Дисперсионно-упрочненные титановые сплавы системы Ti-Si-X
Представлены результаты исследований опытных титановых сплавов системы Ti-Si-X, интерес к которым обусловлен перспективностью их применения в авиационной промышленности и ракетостроении. Слитки опытных титановых сплавов изготовляли способом электронно-лучевой тигельной плавки с электромагнитным пере...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Современная электрометаллургия |
|---|---|
| Дата: | 2012 |
| Автори: | , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2012
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96530 |
| 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: | Дисперсионно-упрочненные титановые сплавы системы Ti-Si-X / Г.М. Григоренко, С.В. Ахонин, Т.Г. Таранова, С.Г. Григоренко, О.М. Задорожнюк // Современная электрометаллургия. — 2012. — № 1 (106). — С. 45-52. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-96530 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Григоренко, Г.М. Ахонин, С.В. Таранова, Т.Г. Григоренко, С.Г. Задорожнюк, О.М. 2016-03-17T22:21:14Z 2016-03-17T22:21:14Z 2012 Дисперсионно-упрочненные титановые сплавы системы Ti-Si-X / Г.М. Григоренко, С.В. Ахонин, Т.Г. Таранова, С.Г. Григоренко, О.М. Задорожнюк // Современная электрометаллургия. — 2012. — № 1 (106). — С. 45-52. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 0233-7681 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96530 669.187.2 Представлены результаты исследований опытных титановых сплавов системы Ti-Si-X, интерес к которым обусловлен перспективностью их применения в авиационной промышленности и ракетостроении. Слитки опытных титановых сплавов изготовляли способом электронно-лучевой тигельной плавки с электромагнитным перемешиванием, который позволяет получать гомогенный расплав, а после охлаждения – однородные по химическому составу слитки. С помощью методов световой металлографии, РЭМ, Оже-спектроскопии изучены структура и свойства деформированных титановых сплавов системы Ti-Si-X с дисперсионным упрочнением. Установлено, что наличие мелкодисперсных упрочняющих частиц наноразмеров, имеющих неоднородный химический состав по сечению, способствует повышению прочности. Results of investigations of experimental alloys of Ti-Si-X system are presented, the interest to which was shown by the challenge of their application in aircraft industry and rocketry. Ingots of experimental titanium alloys were manufactured by the method of electron beam crucible melting with electromagnetic stirring, which allows producing the homogeneous melt and ingots, homogeneous in chemical composition, after cooling. Using the methods of light metallography, such as SEM, Auger-spectroscopy, the structure and properties of wrought titanium alloys of Ti-Si-X system with dispersion strengthening were examined. It was found that the presence of fine-dispersed strengthening particles of nanosizes,having non-homogeneous chemical composition in section, promotes the increase in strength. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Современная электрометаллургия Общие вопросы металлургии Дисперсионно-упрочненные титановые сплавы системы Ti-Si-X Dispersion-strengthened titanium alloys of Ti-Si-X system Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Дисперсионно-упрочненные титановые сплавы системы Ti-Si-X |
| spellingShingle |
Дисперсионно-упрочненные титановые сплавы системы Ti-Si-X Григоренко, Г.М. Ахонин, С.В. Таранова, Т.Г. Григоренко, С.Г. Задорожнюк, О.М. Общие вопросы металлургии |
| title_short |
Дисперсионно-упрочненные титановые сплавы системы Ti-Si-X |
| title_full |
Дисперсионно-упрочненные титановые сплавы системы Ti-Si-X |
| title_fullStr |
Дисперсионно-упрочненные титановые сплавы системы Ti-Si-X |
| title_full_unstemmed |
Дисперсионно-упрочненные титановые сплавы системы Ti-Si-X |
| title_sort |
дисперсионно-упрочненные титановые сплавы системы ti-si-x |
| author |
Григоренко, Г.М. Ахонин, С.В. Таранова, Т.Г. Григоренко, С.Г. Задорожнюк, О.М. |
| author_facet |
