Влияние частичного замещения титана его гидридом на структуру и свойства жаропрочного сплава TNM-B1, полученного методом горячего изостатического прессования СВС-порошка

В работе исследовано влияние частичного замещения титана его гидридом на микроструктуру и механические свойства сплава TNM-B1, полученного по технологии порошковой металлургии. Рассмотрено влияние соотношения Ti:TiH₂ в реакционной смеси и режимов термообработки на микроструктуру и механические свойства сплава TNM-B1+1%Y₂O₃, полученного с использованием методов высокоэнергетической механической обработки (ВЭМО), самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) и горячего изостатического прессования (ГИП). Установлено, что 10 %-ное замещение титана его гидридом в реакционных смесях позволяет уменьшить содержание кислорода в СВС-продуктах с 1 до 0,8 % благодаря созданию восстановительной атмосферы при разложении TiH₂ в волне горения. При соотношении Ti : TiH₂ = = 90 : 10 достигнуты максимальные механические свойства сплава TNM-B1+1%Y₂O₃: прочность при сжатии σ_в = 1200±15 МПа и предел текучести σ_0,2 = 1030±25 МПа. Рост доли TiH₂ увеличивает содержание примесного кислорода, приводящего к образованию Al₂O₃, который снижает прочность и пластичность материала. За счет дополнительной термообработки сплава TNM-B1+1%Y₂O₃ глобулярная структура преобразуется в частично ламеллярную, что приводит к увеличению σ_в на 50– 300 МПа в зависимости от содержания TiH₂. Получаемый эффект обусловлен уменьшением среднего размера зерен и снижением подвижности дислокаций при деформации.

1. Burtscher M., Klein T., Lindemann J., Lehmann O., Fellmann H., Güther V., Clemens H., Mayer S. An advanced TiAl alloy for high-performance racing applications. Materials. 2020;13(21):4720. https://doi.org/10.3390/ma13214720

2. Зайцев А.А., Капланский Ю.Ю., Сентюрина Ж.А., Левашов Е.А., Касимцев А.В., Погожев Ю.С., Юдин С.Н., Свиридова Т.А., Маляров А.В. Получение спеченного сплава на основе интерметаллида TiAl. Ч. 2. Исследование процессов формования и спекания. Известия вузов. Цветная металлургия. 2016;(1):50—62. https://doi.org/10.17073/0021-3438-2016-1-50-62

3. Касимцев А.В., Юдин С.Н., Свиридова Т.А., Маляров А.В., Зайцев А.А., Сентюрина Ж.А., Капланский Ю.Ю., Погожев Ю.С., Левашов Е.А. Получение спеченного сплава на основе интерметаллида TiAl. Ч. 1. Гидридно-кальциевая технология получения порошкового сплава Ti—47Al—2Nb—2Cr и его свойства. Известия вузов. Цветная металлургия. 2015;(4):63—68. https://doi.org/10.17073/0021-3438-2015-4-63-68

4. Bewlay B.P., Nag S., Suzuki A., Weimer M.J. TiAl alloys in commercial aircraft engines. Materials at High Temperatures. 2016;33(4-5):549—559. https://doi.org/10.1080/09603409.2016.1183068

5. Rittinghaus S.K., Zielinski J. Influence of process conditions on the local solidification and microstructure during laser metal deposition of an intermetallic TiAl alloy (GE4822). Metallurgical and Materials Transactions: A. 2021;52:1106—1116. https://doi.org/10.1007/s11661-021-06139-2

6. Ostrovskaya O., Badini C., Deambrosis S.M., Miorin E., Biamino S., Padovano E. Protection from oxidation of second and third generation TiAl intermetallic alloys by magnetron sputtering deposition of a TiAl/TiAlN coating. Materials & Design. 2021;208:109905. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2021.109905

7. Abdoshahi N., Dehghani M., Hatzenbichler L., Spoerk-Erdely P., Ruban A.V., Musi M., Mayer S., Spitaler J., Holec D. Structural stability and mechanical properties of TiAl + Mo alloys: A comprehensive ab initio study. Acta Materialia. 2021; 221:117427. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117427

8. Полькин И.С., Гребенюк О.Н., Саленков В.С. Интерметаллиды на основе титана. Технология легких сплавов. 2010;2:5—15. https://cyberleninka.ru/article/n/intermetallidy-na-osnove-titana-1 (дата обращения 28.09.2023)

9. Kamyshnykova K., Lapin J. Vacuum induction melting and solidification of TiAl-based alloy in graphite crucibles. Vacuum. 2018;154:218—226. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2018.05.017

10. Siheng G., Xianjuan D., Xuan X., Yong X. Effect of ball milling speed and sintering temperature on microstructure and properties of TiAl alloy prepared by powder metallurgy. Procedia Manufacturing. 2020;50:355—361. https://doi.org/10.1016/j.promfg.2020.08.066

