Температурная зависимость предела текучести сплавов на основе триалюминида титана с L12-решеткой
Представлены результаты исследования температурной зависимости механических свойств легированных однофазных и эвтектических сплавов на основе L12-интерметаллида тройной системы Al—Ti—Cr. Показано, что в интервале температур 20—800 °С прочность сплавов с эвтектической структурой превышает прочность о...
Saved in:
| Date: | 2009 |
|---|---|
| Main Authors: | , , , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України
2009
|
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/17685 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Температурная зависимость предела текучести сплавов на основе триалюминида титана с L12-решеткой / Я.И. Евич, Ю.Н. Подрезов, М.В. Ремез, Н.П. Коржова, Т.Н. Легкая, В.Х. Мельник // Электронная микроскопия и прочность материалов: Сб. научн . тр. — К.: ІПМ НАН України, 2009. — Вип. 16. — С. 98-103. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859610663963328512 |
|---|---|
| author | Евич, Я.И. Подрезов, Ю.Н. Ремез, М.В. Коржова, Н.П. Легкая, Т.Н. Мельник, В.Х. |
| author_facet | Евич, Я.И. Подрезов, Ю.Н. Ремез, М.В. Коржова, Н.П. Легкая, Т.Н. Мельник, В.Х. |
| citation_txt | Температурная зависимость предела текучести сплавов на основе триалюминида титана с L12-решеткой / Я.И. Евич, Ю.Н. Подрезов, М.В. Ремез, Н.П. Коржова, Т.Н. Легкая, В.Х. Мельник // Электронная микроскопия и прочность материалов: Сб. научн . тр. — К.: ІПМ НАН України, 2009. — Вип. 16. — С. 98-103. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| description | Представлены результаты исследования температурной зависимости механических свойств легированных однофазных и эвтектических сплавов на основе L12-интерметаллида тройной системы Al—Ti—Cr. Показано, что в интервале температур 20—800 °С прочность сплавов с эвтектической структурой превышает прочность однофазных сплавов на основе этого интерметаллида. Оба класса материалов показывают хорошее сочетание жаропрочности и жаростойкости и могут быть использованы в качестве высокотемпературных материалов и покрытий.
|
| first_indexed | 2025-11-28T11:17:29Z |
| format | Article |
| fulltext |
98
УДК 669.715′295/54-162.2:539.411.43
Температурная зависимость предела текучести
сплавов на основе триалюминида титана
с L12-решеткой
Я. И. Евич, Ю. Н. Подрезов, М. В. Ремез,
Н. П. Коржова, Т. Н. Легкая*, В. Х. Мельник
* Институт металлофизики им. Г. В. Курдюмова НАН Украины, Киев
Представлены результаты исследования температурной зависимости
механических свойств легированных однофазных и эвтектических сплавов на
основе L12-интерметаллида тройной системы Al—Ti—Cr. Показано, что в
интервале температур 20—800 °С прочность сплавов с эвтектической
структурой превышает прочность однофазных сплавов на основе этого
интерметаллида. Оба класса материалов показывают хорошее сочетание
жаропрочности и жаростойкости и могут быть использованы в качестве
высокотемпературных материалов и покрытий.
Введение
Сплавы на основе интерметаллида Al3Ti имеют низкую плотность,
высокий модуль упругости и наивысшее среди интерметаллидов системы
Al—Ti сопротивление окислению. Это делает материалы этого класса
перспективными для промышленного применения. К сожалению, их
использование на практике осложняется высокой хрупкостью и низкой
трещиностойкостью. Для преодоления этого недостатка было предложено
легированием Mn, Fe, Cr, Cu, Zn и другими элементами изменить
тетрагональную решетку D022 триалюминида титана на более
симметричную кубическую L12 [1, 2]. Это дает возможность существенно
повысить прочность интерметаллида при сжатии. При этом прочность и
пластичность при растяжении легированных сплавов остаются низкими.
Для дальнейшего повышения механических свойств этого класса
материалов было предложено использовать двухфазные сплавы на основе
кубического L12-интерметаллида, полученные в результате эвтектической
кристаллизации [3—5]. Особенный интерес вызывают сплавы,
легированные хромом. Они имеют наилучшее сопротивление окислению
[6], минимальную твердость и удовлетворительную пластичность при
испытаниях на сжатие [7]. Настоящая работа посвящена исследованию
механических свойств и сопротивления высокотемпературному
окислению сплавов на основе легированного хромом интерметаллида
Al3Ti с L12-структурой (в дальнейшем L12-интерметаллид).
