STRUKTURA A VLASTNOSTI TITANOVÝCH SLITIN ZE SYSTÉMU Ti-Al-Me STRUCTURE AND PROPERTIES OF TITANIUM ALLOYS Vítezslav Smíšek a Miroslav Kursa a Monika Losertová a a VŠB-TU Ostrava, 17. listopadu 15, 708 33, Ostrava-Poruba, CR, vitezslav.smisek.fmmi@vsb.cz, miroslav.kursa@vsb.cz, mlosertova@vsb.cz Abstrakt: Clánek rozebírá možnosti prípravy titanových slitin založených na intermetalické fázi ze systému Ti-Al. Výroba slitin TiAl je velmi obtížná, a to zejména kvuli vysoké reaktivite titanu. Proto se slitiny pripravovaly v plazmové peci a vakuové peci. Jejich výroba pomocí techto dvou ruzných pecí vedla ke vzniku dvou odlišných druhu mikrostruktur. Tyto odlišnosti v mikrostrukturách byly predmetem pozorování. Získané mikrostruktury byly analyzovány a vyhodnoceny. Abstract: The article deals with possibilities of preparation of titanium alloys based on intermetallic phases from the system Ti-Al. Production of the TiAl alloys is difficult becouse of the reactivity of titanium. Therefore the alloys were prepared in plasma furnace and vacuum furnace. The preparation by this two various furnances resulted in two differences types of microstructures. The differences in microstructures of alloys were obserwed. Obtained microstructures were described and analysed. 1. ÚVOD 1.1 Vlastnosti a struktura Intermetalické slitiny ze soustavy Ti-Al-Me mají nekolik atraktivních vlastností, jako jsou nízká hustota, dobrá mez pevnosti za vyšších teplot (800 C), dobrou korozní odolnost. Zejména príznivý pomer pevnost/hustota je ciní velmi atraktivními zhlediska aplikací pro letecký a automobilový prumysl. Z ruzných vyvinutých slitin prokázala nejlepší kombinaci pevnosti a houževnatosti slitina s plne lamelární strukturou obsahující dve fáze: TiAl (?) a Ti 3 Al (? 2 ). Tažnost a pevnost jsou citlivé na orientaci lamela mezilamelární vzdálenost. Nejlepší kombinace meze kluzu muže být dosaženo, jestliže orientace lamel je rovnobežná se zatežovaným smerem [1]. Nízká houževnatost monofázového TiAl, svíce než 50 at % hliníku nejde zlepšit legováním, proto jsou preferovány slitiny s obsahem hliníku pod 50 at %. Pak vzniká vedle TiAl druhá fáze Ti 3 Al a výsledná struktura je dvoufázová. Cílem ruzných materiálových vývoju založených na TiAl je zlepšit jak pevnost, tak i tažnost. Toho lze dosáhnout bud kontrolou mikrostruktury nebo legováním ruznými prvky. Výsledná mikrostruktura je závislá na tepelném zpracování. Muže nabývat tyto typy:?? hrubé rovnoosé TiAl zrna s povlakem jemných TiAl zrn, spojených cásticemi Ti 3 Al,?? ciste duplexní mikrostruktura obsahující zrna TiAl a lamelární zrna,?? témer lamelární mikrostruktura s hrubými lamelárními zrny a malým množstvím jemných TiAl zrn,?? plne lamelární mikrostruktura s velkými zrny lamel. 1
