-
нических свойств, включая трещиностойкость и
низкотемпературную пластичность у сплавов, со-
держащих 47 % Al.
2. Установлено, что дополнительное легирова-
ние бором и иттрием литых γ-TiAl сплавов, содер-
жащих 44 % Al, резко измельчает зерно в литом
состоянии до десятков микрометров, но, к сожа-
лению, снижает пластичность при комнатной тем-
пературе.
3. Испытания на сжатие показали, что добавки
бора приводят к значительному повышению проч-
ностных свойств литых γ-TiAl сплавов, содержа-
щих 47 % Al как при комнатной, так и при повы-
шенных температурах.
4. Установлено, что оптимальный баланс
свойств при 20 и 700 оС среди изученных литых
γ-TiAl сплавов имеет сплав Ti–47Al–5,5(Nb, Cr, Mo
(номер 5–1): модуль упругости (Е) равен примерно
170 и 126 ГПа, предел прочности при одноосном
растяжении (σв) — 770 и 644 МПа, пластичность
(δ) — 0,15 и 0,65 % соответственно. Трещиностой-
кость этого сплава (К1с) — 22,4 МПа·м1/2. Длитель-
ная твердость сплава (жаропрочность) при 700 оС
составляет около 2,0 ГПа, что практически вдвое
превышает значение длительной твердости высо-
котемпературных титановых сплавов.
Список литературы
1. Clemens H., Mayer S. (2016) Intermetallic titanium aluminides
in aerospace applications–processing, microstructure and
properties. Materials at high temperatures. http://dx.doi.org.
/10.1080/09603409.2016.1163792
2. Bewlay B. P., Nag S., Suzuki A., Weimer M. J. (2016) TiAl
alloys in commercial aircraft engines. Ibid. http://dx.doi.org./
10.1080/09603409.2016.1183068
3. Toshimitsu Tetsui. (2002) Development of a TiAl turbocharger
for passenger vehicles. Materials Science and Engineering,
A329–331, 582–588.
4. Иноземцев А. А., Нихамкин М. А., Сандрацкий В. Л.
(2008) Основы конструирования авиационных двигате-
лей и энергетических установок. T. 2. (Газотурбинные
двигатели). Москва, Машиностроение.
5. Appel F., Paul J. D. H., Oehring M. (2011) Gamma titanium
aluminide alloys: science and technology. Weinheim, Wiley-
VCH Verlag GmbH & Co. KGaA.
6. Kim Y.-W., Smarsly W., Lin J. et al. (2014) Gamma titanium
aluminide alloys, 2014: a collection of research on innovation
and commercialization of gamma alloy technology. 4th
International Symposium on Gamma TiAl alloys, ISGTA
2014. Hoboken (NJ), John Wiley & Sons, Inc.
7. Christoph Leyens, Manfred Peters (2003) Titanium and
titanium alloys: fundamentals and applications. Wiley-VCH
Verlag GmbH & Co. KGaA.
8. Wu X. (2006) Review of alloy and processing development of
TiAl alloys. Intermetallics, 14, 1114–1122.
9. Lapin J. (2009) TiAl-based alloys: Present status and future
perspectives. Hradec nad Moravicí, Metal, 19.
10. Hu D., Wu X., Loretto M. H. (2005) Advances in optimization
of mechanical properties in cast TiAl alloys. Intermetallics,
13, 914–919.
11. Фірстов С. О., Горна І. Д., Порядченко Н. Е. та ін. (2010)
Високотемпературні властивості комплексно легованих
сплавів на основі алюмінідів титану. Фізико-хімічна ме-
ханіка матеріалів. 8, 145–150.
12. Бондар А. А., Вітусевич В. Т., Ремез М. В. та ін. (2011)
Структура та властивості титан-алюмінідних сплавів,
легованих ніобієм і танталом. Порошковая металлургия,
7–8, 25–45.
13. Подрезов Ю. Н., Ремез М. В., Горная И. Д. и др. (2012)
Температурная зависимость механических свойств спла-
вов на основе интерметаллида TiAl. Сб.: «Электронная
микроскопия и прочность материалов». Киев, ИПМ
НАНУ, 18, сс. 57–74.
14. Ремез М. В., Подрезов Ю. М., Бондар А. А. та ін. (2016)
Структура та властивості сплавів на основі TiAl, лего-
ваних ніобієм і хромом. Порошковая металлургия, 1–2,
104–112.
37ISSN 2415-8445 СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ, № 3 (131), 2018
ВАКУУМНО-ДУГОВОЙ ПЕРЕПЛАВ
15. Голтвяниця С. К., Голтвяниця В. С., Цивірко Е. І. (2006)
Отримання щільних та однорідних виливків зі сплаву ти-
тан–алюміній. Нові матеріали і технології в металургії
та машинобудуванні, 1, 57–59.
16. Борисенко В. А. (1984) Твердость и прочность тугоплав-
ких материалов при высоких температурах. Киев, Нау-
кова думка.