Материалы и методика
Ранее [3] авторами на основании детального изучения фазовых
равновесий в Al-углу тройной системы Al—Ti—Cr определены области
существования однофазного L12-интерметаллида и двухфазных сплавов,
© Я. И. Евич, Ю. Н. Подрезов, М. В. Ремез, Н. П. Коржова, Т. Н. Легкая,
В. Х. Мельник, 2009
99
образованных в результате эвтектической кристаллизации L L12 + β, где
L12 — интерметаллид Al3Ti1-xCrx; β — твердый раствор на основе хрома.
По предварительным данным механических испытаний, оптимальное
сочетание прочностных и пластических свойств имел сплав,
расположенный в доэвтектической области. Этот (L12 + β)-сплав и
однофазный L12-сплав были выбраны в качестве базовых для дальнейшего
усложнения системы легирования, которую разрабатывали с учетом
влияния легирующих элементов на жаропрочность и жаростойкость [5].
Сплавы получали аргонно-дуговой плавкой в печи с вольфрамовым
нерасходуемым электродом на медной подине в атмосфере аргона. Масса
слитка составляла 30 г. Для получения гомогенных слитков сплавы
переплавляли не менее 10 раз. При изготовлении сплавов использовали
чистые шихтовые материалы. Для усреднения химического состава литые
сплавы гомогенизировали в аргоне при температуре 1100 °С в течение 2 ч.
Микроструктуру образцов исследовали на световом микроскопе
Neophot-32, образцы готовили по стандартной методике. Рентгенофазовый
анализ проводили в монохроматическом CuKα-излучении на дифракто-
метре ДРОН-УM1. Монохроматором служил монокристалл графита,
установленный на дифрагированном пучке. Съемку дифрактограмм осу-
ществляли пошаговым сканированием в диапазоне углов 2θ = 10—130°.
Шаг сканирования составлял 0,05°, время экспозиции в точке — от 5
до 20 с. Во время съемки образец поворачивался вокруг нормали к
поверхности образца.
Стойкость к окислению изучали при изотермических выдержках в
печи сопротивления с периодическим взвешиванием образцов. Предел
текучести σ0,2 определяли при испытаниях на сжатие образцов (3x3x5 мм3)
со скоростью деформации 10-3 с-1.
Химический состав изученных эвтектических (№ 1—3) и однофазных
сплавов (№ 4—5) приведен в табл. 1. Для сравнения механического
поведения был испытан также сплав на основе легированного
интерметаллида γ-AlTi — Al48Ti48Nb2Cr2 (№ 6). Типичные структуры
сплавов представлены на рис. 1.
Поскольку одним из основных параметров, отвечающих за
работоспособность данных сплавов при повышенных температурах,
является жаропрочность, в работе исследовали температурную зависимость
Т а б л и ц а 1. Химический и фазовый составы сплавов на основе
L12-интерметаллида и γ-AlTi
Химический состав, % (ат.) Номер
сплава Фазовый состав
Al Ti Cr Sc Hf Zr Si V Mn Nb
1* L12 + β 55,0 22,0 23,0 — — — — — — —
2 L12 + β 54,9 21,3 23,0 0,1 0,2 0,5 — — —
3 L12 + β 55,0 21,2 16,0 — — — — 4,0 2,0 0,8
4* L12 63,0 26,0 11,0 — — — — — — —
5 L12 63,0 25,5 11,0 0,1 0,2 0,2 — — — —
6 γ-TiAl + α-Ti3Al 48,0 48,0 2,0 — — — — — — 2,0
*Нелегированные сплавы базовых составов.
100
50 µm
а б
в г
Рис. 1. Микроструктура эвтектического (L12 + β)-сплава (№ 1) (а, б) и
однофазного L12-интерметаллида (№ 4) (в, г) базовых составов (а, в) и после
легирования комплексами элементов (б — сплав № 2, г — сплав № 5).
предела текучести базовых (№ 1 и 4) и легированных (№ 2, 3, 5) сплавов
на их основе. Испытания на сжатие осуществляли в диапазоне темпе-
ратур 20—800 °С.
