Исследование особенностей формирования структуры и свойств жаропрочных интерметаллидных сплавов титана, полученных с использованием аддитивных технологий

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-49-02066

НазваниеИсследование особенностей формирования структуры и свойств жаропрочных интерметаллидных сплавов титана, полученных с использованием аддитивных технологий

Руководитель Попов Артемий Александрович, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" , Свердловская обл

Конкурс №63 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований международными научными коллективами» (DST)

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-203 - Фазовые равновесия и превращения

Ключевые слова алюминиды титана, гамма-фаза, О-фаза, аддитивные технологии, структурная наследственность, текстура, жаропрочность, свойства, фазовый состав

Код ГРНТИ53.49.15

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В настоящее время остро стоит проблема снижения веса изделий и конструкций для авиационно-космической техники, решение которой обеспечит повышение экономичности, увеличение их вместимости при аналогичной массе и в конечном итоге конкурентноспособности летательных аппаратов,. Одним из путей снижения веса может стать более широкое использование в деталях двигателя и других компонентов летательных аппаратов жаропрочных сплавов на основе алюминидов титана (α2, О, γ), характеризующихся высокой удельной прочностью, превосходящей удельную прочность более тяжелых сплавов на основе алюминидов никеля. Но недостатком интерметаллидных сплавов на основе алюминидов титана является их низкая пластичность и технологичность при изготовлении и эксплуатации сложной конфигурации деталей, в частности, газотурбинных двигателей. Использование аддитивных технологий взамен традиционных (литье, ОМД) может помочь устранить отмеченный недостаток. В тоже время освоение данной технологии применительно к жаропрочным алюминидам титана требует проведения доскональных исследований, связанных с установлением закономерностей формирования структурно-фазового состояния, текстуры и комплекса физико-механических, эксплуатационных свойств в полуфабрикатах и изделиях, полученных аддитивными технологиями. В проекте планируется провести такого рода исследования применительно к сплавам на основе алюминидов титана двух классов – О- и α2+γ. При этом российская сторона основной объем исследований планирует провести на О-сплавах на основе орторомбического алюминида титана Ti2AlNb, а в α2+γ-сплавах планируется уделить основное внимание вопросам формирования кристаллографической и морфологической текстур, а именно, ориентации пластинчатой α2+γ-структуры относительно внешних координат изделия и управление этим процессом за счет создания условий для контроля текстуры при направленной кристаллизации в ходе синтеза. Российская сторона предлагает при получении 3D-технологиями жаропрочных полуфабрикатов из О-сплавов использовать композиции химических составов с содержанием алюминия на уровне 23-25 ат.%, то есть выше традиционных, преимущественно используемых в деформируемых полуфабрикатах вследствие больших проблем с технологической пластичностью сплавов с более высоким содержанием алюминия. Увеличение содержания алюминия в исследуемых О-сплавах будет способствовать повышению их термической стабильности и рабочих температур из-за снижения объемной доли в структуре матричной β-фазы, имеющей пониженную жаропрочность. Дополнительно планируется провести работы по формированию регламентированного термически стабильного состояния в результате подбора необходимых параметров 3D-технологий и последующего термического воздействия. Контролируемая ориентация пластинчатой α2+γ-структуры позволит повысить эксплуатационный ресурс изделий.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Демаков С.Л., Водолазский Ф.В., Илларионов А.Г., Шабанов М.А. EFFECT COOLING CONDITIONS ON THE STRUCTURE AND PROPERTIES OF ALLOY VTI-4 Springer, номер 7 – 8, выпуск 64, стр. 451-457 (год публикации - 2022)
10.1007/s11041-022-00830-w

2. Илларионов А.Г, Демаков С.Л., Водолазский Ф.В., Степанов С.И., Илларионова С.М., Шабанов М.А., Попов А.А. СПЛАВЫ НА ОСНОВЕ ОРТОРОМБИЧЕСКОГО ИНТЕРМЕТАЛЛИДА ТИТАНА TI2ALNB: ФАЗОВЫЙ СОСТАВ, ЛЕГИРОВАНИЕ, СТРУКТУРА, СВОЙСТВА Металлург (год публикации - 2023)

3. Илларионов А.Г, Степанов С.И., Насчетникова И.А.,Попов А.А., Сундапан П.,Тулурази Раман К.Х., Сувас С. A Review—Additive Manufacturing of Intermetallic Alloys Based on Orthorhombic Titanium Aluminide Ti2AlNb Materials, 16, 3, 991 (год публикации - 2023)
10.3390/ma16030991

