Прислать материал
14.575.21.0042
1. Разработка подходов и способов получения жаропрочных лёгких гамма-алюминидов титана с комплексным многокомпонентным легированием с использованием литейных технологий (индукционной бестигельной зонной перекристаллизации в направленном градиенте температур), обладающих необходимым комплексом свойств для применения в жаропрочных компонентах высокоэффективных газотурбинных двигателей.
2. Получение нового поколения сверхлёгких материалов на основе гамма-алюминидов титана с функциональным легированием, упорядоченной наноструктурой и комплексом свойств, необходимых для создания ответственных изделий в авиационной технике, работающих при температурах 700-900 град.С.
В рамках поставленных целей решались следующие задачи:
1. Установление закономерностей формирования многофазной микроструктуры в слитках гамма-алюминидов титана со стабилизированной beta-фазой, полученных высокоградиентной индукционной бестигельной зонной плавкой (БЗП).
2. Разработка технологических принципов, позволяющих получать материал с заранее заданным фазовым составом и размерными параметрами микроструктурных составляющих.
3. Экспериментальное применение для этой цели микролегирования примесью бора, лантанового кислородного геттера и примесей-стабилизаторов высокотемпературной пластичной фазы beta(Ti) – ниобия, циркония и хрома.
4. Комплексный структурный, фазовый и элементный анализ полученных образцов; определение физико-механических свойств сплавов – пределов текучести и прочности, модуля упругости (Юнга), максимальной деформации при температурах до 1000 град.С и устойчивости к высокотемпературной ползучести при нагрузках до 200 МПа.
Создание материала на основе гамма-TiAl с многокомпонентным легированием, имеющего малый удельный вес (менее 4.5 г/см3) и удовлетворяющего требованиям жаропрочности, позволит до 50% увеличить отношение "подъёмная сила/вес" авиационных двигателей по сравнению с лучшими современными аналогами, созданными на основе никелевых спецсплавов с плотностью около 9 г/см3. Достигнутые в 2014-16 гг. результаты выполнения проекта конкурентноспособны в мировом масштабе, экспонировались на Международном авиакосмическом салоне МАКС-2015 и Международном военно-техническом форуме «Армия–2016» в составе экспозиций «Технологии НИТУ МИСиС для авиакосмического комплекса».
Новизна:
Впервые синтезированы, структурно модифицированы и исследованы сплавы на основе систем TiAl(Nb,Zr,Cr) и TiAl(Nb,Zr,Cr)B,La. Гексаборид лантана (LaB6) впервые применен в качестве лигатуры в металлургии TiAl-интерметаллидов.
Проведены исследовательские испытания экспериментальных сплавов в части определения теплоёмкости, теплопроводности, коэффициента теплового расширения, микротвёрдости, трибохимической стойкости и фазовой стабильности при комнатной и высоких температурах в соответствии с ТЗ.
Методом БЗП сформирована уникальная ориентированная фазовая структура сплава Ti-44Al-5Nb-3Cr-1.5Zr, содержащая области аксиально направленной наноразмерной ламельной α2-Ti3Al+γ-TiAl текстуры (80% объёмн.), зернистой γ-TiAl фракции (15%), и 3-5% межгранулярных прослоек стабилизированной β-Ti (В2) фазы.
Показано, что такая структура значительно улучшает пределы текучести и прочности литого сплава, а также модуль Юнга и сопротивление ползучести, определённые вплоть до температуры 1050 град.С.
В качестве исходного «сырого» материала (прекурсора) в работе использован сплав состава Ti-46Al-8Nb (ат.%). Пластичность сплава можно улучшить путём измельчения (повышения степени дисперсности) первичной равноосно-зернистой микроструктуры. Для формирования и стабилизации мелкодисперсной микроструктуры целесообразно ввести в расплав контролируемое количество высокоактивных точечных центров кристаллизации (частиц-нуклеантов). В работе применено прецизионное легирование расплава бором, приводящее к преципитации (высаживанию) микрочастиц боридов титана при снижении температуры в процессе кристаллизации сплава.
Новизной является опробование комплексной лигатуры гексаборида лантана LaB6. Гексаборид лантана, благодаря удачной стехиометрической формуле проявляет при растворении в расплаве TiAl(Nb) не только активность микроструктурного модификатора дисперсности, но и заметное геттерирующее действие, приводящее к удалению фоновой примеси растворённого кислорода из кристаллизуемого слитка. Редкоземельные лантаноиды обладают сильным химическим сродством к кислороду.
Перспективным подходом в инженерии структуры и свойств является затвердевание и отжиг сплавов в управляемых направленных тепловых полях (в градиенте температуры). Индукционная зонная плавка без контакта с тиглем с градиентом 300 град.С/см в потоке аргона выполнена впервые для получения микро/наноструктурированных алюминидов титана с содержанием вредной охрупчивающей примеси кислорода менее 1000 масс.ppm.