Григоренко, Г.М. Ахонин, С.В. Таранова, Т.Г. Григоренко, С.Г. Задорожнюк, О.М. |
| topic |
Общие вопросы металлургии |
| topic_facet |
Общие вопросы металлургии |
| publishDate |
2012 |
| language |
Russian |
| container_title |
Современная электрометаллургия |
| publisher |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Dispersion-strengthened titanium alloys of Ti-Si-X system |
| description |
Представлены результаты исследований опытных титановых сплавов системы Ti-Si-X, интерес к которым обусловлен перспективностью их применения в авиационной промышленности и ракетостроении. Слитки опытных титановых сплавов изготовляли способом электронно-лучевой тигельной плавки с электромагнитным перемешиванием, который позволяет получать гомогенный расплав, а после охлаждения – однородные по химическому составу слитки. С помощью методов световой металлографии, РЭМ, Оже-спектроскопии изучены структура и свойства деформированных титановых сплавов системы Ti-Si-X с дисперсионным упрочнением. Установлено, что наличие мелкодисперсных упрочняющих частиц наноразмеров, имеющих неоднородный химический состав по сечению, способствует повышению прочности.
Results of investigations of experimental alloys of Ti-Si-X system are presented, the interest to which was shown by the challenge of their application in aircraft industry and rocketry. Ingots of experimental titanium alloys were manufactured by the method of electron beam crucible melting with electromagnetic stirring, which allows producing the homogeneous melt and ingots, homogeneous in chemical composition, after cooling. Using the methods of light metallography, such as SEM, Auger-spectroscopy, the structure and properties of wrought titanium alloys of Ti-Si-X system with dispersion strengthening were examined. It was found that the presence of fine-dispersed strengthening particles of nanosizes,having non-homogeneous chemical composition in section, promotes the increase in strength.
|
| issn |
0233-7681 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96530 |
| citation_txt |
Дисперсионно-упрочненные титановые сплавы системы Ti-Si-X / Г.М. Григоренко, С.В. Ахонин, Т.Г. Таранова, С.Г. Григоренко, О.М. Задорожнюк // Современная электрометаллургия. — 2012. — № 1 (106). — С. 45-52. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT grigorenkogm dispersionnoupročnennyetitanovyesplavysistemytisix AT ahoninsv dispersionnoupročnennyetitanovyesplavysistemytisix AT taranovatg dispersionnoupročnennyetitanovyesplavysistemytisix AT grigorenkosg dispersionnoupročnennyetitanovyesplavysistemytisix AT zadorožnûkom dispersionnoupročnennyetitanovyesplavysistemytisix AT grigorenkogm dispersionstrengthenedtitaniumalloysoftisixsystem AT ahoninsv dispersionstrengthenedtitaniumalloysoftisixsystem AT taranovatg dispersionstrengthenedtitaniumalloysoftisixsystem AT grigorenkosg dispersionstrengthenedtitaniumalloysoftisixsystem AT zadorožnûkom dispersionstrengthenedtitaniumalloysoftisixsystem |
| first_indexed |
2025-11-25T22:52:43Z |
| last_indexed |
2025-11-25T22:52:43Z |
| _version_ |
1850575396779589632 |
| fulltext |
УДК 669.187.2
ДИСПЕРСИОННО-УПРОЧНЕННЫЕ ТИТАНОВЫЕ
СПЛАВЫ СИСТЕМЫ Ti—Si—X
Г. М. Григоренко, С. В. Ахонин, Т. Г. Таранова,
С. Г. Григоренко, О. М. Задорожнюк
Представлены результаты исследований опытных титановых сплавов системы Ti—Si—X, интерес к которым обус-
ловлен перспективностью их применения в авиационной промышленности и ракетостроении. Слитки опытных
титановых сплавов изготовляли способом электронно-лучевой тигельной плавки с электромагнитным перемешива-
нием, который позволяет получать гомогенный расплав, а после охлаждения – однородные по химическому составу
слитки. С помощью методов световой металлографии, РЭМ, Оже-спектроскопии изучены структура и свойства
деформированных титановых сплавов системы Ti—Si—X с дисперсионным упрочнением. Установлено, что наличие
мелкодисперсных упрочняющих частиц наноразмеров, имеющих неоднородный химический состав по сечению,
способствует повышению прочности.
