INTERMETALICKÉ FÁZE NA BÁZI Ti-Al-Si PŘIPRAVENÉ METODOU PRÁŠKOVÉ METALURGIE. INTERMETALLIC PHASES BASED ON Ti-Al-Si PREPARED BY POWDER METALLURGY

Transkript

1 INTERMETALICKÉ FÁZE NA BÁZI Ti-Al-Si PŘIPRAVENÉ METODOU PRÁŠKOVÉ METALURGIE INTERMETALLIC PHASES BASED ON Ti-Al-Si PREPARED BY POWDER METALLURGY Magda Morťaniková Pavel Novák Dalibor Vojtěch Ústav kovových materiálů a korozního inženýrství, Vysoká škola chemicko-technologická v Praze, Technická 5, Praha 6, ČR mortanim@vscht.cz Abstrakt Cílem této práce bylo ověřit technologii práškové metalurgie pro přípravu intermetalik na bázi Ti-Al-Si a popsat mikrostrukturu a mikrotvrdost studovaných slitin. Byly porovnány dvě eutektické ternární slitiny TiAl38Si2 a TiAl8Si7 s binárními slitinami TiAl40 a TiSi8. Kompaktizace směsí prášků čistého Ti, Al a Si byla provedena lisováním za studena a sintrací ve vakuu při teplotě 1050 C po dobu 50 h. Byla studována mikrostruktura pomocí světelné mikroskopie, fázové složení RTG difrakční analýzou, chemické složení pomocí rastrovacího elektronového mikroskopu a mikrotvrdost metodou podle Vickerse. Bylo zjištěno, že s rostoucím obsahem křemíku roste i tvrdost daného materiálu. V ternárních systémech je fáze γ(tial) a fáze Ti 5 Si 3. Během sintrace nedošlo k dostatečné homogenizaci materiálů a eliminaci pórů. Proto se konečné struktury dosáhne usměrněným tuhnutím. Předpokládá se, že po tomto procesu bude fáze Ti 5 Si 3 tvořit usměrněnou výztuž a bude tak připraven vláknový kompozitní materiál. The aim of this work was to verify the powder metallurgy technique for the production of intermetallics based on Ti-Al-Si, to describe the microstructure and microhardness of studied alloys. Two eutectic ternary alloys TiAl38Si2 and TiAl8Si7 were compared with two binary alloys TiAl40 and TiSi8. Consolidation of the Ti, Al and Si powder mixtures was carried out by the vacuum sintering at a temperature of 1050 C for 50 h. Microstructure was studied by light microscopy, phase composition was studied by X-ray diffraction analysis and SEM and microhardness by Vickers method (HV0,1). Our measurements showed that the microhardness of the materials rised with increasing Si content. Ternary systems were composed of two phases: γ(tial) and Ti 5 Si 3. After sintering, materials were not sufficiently homogeneous. This is the reason for subsequent unidirectional solidification. We suppose that after this process the Ti 5 Si 3 will form fibres and the fibre reinforced composite will be prepared. 1. ÚVOD V současné době se zvyšují požadavky na vlastnosti lehkých konstrukčních materiálů a to pro použití při vyšších provozních teplotách. Vlastnosti běžně používaných komerčních slitin jako jsou např. slitiny hliníku, vysocepevné oceli nebo niklové slitiny, v řadě případů nevyhovují. Proto se stávají objektem zájmu nové slitiny, např. slitiny Ti [1]. Přídavkem legujících prvků s nízkou hustotou jako jsou hliník a křemík lze značně snížit hustotu titanu. Navíc se tvoří intermetalické fáze (obr. 1), které zlepšují teplotní vlastnosti a odolnost proti oxidaci [2]. 1

