Разделы сайта

Читаемое

Обновления Nov-2017

Промышленность Ижоры -->  Керамические композиционные материалы 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 [ 34 ] 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123

ботает в том случае, если крупные иглы ориентированы в направлении растяжения [9].

Композиционные материалы с титановой матрицей являются перспективными жаропрочными материалами для авиакосмической техники и найдут применение в новых конструкциях реактивных двигателей, где возникает необходимость в материалах, вьщерживающих температуру эксплуатации до 800 °С. Использование композиционного материала позволяет значительно снизить массу конструкции, что крайне необходимо для аэрокосмической техники. В настоящее время ведутся исследования по созданию из КМ деталей компрессора, например лопаток, турбин и др. К материалу матрицы жаропрочного КМ предъявляются следующие требования: значительное сопротивление окислению, высокая прочность при повышенных температурах, удовлетворительная пластичность при комнатной температуре. Между материалом волокон и матрицей не должно происходить химического взаимодействия при повышенньгх температурах. В качестве матрицы жаропрочных КМ могут быть использованы псев-до-а-титановые сплавы, например сплав IMI834. В качестве упрочните-ля выступают волокна SiC. Сплав 1MI834, упрочненный волокнами SiC (SCS-6), предназначен для эксплуатации при температурах до 550 °С. При производстве данных КМ используются технологии магнетронного распыления и горячее изостатическое прессование. Для предотвращения химического взаимодействия при повышенной температуре волокна и матрицы используются защитные покрытия волокон и метод фазовой

Правило смесей

Соотношение Эшелби


10 15

Объемная доля TiB,

Рис. 3.4. Влияние объемной доли TiB на модуль Юнга различных титановых сплавов [9]

Волокно

SCS-6


800 о 1200

Температура, С

Рис. 3.5. Предел прочности композиционного материала SiC/IMI834 при разньгх температурах испытания [10]

сегрегации. Проблема термической стабильности для таких КМ решена до температур 700 С. На рис. 3.5 приведены значения предела прочности при разных температурах испытания для КМ SiC/lMI834 с объемной долей волокон Vj= 40%. Предел прочности снижается при повышении температуры испытания, что согласуется с правилом смесей [10].

КМ на основе титановой матрицы, упрочненные волокнами SiC, Nb и В или волокнами В с покрытиями, могут быть использованы для изготовления деталей компрессора высокого давления. Применение данных КМ обеспечит снижение массы деталей на 30% и повышение их температуры эксплуатации до 600 °С.

Идея использовать интерметаллид TijAl в качестве дисперсной упрочняющей фазы ( 2) в жаропрочных сплавах на основе а- и (а+р)-струк-тур возникла около 30 лет назад. Жаропрочные титановые сплавы с интерметаллидным упрочнением а2-фазой предназначены для эксплуатации при температурах 600...650°С, т. е. в таком температурном интервале, когда лучшие промышленные жаропрочные сплавы, такие как ВТ18У, IMI834, Til 100, Ti6242, уже не могут быть использованы, а применение более жаропрочных сплавов на основе интерметаллида TijAl (типа супер-а2 ) сдерживается целым рядом нерешенных технологических Проблем. Однако разработанные на основе а-фазы сплавы с интерметаллидным упрочнением а2-фазой, содержащие 8...9 % алюминия (такие, как Ti-811 - США, СТ4 - Россия и др.), не нашли практического применения, в основном из-за низкой термической стабильности. Превышение предельной растворимости А1 в а-фазе титановых сплавов традиционно считалось неприемлемым, так как непрерывное выделение а2-Фазы в процессе длительной (более 100 ч) вьшержки при температурах -бООС, происходящее во всем объеме а-матрицы, приводит к резкому снижению пластичности, вязкости разрушения, трещиностойкос-




ти. Решить данную проблему традиционными методами термической и термомеханической обработки не удалось, однако это позволяет сделать термоводородная обработка (ТВО). Такая возможность проиллюстрирована на примере опытного сплава Ti-9A1-lMo-3Zr-4Sn на основе а-фазы с интерметаллидным упрочнением а2-фазой. Целью применения ТВО является получение структурного состояния, обеспечивающего термическую стабильность и высокий комплекс механических и эксплуатационных свойств. Ранее проведенные исследования показали, что это достигается бимодальной структурой [11]. Бимодальная структура содержит две структурные составляющие а-фазы с различной концентрацией алюминия и различной морфологии - первичную и вторичную а-фазы (рис. 3.6, а). Материал с подобной структурой может рассматриваться как дисперсноупрочненный композит.