4. Демаков С. Л., Водолазский Ф. В., Илларионов А. Г., Шабанов М. А., Карабаналов М. С. Влияние температурно-скоростных параметров обработки на структурно-фазовое состояние и свойства сплава на основе алюминида титана Ti2AlNb Физика металлов и металловедение (год публикации - 2024)

5. Илларионов А.Г., Попов А.А., Шабанов М.А., Степанов С.И. Аддитивные технологии получения сплавов на основе алюминидов титана Цветные металлы (год публикации - 2024)

6. Илларионов А.Г. , Карабаналов М.С., Шабанов М.А., Степанов С.И. , Саундаппан П. , Тхулаши Раман К.Х. , Сувас С. Структура и свойства порошка для аддитивного синтеза сплавов на основе алюминида титана TiAl Металловедение и термическая обработка металлов (год публикации - 2024)

7. ДЕМАКОВ С.Л., ИЛЛАРИОНОВ А.Г., СТЕПАНОВ С.И., КАРАБАНАЛОВ М.С., ШАБАНОВ М.А., ПОПОВ А.А. Влияние термического воздействия на структуру, фазовый состав, свойства сплава на основе орторомбического алюминида титана, полученного селективным лазерным сплавлением Металлург, Номер: 8, Страницы: 47-54 (год публикации - 2024)

8. А.Г. Илларионов, С.Л. Демаков, С.И. Степанов, М.С. Карабаналов, К.И. Луговая, М.А. Шабанов, А.А. Попов Effect of process parameters of selective laser melting on the structure, texture, and mechanical properties of an alloy based on orthorhombic titanium aluminide Ti2AlNb МЕТАЛЛУРГ, Volume 68, pages 845–854 (год публикации - 2024)
10.1007/s11015-024-01792-5

9. Демаков С.Л., Илларионов А.Г., Степанов С.И., Грачев Д.В., Шабанов М.А., Попов А.А. Влияние режимов селективного лазерного сплавления на структуру и свойства сплава на основе алюминида титана Ti2AlNb Металловедение и термическая обработка, вып. 3 (год публикации - 2025)

10. Илларионов А.Г., С.Л. Демаков, М.С. Карабаналов, М.А. Шабанов, А.А. Попов, Е.О. Смирнова, С.И. Степанов Structure, properties and phase transformations in feedstock Ti2AlNb powder used for additive manufacturing Letters on materials, 14(1) 66-71 (год публикации - 2024)
https://doi.org/10.48612/letters/2024-1-66-71

11. С. Л. Демаков, А. Г. Илларионов, С. И. Степанов, Д. В. Грачев, М. А. Шабанов, А. А. Попов, К. Правеенкумар, С. Прасант, Сатьям Сувас The Influence of L-PBF Process Parameters with Platform Preheating on the Structure and Properties of Orthorhombic Titanium Aluminide Ti2AlNb Alloy Springer Nature Link (год публикации - 2025)
https://doi.org/10.1007/s11837-025-07840-y