2 Teplotní a fyzikální vlastnosti slitin titanu, které tvoří fáze γ(tial) nebo α 2 (Ti 3 Al), vyhovují zvýšeným požadavkům na konstrukční materiály. Mezi nejdůležitější vlastnosti slitin na bázi Ti-Al patří vysoký bod tání ( C), nízká hmotnost (3,9-4,2 g.cm -3 ) [1, 3], vysoká elasticita, strukturní stabilita, dobrá odolnost proti vysokoteplotní oxidaci a korozní odolnost. Vzhledem k těmto vlastnostem jsou tyto slitiny perspektivními materiály pro použití v automobilovém, leteckém a kosmickém průmyslu [1, 4]. Křemík je důležitým legujícím prvkem v titanových slitinách. Zvyšuje odolnost proti tečení a zlepšuje odolnost proti oxidaci [2, 5]. Kromě toho tvoří s titanem silicidy Ti 5 Si 3 (obr. 1b), které se vyznačují vysokým bodem tání (2403 C) a relativně nízkou hustotou (4,32 g. cm -3 ). Přítomnost těchto silicidů ve struktuře tak může dále zlepšit i další vlastnosti slitin na bázi Ti-Al [6]. a) b) Obr.1. Fázové diagramy: a) Ti-Al, b) Ti-Si [7] Fig.1. Phase diagrams: a) Ti-Al, b) Ti-Si [7] Širší produkci materiálů na bázi Ti-Al-Si brání především obtížná příprava, která je důsledkem těžké zpracovatelnosti těchto materiálů způsobené obtížnou plastickou deformací. To platí dokonce i za vysokých teplot, např. při kování za tepla, válcování za tepla nebo protlačování za tepla. Jednou z možností jak se těmto obtížím vyhnout je využití práškové metalurgie [4]. Technologie práškové metalurgie sestává ze dvou základních kroků: příprava kovového prášku a jeho následná kompaktizace. Kompaktizace prášků se provádí lisováním a sintrací, isostatickým lisováním za tepla (HIP) nebo extruzí [8]. Při kompaktizaci lisováním a sintrací se prášek nejprve předlisuje ve formě za studena. Následujícím krokem je sintrace (spékání). Sintrace spočívá v zahřátí předlisku na vyšší teplotu a provádí se v pevné fázi nebo s přítomností kapalné fáze [8]. V této práci jsou předmětem studia eutektické ternární slitiny TiAl38Si2 a TiAl8Si7 a binární slitiny TiAl40 a TiSi8. Cílem je zejména popsat jejich mikrostrukturu a vyhodnotit, zda je použitý postup vhodný pro výrobu slitin. 2. EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST Studované slitiny titanu o chemickém složení uvedeném v tabulce 1 byly připraveny lisováním (315 MPa) prášků čistých kovů za studena. Byly připraveny vzorky ve tvaru válečku o průměru 11 mm a výšce 8 mm. Dále byla provedena sintrace ve vakuu při teplotě 1050 C po dobu 50h. Vzorky byly po sintraci broušeny a následně leštěny diamantovou pastou zrnitosti 2µm. Před pozorováním byly vzorky leptány roztokem o složení 10ml HF, 2

3 5ml HNO 3 a 85ml H 2 O. Byla na nich zkoumána mikrostruktura, fázové složení a mikrotvrdost. Tabulka 1. Chemické složení studovaných slitin titanu Table 1. Chemical composition of the studied titanium alloys Slitina [hm.%] Ti Al Si TiAl8Si7 84,6 8,2 7,2 TiAl38Si2 60,1 37,6 2,3 TiAl40 60,1 39,9 - TiSi8 91,6-8,4 Mikrostruktura byla pozorována pomocí optického metalografického mikroskopu OLYMPUS PME 3 a dokumentace struktur uvedených slitin byla provedena obrazovým analyzátorem LUCIA. Chemické složení studovaných slitin bylo sledováno pomocí rastrovacího elektronového mikroskopu HITACHI S-450 s analyzátorem EDS. Ke studiu fázové analýzy byl využit RTG difraktometr Philips X Pert Pro. Na vzorcích byla měřena mikrotvrdost jednotlivých fází podle Vickerse (HV0,1). 3. VÝSLEDKY A DISKUSE 3.1. Mikrostruktura a fázové složení Mikrostruktura studovaných binárních a eutektických ternárních slitin je znázorněna na obr. 2 a obr. 3. Struktura slitiny TiAl40 (obr. 2a) je tvořena dvěmi složkami. Světlá fáze je TiAl, tmavší zrna obsahují jak TiAl tak Ti 3 Al, přičemž je patrná jemná lamelární struktura těchto zrn. Při obsahu 40hm.% hliníku v titanu by podle fázového diagramu Ti-Al (obr. 1a) struktura daného materiálu měla být tvořena pouze fází γ(tial). Posun do oblasti stability fáze α 2, tedy Ti 3 Al, je dán podmínkami sintrace, při které nedošlo k dostatečnému prodifundování složek. Ve struktuře slitiny TiSi8 (obr. 2b) byly identifikovány dvě fáze: silicidy titanu Ti 5 Si 3 a tuhý roztok křemíku v Ti (světlá matrice). Obr. 2. Mikrostruktura binárních slitin a) TiAl40, b) TiSi8 Fig. 2. Microstructure of binary alloys a) TiAl40, b) TiSi8 Ve struktuře eutektické slitiny TiAl38Si2 (obr. 3a) se předpokládala přítomnost dvou fází: γ(tial) a Ti 5 Si 3. Během sintrace však nedošlo k dostatečné difúzi jednotlivých složek 3

