Фазовый состав и свойства сплавов системы Ti-Al

Взаимодействие алюминия и титана при жидкофазном формировании слоистых композиционных материалов

Процесс получения слоистых композитов титан-алюминий связан с рядом проблем, которые обусловлены резким различием физико-химических свойств алюминия и железа и их способностью образовывать интерметаллические соединения. Значительное различие в коэффициентах линейного расширения, теплопроводности и теплоемкости алюминия и титана обуславливает возникновение значительных термических напряжений на границе перехода слоев, а образование интерметаллидов – охрупчивание зоны соединения слоев. В связи с этим процессы взаимодействия алюминия с титаном и вопросы формирования титаноалюминевых соединений широко освещены во многих исследованиях [].

Фазовый состав и свойства сплавов системы Ti-Al

Наиболее подробно и тщательно система титан – алюминий в интервале состава от 0 до 64% алюминия изучалась в работе [1](рисунок 1). Предварительная диаграмма состояния титан-алюминий была дана в работе [2].

Как следует из диаграммы состояния, алюминий является α-стабилизатором.

Рис. 1 Диаграмма состояния системы титан-алюминий

При добавке алюминия к титану температура превращения α↔β титан повышается от 882° для чистого титана до 1240° для сплава, содержащего до 29% алюминия. Повышение интервалов превращения α↔β при добавке алюминия к титану приводит к сокращению области β-фазы. Влияние алюминия на аллотропическое превращение титана исследовалось в работе[3] путём изучения зависимости равновесного давления водорода, предварительно растворённого в титане, от температуры. Результаты, полученные в этой работе, довольно близки к данным E.Bumps и др.[1],как это и следует из кривых, приведённых на рисунке 2. По данным A.McQuillan [3] добавка алюминия до 1 % почти не влияет на температуру аллотропического превращения титана, но дальнейшее повышение содержания алюминия вызывает прогрессивное повышение температуры превращения, причём при содержании около 1,7% (3 атом.%) алюминия имеет место небольшое искажение двухфазной области (α+β). При содержании алюминия примерно 2,5% (4атом.%) линии фазового превращения почти сливаются с данными работы [1] (Рисунок 2) (на диаграмме показано пунктиром).

Рис. 2. Фазовые границы α/(α+β)и β/(α+β) по данным работы [1,3]

При температуре 1240° наблюдается перитектоидная реакция между β-фазой титана и γ-фазой (TiAl) с образованием α-твёрдого раствора на основе титана: β (29% Al) + γ (34,5% Al) ↔α (31% Al). Двухфазное поле (α+β) оказывается очень узким.

Растворимость алюминия в α-титане при температуре от 20 до 900° равна 24,5%(36,5 атомн. %) и возрастает до 31% при 1240°.

Однако, в связи с обнаружением новых фаз [7] следует считать, что область гомогенного твёрдого раствора α гораздо меньше (Рисунок 3).

Рис. 3. Часть системы титан-алюминий

Максимальная растворимость алюминия в β-титане равна 34,5% (48,5 атомн.%) при 1460°.

В системе наблюдается три перитектические реакции.

При температуре 1460° протекает перитектическая реакция между β-фазой и расплавом с образованием γ-фазы: ж (38,5% Al) + β (34,5% Al) ↔ γ (37% Al).

γ- фаза (твёрдый раствор на основе химического соединения ToAl) гомогенна в области кривой солидуса от 37 до 60% Al, а при температурах от 1000° и ниже – между 35,5 – 44,5% Al.

Вторая перитектическая реакция - ж (64% алюминия)+ γ (60% алюминия) = TiAl₃ (62,7% алюминия), сопровождающаяся образованием химического соединение TiAl₃, наблюдается при 1340°.

Твёрдый раствор титана в алюминии, являющийся почти чистым алюминием, образуется при 660° в результате следующей перитектической реакции между жидким сплавом, содержащим 0,15% титана, и соединением TiAl: ж (0,15% титана + TiAl₃ (62,7% алюминия) = твёрдый раствор на основе алюминия.

