Формирование фазового состава, структуры и свойств в сплаве на основе интерметаллида титана Ti2AlNb при обратимом легировании водородом

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 22-79-10260

НазваниеФормирование фазового состава, структуры и свойств в сплаве на основе интерметаллида титана Ti2AlNb при обратимом легировании водородом

Руководитель Орлов Алексей Алексеевич, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" , г Москва

Конкурс №71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

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

Ключевые слова жаропрочный титановый сплав, интерметаллид титана, орто-фаза, термоводородная обработка, фазовый состав, структура, прочности, пластичность, водород, деформация

Код ГРНТИ53.49.05, 53.49.09, 53.49.15

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Целью проекта является изучение закономерностей формирования фазового состава, структуры и механических свойств жаропрочного титанового сплава ВТИ-4 на основе орторомбического интерметаллида титана Ti2AlNb при обратимом легировании водородом для обеспечения повышенных характеристик пластичности и получения требуемого уровня свойств. Явление водородного пластифицирования орторомбического сплава будет исследоваться на деформированных полуфабрикатах, полученных по традиционной технологии, а также при уплотнении быстрозакаленных волокон из сплава ВТИ-4 при горячем прессовании. В настоящее время сплавы на основе алюминидов титана являются одними из наиболее перспективных материалов. Работы по их разработке и внедрению ведутся во всем мире. Низкая плотность и высокая жаропрочность – это основные их преимущества. Однако у этих сплавов есть один важный недостаток – низкая пластичность (технологичность) при комнатной и даже повышенных температурах, что существенно сдерживает их внедрение в производство. С целью повышения пластичности интерметаллидов во ФГУП «ВИАМ» была разработана группа сплавов на основе орто-фазы Ti2AlNb, ярким представителем которой является сплав ВТИ-4. Эти сплавы легированы ниобием до концентрации около 40 масс. %, что привело к увеличению плотности до 5,2 гр/см3, но позволило повысить пластичность за счёт увеличения в структуре количества бета-фазы. Однако процесс пластической деформации всё равно приходится проводить при температурах выше 1000ºС, что ведет к существенному удорожанию производства и износу оборудования и оснастки. Таким образом, разработка новых технологий, обеспечивающих повышение пластичности сплавов на основе интерметаллида титана, несомненно является актуальной задачей. Одним из перспективных способов увеличения в структуре количества β-фазы на промежуточных этапах обработки без изменения агрегатного состояния сплава является обратимое легирование водородом. Как показали проведенные ранее исследования на промышленных титановых сплавах, дополнительное легирование водородом приводит к увеличению в структуре доли более пластичной бета-фазы. Это позволяет либо снизить температуру деформационной обработки на 100-200ºС, либо уменьшить на 30-40% усилия деформирования. Однако влияние обратимого легирования водородом на процесс структурообразования в сплавах на основе орто-фазы, и в частности ВТИ-4, мало изучено. Для решения проблемы по снижению усилий деформации сплава ВТИ-4 с помощью обратимого легирования водородом необходимо проведение фундаментальных исследований по изучению влияния его содержания и температуры нагрева на фазовый состав и структуру сплава, построение диаграмм, описывающих изменение фазового состава сплава в зависимости от содержания водорода, температуры нагрева и времени выдержки, а также изменения структурно-фазового состояния сплава при дегазации. Научная новизна исследований состоит в установлении закономерностей формирования фазового состава и структуры в жаропрочном сплаве ВТИ-4 на основе интерметаллида титана Ti2AlNb при легировании водородом, термическом воздействии на наводороженный материал и при последующей дегазации, изучение механизма пластической деформации быстрозакаленных волокон из сплава ВТИ-4, легированного водородом, при горячем прессовании. Полученные в ходе выполнения проекта результаты лягут в основу создания нового вида обработки жаропрочных сплавов на основе алюминида титана Ti2AlNb, что позволит существенно расширить знания по управлению структурно-фазовым состоянием материала, и обеспечить получение требуемого комплекса свойств как на технологическом, так и окончательном этапах обработки полуфабрикатов или изделий.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Пожога О.З., Шалин А.В., Скворцова С.В., Румянцев К., Нейман А.П. Влияние дополнительного легирования водородом на фазовый состав, структуру и деформируемость интерметаллидных титановых сплавов с орто-фазой Деформация и разрушение материалов (год публикации - 2023)

2. Пожога О.З, Шалин А.В., Скворцова С.В., Овчинников А.В., Кусакина Ю.Н. Исследование процессов наводороживания и формирования структуры и фазового состава интерметаллидного титанового сплава ВТИ-4 после легирования водородом Электрометаллургия (год публикации - 2023)