Температурная зависимость механических свойств базовых сплавов
Результаты исследования температурной зависимости предела
текучести базовых сплавов при испытаниях на одноосное сжатие
приведены на рис. 2. Как видно, двухфазный эвтектический (L12 + β)-сплав
во всем исследованном интервале температур имеет значительно более
высокий предел текучести, чем однофазный L12-интерметаллид.
0
200
400
600
800
0 200 400 600 800 1000
П
ре
де
л
те
ку
че
ст
и,
М
П
а
Температура испытаний, oC
Характерный вид диа-
грамм нагружения сплава
№ 1 при разных температурах
испытания на сжатие пред-
ставлен на рис. 3. Наличие
Рис. 2. Температурная зависи-
мость предела текучести сплавов
тройной системы Al—Ti—Cr:
♦ — двухфазный эвтектический
(L12 + β)-сплав (№ 1); ■ — одно-
фазный L12-интерметаллид (№ 4).
0
101
0
500
1000
1500
2000
0 0,2 0,4 e
σ, МПа
а
0
500
1000
1500
2000
0,0 0,2 0,4 е
σ, МПа
б
0
500
1000
1500
2000
0,0 0,2 0,4 е
σ, МПа
в
0
500
1000
1500
2000
0,0 0,2 0,4 е
σ, МПа
г
0
500
1000
1500
2000
0 0,2 0,4 е
σ, МПа
д
1300
1400
1500
1600
1700
1800
0,3 0,4 е
σ, МПа
е
Рис. 3. Диаграммы нагружения в координатах напряжение σ — деформация е
эвтектического сплава № 1 при различных температурах испытания (°С): 20 (а),
200 (б), 300 (в), 400 (г), 600 (д); фрагмент диаграммы нагружения при 300 °С (е).
"зубчатости" на кривых нагружения наиболее заметно в диапазоне
температур 300—400 °С и объясняется эффектом динамического
деформационного старения (ДДС). При температуре 600 °С этот эффект
наблюдается только на конечной стадии деформации.
Наличие эффекта ДДС на кривых нагружения сплавов на основе
интерметаллидов является интересным и, в определенной степени,
неожиданным результатом. Известно, что механизм ДДС обусловлен
взаимодействием дислокаций с отдельными атомами легирующих элемен-
тов и проявляется в тех случаях, когда скорость движения дислокаций
сравнима со скоростью движения диффундирующих атомов. Природа ДДС
достаточно глубоко изучена для железоуглеродистых сталей [8]. Из этой
теории известно, что интервал деформаций и температур, в котором
происходит ДДС, зависит от упомянутых коэффициентов диффузии,
скорости дислокаций, концентрации легирующих элементов и условий
деформации (скорости деформации, температуры). Как правило, интервал
динамического деформационного старения на кривой нагружения
смещается с повышением температуры от начала кривой в ее конец,
что и установлено в наших экспериментах при температуре испытания
600 °С (рис. 3, д).
Обычно эффект ДДС в интерметаллидах не наблюдается, поскольку
подвижность дислокаций в этих материалах достаточно мала. Действительно,
102
на кривых нагружения однофазного L12-интерметаллида эффект ДДС
отсутствует и наблюдается лишь при появлении эвтектической составляю-
щей в сплаве. Таким образом, можно предположить, что основной причиной
возникновения ДДС в двухфазных эвтектических (L12 + β)-сплавах является
наличие β-фазы. Обнаруженный эффект требует дополнительных исследований.
Температурная зависимость механических свойств и сопротивление
окислению легированных сплавов
Анализ литературных данных показывает, что при выборе материала
высокотемпературного назначения, в том числе для применения его в
качестве покрытия, необходимо, чтобы он сочетал высокотемпературные
механические свойства с высоким сопротивлением окислению. С учетом
этого нами проведены исследования сопротивления окислению (рис. 4) и
температурной зависимости предела текучести сложнолегированных
сплавов (табл. 2). Прирост массы как одно-, так и двухфазных сплавов на
основе L12-интерметаллида при окислении в печи (1100 °С, 60 ч)
отличается незначительно и составляет для сплавов № 1, 2, 4, 5
соответственно 0,89; 0,72; 0,45; 0,30 мг/см2. У сплава на основе
интерметаллида TiAl (№ 6) прирост массы значительно больше и
составляет 23,13 мг/см2.