Results of investigations of experimental alloys of Ti-Si-X system are presented, the interest to which was shown by the
challenge of their application in aircraft industry and rocketry. Ingots of experimental titanium alloys were manufactured
by the method of electron beam crucible melting with electromagnetic stirring, which allows producing the homogeneous
melt and ingots, homogeneous in chemical composition, after cooling. Using the methods of light metallography, such
as SEM, Auger-spectroscopy, the structure and properties of wrought titanium alloys of Ti-Si-X system with dispersion
strengthening were examined. It was found that the presence of fine-dispersed strengthening particles of nanosizes,
having non-homogeneous chemical composition in section, promotes the increase in strength.
Ключ е вы е с л о в а : структура; легирующие элементы;
дисперсные включения; механические характеристики
Титановые сплавы благодаря уникальному сочета-
нию физических и механических характеристик
(высокие значения удельной прочности, коррозион-
ной стойкости, достаточная технологическая плас-
тичности) являются одними из наиболее привлека-
тельных конструкционных материалов, в особен-
ности для авиакосмической отрасли, химического
машиностроения и медицины. В двигателестроении
жаропрочные сплавы на основе титана являются ма-
териалами, заменяющими традиционно используе-
мые здесь жаропрочные сплавы на основе никеля,
кобальта и железа.
Интерес к титановым сплавам на основе системы
Ti—Si—X обусловлен перспективностью их применения
в авиационной промышленности и ракетостроении.
Кремний – легирующий элемент, который мо-
жет существенно повышать жаропрочность и жарос-
тойкость титановых сплавов. Следует отметить, что
исследование механических свойств сплавов системы
Ti—Si показали, что введение кремния в количестве,
превышающем предельную растворимость его в α-ти-
тане, приводит к повышению прочности и сущест-
венному снижению их пластичности [1]. По этой
причине содержание кремния в промышленных жа-
ропрочных сплавах находится в пределах его раство-
римости в α-титане (до 0,4 мас. %), (рис. 1) [2].
Система Ti—Si—X представляет особый интерес
для исследований, в которых дополнительного по-
вышения рабочих температур достигают путем вве-
© Г. М. ГРИГОРЕНКО, С. В. АХОНИН, Т. Г. ТАРАНОВА, С. Г. ГРИГОРЕНКО, О. М. ЗАДОРОЖНЮК, 2012
Рис. 1. Диаграмма состояния системы Ti—Si [2]
45
дения в структуру сплавов силицидов и других жа-
ропрочных соединений.
В последние годы в качестве перспективных жа-
ропрочных материалов рассматриваются сплавы на
основе системы Ti—Si—X [3], однако они имеют
очень низкую пластичность при нормальной темпе-
ратуре, которая резко снижает технологичность и
не позволяет использовать их в узлах и деталях
двигателей. Сплавы системы Ti—Al—Si с содержа-
нием 2… 3 % кремния имеют высокую жаропроч-
ность и жаростойкость, но их пластичность при ком-
натной температуре практически равна нулю [4].
Следует отметить, что такие легирующие элементы,
как алюминий, олово, цирконий, ниобий, молиб-
ден, повышают прочность и сопротивление ползу-
чести. Все исследователи, занимающиеся разработ-
кой титановых сплавов, считают, что развитие жа-
ро- и высокопрочных титановых сплавов будет про-
исходить именно в этом направлении [5].