По данным работы [6] перитектическая точка лежит около 0,19% титана при температуре 665° с максимальной растворимостью титана в алюминии при 665° 0,28 – 0,26%.

В качестве исходных материалов были использованы йодидный титан чистотой более 99,9% и алюминий - 99,99%. В ходе исследования [1] были предприняты специальные меры предосторожности против загрязнения сплавов во время плавки и обработки; применялись более длительные выдержки при отжиге и предварительная деформация для быстрейшего достижения равновесия.

Введения алюминия в титан уменьшает деформируемость сплавов. Так, если чистый титан допускает обжатие до 90 %,то сплавы, содержащие 3% алюминия, могут быть обжаты только на 80%,при 4-5% алюминия – на 70%,сплавы с содержанием от 7,5% до 16% (при повышении температуры прокатки до 1200 - 1250°) допускают обжатие не более 25%. Сплавы, содержащие более 25%,исследовались в литом состоянии. Попытки подвергнуть обработке давлением сплавы с более высоким содержанием алюминия, лежащие по соседству с областью γ-фазы, оказались неудачными, хотя эти сплавы имеют довольно низкую твёрдость. Микротвёрдость соединения TiAl составляет всего 595 кГ/мм². В более поздней работе [7] методами измерения электрических и магнитных свойств, изучение микроструктуры, рентгеноструктурного и дилатометрического анализов в системе титан – алюминий в области малых концентраций Al были обнаружены две новые фазы: α₂ и ε и таким образом область первичного твёрдого раствора алюминия в α – титане простирается при низких температурах только до 5,5% (9,5 атомн.%). При содержании алюминия от 6 до 25% (12-16 атомн.%) существует α2 фаза, которая охрупчивает сплавы этой системы. В Области 12% алюминия при 1050° наблюдается перитектоидная реакция между β – и α₂- фазами с образованием фазы α. Ε-фаза существует ниже 1000°,отличатся узкой областью гомогенности и соответствует 18,5% алюминия (Рисунок 3).

Область, богатая титаном, изучалась в работах [8-15].

В работе [9] была исследована концентрационная зависимость упругих свойств сплавов титана с алюминием в интервале состава от 0 до 40% алюминия. Установлено, что алюминий одновременно с понижением удельного веса резко повышает модуль нормальной упругости и модуль сдвига. Концентрационные кривые упругих констант сплавов титана с алюминием имеют не монотонный непрерывный характер, а отличаются перегибами с максимумом, что подтверждает наличие в этом участке диаграммы состояния фазовых превращений.

Растворяясь в α-титане алюминий вызывает уменьшение параметров его кристаллической решётки[1,2,16 и 17]. Период α уменьшается почти линейно при увеличении содержания алюминия. Кривая параметра c имеет при малом содержании алюминия некоторую выпуклость. По мере приближения к пределу растворимости кривая с/a значительно выравнивается. С повышением содержания алюминия от 0 до 29% параметр с уменьшается от 4,679 до 4,617 Å, а постоянная α – от 2,943 до 2,878 Å, отношение с/а увеличивается от 1,591 для титана до 1,604 Å при 29% алюминия (рисунок 4) [1].

Рис. 4. Влияние алюминия на периоды кристаллической решётки α - титана

По данным W.Manchot [20],значение периода решётки α-фазы α изменяется от 2,950 до 2,880 к Х, а значение с от 4,716 до 4,645 к Х для сплава с содержанием алюминия 22,5% (34,01 атомн. %). При большем содержании алюминия отношение осей остаётся постоянным. Кристаллическая структура γ-фазы базируется на основе TiAl (36,0% Al). Она имеет упорядоченную структуру с тетрагональной гранецентрированной решёткой типа CuAu. Периоды её линейно изменяются, что свидетельствует об увеличении тетрагональности при повышении содержания алюминия (Рисунок 5)[1].

Рис. 5. Влияние алюминия на периоды кристаллической решётки γ – фазы (TiAl)

Структура соединения TiAl₃ изучалась в работах [5], [20] и оказалась тетрагональной гранецентрированной. Периоды кристаллической решётки были измерены авторами работы [5].Плотность этого соединения (теоретическая) равна 3,13 г/см3[5].

