Регистрация / Вход
Прислать материал

14.575.21.0042

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Общие сведения
Номер
14.575.21.0042
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС"
Название доклада
Жаропрочные интерметаллиды на основе γ-TiAl со стабилизированной β(Ti)-фазой: инженерия состава, микроструктуры и механических свойств
Докладчик
Картавых Андрей Валентинович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Цели исследования:
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.
Актуальность и новизна исследования
Актуальность исследования:
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.
Описание исследования

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.

Результаты исследования

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

Практическая значимость исследования
Разработанные в ходе выполнения ПНИ экспериментальные образцы лёгкого жаропрочного материала на интерметаллидной основе (гамма-алюминид титана с комплексным многокомпонентным легированием) предназначаются для создания ответственных изделий в авиационной технике, работающих при высоких температурах. В частности, эти материалы могут быть использованы для производства заготовок турбинных лопаток (лопастей), предназначенных для комплектации и работы в составе ступеней турбины низкого давления (ТНД) высокоэффективных авиационных газотурбинных двигателей (ГТД), при температурах 700-900 град.С.
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.
Презентация

Presentation _14.575.21.0042_2016.ppt