Жаропрочные сплавы на основе интерметаллидов системы Ti–Al

В системе Ti-Al со стороны титана образуются интерметаллиды Ti3Al (α2-фаза) и TiAl (γ-фаза), обладающие значительными областями гомогенности .В 1961 г.

Рис. 1 Диаграмма состояния системы Ti-Al

С.Г. Глазунов и Ю.Ф. Алтунин обратили внимание на то, что алюминиды титана Ti3Al и TiAl могут быть полезными конструкционными материалами, так как обладают малой плотностью, высокой жаропрочностью и жаростойкостью, хорошими литейными свойствами . Однако реализация этой идеи затянулась на несколько десятилетий из-за присущих этим интерметаллидам низкой пластичности и технологичности. Лишь в конце ХХ века алюминидам титана стали уделять должное внимание, что нашло отражение, в частности, в увеличении числа докладов по этой тематике на международных конференциях. Отмечалось, что они являются перспективными материалами, которые могут заменить существующие жаропрочные сплавы при температурах 600-700 °С. К настоящему времени выполнено большое число исследований диаграммы состояния системы Ti–Al, в которых была точно определена область существования интерметаллических соединений (ИС) Ti3Al и TiAl, изучена их структура и определены физико-химические свойства.

Исследования показали, что уровень механических свойств нелегированных ИС Ti3Al и TiAl весьма низкий. Кроме того, нелегированные ИС Ti3Al и TiAl имеют ряд особенностей таких, как ограниченную технологичность, проявляющуюся в высокой зависимости прочности и пластичности от температуры, величины и скорости деформации, повышенную чувствительность к поверхностным дефектам.

Классификация сплавов на основе интерметаллидов системы Ti–Al

«Альфа-2»-сплавы

Сплав этого типа СТ5, разработан Корниловым И.И. и сотрудниками. Из сплава изготавливались слитки, деформированные полуфабрикаты – слябы, штамповки, прутки. Несмотря на высокие удельные прочностные и жаропрочные свойства эти малолегированные «альфа-2»-сплавы имели при комнатной температуре малую пластичность, ударную вязкость и низкую технологичность при переработке слитков в конечные полуфабрикаты. Трудности изготовления полуфабрикатов из- за высоких усилий деформирования, невозможность получения различных типов микроструктур, вследствие малого содержания -фазы, пониженная стойкость к - 29 - окислению, привели к разработке сплавов с увеличенным количеством -фазы (легированием матрицы Ti3Al  10 Nb ат. %)

«Супер-альфа-2»-сплавы

Типичными представителями этой группы сплавов являются сплавы Ti-24-10-3-1 (CША), ВТИ-2 (РФ) и ТД-2 (Китай). Сплав Ti-24-10-3-1 основан на системе Ti-24Al-10Nb-3V-1Mo ат. % и изготавливается по технологии титановых сплавов. Из сплава изготавливаются различные полуфабрикаты – от слябов (штамповок) до листов и фольги. Несмотря на повышение пластических свойств, «супер-альфа-2»-сплавы не обладали необходимой технологичностью для получения высококачественных деформированных полуфабрикатов – штамповок, прутков и листов, а присутствие в сплавах непластичной «альфа-2»-фазы, не обеспечивало дальнейшее повышение пластичности этих сплавов. По этой причине «супер-альфа-2»-сплавы имеют низкие характеристики ударной вязкости и вязкости разрушения, что в целом ограничивает использование их в основном корпусными деталями.

«Гамма»-сплавы

В зависимости от содержания основного компонента Al различают однофазные и двухфазные «гамма»-сплавы.

Однофазные «гамма»-сплавы, содержащие более 51 Al ат. %, оказались малопрочными и непластичными материалами и операции горячей деформации, не изменяя их структуру (за исключением размеров зерен), не улучшали их механических свойств.

Гамма»-сплавы, содержащие менее 51 Al ат. %, являются двухфазными сплавами. В качестве второй фазой присутствует и Ti3Al, количество которой зависит от содержания Al: при 50 Al ат. % ее ~ 5 об. %, а при 47 Al ат. % ~ 25 об. %. Такая зависимость фазового состава от содержания Аl оказывает сильное влияние на структуру и механические свойства «гамма»-сплавов. Но несмотря на использование разнообразных систем легирования сплавов и формирования в них различных типов структур, на сегодняшний день не удалось получить на «гамма»-сплавах сочетания высокого уровня прочностных, пластических и жаропрочных свойств.

Таким образом, подводя итоги многочисленных исследований и представленных данных, стоит отметить, что преимущества в весе деталей из интерметаллидных сплавов на основе системы Ti-Al, а также их удельные прочностные характеристики, не могут в достаточной мере удовлетворять требованиям конструкторов и перекрыть низкие значения пластических свойств и технологичности при температуре 20°С как литых, так и деформируемых ИС Ti3Al и TiAl – они требуют продолжения работ в этом направлении и существенно ограничены в практической области применения. Наиболее перспективным направлением развития интерметаллидных титановых сплавов связано с разработкой орто-сплавов на основе системы - 32 - Ti-Al-Nb, которым уделяется особое внимание как материалам, способным заменить пожароопасные титановые сплавы Тi1100 (США), IMI834 (Великобритания), ВТ18У (РФ), более тяжелые никелевые сплавы и стали.