Процессы получения механоактивированных многофазных порошковых титан-алюминиевых композиций

Новые материалы являются основным фактором, способствующим развитию техники и благосостояния общества. В этом отношении титан и его сплавы занимают особое место, т.к. имеют высокий уровень и благоприятное сочетание эксплуатационных свойств: конструкционных, антикоррозионных и др. Однако высокая стоимость этих сплавов сдерживает их широкое применение.-Одной из возможностей улучшения ситуации является переход на безотходные технологии получения титановых изделий, т.к. при традиционной технологии до 75% материала теряется на стадии получения изделия. Другая возможность состоит в дальнейшем улучшении свойств материалов. Перспективна разработка легированных высокопрочных сплавов (ств > 1200 МПа) в сочетании с высокими значениями вязкости разрушения (KiC ^ 170 МПа-м½), жаропрочных со стабильными свойствами до 650 °Синтерметаллических систем с работоспособностью до 800 °C, сплавов обладающих сверхпластичностью и т. п. Решение этих задач позволит расширить область применения титана в специальной технике, медицине и смежных областях.

Одно из наиболее динамично развивающихся научных направлений современного металловедения титана — создание жаропрочных титановых сплавов на основе интерметаллидов — по существу примиряет два противоборствующих на рынке металла — титан и алюминий. Усложнение химического состава жаропрочных сплавов нынешнего поколения, создание разнообразных композиционных материалов на титановой матрице — другие тому примеры.

Важно научиться компенсировать недостатки титана: повышать обрабатываемость и износостойкость, уменьшать возгораемость и звукопроницаемость, влияние водородного охрупчивания и т. д. В настоящее время актуальны работы по созданию пожаробезопасных сплавов с более высокой технологичностью и жаростойкостью по сравнению с известными сложнолегированными beta-сплавами на основе титана. Как правило, исследования по указанной проблеме охватывают большие области тройных систем, перспективных для решения этой задачи, но не разрабатывают конкретный материал.

Разработка жаропрочных титановых сплавов с высокой жаростойкостью и одновременно с высокой термической стабильностью является сложной задачей. Алюминиды титана рассматриваются как хорошая основа для развития жаропрочных сплавов с более высокими уровнями рабочих температур. Сплавы интерметаллидного типа имеют близкие к никелевым' значения предельной температуры ползучести, а предел прочности интерметаллидов превышает предел прочности никелевых сплавов (750/650 МПа). Они близки к никелевым жаропрочным сплавам и по уровню длительной прочности за 100 ч при 700 °C (300 МПа), что делает их весьма перспективными для изготовления большого набора деталей двигателей летательных аппаратов.

Традиционное производство титановых сплавов методом литья с последующей механической обработкой высокоотходно и энергоемко. Порошковая технология лишена этих недостатков. Для получения методом изотермического спекания порошковых титановых сплавов с высоким уровнем конструкционных, эксплуатационных свойств необходимо использовать высокоактивные дисперсные порошки.

Использование диспергированного порошка, полученного на различных стадиях процессов, позволяет создавать различные комбинации структур разного характерного масштаба, а значит, управлять свойствами материала.

Большое значение для решения поставленной задачи имеет дальнейшее развитие технологий порошковой металлургии — механоактивации (МА) и механического легирования (MJI) порошковых композиций. В настоящее время накоплен значительный экспериментальный опыт по процессам МА и MJI, однако мало внимания уделено процессам формирования MJI сплавов на основе интерметаллидов титана.

Исследования, направленные на изучение процессов получения механоактивированных многофазных порошковых композиций на основе системы Ti-Al являются актуальными и отвечают приоритетному направлению развития науки и техники РФ «Новые материалы и химические технологии», соответствуют перечню критических технологий РФ «Металлы и сплавы со специальными свойствами».

Целью данной работы было проведение исследований процессов, происходящих при высокоэнергетическом измельчении порошковых композиций систем Ti-Al, Ti-Al-Nbвыявление механизмов дробления и формирования структуры высоконеравновесных титановых порошковых материалов на различных масштабных уровняхисследование процессов механического легирования элементарных порошков и фазообразования при спекании поликомпонентных высоконеравновесных порошковых системразработка технологических приемов получения порошковых материалов системы Ti-Al, Ti-Al-Nb с высоким комплексом эксплуатационных свойств, в т. ч. высокотемпературныхразработка перспективных типов структур порошковых сплавов на основе Ti-Al.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

• экспериментально и теоретически исследовать закономерности формирования на всех пространственных масштабах структуры термодинамически высоконеравновесных порошков, ' получаемых методом высокоэнергетического размола на примере получения композиционных порошков на основе титана;

• изучить структурообразование в интерметаллических системах Ti-Al при механическом легировании элементарных порошков титана и алюминияисследовать процессы механического легирования элементарных порошков и фазовый состав после MJI и спекания полученных композицийразработать технологические приемы получения порошковых материалов системы Ti-Al с высоким комплексом эксплуатационных свойствисследовать влияние термической обработки на формирование структуры спечённых интерметаллидовразработать перспективные типы структур порошкового сплава системы Ti-Al.