Из данных, приведенных в табл. 2, следует, что эвтектический сплав
№ 2, легированный Sc, Si и Zr, демонстрирует достаточно высокую проч-
ность при испытаниях на сжатие во всем исследованном диапазоне
температур: предел текучести сохраняется на уровне не ниже 540 МПа до
температуры 700 °С и несколько снижается до 376 МПа при темпе-
ратуре 800 °С. Наибольший предел текучести имеет сплав № 3,
легированный V, Mn и Nb.
Однофазные сплавы на основе интерметаллида L12 имеют более
низкую прочность во всем температурном интервале: сплав № 5, легиро-
0
5
10
15
20
П
ри
ро
ст
м
ас
сы
, %
1 2 4 5 6
Номера сплавов
Рис. 4. Сравнительная характе-
ристика сопротивления окисле-
нию образцов после выдержки в
печи на воздухе при температуре
1100 °С в течение 60 ч
(нумерация сплавов соответствует
нумерации табл. 1).
Т а б л и ц а 2. Предел текучести сложнолегированных
сплавов на основе L12-интерметаллида и γ-TiAl
Температура испытания, oC Номер
сплава*
20 200 400 500 600 650 700 750 800
2 637 554 552 539 544 675 671 — 376
3 749 878 — 746 740 581 652 736 455
5 350 485 350 375 338 355 361 323 335
6 440 660 771 600 704 697 701 626 544
* Нумерация сплавов соответствует нумерации табл. 1.
103
ванный Sc, Zr и Hf, имеет предел текучести во всем исследованном
диапазоне температур ~350 МПа при удовлетворительной пластичности.
Жаростойкость этого сплава также находится на высоком уровне (сплав № 5).
Следует отметить, что исследуемый сплав на основе интерметаллида
γ-TiAl (сплав № 6) также имеет достаточно высокие параметры прочности
при испытаниях на сжатие во всем исследованном диапазоне температур.
Однако он характеризуется меньшей удельной прочностью (σ0,2/ρ) и
значительно более низкой (практически на порядок) жаростойкостью
(рис. 4) по сравнению со всеми исследованными сплавами на основе
L12-интерметаллида.
Выводы
Изучена температурная зависимость механических свойств сплавов на
основе L12-интерметаллида тройной системы Al—Ti—Cr при испытаниях
на сжатие. Показано, что в интервале температур испытаний 20—800 °С
все исследованные сложнолегированные однофазные сплавы на основе
L12-интерметаллида имеют более низкий предел текучести, чем
эвтектические.
В диапазоне температур 200—600 °С эвтектические сплавы
демонстрируют склонность к динамическому деформационному
старению, что проявляется в виде "зубчатости" на кривых нагружения и
сопровождается снижением пластичности. Наличие ДДС не имеет
негативных последствий при краткосрочных испытаниях, однако
существование этого эффекта следует принимать во внимание при
длительных испытаниях.
Показано, что по прочностным характеристикам при испытаниях на
сжатие и по жаростойкости как эвтектические, так и однофазные сплавы
на основе L12-интерметаллида тройной системы Al—Ti—Cr имеют
преимущество по сравнению со сплавом на основе алюминида титана
(Al48Ti48Nb2Cr2) и могут быть рекомендованы для использования в
качестве жаростойких материалов и покрытий на их основе.
1. Nic J. P., Zhang S., Mikkola D. E. Observation on the systematic alloying of Al3Ti with
forth period elements to yield cubic phases // Scripta Mater. — 1990. — 24. — P. 1099—
1108.
2. Varin R. A., Zbroniec L., Wang Z. G. Fracture touhness and yield stength of boron-doped, high
(Ti + Mn)LI2 titanium trialuminides // Intermetallics. — 2001. — 9. — P. 195—207.
3. Barabash O. M., Milman Yu. V., Miracle D. B. et al. Formation of a periodic structure with
participation of the phase L12 in eutectic alloys of the ternary Al—Ti—Сr system // Ibid. —
2003. — 11. — P. 953—962.