Полученные на основе систем TiAl(Nb,Zr,Cr) и TiAl(Nb,Zr,Cr)B,La образцы подвергались структурному, фазовому и элементному анализу: использованы методы металлографии/оптической микроскопии, растровой электронной микроскопии на обратное рассеяние (РЭМ) и просвет (ПЭМ), рентгено- и электронно-фазового микроанализа (EBSD), электронно-зондового микроанализа состава (энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия EDX и Оже-спектрометрия нанометрового разрешения на базе спектрометра PHI-680 Auger Nanoprobe Analyser (США), а также анализ на газосодержание (на растворённый межузельный кислород) методом «горячей» экстракции в несущий инертный газ на анализаторе LECO PO-316.
Образцы подвергались прочностным испытаниям методом одноосного сжатия (осадки) и растяжения в диапазоне температур от 20 до 1050 град.С с использованием аппаратуры “Gleeble System 3800” и закалочно-деформационного дилатометра DIL805А/D. С их помощью оценены характеристики устойчивости сплавов к «горячей» и «холодной» деформации - пределы текучести, прочности, модуль упругости и скорость ползучести как функции температуры, состава и структуры сплава.
Проведены исследовательские испытания экспериментальных сплавов в части определения теплоёмкости, теплопроводности, коэффициента теплового расширения, микротвёрдости, трибохимической стойкости и фазовой стабильности при комнатной и высоких температурах в соответствии с ТЗ.
В лабораторных условиях показано, что разрабатываемая система TiAl(Nb,Cr,Zr) является улучшенной базой для создания TiAl-интерметаллидов 3-го поколения, наиболее перспективных сегодня для применения в авиационном турбостроении. На примере состава Ti-44Al-5Nb-3Cr-1.5Zr (ат.%) прослежены особенности фазовых диаграмм и структурообразования нового класса интерметаллидов на основе γ-TiAl со стабилизированной β(Ti)-фазой, позволяющие эффективно применять новые принципы и подходы формирования необходимых конструкционных свойств материала. Опытные образцы наноструктурированного сплава обладают повышенной прочностью при нагружении до температур 900-950 град.С, демонстрируя возможность существенного расширения температурного диапазона применения γ-TiAl в деталях и компонентах ответственных узлов и агрегатов авиатурбин.
В частности, достигнуты следующие свойства:
– при 20 град.С: предел текучести 550 MПa; предел прочности 1780 MПa; степень максимальной деформации на сжатие 22.8 %, максимальное относительное удлинение на разрыв 1.45%, плотность 4.11 г/см3;
– при 950 град.С: предел текучести 470 MПa; степень максимальной деформации на сжатие > 50 %; модуль упругости (Юнга) 95 ГПа при нулевой скорости ползучести под нагрузкой 200 МПа.
Эти свойства достигнуты без горячего изостатического прессования (ГИП-обработки) полученных слитков, которое обычно применяется в литейных технологиях.
Разработанный материал соответствует (превосходя по параметрам жаропрочности) лучшим зарубежным образцам аналогичных сплавов, полученных Консорциумом ЕС в 2009 г. при выполнении Общеевропейского проекта IMPRESS: http://ec.europa.eu/research/industrial_technologies/pdf/theexecutive-summary-of-impress-project_en.pdf.
Исходя из достигнутых свойств, высокоградиентная БЗП заявлена к патентованию как способ обработки интерметаллидов на основе TiAl:
«Способ обработки интерметаллических сплавов на основе гамма-алюминида титана» / А.В. Картавых, С.Д. Калошкин, М.Г. Горшенков, А.В. Коротицкий (МИСиС). Заявка на патент РФ № 2015149049, приоритет от 17.11.2015 г.
Основные результаты проекта в научно-популярной форме изложены в видео-интервью его руководителя Картавых А.В.:
http://chrdk.ru/tech/2016/6/19/materialy_dlya_aviatsionnyh_turbin/ ,
а также в интервью на Экспир:
https://xpir.ru/articles/Slozhnosti-splava-novii-zharoprochnii-material-zhdet-zainteresovannih-v-innovaciyah
Разрабатываемый материал является перспективным для широкомасштабных применений в конструкциях энергогенерирующих газосжигающих турбин передвижных тепловых электростанций и авиационных двигателей. Области дальнейшего возможного применения результатов работ и масштаб их реализации могут быть экономически высокоэффективными, социально-значимыми и экологически выгодными.
Поставленные цели, объект исследований и высокотехнологичных разработок находятся в русле задач Национального проекта ≪Самолет-2020, МС-21≫ в части создания новых лёгких материалов со специальной микроструктурой для жаропрочных компонентов высокоэффективного авиационного двигателя.
Среди предприятий и организаций, которые могут быть заинтересованы в проведении последующей ОТР, технико-экономической оценке её результатов и последующем трансфере технологий, предполагаются следующие, входящие в Технологические платформы (ТП) ≪Авиационная мобильность и авиационные технологии≫ и ≪Материалы и технологии металлургии≫:
- ОАО ≪Авиадвигатель≫;
- ОАО ≪Пермский моторный завод≫;
- ФГУП ≪Центральный институт авиационного моторостроения им. П.И. Баранова≫ (ФГУП ≪ЦИАМ≫);
- ГК Ростехнологии;
- ОАО ≪Управляющая компания ≪Объединенная двигателестроительная корпорация≫;
- ОАО ≪Объединенная авиастроительная корпорация≫;
- ФГУП ≪Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов≫, ГНЦ РФ (ФГУП ≪ВИАМ≫) и другие.