Результаты измерения периодов кристаллической решётки химических соединений системы титан – алюминий приведены в табл.1.

β-твёрдый раствор в сплавах титана с алюминием не может быть зафиксирован закалкой при комнатной температуре ни при каких концентрациях алюминия. Микроструктура сплавов, закалённых из области β,не является мартенситной, как у большинства титановых сплавов.

Таблица 1

Структура и периоды кристаллической решётки химических соединений в системе титан-алюминий

Изменение твёрдости в зависимости от состава литых и отожжённых сплавов титана с алюминием характеризуют кривые, приведённые на рисунке 7. Как следует из этих кривых, при содержании алюминия от 1 до 25%, т.е. на границе насыщения α –твёрдого раствора содержания алюминия твёрдость непрерывно уменьшается и достигает минимума при 36% алюминия. Сплавы такого состава имеют структуру гомогенной γ-фазы. При дальнейшем повышении содержания алюминия твёрдость сплавов вновь возрастает и достигает второго максимума при 62,7% алюминия. Увеличение содержания алюминия от 62,7 до 90% вызывает непрерывное снижение твёрдости, которая при 90% Al приближается к твёрдости чистого алюминия[1].

На рис.6 приведены механические свойства сплавов титана с различным содержанием алюминия при комнатной температуре [22].

Рис.6 Влияние алюминия на свойства йодидного титана при комнатной температуре.

Алюминий повышает температуру рекристаллизации титана. Так, если температура рекристаллизации титана лежит около 600°, то для сплава с 5% Al она повышает­ся до 800°; температура рекристалли­зации сплава с 7,5% Al еще выше.

С повышением содержания алюми­ния твердость титановых сплавов увеличивается

Жаропрочность сплавов системы 40%. титан—алюминий изучалась в работе [23]. По мере увеличения количества алюминия в а-твердом растворе жа­ропрочность сплавов повышается. Наибольшая жаропрочность наблю­дается у сплавов, расположенных вблизи границы α /(α + γ). В пределах двухфазной области жаропрочность снижается. Наибольшей жаропроч­ностью в системе титан—алюминий обладают сплавы, лежащие в области γ -фазы. При температурах до 500° твердость этих сплавов сохра­няется на уровне 200 кг/мм², а при дальнейшем повышении тем­пературы медленно снижается до 130 кг/мм² при 800°.

Влияние алюминия на прочностные свойства титана при темпе­ратурах до 600° было изучено в работе [24]. Результаты испытаний, приведенные на рис.7, показывают, что сплавы с более высо­ким содержанием алюминия лучше сохраняют прочность, хотя и для этих сплавов при повышении температуры испытания от 0 до 400° имеет место постепенное понижение прочности. В интервале 400—500° предел прочности как титана, так и его сплавов с 3,47 и 7,15% А1 почти не зависит от температуры. Однако при дальней­шем повышении температуры происходит быстрое падение 90 прочности исследованных

Рис.7 Механические свой­ства сплавов титана с алюми­нием при повышенных темпе­ратурах:

• - 0% А1; ■ —6% А1; ▲ — 12% Al (в атомн. %).

ленных в дуговой печи. Перед испытанием прутки отжигались в вакууме при 750°.

Ударная вязкость сплавов титана с алюминием почти не зави­сит от температуры испытания в пределах от 4-20 до —196°. В при­сутствии элементов внедрения ударная вязкость сильно снижается.

Cведения о влиянии состава и температуры на механические свойства сплавов титана с алюминием содержатся во многих пуб­ликациях [25—30].

Введение алюминия в титан резко повышает сопротивление окислению сплавов [4]. Эффективность влияния алюминия заметна при содержании его более 4%. Скорость окисления сплава с 8% алюминия в тех же условиях при 850° на воздухе на 40% ниже, чем чистого титана. Сплавы, соответствующие области γ-фазы, имеют более высокую стойкость против окисления при нагревании, чем чистый титан, а также чем сплавы, лежащие по составу в об­ласти α-фазы.