Цель данной работы заключается в изучении
структуры и механических свойств деформирован-
ных опытных титановых сплавов системы Ti—Si—X
с дисперсионным упрочнением.
Материалы, оборудование и методика экспери-
мента. Слитки опытных титановых сплавов вып-
лавляли способом электронно-лучевой тигельной
плавки с электромагнитным перемешиванием [6],
позволяющим получать гомогенный расплав, а пос-
ле охлаждения – однородные по химическому сос-
таву слитки. Диаметр слитков составлял 70 мм, мас-
са – 5… 10 кг. Затем полученные слитки подвер-
гали термомеханической обработке.
Первые три сплава деформировали путем осадки
на гидравлическом прессе в контейнере. Обработку
производили в три цикла: первый – нагрев до 1165 °С
и осадка на 15… 20 %; второй – нагрев до 1165 °С
и осадка на 10… 15 %; третий – нагрев до 1165 °С
и осадка на 7… 10 %.
Остальные три сплава прокатали в пластины
толщиной 9… 11 мм на двухвалковом реверсивном
стане. По достижении в печи заданной температуры
заготовки выдерживали на протяжении 1 ч и затем
подвергали деформированию. При прокатке для по-
лучения мелкодисперсной структуры выполняли
60…70%-ю деформацию в β-области (1050…1100 °С),
а оставшиеся 30… 40 % – в (α+β) и α-областях
Рис. 2. Микроструктура ( 200) сплавов: а – № 1 (Ti—3,38Si); б –
№ 2 (Ti—3,41Zr—2,23Si); в –№ 3 (Ti—401A—2,28Sn—5,95Zr—3,37Si)
Т а б л и ц а 1 . Химический состав опытных титановых сплавов системы Ti—Si—X
№ сплава
Класс спла-
ва
Al Sn Zr Nb Mo V Si [O] [N]
1 α — — — — — — 3,18 — —
2 α — — 3,14 — — — 2,23 — —
3 α 1,40 2,82 5,95 — — — 3,37 — —
4 Псевдо-α 5,64 2,20 3,53 — 0,43 0,95 0,56 0,09 0,02
5 Псевдо-α 5,22 3,33 4,24 0,77 0,13 0,61 0,57 0,10 0,02
6 (α + β) 4,29 4,39 5,95 4,26 1,57 0,68 0,35 0,24 0,02
46
(980… 900 °С). После прокатки металл отжигали
при температуре 800 °С.
Из деформированных пластин вырезали образ-
цы для микроструктурных исследований и механи-
ческих испытаний. Химический состав опытных
сплавов определяли с помощью спектрального и хи-
мического анализов, содержание газов в металле –
на газоанализаторах TN-114 и RO-316 фирмы
«LECO» (США). Металлографические исследова-
ния и фотосъемку выполняли на микроскопе «Ne-
ophot-32» (ГДР), оснащенном ПК, цифровой фо-
токамерой «OLYMPUS» и системой архивирова-
ния. Микротвердость измеряли на твердомере М-
400 фирмы «LECO« (США) при нагрузке 10 г. Для
определения микроструктуры исследуемых образ-
цов использовали химический способ травления в
4%-м спиртовом растворе азотной кислоты.