4. Milman Yu. V., Miracle D. B., Chugunova S. I. et al. Mechanical behaviour of Al3Ti
intermetallic and L12-phase on its base // Ibid. — 2001. — 9. — P. 839—845.
5. Milman Yu. V., Barabash O. M., Korzhova N. P. et al. New light-weight eutectic alloys
based on L12 cubic aluminum intermetallics with enhanced heat resistance // High
Temperature Materials and Processes. — 2006. — 25, No. 1—2. — P. 11—17.
6. Fox-Rabinovich G. S., Weathrly G. C., Wilkinson D. C. et al. The role of chromium in
protective alumina scale formation during oxidation of ternary TiAlCr alloys in air //
Intermetallics. — 2004. — 12. — P. 165—180.
7. Lee J. K., Park J. Y., Oh M. H., Wee D. M. Microstructure control in two-phase Al—21Ti—
23Cr alloy // Ibid. — 2000. — 8. — P. 407—416.
8. Van den Beukel. Theory of the effect of dinamic strain ageing on mechanical properties //
Phys. Stat. Soc. (a). — 1975. — No. 30. — P. 197—208.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-17685 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | XXXX-0048 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-11-28T11:17:29Z |
| publishDate | 2009 |
| publisher | Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Евич, Я.И. Подрезов, Ю.Н. Ремез, М.В. Коржова, Н.П. Легкая, Т.Н. Мельник, В.Х. 2011-03-05T23:05:43Z 2011-03-05T23:05:43Z 2009 Температурная зависимость предела текучести сплавов на основе триалюминида титана с L12-решеткой / Я.И. Евич, Ю.Н. Подрезов, М.В. Ремез, Н.П. Коржова, Т.Н. Легкая, В.Х. Мельник // Электронная микроскопия и прочность материалов: Сб. научн . тр. — К.: ІПМ НАН України, 2009. — Вип. 16. — С. 98-103. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. XXXX-0048 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/17685 669.715′295/54-162.2:539.411.43 Представлены результаты исследования температурной зависимости механических свойств легированных однофазных и эвтектических сплавов на основе L12-интерметаллида тройной системы Al—Ti—Cr. Показано, что в интервале температур 20—800 °С прочность сплавов с эвтектической структурой превышает прочность однофазных сплавов на основе этого интерметаллида. Оба класса материалов показывают хорошее сочетание жаропрочности и жаростойкости и могут быть использованы в качестве высокотемпературных материалов и покрытий. ru Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України Температурная зависимость предела текучести сплавов на основе триалюминида титана с L12-решеткой Article published earlier |
| spellingShingle | Температурная зависимость предела текучести сплавов на основе триалюминида титана с L12-решеткой Евич, Я.И. Подрезов, Ю.Н. Ремез, М.В. Коржова, Н.П. Легкая, Т.Н. Мельник, В.Х. |
| title | Температурная зависимость предела текучести сплавов на основе триалюминида титана с L12-решеткой |
| title_full | Температурная зависимость предела текучести сплавов на основе триалюминида титана с L12-решеткой |
| title_fullStr | Температурная зависимость предела текучести сплавов на основе триалюминида титана с L12-решеткой |
| title_full_unstemmed | Температурная зависимость предела текучести сплавов на основе триалюминида титана с L12-решеткой |
| title_short | Температурная зависимость предела текучести сплавов на основе триалюминида титана с L12-решеткой |
| title_sort | температурная зависимость предела текучести сплавов на основе триалюминида титана с l12-решеткой |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/17685 |
| work_keys_str_mv | AT evičâi temperaturnaâzavisimostʹpredelatekučestisplavovnaosnovetrialûminidatitanasl12rešetkoi AT podrezovûn temperaturnaâzavisimostʹpredelatekučestisplavovnaosnovetrialûminidatitanasl12rešetkoi AT remezmv temperaturnaâzavisimostʹpredelatekučestisplavovnaosnovetrialûminidatitanasl12rešetkoi AT koržovanp temperaturnaâzavisimostʹpredelatekučestisplavovnaosnovetrialûminidatitanasl12rešetkoi AT legkaâtn temperaturnaâzavisimostʹpredelatekučestisplavovnaosnovetrialûminidatitanasl12rešetkoi AT melʹnikvh temperaturnaâzavisimostʹpredelatekučestisplavovnaosnovetrialûminidatitanasl12rešetkoi |