17. Hu D. (2002) Effect of boron addition on tensile ductility in
lamellar TiAl alloys. Intermetallics, 10, 851–858.
18. Wu Y., Hwang S. K. (2002) Microstructural refinement
and improvement of mechanical properties and oxidation
resistance in EPM TiAl-based intermetallics with yttrium
additions. Acta Materialia, 50, 1479–1493.
19. Горна І. Д., Яблокова Г. В., Тіньков В. О. та ін. (2010)
Вплив Y на структуру і властивості литого інтерме-
талідного сплаву Ti–36Al. Повідомлення 1. Структура
і твердість литих сплавів Ti–36Al–Y. Сб.: Современные
проблемы физического материаловедения. Киев, ИПМ
НАНУ, 19, сс. 122–127.
20. Горна І. Д., Горпенко К. О., Коваль О. Ю. та ін. (2008)
Структура та фізико-механічні властивості сплавів систе-
ми Ti–Si–X. Фізико-хімічна механіка матеріалів, 3, 35–42.
References
1. Clemens, H., Mayer, S. (2016) Intermetallic titanium alu-
minides in aerospace applications — processing, microstruc-
ture and properties. Materials at high temperatures. http://
dx.doi.org./10.1080/09603409.2016.1163792
2. Bewlay, B. P., Nag, S., Suzuki, A., Weimer, M. J. (2016) TiAl
alloys in commercial aircraft engines. Ibid. http://dx.doi.org./
10.1080/09603409.2016.1183068
3. Toshimitsu Tetsui (2002) Development of a TiAl turbocharg-
er for passenger vehicles. Mater. Sci. and Engin., A329–331,
582–588.
4. Inozemtsev, A.A., Nikhamkin, M.A., Sandratsky, V.L. (2008)
Fundamentals of design of aircraft engines and power units.
Vol. 2: Gas turbine engines. Moscow, Mashinostroenie [in
Russian].
5. Appel, F., Paul, J. D. H., Oehring, M. (2011) Gamma tita-
nium aluminide alloys: Science and technology. Weinheim,
Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA.
6. Kim, Y.-W., Smarsly, W., Lin, J. et al. (2014) Gamma titanium
aluminide alloys, 2014: A collection of research on innovation
and commercialization of gamma alloy technology. In: Proc.
of 4th Intern. Symp. on Gamma TiAl Alloys, ISGTA 2014.
Hoboken (NJ), John Wiley & Sons, Inc.
7. Christoph Leyens, Manfred Peters (2003) Titanium and ti-
tanium alloys: Fundamentals and applications. Wiley-VCH
Verlag GmbH & Co. KGaA.
8. Wu, X. (2006) Review of alloy and processing development
of TiAl alloys. Intermetallics, 14, 1114–1122.
9. Lapin, J. (2009) TiAl-based alloys: Present status and future
perspectives. Hradec nad Moravicí, Metal, 19.
10. Hu, D., Wu, X., Loretto, M. H. (2005) Advances in optimiza-
tion of mechanical properties in cast TiAl alloys. Intermetal-
lics, 13, 914–919.
11. Firstov, S.O., Gorna, I.D., Poryadchenko, N.E. et al. (2010)
High-temperature properties of complex alloys based on ti-
tanium aluminides. Fiz.-Khimich. Mekhanika Materialiv, 8,
145–150 [in Ukrainian].
12. Bondar, A.A., Vitusevych, V.T., Remez, M.V. et al. (2011)
Structure and properties of titanium-aluminide alloys doped
with niobium and tantalum. Poroshk. Metallurgiya, 7–8, 25–
45 [in Ukrainian].
13. Podrezov, Yu.N., Remez, M.V., Gornaya, I.D. et al. (2012)
Temperature dependence of mechanical properties of alloys
based on TiAl intermetallics. In: Electron microscopy and
strength of materials: Transact. Kiev, IPMS, 18, 57–74 [in
Russian].
14. Remez, M.V., Podrezov, Yu.M., Bondar, A.A. et al. (2016)
Structure and properties of TiAl-based alloys doped with ni-
obium and chrome. Poroshk. Metallurgiya, 1–2, 104–112 [in
Ukrainian].
15. Goltvyanytsya, S.K., Goltvyanytsya, V.S., Tsyvirko, E.I.
(2006) Production of solid homogeneous ingots of titani-
um-aluminium alloy. Novi Materialy i Tekhnologii v Metal-
lurgii ta Mashynobuduvanni, 1, 57–59 [in Ukrainian].
16. Borisenko, V.A. (1984) Hardness and strength of heat-resis-
tant materials at high temperatures. Kiev, Naukova Dumka
[in Russian].
17. Hu, D. (2002) Effect of boron addition on tensile ductility in
lamellar TiAl alloys. Intermetallics, 10, 851–858.