3. Сенкевич К.С., Пожога О.З., Сарычев С.М. Influence of vacuum annealing on the structure and phase composition of rapidly solidified hydrogenated orthorhombic titanium alloy Vacuum, Volume 217, 112580 (год публикации - 2023)
10.1016/j.vacuum.2023.112580

4. Пожога О.З., Шалин А.В., Румянцев К., Тевс М.Д. Структура и фазовый состав сплава ВТИ-4 с разным содержанием водорода после закалки в температурном интервале 600-800°С Вестник Московского авиационного института, Том: 31, Номер: 3, Страницы: 201-211 (год публикации - 2024)

5. Пожога О.З., Шалин А.В., Скворцова С.В., Румянцев К. Формирование структуры и фазового состава в закаленном интерметаллидном титановом сплаве ВТИ-4 с разным содержанием водорода при изотермической обработке: Часть I. Обработка при 950 и 1000°С Электрометаллургия, номер 11, страницы 11-22 (год публикации - 2024)
10.31044/1684-5781-2024-0-11-11-22

6. Пожога О. З., Орлов А.А., Скворцова С.В., Мамонов А.М., Смирнов П.А. Исследование деформируемости интерметаллидного титанового сплава ВТИ-4, легированного водородом Электрометаллургия, номер 5, страницы 12-20 (год публикации - 2025)
10.31044/1684-5781-2025-0-5-12-20

7. Сенкевич К. С., Пожога О. З., Скворцова С.В. Перспективные направления водородной обработки орторомбических алюминидов титана Деформация и разрушение материалов (год публикации - 2025)

8. Орлов А.А., Пожога О.З., Шалин А.В., Скворцова С.В., Нейман А.П. Водородная обработка – инновационный способ обработки сплавов на основе титана Электрометаллургия (год публикации - 2025)

9. Пожога О.З., Шалин А.В., Скворцова С.В., Румянцев К., Зайнуллина Л.И. Формирование структуры и фазового состава в закаленном интерметаллидном титановом сплаве ВТИ‑4 с разным содержанием водорода при изотермической обработке. Часть II. Обработка при 750 и 850°C Электрометаллургия, номер 1, страницы 23-34 (год публикации - 2025)
10.31044/1684-5781-2025-0-1-23-34