4 materiálu, a tak kromě zmíněných dvou fází je ve struktuře přítomen i tuhý roztok křemíku v titanu. Silicidy se v této slitině vyskytují jako jemné částice a jejich distribuce je nerovnoměrná. Obr. 3. Mikrostruktura ternárních eutektických slitin a) TiAl38Si2, b) TiAl8Si7 Fig. 3. Microstructure of ternary eutectic alloys a) TiAl38Si2, b) TiAl8Si7 Fázové složení slitiny TiAl8Si7 (obr. 3b) je obdobné jako v případě slitiny TiAl38Si2. Opět je ve struktuře tuhý roztok Si v titanu a zrna γ(tial) (světlá fáze). Avšak podíl žádoucích silicidů je zde vyšší, podle předpokladů vycházejících ze složení této slitiny. Velikost částic Ti 5 Si 3 je výrazně větší než v případě slitiny TiAl38Si2. Obr. 4. a) Mikrostruktura slitiny TiAl8Si7 (SEM), b)rtg mapa křemíku ve slitině TiAl8Si7 Fig. 4. a) Microstructure of TiAl8Si7 (SEM), b) X-ray map of silicon in the TiAl8Si7 alloy Pro bližší popis jednotlivých fází byla struktura pozorována rastrovacím elektronovým mikroskopem a byla pořízena mapa distribuce křemíku ve slitině TiAl8Si7. Dále byla u příslušných fází provedena chemická mikroanalýza. Výsledky ukazuje obr.4. Na tomto obrázku je vidět, že silicid tvoří charakteristické lamelární útvary. 4

5 3.2. Povrchová tvrdost Z obr. 5 je patrné, že s rostoucím obsahem křemíku roste i tvrdost materiálu. To je způsobeno především přítomností silicidů titanu Ti 5 Si 3 ve struktuře materiálu. Nejnižší tvrdost má binární slitina 750 TiAl40, která je složena z aluminidů titanu, jejichž tvrdost je nejnižší. Nejvyšší 500 tvrdost mají slitiny TiAl8Si7 a TiSi8, tedy slitiny s nejvyšším obsahem křemíku. 250 Příliš vysoká tvrdost materiálu však také není vhodná. V případě slitin 0 s intermetalickými fázemi na bázi Ti-Al-Si je vysoká TiAl40 TiAl38Si2 TiAl8Si7 TiSi8 tvrdost spojená s nízkou houževnatostí. Obr. 5. Tvrdost studovaných materiálů HV 0,1 Fig. 5. Hardness of the studied materials 4. ZÁVĚR Během experimentu bylo ověřeno, že metodou práškové metalurgie, tzn. lisováním prášků čistého Ti, Al a Si a následnou sintrací, lze připravit kompaktní materiál. V průběhu sintrace ve vakuu při 1050 C po dobu 50h nedošlo k dostatečné difúzi jednotlivých složek a struktura získaných materiálů je nerovnoměrná a porézní. Měření tvrdosti porovnávaných vzorků potvrdila předpoklad, že tvrdost materiálu bude růst se zvyšujícím se obsahem Si, který s Ti tvoří velmi tvrdé silicidy Ti 5 Si 3. Ve struktuře slitiny TiAl38Si2 se tyto silicidy vyskytují jako jemné částice a jejich množství je malé. Oproti tomu slitina TiAl8Si7 nejen, že obsahuje vyšší podíl silicidů, ale také velikost těchto částic je větší. Podmínky přípravy se tedy ukázaly jako nevhodné pro získání homogenního neporézního materiálu. Na základě popisu studovaných slitin však bylo zjištěno, že slitina TiAl8Si7 je vhodným výchozím materiálem pro usměrněné tuhnutí, během kterého bude dosaženo požadovaných vlastností. LITERATURA 1. LEYENS, C., PETERS, M. Titanium and Titanium Alloys. Weinheim: VCH, 2003, pp. 89, SENKOV, O. N., CAVUSOGLU, M., FROES, F. H. Synthesis and characterization of a TiAl/Ti 5 Si 3 composite with a submicrocrystalline structure. Materials Science and Engineering, 2001, A300, pp ZHANG, L., WU, J. Microstructure evolution in TiAl alloyed with Si. Scripta Materialia, 1996, Vol.35, No. 3, pp PEARL, L.S. HIP Processing of Ti-Al Intermetallic Using Blended Elemental Powders. Journal of Materials Processing Technology, 1993, 38, pp AZEVEDO, C. R. F., FLOWER, H. M. Experimental and Calculated Ti-rich Corner of the Al-Si-Ti Ternary Phase Diagram. Calphad, 2002, Vol.26, No.3, pp

6 6. RAO, K. P., ZJOU, J. B. Characterization and mechanical properties of in situ synthesized Ti5Si3/TiAl composites. Materials Science and Engineering, 2003, A356, pp MASSALSKI, T.B. Phase Diagrams of Binary Titanium Alloys, ASM International, CAHN, R.W. aj.: Processing of metals and alloys, Materials Science and Technology, Weinheim: VCH, 15,