Основные результаты работы заключаются в следующем: Установлены особенности эволюции мезоструктуры титановой губки при механоактивации, обусловленные исходной дефектной структурой. При этом в исходном состоянии дислокационная система не развита, тогда как система микротрещин уже присутствует. На основании решения стационарного уравнения Фоккера-Планка найдены макроскопический закон роста трещин и критический размер трещины. Используя синергетический подход, удалось определить условия автомодельности развития дефектной структуры. При этом на начальных стадиях размола наблюдается деградация мезоуровня и развитие субструктуры (дислокационной системы), по мере заполнения которой вновь происходит развитие системы микротрещин, а затем макроразрушение.

Исследование процессов структурообразования интерметаллидов титана в процессе MJ1 показало, что в материале частиц под действием случайных внешних сил формируется ячеистая дислокационная структура, которая обуславливает пространственно-неоднородное распределение химического и фазового состава.

• Экспериментально доказано изменение концентрационной неоднородности распределения легирующих элементов и химического состава механически легированной смеси в процессе механического легирования и определены технологические параметры, влияющие на процесс формирования структуры.

• При исследовании высокотемпературных свойств алюминидов титана установлено, что спеченные композиции обладают высокими жаростойкими свойствами при температурах 600 — 800 °C. Показано влияние ниобия как beta-стабилизатора на повышение технологических и высокотемпературных свойств. Определены технологические схемы получения алюминидов титана с заданным фазовым составом и типом структур.

Научная новизна работы заключается в следующем.

Впервые дано описание механизма механоактивации и механического легирования порошковых композиций на основе титана на различных масштабных уровнях. Установлена взаимосвязь различных структурных уровней материала и определены условия автомодельности развития повреждаемости частиц порошковых композиций при механолегировании.

Установлены особенности процессов фазообразования интерметаллидов системы Ti-Al при механическом легировании и консолидации, обусловленные высокой неравновесностью порошковых композиций.

Получены зависимости формирования типа структур интерметаллидов от условий механосинтеза и их влияние на свойства алюминидов титана. Показано положительное влияние ниобия на повышение механических свойств интерметаллидов при комнатной и повышенной температурах.

Практическое значение работы состоит в том, что ее результаты позволяют развить представления о процессах получения исходных механоактивированных и механически легированных порошков, а также спеченных порошковых материалов на их основе в термодинамически неравновесном состоянии. Полученные высоконеравновесные порошки на основе титана использованы в производстве элементов конструкций «ячеек» генераторов особо чистых газов (азот, аргон, водород, «нулевой воздух») по заказу компании Labgas Instrument Со Оу (Финляндия), пористых элементов экспериментальной топливной ячейки, разрабатываемой Labgas Instrument Со Оу и VTT (Финляндия). Совместно с кафедрой ортопедической стоматологии ПГМА разработаны и изготовлены эндооссальные имплантаты. Изделия прошли положительные испытания и использованы в медицинской практике.

Положения, выносимые на защиту.

Результаты исследований процессов эволюции частиц и формирования материалов при высокоэнергетической механоактивации порошковых систем на основе титана.

Результаты исследований процессов формирования многофазных порошковых композиций на основе системы Ti-Al при высокоэнергетической механоактивации — механическом легировании и спекании. Особенности формирования структуры алюминидов титана при дополнительном легировании ниобием.

Результаты экспериментальных исследований свойств материалов на основе неравновесных механоактивированных и механически легированных порошков титана.

Личный вклад автора заключается в постановке задач исследований, организации и проведении экспериментальных и исследовательских работ, интерпретации и обобщении полученных результатов. При выполнении работы в качестве консультанта принимала участие к.т.н., доцент Анциферова И.В.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях:

V Международная научно-техническая конференция «Новые материалы и технологии: порошковая металлургия, композиционные материалы, защитные покрытия», Минск, 2002; VI Всеросс. Научн.-технич. конф. «Аэрокосмическая техника и высокие технологии — 2003», Пермь, 2003; Международная конференция «Новейшие технологии в порошковой металлургии и керамике», Киев, Украина, 2003; Международная научно-техническая конференция «Технологии получения и применения порошковых и композиционных функциональных материалов», Ростов-на-Дону, 2003; Fourth International Congress «Mechanical Engineering Technologies'04», Varna, Bulgaria, 2004.