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В третьем году выполнения проекта был проведен ряд исследований и получены следующие основные научные результаты: Установлены закономерности влияния температуры нагрева в вакууме на формирование фазового состава и структуры сплава ВТИ-4 и влияния полученного структурно-фазового состояния сплава на комплекс механических свойств. Также исследованы физико-механические свойства компактного материала, полученного прессованием волокон из сплава ВТИ-4, после вакуумной обработки при различных температурах. Образцы, вырезанные из деформированного полуфабриката сплава ВТИ-4, наводороживали при 800 ºС в течение 1 часа до 0,1 и 0,2% водорода. Затем наводороженные образцы подвергали вакуумному отжигу (дегазации) по изотермическим режимам и ступенчато в интервале температур двухфазной β+О области в наводороженном сплаве (625–850 ºС) для удаления водорода до безопасных концентраций и получения термически стабильной структуры. Установлено, что при самой низкой температуре изотермической дегазации 700 ºС формируется мелкодисперная пластинчатая структура с размером структурных составляющих, не превышающих 5 мкм. При увеличении температуры вакуумного отжига до 750-850 ºС структурные составляющие сплава укрупняются и размер отдельных пластин О-фазы достигает 10 мкм, что обусловлено более активным протеканием диффузионных процессов при повышении температуры, в связи с чем наблюдается рост частиц О-фазы. Показано, что вакуумный отжиг по ступенчатому режиму приводит к получению также дисперсной структуры сплава, но за счет обработки сначала при низкой температуре 625 ºС, когда происходит преимущественно образование частиц О-фазы, а затем при более высокой температуре 750-850 ºС, когда наблюдается преимущественно рост сформированных частиц, структурные составляющие сплава приобретают округлую морфологию. Далее на небольших образцах сплава ВТИ-4 проводили исследования твердости по методу Роквелла после разных режимов вакуумного отжига, а исследования кратковременных механических свойств на растяжение при нормальной температуре (пределы прочности и текучести, а также показатели пластичности) проводили с использованием стандартных цилиндрических образцов с различными типами структур, сформированными при дегазации. В результате проведенных испытаний установлено, что максимальная твердость (38,0 HRC) получена после одноступенчатого режима при самой низкой температуре вакуумного отжига 700 ºС, а при увеличении температуры дегазации до 850 ºС твердость понижается до 36,0 HRC. Максимальная прочность (σв=1190 МПа, σ0,2=1120 МПа) при минимальных показателях пластичности (δ=3%, ψ=4%) получена после одноступенчатого режима при температуре вакуумного отжига 700 ºС в связи с мелкодисперсной структурой сплава. Максимальная пластичность (δ=7%, ψ=9%) при прочности более 1100 МПа и среднем уровне твердости (37,0 HRC) была получена после трехступенчатого вакуумного отжига (625 ºС, 4 часа + 800 ºС, 4 часа + 850 ºС, 2 часа), что обусловлено дисперсной структурой сплава с более округлыми частицами О-фазы, сформированными на разных ступенях вакуумного отжига. Отмечено, что полученный комплекс механических свойств сопоставим с уровнем механических свойств после обычной термической обработки по изотермическому и двухступенчатому режимам с температурами нагрева двухфазной β+О области для исходного сплава. Изучены закономерности формирования структурно-фазового состояния гидрированного орторомбического интерметаллидного сплава ВТИ-4 в условиях дегидрирования (дегазации) при различных температурах, соответствующих условиям горячего прессования быстрозакаленных волокон. Сплав был гидрирован до 0,2-0,65 масс. % водорода, а дегидрирование осуществляли при температурах 700–900 ºС. Установлено, что вакуумный отжиг быстрозатвердевшего сплава в течение 1 часа приводит к частичному распаду метастабильной β-фазы и выделению игольчатых частиц O-фазы. Кратковременное гидрирование быстрозатвердевшего сплава при 800 ºС также приводит к распаду β-фазы. Количество поглощенного водорода влияет на объемную долю O-фазы: чем больше водорода в сплаве, тем больше объемная доля частиц O-фазы. Вакуумный отжиг и дегидрирование способствуют дальнейшему распаду β-фазы в предварительно гидрированном сплаве. Из β-фазы выделяются частицы O-фазы, их размер и объемная доля увеличиваются с ростом температуры. Вакуумный отжиг при температурах 700–900 ºС не приводит к росту β-зерен в гидрированном/дегидрированном сплаве и позволяет сохранить исходную мелкозернистую структуру с размером зерен не более 25 мкм. Высокая объемная доля β-фазы, сохраняющаяся в сплаве способствует улучшению уплотнения волокон или порошков из орторомбического сплава при горячем прессовании или изотермической осадке горячепрессованных гидрированных образцов. Разработаны основы технологического процесса обработки жаропрочного сплава ВТИ-4 на основе интерметаллида Ti2AlNb, обеспечивающего повышение технологической пластичности и требуемый уровень механических и эксплуатационных свойств в полуфабрикатах и изделиях. Для получения оптимального структурно-фазового состояния, позволяющего улучшить технологичность при повышенных температурах и обеспечить высокие значения механических свойств в сплавах на основе орто-фазы, термоводородную обработку следует проводить по следующим режимам: 1) наводороживание сплава при температурах 700-800 ºС в течение 1 часа до концентраций водорода 0,1-0,2 мас. %. 2) проведение технологических операций формоизменения по схеме одноосного сжатия наводороженного сплава при температурах не ниже 900 ºС и степени деформации не меньше 50%. 3) проведение вакуумного отжига (дегазации) для удаления водорода до безопасных концентраций и получения термостабильной структуры по ступенчатому режиму (625 ºС, 4 часа + 800 ºС, 4 часа + 850 ºС, 2 часа) для достижения высокой пластичности (δ≈7%) при умеренной прочности не менее 1100 МПа и изотермическому режиму при температурах 700-800 ºС для достижения высокой прочности ≈1140-1190 МПа при удовлетворительной пластичности ≈3%. Установлена перспективность использования быстрозакаленного волокна из сплава ВТИ-4 для получения компактных заготово, в которых наследуется исходная микроструктура и формируется требуемый фазовый состав за счёт управления температурными режимами горячего прессования и термической обработки. Дополнительное водородное легирование способствует оптимизации условий компактирования волокон, и последующей пластической деформации полученных компактных заготовок при изотермической осадке. Разработанные научные принципы технологии горячего прессования быстрозакаленных волокон могут быть использованы при отработке технологий получения высокотемпературных элементов конструкций ГТД.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Результаты проекта могут быть использованы как технологический задел для совершенствования и промышленного внедрения технологии производства материалов на основе сплавов на основе интерметаллидов титана обеспечивающей повышенный уровень технологических свойств.