Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время развитие высоких технологий становится невозможным без применения таких материалов как интерметаллиды. Обладая уникальными высокотемпературными свойствами и низким удельным весом многие из них представляют большой практический интерес в качестве конструкционного материала Однако низкая пластичность при комнатной температуре (5<3%) не позволяет использовать большинство интерметаллидоз в указанном качестве і: является главным препятствием для их широкого применения. Для повышения пластичности интерметаллидов и разработки конструкционного материала на их основе ведутся широкие исследования в США, Японии, Европе и в России по программам направленным на решение данной проблемы.
Одним из путей повышения пластичности интерметаллида Ni,,Al является введение в него микродобавок бора, приводящее к подавлению зернограничной хрупкости. Между тем многочисленные попытки использования этого пути для повышения пластичности других перспективных интерметаллидов, например, на основе алюминида титана ТІА1 оказались малоэффективными. Представляет интерес другой подход, основанный на том, что механическим поведением металлических материалов можно управлять изменяя их структурное состояние, в частности, регулируя размер зерен и структуру, границ зерен и влияя тем самым на механизм деформации. Получение мелкозернистой структуры позволяет резко снизить температурный порог хладноломкости, а в области высоких температур реализовать эффект сверхпластнчности. Однако существующая в настоящее время информация о влиянии микроструктуры на пластичность интерметаллидов носит разрозненный характер и не позволяет дать надежные рекомендации для ее повышения в этих материалах.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с планом НИР
института проблем сверхпластнчности металлов РАН по теме*
"Разработка научных основ прецезнонкых технологий формообразования
изделий из титановых, магниевых, алюминиевых, медных сплавов,
сталей, интерметаллидов и керамик с высокой степенью однородности
структуры и регламентированным комплексом эксплуатационных
свойств", входящей в комплексную программу "Повышение надежности системы "Машина-человек-среда"", N государственной регистрации 0008079.
.Целью работы являлось разработка принципов повышения' пластич--ости алюминидов титана ТІА1 и ТЦАІ на основе систематического :сследования влияния структурных факторов - размера зерен и струк-уры границ зерен - на механизм деформации и механическое поведение тих интерметаллидов в широком интервале температур деформации. Для рстижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Исследование закономерностей механического поведения и
волюции структуры алюминидов титана при горячей деформации и
азработка метода измельчения структуры этих материалов до размеров
ерен вплоть субмикрокных (d
труктурой границ зерен.
2. Изучение связи механических свойств и механизмов деформации
лю'минидов титана при комнатной температуре в зависимости от разме-
а зерен, структуры границ зерен, скоростных условий испытания, и
егирующих добавок.
3. Исследование влияния размера зерен, структуры границ зерен
легирующих добавок на механизм деформации и механическое поведе
не алюминидов титана в условиях хрупко-вязкого перехода. Выявление
эханизмов ответственных за переход хрупкость - вязкость в этих
атериалах.
4. Изучение закономерностей эффекта сверхпластичности в алюми-
ядах титана: механического поведения и механизма деформации; влия-
де на этот эффект размера зерен, структуры границ зерен и доли
горой интерметаллидной фазы.
В качестве основных объектов исследования" использовались іюминидьі титана ТІА1 и Ті,А1 стехиометрического состава, которые гносятся к типичным хрупким интерметаллидам, с высокой энергией юрядочения и являются наиболее перспективными материалами для ісокотемпературного применения. При этом ТІА1 и сплавы на его :нове отличаются склонностью к двойникованию при отжиге ,- и :ханическому - при деформации. Это предоставляет уникальную ізможность получения и исследования широкого спектра структурных (стояний, отличающихся не только размером зерен, но и структурой : границ. Ті„А1 - наоборот, не склонен к двойникованию, что на его іимере позволяет в чистом виде оценить влияние только размера рен на поведение интерметаллидов. Кроме стехнометрических' алюмп-дов титана использовались также нёстехиометрические сплавы на нове интерметаллида ТІА1, которые также содержали небольшую долю
(не более 10%) второй фазы - Ті„А1.