18. Wu, Y., Hwang, S. K. (2002) Microstructural refinement and
improvement of mechanical properties and oxidation resis-
tance in EPM TiAl-based intermetallics with yttrium addi-
tions. Acta Materialia, 50, 1479–1493.
19. Gorna, I.D., Yablokova, G.V., Tinkov, V.O. et al. (2010) Ef-
fect of Y on structure and properties of cast intermetallic alloy
Ti–36Al–Y. Information 1: Structure and hardness of cast al-
loys Ti–36Al–Y. In: Current problems of physical materials
science: Transact. Kiev, IPMS, 19, 122–127 [in Ukrainian].
20. Gorna, I.D., Gorpenko, K.O., Koval, O.Yu. et al. (2008)
Structure and physico-mechanical properties of alloys of Ti–
Si–X system. Fiz.-Khimich. Mekhanika Materialiv, 3, 35–42
[in Ukrainian].
ВЛАСТИВОСТі СПЛАВіВ НА ОСНОВі АЛЮМіНіДіВ ТИТАНу γ-TiAl/α2-Ti3Al
ПрИ КОМПЛЕКСНОМу ЛЕГуВАННі
С. О. Фірстов1, і. Д. Горна1, Ю. М. Подрезов1, А. А. Бондарь1, О. В. Шереметьєв2
1Інститут проблем матеріалознавства ім. И. М. Францевича НАН України.
03142, м. Київ, вул. Кржижановского, 3. E-mail: dir@ipms.kiev.ua
2ДП «Івченко-Прогрес».
69068, м. Запоріжжя, вул. Іванова, 2. E-mail: progress@ivchenko-progress.com
Представлено результати вивчення впливу комплексного легування Nb (3…4 %), Mo, Cr, Zr (до 2 %), B, Y (до
0,2 %) на механічні властивості литих інтерметалідних γ-TiAl/α2-Ti3Al сплавів з вмістом Al від 44,0 до 48,5 %,
отриманих способом вакуумно-дугового переплаву. Визначено механічні властивості в випробуваннях на згин,
одновісні стиснення і розтягування. Вимірювані твердість по Віккерсу і довготривала гаряча твердість (жа-
роміцність). Випробування проводили в температурному інтервалі 20…800 °С. Показано, що оптимальні вла-
стивості при розтягуванні при 20 і 700 °С демонструє литий сплав Ti–47Al–5,5 (Nb, Cr, Mo): модуль пружності
38 ISSN 2415-8445 СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ, № 3 (131), 2018
ВАКУУМНО-ДУГОВОЙ ПЕРЕПЛАВ
становить майже 170 і 126 ГПа, границя міцності — 770 і 644 МПа, пластичність — 0,15 і 0,65 % відповідно.
Тріщиностійкість цього сплаву складає приблизно 22,4 МПа∙м1/2, довготривала гаряча твердість при 700 °С —
майже 2,0 ГПа, що практично вдвічі перевершує значення твердості високотемпературних титанових сплавів.
Бібліогр. 20, табл. 5, іл. 1.
К л ю ч о в і с л о в а : титанові сплави; алюмініди титану; легування; механічні властивості; жароміцність
PROPERTIES OF ALLOYS ON TITANIUM ALUMINIDE γ-TiAl/α2-Ti3Al BASE AT COMPLEX ALLOYING
S.A. Firstov1, I.D. Gornaya1, Yu.N. Podrezov1, A.A. Bondar1, A.V. Sheremetjev2
1I.N. Frantsevich Institute of Problems of Materials Science of the NAS of Ukraine.
3 Krzhyzhanovsky Str., 03142, Kyiv. E-mail: dir@ipms.kiev.ua
2SE «Ivchenko-Progress».
2 Ivanov Str., 69068, Zaporozhye. E-mail: progress@ivchenko-progress.com
Presented are the results of study of effect of a complex alloying by Nb (3...4 %), Mo, Cr, Zr (up to 2 %), B, Y (up
to 0.2 %) on mechanical properties of cast intermetallic γ-TiAl/α2-Ti3Al alloys, containing from 44.0 up to 48.5 %
Al, produced by the method of vacuum arc remelting. The mechanical properties were determined at bending,
uniaxial tension and compression tests. Vickers hardness and long-time hot hardness (high-temperature strength) were
measured. The tests were carried out within the temperature interval of 20...800 °С. It was shown that the optimum
properties during tension at 20 and 700 °С were demonstrated by the cast alloy Ti–47Al–5.5 (Nb, Cr, Mo); coefficient
of elasticity was approximately 170 and 126 GPa, tensile strength was 770 and 644 MPa, ductility was 0.15 and 0.65 %,
respectively. Crack resistance of this alloy is approximately 22.4 MPa∙m1/2, long-time hot hardness at 700 °С is 2.0 GPa,
that twice increases the value of hardness of high-temperature titanium alloys. 20 Ref., 5 Tabl., 1 Fig.
K e y w o r d s : titanium alloys; titanium aluminides; alloying; mechanical properties; high-temperature strength
Поступила 09.07.2018
|