Механизм формирования такой структуры состоит в следующем. При насыщении сплава водородом в его структуре увеличивается объемная доля р-фазы. Этот эффект тем сильнее, чем больше концентрация вводимого водорода. Первичная а-фаза (пластинчатой или глобулярной морфологии) не претерпевает а->р-превращения при наводороживающем отжиге, если температура последнего соответствует (а+(3)-области наво-дороженного сплава. Первичная а-фаза обогащена алюминием по срав-ненению с его содержанием в сплаве. Удаление водорода в процессе вакуумного отжига приводит к потере стабильности 5-фазы и (За-пре-вращению, в результате чего образуется вторичная а-фаза. Она более мелкодисперсна по сравнению с первичной и, как правило, имеет пластинчатую форму. Экспериментально показано, что разница концентраций алюминия в этих структурных составляющих достигает 4...8 %. Содержание алюминия в них определяет возможность протекания процессов упорядочения в первичной а-фазе и практически исключает их




-X 36 000

Рис. 3.6. Микроструктура сплава Ti-9Al-lMo-3Zr-4Sn, подвергнутого ТВО (а) и ТВО с последующей изотермической выдержкой при 600 °С в течение 300 ч {б)

во вторичной , что было подтверждено экспериментально методами рентгеноструктурного и электронно-микроскопического анализов [12]. Образование аз-фазы только в ограниченных микрообъемах и отсутствие выравнивающей диффузии А1 между первичной и вторичной а-фазой обеспечивают стабильное структурное состояние сплава при длительном термическом воздействии при температурах до 650 °С. Удовлетворительные пластические свойства, повышенное сопротивление усталости, ползучести, зарождению и распространению трещины в такой стругауре должна обеспечивать мелкодисперсная вторичная а-фаза с пониженным, по сравнению со средним в сплаве, содержанием алюминия. Частицы первичной а-фазы, обогащенные алюминием, в которых происходит упорядочение, повышают жаропрочность сплава.

Выбор концентрации водорода и температуры при наводороживающем отжиге обусловлен необходимостью получения количества (3-фазы, достаточного для образования значительной объемной доли вторичной а-фазы в ходе (3->а-превращения при дегазации. Температуру вакуумного отжига выбирали, исходя из необходимости формирования нужной структуры и удаления водорода до безопасных концентраций за минимально возможное время. Следует отметить, что в структуре сплава, подвергнутого ТВО, после дополнительной ЗОО-ч вьщержки при 600 °С повышается степень упорядочения первичной а-фазы (рис. 3.6, б), в то время как морфология и размеры частиц первичной и вторичной а-фазы и их химический состав практически не изменяются. Таким образом, в результате ТВО была сформирована термически устойчивая структура, в которой процессы упорядочения при длительном термическом воздействии протекают только в локальных микрообъемах первичной а-фазы. Для определения влияния ТВО на механические свойства и термическую стабильность сплава бьши проведены испытания на растяжение и ударную вязкость при нормальной температуре. Результаты испытаний приведены в табл. 3.6.

По результатам испытаний можно сделать вывод о том, что разработанный режим ТВО обеспечивает термическую стабильность и высокий уровень механических свойств сплава. Предел прочности после ТВО повышается на 100 МПа по сравнению с отожженным состоянием, а относительное удлинение при растяжении и ударная вязкость после ТВО и ЮО-ч изотермической вьщержки при 650 °С сохраняются на удовлетворительном уровне.

Исследованы трещиностойкость и закономерности распространения усталостной трещины в сплаве Ti-9Al-lMo-3Zr-4Sn [% (масс.)] с раз-



Таблица 3.6. Механические свойства сплава Ti-9AI-1 Mo-3Zr-4Sn

№ п/п

Режимы обработки

0,2> МПа

KcvT

МДж/м2

Отжиг 930 °С, 1ч

1010

0,21

Отжиг 930 °С + изотермическая выдержка 650 °С, 100 ч

1090

0,06

ТВО (0,6% Hj)

1080

0,29

ТВО (0,6 % Нл) + изотермическая вьщержка 650 С, 100 ч

1110

1010

0,27

личным структурным состоянием. Исследования проводили по специальной методике в колонне сканирующего электронного микроскопа на микрообразцах толщиной до 1 мм с металлографически проявленной структурой.