Научная новизна. Впервые систематически исследовано влияние структурных 'факторов (размера.зерен и структуры границ зерен) у скорости нагружения на механизм деформации и механическое поведение алюминидов титана ТІА1 и Ті„А1 - хрупких интерметаллидов с высокой энергией упорядочения - при комнатной температуре, в условиях хрупко-вязкого перехода, и сверхпластичности; выявлена связь - мєжді микроструктурой, механизмом деформации и механическими свойствами алюминидов титана в зависимости от температуры и скорости нагружения.
На примере стехиометрических Ті-Al, ТІА1- и сплавов . на егС основе, а также сплава Fe-40aT.%Al на основе соединения FeAl проведено исследование структурных изменений при горячей деформации интерметаллидов с высокой энергией упорядочения; виявлень температурно-скоростные условия развития динамической рекристаллизации и обнаружено, что, несмотря на различия в структуре и деформационном поведении, феноменология, эволюция и кинетика рекристаллизации в этих материалах аналогична наблюдаемой в обычных металлах и сплавах. Установлена связь эволюции и кинетики динамическої рекристаллизации с механизмом деформации: направлением скольжения, двоййикованием и зернограничным проскальзыванием. Продемонстрирована универсальность использования динамической рекристаллизации е качестве Метода управления и, в частности, измельчения микроструктуры интерметаллидов. На примере стехиометрических ТІА1 и Ті„А1, двухфазного сплава на их основе впервые показано, что динамическая рекристаллизация может быть эффективно использована для формирования в интерметаллидах однородной субмикрокристаллической структури (d Установлено, что одной из основных причин ограниченной пластичности алюминидов титана - интерметаллидов с высокой знергиеі упорядочения является локализация деформации в результате развития грубого скольжения. На примере ТІА1 интерметаллида' склонного і двойникованию выявлены необычные, немонотонные зависимости пластичности: а) от размера зерен, обусловленная при его уменьшении переходом от грубого скольжения к тонкому и подавлением двойникования; б) от скорости деформации, определяемая конкуренцией скольжения і двойникования.'Оптимум скоростной зависимости пластичности резке возрастает с уменьшением . размера зерен вследствие перехода от грубого скольжения к тонкому. На основе исследований абсорбционных и барьерных свойств границ зерен, а также действующих механизмов деформации - дислокационного скольжения и его характера, двойникования, зернограннчного проскальзывания - дано объяснение механического поведения алюмини-дов титана и вообще интерметаллидов в области хрупко-вязкого перехода и выявлены конкретные механизмы деформации ответственные за этот переход. Предложено рассматривать явление . хрупко-вязкого перехода состоящим из двух стадий: 1) первоначальный рост пластичности (с сохранением хрупкого разрушения), контролируемый термоактивированными процессами в границах зерен; 2) собственно хрупко-вязкий переход, контролируемый термоактивируемыми процессами в объеме зерен. Установлено, что феноменология сверхпластического течения исследованных интерметаллидов соответствует обычным закономерностям наблюдаемым при структурной сверхпластичности металлов. Вместе с тем обнаружена и специфика интерметаллидов, заключающаяся в развитии в этих материалах в условиях сверхпластичности динамической рекристаллизации. Выявлено влияние размера зерен и структуры их границ на сверхпластичность. Показано, что уменьшение размера зерен и доли специальных границ позволяет существенно расширить темпера-турно-скоростной интервал проявления' эффекта сверхпластичности в интерметаллидах. Причем в зависимости от их склонности к двойнико-ванию при нагреве они демонстрируют резко отличные сверхпластические свойства: интерметаллиды склонные к двойникованию характеризуются низкими показателями сверхпластичности. На основе проведенных исследований разработаны принципы повышения пластичности алюминидов титана за счет создания регламентированной микроструктуры, используя режимы динамической рекристаллизации и сверхпластичности, основывающиеся: 1) при комнатной v температуре: а) для алюминидов склонных к механическому двойникованию - на достижении оптимального соотношения между скольжением и двойникованием; б) для алюминидов не склонных к двойникованию - на обеспечении однородного и тонкого