Рентгеноструктурные исследования образцов
проводили с помощью дифрактометра ДРОН-УМ1
в монохроматическом CuKα-излучении способом
Рис. 3. Микроструктура сплавов: а, б – № 4 (Ti—6Al—2Sn—4Zr—Mo—V—Si; в, г – № 5 (Ti—5Al—3Sn—5Zr—Nb—Mo—V—Si); а, в –
200; б, г – 1000
Рис. 4. Микроструктура сплава № 6 (Ti—4Al—4Sn—6Zr—4Nb—2Mo—V—Si); а – 800; б – 1000
Т а б л и ц а 2 . Механические свойства опытных титано-
вых сплавов системы Ti—Si—X
№
сплава
Класс σв, МПА σ0,2, МПа δ, % KCV,
Дж/см
2
1 α 745,3 — 9,5 2,33
2 α 997,6 — 2,7 2,51
3 α 721,3 — 10,7 3,27
4 Псевдо-α 1209,8 1106,6 1,7 8,91
5 Псевдо-α 1273,6 1130,8 4,0 10,36
6 (α + β) 1422,4 1331,3 1,0 4,15
47
шагового сканирования (35 кВ, 25 мА, время экс-
позиции в точке 20 с, шаг 0,05°). Параметры решет-
ки рассчитывали с использованием программы для
полнопрофильного анализа рентгеновских спект-
ров от смеси поликристаллических фазовых состав-
ляющих POWDER Cell 2.4.
Состав исследуемых сплавов приведен в табл. 1.
По химическому составу в данных сплавах об-
наружено некоторое отличие от сплавов уже освоен-
ных в производстве и нашедших применение в ре-
альных конструкциях.
Металлографические исследования. Исследуемые
титановые α-сплавы № 1 (Ti—3,4Si), № 2 (Ti—3,4Zr—
—2,3Si) и № 3 Ti—1,4Al—2,9Sn—6Zr—3,4Si имеют
идентичную структуру, состоящую из α-титановой
матрицы, густо усеянной мелкими частицами раз-
мером 1,5… 2,0 мкм, и скопления более крупных
частиц (до 5 мкм), расположенных вдоль вытяну-
тых зерен (рис. 2).
С увеличением содержания легирующих элемен-
тов структура деформации становится менее выра-
женной, также отмечено повышение микротвердос-
ти. В сплаве № 1 микротвердость матрицы с мелкими
выделениями составляет 2900…3100, в участках
скопления крупных выделений – 3800…4100 МПа,
в сплаве № 2 соответственно – 3300… 3500 и
4000… 4200 МПа, в сплаве № 3 – соответственно
3600… 3800 и 4200… 4800 МПа.
Образцы сплавов № 4 (Ti—5,6Al—2,2Sn—3,5Zr—
0,4Mo—1V—0,6Si) и № 5 (Ti—5,2Al—3,3Sn—4,2Zr—
0,1Mo—0,6V—0,8Nb—0,6Si) относятся к псевдо-α-
сплавам. Их микроструктура представляет собой
α-пластины с небольшим количеством β-фазы, вы-
делившейся по их границам. Также зафиксировано
большое количество включений разных размеров,
расположенных как вдоль границ, так и внутри α-
пластин (рис. 3).
Структуры образцов № 4 и 5 незначительно раз-
личаются дисперсностью α-фазы, расположением
включений и микротвердостью. У образца № 4 α-
пластины немного крупнее, включения расположе-
ны в основном по границам пластин (рис. 3, а),
микротвердость составляет 3600…3900 МПа. У образ-
ца № 5 α-пластины мельче, включения располагаются
более равномерно по всей поверхности (рис. 3, б), мик-
ротвердость равняется 4300…4500 МПа.
Сплав № 6 (Ti—4,3Al—4,4Sn—6Zr—1,6Mo—0,7V—
4,3Nb—0,4Si) относится к титановым (α+β)-сплавам
мартенситного типа. На фоне двухфазной структу-
ры образуется мартенсит – α′-фаза игольчатого
строения, представляющая собой пересыщенный
твердый раствор легирующих элементов в α-титане
(рис. 4) с микротвердостью 4000…4400 МПа.
Механические свойства. Определялись при растя-
жении круглых образцов диаметром 3 мм. Полу-
ченные результаты приведены в табл. 2. Обработка
результатов механических испытаний показала за-
висимость прочности, предела текучести и ударной
Рис. 6. Микроструктура поверхности излома сплава № 2: а –
участок с фасетками скола; б – вязкий участок с мелкодиспер-
сными частицами
Рис. 5. Микроструктура поверхности излома сплава № 1: а –
участок хрупкого разрушения; б – единичный участок вязкого
разрушения
48
вязкости исследуемых сплавов от содержания в них
легирующих элементов.