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Проведены его всесторонние исследования О-сплава, полученного методом селективного лазерного сплавления (СЛС) с повышенными температурами подогрева подложки. Для режимов со стандартной объемной плотностью энергии характерно образование газовой пористости. Для нижнего интервала температур подогрева отмечались трещины и изменение химического состава О-сплава, во-первых, за счет угара (снижение относительного содержания) алюминия, во-вторых, повышение содержания примеси кислорода выше 0,2%. Однако определенные параметры 3D-печати обеспечили отсутствие трещин, газовых пор и интенсивного выгорания алюминия в процессе СЛС. Кроме того, при некоторых режимах СЛС фиксировалась О-фаза, которая обеспечивает повышенные характеристики жаропрочности, непосредственно после печати. Методом РСФА изучено структурно-фазовое состояния О-сплава после СЛС, которое показало наличие изменения фазового состава по высоте образцов, полученных по разным режимам. Показано, что использование скорректированного режима СЛС способствует при мех. испытаниях на растяжение росту прочностных свойств при температурах испытания: комнатной - с 105 до 220 МПа, 700°С – с 180 до 315 МПа, но разрушение происходит хрупко в упругой области без пластической деформации. Исходя из того, что после СЛС по скорректированным режимам О-сплава полученный в нем комплекс механических свойств остается на невысоком уровне и возможно изменение фазового состава по высоте синтезируемых образцов, были проведены работы по выбору режима финишной термической обработки О-сплава, направленной на формирование более равновесной однородной структуры и повышение механических свойств. Проведены механические испытания на растяжение при комнатной температуре, 600 и 700°С и по результатам испытаний рассчитаны прочностные и пластические характеристики состаренного О- сплава. Отмечено, что в О-сплаве после старения наблюдается повышение комплекса свойств с наилучшими характеристиками при температуре испытания 600°С по сравнению с состоянием после СЛС. Но сплав сохраняет ограниченную пластичность. Одной из возможных причин его ограниченной пластичности является повышение, по данным спектроскопических исследований, содержания кислорода при СЛС более высокой температурой подогрева подложки до 0,27%. Проведено фрактографическое исследование поверхности разрушения, состаренного О-сплава, которое показало развитие разрушения в ходе растяжения при комнатной и повышенных температурах 600, 700°С . Показано, что проведение СЛС по скорректированным режимам и последующее старение обеспечивает изменение характера разрушения с «хрупкого» на «вязко-хрупкое», получение в ходе испытаний на растяжение следующего комплекса свойств при различных температурах: комнатной - σв=780 МПа, δ=0%; 600°С – σ0,2=800 МПа, σв=880 МПа, δ =2%; 700°С - σ0,2=725МПа, σв=770 МПа, δ =1,5%. Исходя из близкого комплекса теплофизических свойств сплавов на основе О и α2+γ-фаз для СЛС α2+γ -сплавов на основе титана был использован скорректированный диапазон параметров высокотемпературного синтеза со сниженным энерговложением, учитывающий необходимость подогрева платформы построения, как и для рассмотренного выше сплава на основе О-фазы. В результате проведенного высокотемпературного синтеза методом СЛС по режимам с пониженными параметрами энерговложения у всех полученных образцов зафиксировано существенное растрескивание, отклонение от заданной формы и размеров в процессе 3D-печати. Исходя из отрицательного результата эксперимента по получению качественных монолитных образцов из (α2+γ)-сплавов методом СЛС было принято решение для синтеза использовать более широко используемый для 3D печати этих сплавов метод селективного электронно-лучевого сплавления (СЭЛС). После СЭЛС при визуальном осмотре и дальнейшем структурном исследовании трещин в образцах не обнаружено. Синтезированные образцы подвергали всесторонним исследованиям методами: 1) гидростатического взвешивания для определения плотности синтезированных образцов 2) рентгеноструктурного фазового анализа; 3) микроструктурного анализа на растровом электронном микроскопе с использованием локального микрорентгеноспектрального анализа; 4) ориентационной микроскопии за счет дифракции обратно-рассеянных электронов (ДОРЭ); 5) микроиндентирования для определения физико-механические свойства (твердости по Виккерсу и контактного модуля упругости); 6) механических испытаний на растяжение; МРСА показал, что в ходе СЭЛС происходит снижение содержания алюминия в синтезируемом сплаве с 48 ат% до уровня 42…43 ат.% в результате его испарения в вакууме и фиксируется в структуре химическая неоднородность по легирующим элементам. Проведен термодинамический расчет фазовых равновесий в программе ThermoCalc. Оценено влияние отмеченной в образцах после СЭЛС неоднородности по химическому и фазовому составу на физико-механические свойства с использованием микроиндентирования. Методом ДОРЭ/EBSD проведен анализ особенностей формирования текстуры (α2+γ)-сплава в процессе СЭЛС с учетом неоднородности распределения легирующих элементов. Проведены испытания на растяжение при комнатной температуре, в области температур эксплуатации сплава 700, 800°С и определены значения прочностных и пластических характеристик α2+γ-сплава, которые сопоставимы с уровнем свойств, приведенных в литературе [doi:10.1007/s10853-022-06896-4, https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.154684]. Установлено, что повышение температуры испытания от комнатной до 700°С при растяжении сплава Ti-4822 способствует росту механических свойств характеристик c σв =535 МПа до σв=674 МПа, σ0,2=520 МПа, δ=3,7%; увеличение температуры испытания до 800°С сопровождается снижением прочности и ростом пластичности - σв=385 МПа, σ0,2=330 МПа, δ =9,9%.

Публикации

Возможность практического использования результатов
В настоящее время в мировой практике авиационного двигателестроения наблюдается тенденция перехода на сплавы на основе алюминидов титана взамен традиционных титановых сплавов и ряда сплавов на основе никеля, обеспечивающие снижение веса, повышение мощности, снижение энергопотребления без потери ресурса работы. Разрабатываемые в проекте новые технологические режимы 3D печати алюминидов титана на основе орторомбического алюминида титана и α2+γ-сплавов позволят создавать детали сложной формы, обходя проблемы низкой технологичности их получения традиционными методами (получения слитка, обработки давлением и мехобработки). Это открывает возможности по использованию алюминидов титана при проектировании и производстве двигателей нового поколения в Российской Федерации.