скольжения; 2) при повышенных температурах: на обеспечении быстрой релаксации напряжений при взаимодействии дислокаций страницами зерен. Практическая ценность. Разработанные принципы повышения пластичности алюминидов титана путем управления их микроструктурой могут быть использованы для всей гаммы сплавов на их основе ш применительно к другим интерметаллидам. Полученные систематические данные о влиянии структурных факторов - размера зерен и структуры границ зерен, скорости нагружения на механизм деформации и механическое поведение алюминидов титана углубляют представления о роли границ зерен в таких фундаментальных физических явлениях, как хрупко-вязкий переход и сверхпластичность, а также в механическом поведении поликристаллических материалов в целом. Они являются необходимыми для решения научной проблемы повышения пластичности и разработки сплавов на основе таких перспективных интерметаллидов как ТІА1 и Ti3Al. На примере алюминидов титана разработаны основы технологии обработки хрупких интерметаллидов, включающие в себя горячую деформацию, при которой в результате динамической рекристаллизации происходит измельчение микроструктуры, и сверхпластическую обработку существенно повышающую однородность микроструктуры и позволяющую изготавливать изделия сложной формы. Результаты исследований использованы при разработке технологий штамповки из ТІА1 в условиях сверхпластичности крупногабаритных шайб, модельных лопаток одной из ступеней компрессора газотурбинного двигателя. Впервые осуществлены изотермическая прокатка ТІА1 и сварка этого интерметаллида в условиях .сверхпластичности. Достижение высокого уровня пластичности ТІА1 при комнатной температуре (6=4-6,9%) в диапазоне скоростей деформации —2 0 —1 На защиту выносятся: Принципы повышения пластичности алюминидов титана путем управления их микроструктурой. Результаты исследования закономерностей структурных изменений при горячей деформации алюминидов титана, послужившие основой для разработки метода управления микроструктурой этих материалов. Результаты исследования влияния размера зерен, структуры границ зерен, скорости деформации и легирующих добавок на механизм деформации алюминидов титана в широком диапазоне температур, позволяющие объяснить их механическое поведение при комнатной температуре и выявить механизмы ответственные за переход. хрупкость вязкость в этих материалах. Результаты исследования влияния размера зерен, структуры границ зерен и доли второй фазы на механизм деформации в, условиях сверхпластического течения алюминидов титана, позволяющие выявить исключительно важную роль структуры границ зерен в сверхпластичности этих материалов и объяснить существенное различие в сверхпластических свойствах интерметаллидов склонных и несклонных к двойникованию. Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на: I Всесоюзной конференции "Структура и свойства границ зерен" (Уфа, 1983); XI и XII Всесоюзных конференциях "Физика прочности и пластичности металлов и сплавов" (Куйбышев, 1986, 1980); II Всесоюзной конференции "Структура и электронные свойства границ зерен в металлах и полупроводниках" .(Воронеж, 1937); V Всесоюзной конференции "Текстура я рекристаллизация в металлах и. сплавах" (Уфа, 1987); IV Всесоюзной конференции по сверхпластичности металлов (Уфа, 1989); международной конференции ICSAM' 91 (Осака, 1991); международной конференции "RecrystallizatiorT 92" (Сан-Себастьян, 1992), международной конференции "IUMRS-ICAM-93" (Токио, 1993); международной конференции ICSAM' 94 (Москва, 1994); международном симпозиуме по гамма-титановым алюминидам (ISGTA' '95) (Лас-Вегас, 1995). Публикации. Материалы диссертационной работы опубликованы в более, чем 60 работах, в том числе в монографии и защищены 5 авторскими свидетельствами. Список работ, в которых отражено основное содержание диссертации, приведен в конце- автореферата. Структура работы. Работа состоит из введения, 4 глав, заключения и общих выводов, списка литературы и приложения. Она изложена- . на 227 страницах, содержит 83 рисунка, 19 таблиц и список литературы из 232 наименований.
с~10 -10 с позволяет использовать его как конструкционный, мате
риал . При' этом номенклатура изделий выбирается исходя из условий их
работы. . ,
Похожие диссертации на Разработка принципов повышения пластичности алюминидов титана путем управления их микроструктурой