В сплаве № 1 значения прочности и ударной
вязкости низкие. Сплав № 2 за счет легирования
цирконием отличается повышенной прочностью
при низкой ударной вязкости. В сплаве № 3 бла-
годаря легированию алюминием и оловом показа-
тели прочности и ударной вязкости сопоставимы с
бинарным сплавом № 1. В псевдо- α-титановых спла-
вах № 4 и 5 при дальнейшем увеличении количества
легирующих элементов значительно улучшаются проч-
ностные характеристики и повышаются показатели
ударной вязкости. Сплав № 6 – (α+β)-титан – отлича-
ется максимальной прочностью, но при этом его плас-
тичность ниже, чем у псевдо- α-титановых сплавов.
Фрактографические исследования поверхности
излома образцов показали, что все они имеют хо-
рошо развитый рельеф.
В сплаве № 1 зафиксирован хрупкий характер
разрушения (рис. 5). Разрушение происходит по
фазовым выделениям силицидов титана Ti5Si3, рас-
положенных вдоль границ зерен. Более крупные
частицы (2…5 мкм) имеют вытянутую форму и от-
слаиваются от матрицы. Разрушение происходит по
хрупким фазовым выделениям сколом, а частицы
размером до 0,5 мкм сохраняют когерентную связь
с матрицей. В этих единичных участках характер
разрушения вязкий и обусловлен протеканием про-
цесса сегрегации легирующих и примесных элемен-
тов на границах зерен.
В сплаве № 2 (рис. 6) присутствуют участки с
фасетками скола в α-титановой матрице, которые
содержат ручьистые узоры и разделены гребнями
отрыва. Наличие многочисленных фасеток квазис-
кола объясняется действием механизма отрыва по
плоскостям сопряжения структурных составляю-
щих. Вокруг фасеток расположены гребни, а между
ними – отдельные фрагменты скола, образовавши-
еся в результате пластических сдвигов сплава в ус-
ловиях деформации при растяжении. Неглубокие
ямки, в которых присутствуют мелкодисперсные
частицы размером от 700 нм до 1 мкм, указывают
на незначительную вязкость.
В сплаве № 3 при небольших увеличениях
( 300) на поверхности излома обнаружено боль-
Рис. 7. Микроструктура поверхности излома сплава № 3: а –
скольные участки; б – вторичные трещины; в – локальный
вязкий участок с мелкодисперсными частицами
Рис. 8. Микроструктура поверхности излома сплава № 4: а –
структура проката на хрупком участке излома; б – вязкий учас-
ток с упрочняющими наночастицами
49
шое количество плоских скольных участков разме-
ром 40 70 мкм (рис. 7, а), появление которых обус-
ловлено образованием структурных составляющих,
расположенных по границам зерен. Также в зернах
зафиксированы вторичные трещины, проходящие
по телу зерна (рис. 7, б). Напряжения, возникаю-
щие при растяжении, приводят к неравномерности
микропластической деформации зерен и концент-
рации напряжения на их границах. При больших
увеличениях на поверхности излома видны глубо-
кие ямки, зародившиеся на сферических включе-
ниях, которые инициируют локальное вязкое раз-
рушение, образовавшееся непосредственно вокруг
них (рис. 7, в). Размер мелкодисперсных упрочня-
ющих частиц составляет 160…200 нм. Они имеют ок-
руглую форму и вытянутость в направлении проката.
В сплаве № 4 характер разрушения является
смешанным, при этом участков хрупкого разруше-
ния имеется значительно больше, чем вязкого (рис. 8).
Микротрещины зарождаются преимущественно на
границах зерен. Зерна вытянуты, их размер состав-
ляет 10 30 мкм. Участки вязкого разрушения обус-
ловлены наличием микродисперсных упрочняю-
щих включений, расположенных в ямках излома.