Работа выполнена в ГНУ «Научный центр порошкового материаловедения Пермского государственного технического университета Министерства образования и науки РФ» в соответствии с совместным планом работ с ГНЦ РФ «Институт Гиредмет» (г. Москва) на НИР «Разработка процессов и создание высокоэнергетических технологий получения порошковых функциональных материалов для экстремальных условий эксплуатации, организация производства наукоемкой продукции» (01.200.201 895) и по теме «Изучение неравновесных термодинамических и кинетических явлений синтеза нанокристаллических сплавов титана в высокоэнергетических порошковых технологиях» (01.99.10 078) в рамках тематического плана НИР, проводимых по заданию Министерства образования и науки РФ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ, в том числе 6 статей в центральной и зарубежной печати, 1 патент.

Работа включает введение, 5 глав, заключение, список использованной литературы и содержит 125 страницы текста, в том числе 23 рисунка, 14 таблиц, 98 библиографических наименований.

Выводы.

При исследовании свойств спеченного материала на основе механоактивированной ТГ-90 установлено, что в интервале пористости 3−8% твердость спеченного a-Ti соответствует 146 HV0.05> предел прочности находится в. интервале 440+490 МПа при относительном удлинении.

5.3-^-7.1%. Предел прочности деформированного в (3-области материала составляет 520+530 МПа, а пластичность возрастает до 11+17%. Полученные результаты превосходят уровень свойств традиционных порошковых титановых материалов и находятся на уровне литых деформированных.

Определены высокотемпературные свойства интерметаллидов и показано положительное влияние легирования алюминидов ниобием на жаростойкость материалов при температурах до 800 °C.

Установлено, что процесс окисления Ti-Al при температуре 600 °C проходит очень медленно. За 20 часов изотермической выдержки прирост массы на единицу площади поверхности композиции Ti-Al не превышает 0,002 г/см2. Исследования жаростойкости композиции Ti-Al-Nb показали, что при температуре 600 °C прироста массы не наблюдается. Изотермические выдержки при более высоких температурах (700, 800 °С) незначительно усиливают процессы окисления в поверхностном слое алюминидов титана. Прирост массы на единицу площади поверхности композиции Ti-Al не л л превышает 0,05 г/см, композиции Ti-Al-Nb — 0,004 г/см .

Полученные алюминиды титана при повышенных (до 800 °С) температурах превосходят по удельной прочности большинство нержавеющих и теплостойких сталей, серийно выпускаемые титановые сплавы ВТЗ-1, ВТ8 и соответствуют уровню свойств сложнолегированных литых титановых материалов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

При дроблении порошков изучена эволюция трех структурных уровней, показана их взаимосвязь, предложено обобщение существующих законов измельчения, на его основе найдена кинетика дробления титановой губки. Установлено, что особенности эволюции мезоструктуры титановой губки обусловлены исходной дефектной структурой. При этом в исходном состоянии дислокационная система не развита, тогда как система микротрещин уже присутствует. На микроскопических пространственных масштабах обнаружено формирование ячеистой дислокационной структуры.

Установлена периодичность в эволюции дислокационной структуры при спекании механоактивированных порошковых композиций как следствие эффекта самоорганизации в процессе эволюции структуры, обладающей субмикроскопической неоднородностью. При этом проявляется автоколебательное поведение этой системы. Характерной особенностью такого поведения является значительная величина периода колебаний.

Исследованы процессы механического легирования порошковых систем на основе титана и алюминия. Установлены закономерности формирования параметров структуры материала порошковых систем Ti-Al, Ti-Al-Nb интерметаллидного типа (alpha2+gamma, alpha2+gamma/0) в условиях изотермического спекания и последующей термообработки на основе экспериментальных данных об изменении концентрационной неоднородности, зеренной и субзеренной структуре, фазовом составе.

Получены сверхтонкие порошки интерметаллидов титана с размером частиц менее 10 мкм и равноосной формой частиц.

Обнаружены особенности эволюции структуры при спекании и установлено, что рекристаллизация протекает в эффективно однородной среде, что объясняется высокой плотностью и пространственным распределением дефектов.

Определены высокотемпературные свойства интерметаллидов и • показано положительное влияние легирования алюминидов ниобием на жаростойкость материалов при температурах до 800 °C. Механические свойства полученных образцов при 800 °C (предел прочности ~ 200 МПа и пластичность ~ 10%) позволяют рассматривать многофазные интерметаллиды системы Ti-Al как перспективные конструкционные высокотемпературные материалы. Полученные алюминиды титана при повышенных (до 800 °С) температурах превосходят по удельной прочности большинство нержавеющих и теплостойких сталей, серийно выпускаемые титановые сплавы.