Lamelární zrna jsou v ruzných mikrostrukturách tvoreny strídajícími se vrstvami TiAl a Ti 3 Al [2]. Rozdelení struktur podle chemického složení a zpusobu tepelného zpracování je následující: Tepelným zpracováním materiálu na bázi?-tial mužeme pripravit tri odlišné druhy mikrostruktury. Slitiny s obsahem Al nad 52 at % se vetšinou nacházejí v jednofázové? oblasti behem tepelného zpracování, a po ochlazení jsou jednofázové. Zrna jsou rovnoosá a kolem 50 mikrometru v prumeru. Pro slitiny mezi 46 až 50 at % Al, tepelné zpracování v oblasti a +? fáze vyústuje ve dvoufázovou strukturu po ochlazení. Tato struktura se skládá z gama zrn a zrn lamelární struktury. Lamelární zrna obsahují strídave a 2 a? desticky, které se vytvorí následkem transformace z primární a behem chladnutí. Typická zrna jsou v prumeru 10-35 mikrometru, a lamelární desticky jsou 0.1-1 mikrometr silné. Tato struktura je oznacovaná jako duplexní struktura. Slitiny s obsahem Al pod 48 at%, které jsou tepelne zpracovávané v jednofázové oblasti mužou vytvorit zcela lamelární strukturu. Typická jsou zrna v prumeru vetší než 500 mikrometru, které odráží rychlé zhrubnutí alfa [3]. TiAl je legován ruznými substitucními a interstitickými prvky v souladu s kontrolou a optimalizací mechanických vlastností a korozním chováním. Legující prvky mají rozdílný vliv na rozšírení pole TiAl v ternárním fázovém diagramu.v tomto hrubém priblížení pusobí V, Mn, Cr jako substitucní prvky pro Al nebo jako substitucní prvek obou- hliníku i titanu, zatímco Nb, Ta, Zr, Mo, W pusobí jako substitucní prvek pro Ti [2]. V prípade slitiny Ti 46Al-1,5Mo-0,2C (at%) zpusobuje legování C a Mo zlepšení vysokoteplotní pevnosti slitiny [1]. Legování ruznými prvky v rozmezí 1-3 at% se používá pro optimalizaci mechanického chování dvoufázových TiAl slitin. Houževnatost výrazne zvyšují prvky: V, Hf, Cr, Mn a mají za následek zpevnení tuhým roztokem. Z výše jmenovaných prvku vykazuje nejlepší zvýšení houževnatosti Cr, nižších hodnot se dosáhne za použití Mn[4]. Rovnež další prvky, jako jsou Nb, Ta a W, zpevnují tuhý roztok, ale snižují houževnatost. Interstitické prvky, jako jsou C a N, ovlivnují houževnatost, a to v závislosti na obsahu Al a na zpusobu predchozího zpracování. Obzvlášte pak zvyšují odolnost proti tecení [2]. 2. APLIKACE Presto, že se u slitin ze systému Ti-Al-Me vyskytuje více problému s houževnatostí, je na tyto slitiny pohlíženo jako na velmi slibné a perspektivní kvuli jejich nízké hustote a možnosti aplikace za vyšších teplot. Jejich vývoj v soucasnosti probíhá v mnoha zemích sveta, napr. Japonsko, USA, Velká Británie, Rusko, Nemecko. Nejpodstatnejším problémem však jsou vysoké teploty zpracování, které jsou mimo rozsah teplot dosažitelných pri konvencních zpusobech výroby bežných titanových slitin. Tyto jsou limitovány velikostí ingotu, která je približne kolem 200 kg. Soucasné pokusy jsou zamereny na zlepšení kvality slitin a to zlepšením výrobních procesu tavení a termomechanického zpracování. Pri tepelném zpracování se vyskytuje problém odstranení okují z ingotu. Pro výrobu soucástek a dílu se používá krome odlévání a válcování také prášková metalurgie, ackoliv jsou problémy s kvalitou, dostupností a cenou prášku. Odlitek slitiny TiAl muže být izotermicky kován, jemné práškové materiály mohou být superplasticky formovány. Další možností je obrábení, stejne jako difúzní spojování a svarování. Tyto materiály mohou být aplikovány jako turbíny motoru, kompresory a nosné profily leteckých krídel. Je však potreba vyrešit ješte mnoho problému, souvisejících s houževnatostí a tuhostí, korozní odolností, pevností a cenou, než budou tyto materiály bežne používány [2]. 2