Состав этих частиц – (Ti,Zr)5(Si,Al)3, а их размер
не превышает 150 нм. По стехиометрии они близки
к силицидам титана, легированным цирконием и
алюминием (рис. 1).
У сплава № 5 размер зерна составляет 10…30 мкм.
Межзеренные разрушения составляют 70 %, неко-
торые зерна окружены вторичными межзеренными
трещинами, 30 % – транскристаллитные разруше-
ния (рис. 9, а). Причиной отмеченного характера
разрушений, предположительно, является декоге-
зия границ зерен вследствие структурных превра-
щений и выделения включений в межзеренное прос-
транство. Растягивающие напряжения при растя-
жении приводят к неравномерности микропластичес-
кой деформации зерен и концентрации напряжения
на их границах, при этом образуются микропустоты,
которые облегчают зарождение трещин на фазовых
выделениях. Напряженное состояние создается в
сплаве вследствие высокой диффузионной подвиж-
ности легирующих элементов из объема зерен на их
Рис. 10. Микроструктура поверхности излома сплава № 6: а –
изменение ориентации плоскости разрушения от зерна к зерну;
б – разрушение по плоскостям скола; в – участок локального
вязкого разрушения по механизму роста микропор
Рис. 9. Микроструктура поверхности излома сплава № 5: а –
участок транскристаллитного разрушения; б – участок вязкого
излома с упрочняющими наночастицами (50… 70 нм), сформи-
рованный по ямочному механизму
50
границы в процессе термомеханической обработки.
Рост концентрации напряжения приводит к воз-
никновению условий облегченного зарождения
микротрещин вдоль границ по механизму квазис-
кола. На это указывает камневидный рельеф изло-
ма, обычный при смешанном характере разруше-
ния, т. е. при растрескивании хрупких структурных
составляющих и вязком разрушении матрицы. Ус-
тановлено, что в тех участках, где алюминий нахо-
дится в несвязанном состоянии, разрушение проис-
ходит по скольному механизму. Помимо разруше-
ния сколом, обнаружены вязкие участки, сформи-
рованные по ямочному механизму слияния пор
(рис. 9, б), в которых зафиксированы упрочняю-
щие частицы размером 50… 70 нм.
Шероховатость рельефа поверхности сплава № 6
обусловлена кристаллографическим характером
разрушения (рис. 10). Хорошо видно изменение
ориентации плоскости разрушения от зерна к зерну
размером 5… 15 мкм. Разрушение происходит по
плоскостям скола. Наличие включений приводит к
локальному вязкому разрушению по механизму
роста микропор. В данном образце упрочняющие
частицы мелкодисперсные, их размер составляет
130… 160 нм.
Более детальные исследования состава мелкодис-
персных упрочняющих частиц, обнаруженных в опыт-
ных титановых сплавах системы Ti—Si—X, проводили
на приборе JAMP 9500F с использованием двух до-
полняющих друг друга способов: энергодисперсионной
спектрометрии (ЭДС) и Оже-спектрометрии.
Оже-микрозонд с полевым эмиссионным като-
дом JAMP-9500F (JEOL Ltd) – многофункцио-
нальный современный прибор с высокими парамет-
рами технических характеристик. Он объединяет в
себе электронный сканирующий микроскоп с раз-
решающей способностью во вторичных электронах
(3 нм), а также Оже-спектрометр с диаметром элек-
тронного зонда 8 нм и энергетической разрешающей
Рис. 11. Результаты микроанализа упрочняющих частиц в сплавах системы Ti—Si—X: а – аналитический спектр состава частиц;
б – численные значения основных легирующих элементов
51
способностью DЕ/Е = 0,005… 0,600 %. Прибор
укомплектован энергодисперсионным спектромет-
ром OXFORD EDS INCA Energy 350 для анализа
элементов (от бериллия до урана) с диаметром элек-
тронного зонда 1 мкм. Исследование образцов выпол-
няют в сверхвысоком вакууме 5⋅10—8 Па. Перед ис-
следованиями образцы подвергают травлению ио-
нами аргона.