Определены основные механизмы распространения трещины: перерезание а-пластин по полосам скольжения; преодоление а/р-межфазной границы и р-прослоек; перемещение ступенькой , т. е. последовательное чередование перерезания а-пластин с движением трещины по границе раздела а- и р-фаз и движение трещины по межфазной а/р-границе. Характер распространения трещины в образцах, закаленных из р-облас-ти, а также закаленных из (а+Р)- и р-области и состаренных при 650 °С, принципиально не отличается.

Проведение ТВО значительно изменяет параметры трещиностойкос-ти (F,p, N) и оказывает заметное влияние на характер распространения усталостной трещины. Трещина распространяется преимущественно по объему неупорядоченной вторичной* а-фазы, имеющей мелкопластинчатую морфологию. При этом реализуются все перечисленные выше механизмы. В том случае, если на пути магистральной трещины находится более крупная частица первичной а-фазы, с когерентными микрообъемами а2-фазы, трещина изменяет направление и движется по межфазной а/р-границе (рис. 3.7). При этом образуются вторичные* трещины, а скорость движения магистральной трещины снижается. Случаев перерезания трещиной частиц первичной а-фазы практически не наблюдали.


Рис. 3.7. Характер распространения усталостной трещины по участкам микроструктуры сплава Ti-9Al-lMo-3Zr-4Sn после ТВО

Средняя скорость распространения трещины в образцах после ТВО составила 0,1 мкм/циюг, а после ТВО с последующей изотермической выдержкой - около 0,2мкм/цикл. В состоянии после ТВО величина составила 41 ООО, после дополнительной выдержки при 650 °С в течение jQQq 49000 циклов. Увеличение связано с наличием в сплаве мелкодисперсной вторичной а-фазы, что приводит к росту работы зарождения устштостной трещины. Таким образом, ТВО более чем в 10 раз улучшает показатели трещиностойкости.

Исследования структуры тонких фольг подтвердили, что в исходном и состаренном состоянии частицы а2-фазы присутствуют как в теле а-пластин, так и по а/р-границе. В процессе ТВО и последующей изотермической обработки упорядочение происходит только в первичной а-фазе, обеспечивая ее упрочнение, в то время как во вторичной а-фазе уровень упругих напряжений минимален. Это состояние обеспечивает удовлетворительную трещиностойкость, параметры которой не ухудшаются при длительных вьщержках в интервале температур эксплуатации.

КМ на основе несмешивающихся металлических компонентов. Системы на основе меди. Постоянно развивающаяся техника настоятельно требует создания новых материалов. Известно, что только потери на трение и износ ежегодно составляют многие миллиарды долларов. Теоретический анализ, выполненный специалистами НАСА в начале 60-х годов, показал, что существует особый тип систем компонентов, наиболее перспективных с этой точки зрения. Этот тип систем был назван системами, проявляющими склонность к расслоению в жидком состоянии* или системами несмешивающихся компонентов*. Однако до недавнего времени в силу ряда специфических особенностей большое число этих систем бьшо фактически вне практического рассмотрения, хотя только двойных систем несмешивающихся компонентов насчитывается более 500. Основные особенности данных систем, мешающие им быть удобными для металлургов, сводятся к следующему:

- большая разница удельных масс и точек плавления;

~ сильная тенденция сплавов несмешивающихся компонентов к расслоению в жидком состоянии в широком интервале температур и концентраций.

В силу названных причин, в отдельных системах несмешивающихся компонентов до недавнего времени вообще не удавалось получать сплавов. Детальный анализ возможных применений сплавов на их основе, выполненный авторами работы, показал, что изучаемые сплавы могут быть использованы для создания специальных материалов разнообразного на-



1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 [ 34 ] 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123

© 2003 - 2017 Prom Izhora
При копировании текстов приветствуется обратная ссылка