3. EXPERIMENTÁLNÍ CÁST 3.1 Tavení slitin ze systému Ti-Al-Me v plazmové peci V experimentální cásti jsme se zamerili na prípravu nekolika typu intermetalických slitin ze systému Ti-Al-Me. Jejich složení je uvedeno v tabulce 1. Tabulka 1. Chemické složení pripravených slitin. Table 1. Chemical composition of prepared alloys. c. typ slitiny chemické složení [at %] Ti Al Nb W Mo C 1 Ti-48Al-5Nb 47 48 5 - - - 2 Ti-44Al-8Nb 48 44 8 - - - 3 Ti-46Al-5Nb-1W 48 46 5 1 - - 4 Ti-46Al-1,5Mo-0,2C 52,3 46 - - 1,5 0,2 Jako první stupen metalurgické prípravy jsme zvolili plazmové tavení, a to kvuli vysoké reaktivite titanu. Titan za vyšších teplot reaguje takrka s každým žáruvzdorným materiálem. V neposlední rade byl tento zpusob vybrán i pro pomerne vysokou teplotu tavení techto slitin. Plazmové pece s medenými krystalizátory chlazenými vodou se mohou principiálne použít i pro výrobu vysoce reaktivních kovu, napr. titanu, ci jeho slitin. V možnostech širokého rozmezí regulace rychlosti pretavování a prehrívání kovu ve vodou chlazených krystalizátorech predcí plazmové pece oblouková vakuová zarízení. Plazmová pec pracuje na principu ionizace plynu. V plazmovém horáku katode se molekuly privádeného inertního plynu argonu ionizují a pri styku s kovem se opet slucují. Proces slucování je doprovázen znacným vývinem tepla, které se predává tavenému kovu. Anodou oblouku je tavené titanová vsázka [5]. Krystalizátor pece je tvoren medenou lodickou, jejíž rozmery umožnují vyrobit ingot o délce 400 mm. Hmotnost ingotu závisí na hustote zvoleného materiálu. Úcinné chlazení zajištuje voda, která pod tlakem proudí dutou lodickou. K prednostem tohoto zpusobu nahrívání patrí hlavne možnost získání velmi vysoké teploty a dále možnost rízení parametru tepelného zdroje a ovlivnování atmosféry uvnitr pece. Rovnež nedochází ke znecištení vlivem tavicího kelímku. Za hlavní nevýhodu je možno považovat nízkou homogenitu slitiny. Tuto lze zajistit delší dobou tavení ci následným pretavením v jiném druhu pece. Tímto zpusobem bylo odtaveno alespon po jednom ingotu z každého složení o hmotnosti 800g. Z ingotu byly odebrány vzorky metalografický rozbor. 3.2 Tavení slitin ze systému Ti-Al-Me v indukcní peci Ingoty byly pretaveny ve vysokofrekvencní vakuove-indukcní peci LEYBOLD- HERAEUS IS1/FFF. Pec je vybavena trístupnovou vakuovou pumpou. Pri tavení bylo v peci vakuum, které bylo vytvoreno rotacní a Rootsovou pumpou, tlak v peci byl 2*10-5 MPa. Pri tavení byla frekvence 4 khz a príkon pece dle teploty tavení vsázky 16 až 18,5 kw. Vsázka byla vložena do korundového kelímku stabilizovaného TiO 2. Tento kelímek byl v grafitové trubce. Jakmile byla vsázka natavena, byla pec napuštena argonem, a to na tlak 600 kpa. Toto opatrení zamezilo vystríkávání taveniny z kelímku. Cistota použitého argonu byla 4N5. Po roztavení vsázky byla tavenina odlévána do dvojice grafitových kokil. Každá z nich umožnovala odlití trí vzorku vedle sebe v podobe tycinek o prumeru 10 mm a délce 100 mm. Vzorek císlo 2 byl odlit do medené kokily o prumeru 20 mm a výšce 300 mm. Indukcní 3