На рис. 11 приведены результаты ЭДС иссле-
дуемых образцов. Из-за малых размеров включе-
ний способ ЭДС позволил определить только их
интегральный химический состав, который близок
к таковому алюминида титана, легированного цир-
конием и кремнием. Возможности способа Оже-
спектрометрии позволили установить химический
состав на поверхности нановключений (рис. 12).
Сравнение результатов анализов ЭДС, Оже-
спектрального и рентгеноструктурного показало,
что включения вне зависимости от наноразмеров
неоднородны по составу. Внутренняя их часть пред-
ставляет собой алюмосилицид титана, легированного
цирконием, а поверхность – силицидный каркас.
Выводы
1. Изучена взаимосвязь структуры и механических
свойств титановых сплавов с дисперсионным упроч-
нением интерметаллидами и силицидами.
2. Показано, что использование технологии вып-
лавки сплавов способом электронно-лучевой плав-
ки с электромагнитным перемешивание металла в
ванне позволило получить в слитке равномерное
распределение упрочняющих мелкодисперсных
частиц. Размер таких частиц в некоторых сплавах
достигает наноразмеров.
3. Установлено, что эти частицы повышают
прочность, но при этом не обеспечивают необходи-
мую пластичность сплавов.
4. Определено, что упрочняющие частицы име-
ют неоднородный химический состав и представля-
ют собой сложное химическое соединение титана,
циркония, алюминия и кремния. На поверхности
наночастиц содержание кремния значительно боль-
ше, чем в средней части, и почти нет алюминия.
5. Можно предположить, что дисперсные части-
цы представляют собой алюмосилицид титана, ле-
гированного цирконием с силицидным каркасом.
6. Наиболее высокий уровень механических
свойств имеет сложнолегированный псевдо- α-тита-
новый сплав № 5.
7. Полученные результаты свидетельствуют о
перспективности разработки таких сплавов и необ-
ходимости продолжения работ в этом направлении.
1. Фирстов С. А., Ткаченко С. В., Кузьменко Н. Н. Тита-
новые «чугуны» и титановые «стали» // Металловед. и
терм. обработка металлов. – 2009. – № 1. – С. 14—20.
2. Kaufman L. Ca1phad //www.himikatus.ru/art/ phase-
diagr1/Si-Ti.php
3. Хорев А. И., Хорев М. А. Титановые сплавы: применение
и перспективы развития // Титан. – 2005. – № 1. –
С. 40—53.
4. Изучение влияния пластической деформации на механичес-
кие свойства эвтектических сплавов системы Ti—Al—Si—Zr /
С. А. Фирстов, Ю. Н. Подрезов, Н. Н. Кузьменко и др. //
Физика и техника высоких давлений. – 2002. – 12,
№ 3. – С. 28—38.
5. Аношкин Н. Ф., Сигалов Ю. М. Титановые сплавы с по-
вышенной жаропрочностью // Технология легких спла-
вов. – 2002. – № 1. – С. 38—50.
6. Электронно-лучевая плавка в литейном производстве /
Под ред. С. В. Ладохина. – Киев: Сталь, 2007. – 626 с.
Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины, Киев
Поступила 07.02.2012
Рис. 12. Результаты анализа (толщина слоя примерно 20 нм)
методом Оже-спектрометрии (ат. %): Point1 (мас. %): C = 2,1;
O = 2,7; Al = 1,3; Si = 13; Ti = 55,6; Zr = 24,6; Point2 (мас. %):
C = 4,6; O = 2,3; Al = 1,2; Si = 13,3; Ti = 56,9; Zr = 21,7)
52
|