11. Knörlein J., Franke M.M., Schloffer M., Berger T., Körner C. Microstructure and mechanical properties of additively manufactured γ-TiAl with dual microstructure. Intermetallics. 2023;161:107978. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2023.107978

12. Wu X. Review of alloy and process development of TiAl alloys. Intermetallics. 2006;14(10-11):1114—1122. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2005.10.019

13. Loginov P.A., Kaplanskii Y.Y., Markov G.M., Patsera E.I., Vorotilo K.V., Korotitskiy A.V., Shvyndina N.V., Levashov E.A. Structural and mechanical properties of Ti—Al—Nb—Mo—B alloy produced from the SHS powder subjected to high-energy ball milling. Materials Science and Engineering: A. 2021;814:141153. https://doi.org/10.1016/j.msea.2021.141153

14. Taguchi K., Ayada M., Ishihara K.N., Shingu P.H. Nearnet shape processing of TiAl intermetallic compounds via pseudoHIP-SHS route. Intermetallics. 1995;3(2):91—98. https://doi.org/10.1016/0966-9795(95)92673-N

15. Aguilar J., Schievenbusch A., Kättlitz O. Investment casting technology for production of TiAl low pressure turbine blades—Process engineering and parameter analysis. Intermetallics. 2011;19(6):757—761. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2010.11.014

16. Lagos M.A., Agote I. SPS synthesis and consolidation of TiAl alloys from elemental powders: Microstructure evolution. Intermetallics. 2013;36:51—56. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2013.01.006

17. Бусурина М.Л., Умаров Л.М., Ковалев И.Д., Сачкова Н.В., Бусурин С.М., Вадченко С.Г., Сычев А.Е. Особенности структуро- и фазообразования в системе Ti—Al—Nb в режиме теплового взрыва. Физика горения и взрыва. 2016;52(6):44—50. https://doi.org/10.1134/S0010508216060058

18. Mukasyan A.S., Rogachev A.S. Combustion behavior of nanocomposite energetic materials. Energetic Nanomaterials. 2016;163—192. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-802710-3.00008-8

19. Rak Z.S., Walter J. Porous titanium foil by tape casting technique. Journal of materials processing technology. 2006;175(1-3):358—363. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2005.04.066

20. Bidaux J.E., García-Gómez J., Hamdan H., Zufferey D., Rodríguez-Arbaizar M., Girard H., Carreno-Morelli E. Tape casting of porous titanium thin sheets from titanium hydride. In: Proceedings of the Euro PM2011 Congress & Exhibition. (Barcelona, Spain. 9—12 October 2011). 2011. P. 2.

21. Samal S., Cho S., Park D.W., Kim H. Thermal characterization of titanium hydride in thermal oxidation process. Thermochimica Аcta. 2012;542:46—51. https://doi.org/10.1016/j.tca.2012.02.010

22. Peillon N., Fruhauf J.B., Gourdet S., Feraille J., Saunier S., Desrayaud C. Effect of TiH2 in the preparation of MMC Ti based with TiC reinforcement. Journal of Alloys and Compounds. 2015; 619:157—164. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2014.09.014

23. Azevedo C.R.F., Rodrigues D., Neto F.B. Ti—Al—V powder metallurgy (PM) via the hydrogenation-dehydrogenation (HDH) process. Journal of Alloys and Compounds. 2003;353(1-2):217—227. https://doi.org/10.1016/S0925-8388(02)01297-5

24. Курбаткина В.В., Пацера Е.И., Бодян А.Г., Левашов Е.А. Получение субмикронного порошка на основе TiAl в режиме теплового взрыва. Цветные металлы. 2017;2:68—73. https://doi.org/10.17580/tsm.2017.02.11

25. Xu W.C., Huang K., Wu S.F., Zong Y.Y., Shan D.B. Influence of Mo content on microstructure and mechanical properties of β-containing TiAl alloy. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2017;27(4):820—828. https://doi.org/10.1016/S1003-6326(17)60094-3

26. Pan Y., Lu X., Liu C., Hui T., Zhang C., Qu X. Sintering densification, microstructure and mechanical properties of Sn-doped high Nb-containing TiAl alloys fabricated by pressureless sintering. Intermetallics. 2020;125:106891. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2020.106891

27. Li Z., Luo L., Su Y., Wang B., Wang L., Liu T., Yao M., Liu C., Guo J., Fu H. A high-withdrawing-rate method to control the orientation of (γ + α2) lamellar structure in a β-solidifying γ-TiAl-based alloy. Materials Science and Engineering: A. 2020;857:144078. https://doi.org/10.1016/j.msea.2022.144078

28. Qiang F., Kou H., Tang B., Song L., Li J. Effect of cooling rate on microstructure evolution of Ti—45Al—8.5—Nb0.2—W0.2—B0.02—Y alloy during multi-step heat treatment. Materials Characterization. 2018;145:210—217. https://doi.org/10.1016/j.matchar.2018.08.031