tavení umožnuje vetší vyrovnání teplot tekutého kovu než jiné zpusoby tavení. Vírivé proudy intenzívne míchají tekutý kov a jejich dusledkem je rovnomerné rozložení legujících prvku. Z každé tavby byly odebrány vzorky na metalografické zkoumání. 4. VÝSLEDKY EXPERIMENTU Na obr.1 a 2 je struktura plazmove pretaveného ingotu Ti-48Al-5Nb. Snímky jsou porízeny ze dvou míst jednoho vzorku. Obr.1. Struktura slitiny Ti-48Al-5Nb, z=50. Obr.2. Struktura slitiny Ti-48Al-5Nb, z=50. Fig.1. Structure of alloy Ti-48Al-5Nb. Fig.2. Structure of alloy Ti-48Al-5Nb. U ingotu TiAlNb byly nalezeny dva druhy mikrostruktur. Na okrajích ingotu se díky intenzivnejšímu chlazení objevila fáze (?+? 2 ) pouze v podobe lamelárních zrn. Obr.3. Struktura slitiny Ti-48Al-5Nb, z=50. Indukcne pretaveno. Fig.3. Structure of alloy Ti-48Al-5Nb. Obr.4. Struktura slitiny Ti-48Al-5Nb, z=200 Indukcne pretaveno. Fig.4. Structure of alloy Ti-48Al-5Nb. Další snímky jsou porízeny z plazmove pretaveného ingotu Ti-44Al-8Nb, ze dvou ruzných míst jednoho vzorku. Na obr. 5 je patrná ne zcela dokonalá lamelární struktura, tvorená fázemi (?+? 2 ). Obr. 6 ukazuje plne lamelární strukturu (?+? 2 ). 4
Obr.5. Struktura slitiny Ti-44Al-8Nb,z=100. Fig.5. Structure of alloy Ti-44Al-8Nb. Obr.6. Struktura slitiny Ti-44Al-8Nb,z=100 Fig.6. Structure of alloy Ti-44Al-8Nb. Vakuove-indukcne pretavený ingot, odlitý do grafitové kokily vykazuje jemnozrnejší strukturu, obr.7. Snímek následující, obr. 8, je z téhož materiálu, byl však vakuove-indukcne pretaven dvakrát. Obr. 9, 10 a 11 podávají informaci o nehomogenite plazmove pretaveného ingotu. Tyto snímku byly porízeny po výšce prurezu vzorku, odebraného zingotu Ti-46Al- 1,5Mo- Dokazují, že v jednom plazmove pretaveném ingotu se muže vlivem vysokého teplotního gradientu vodou chlazené medené lodicky vyskytnout nekolik miktrostruktur, které mají nestejné složení a ruzné vlastnosti. Na obr. 9 je dendritická struktura. Dendrity jsou tvoreny fází?. Vedlejší snímek (obr.10) vykazuje rovnež dendritické znaky, zrna matrice jsou nerovnovážne utuhlá. Plne lamelární strukturu ukazuje obr. 11, kde je tato struktura tvorena lamelami? a? 2. Obr.7. Struktura slitiny Ti-44Al-8Nb,z=100. Obr.8. Struktura slitiny Ti-44Al-8Nb,z=100 Indukcne pretaveno. Indukcne pretaveno 2x. Fig.7. Structure of alloy Ti-44Al-8Nb. Fig.8. Structure of alloy Ti-44Al-8Nb. 5
Obr.9. Struktura slitiny Ti-46Al-1,5Mo- Plazmove pretaveno,z =100. Fig.9. Structure of alloy Ti-46Al-1,5Mo- Obr.10. Struktura slitiny Ti-46Al-1,5Mo- Plazmove pretaveno, z=100. Fig.10. Structure of alloy Ti-46Al-1,5Mo- Obr.11. Struktura slitiny Ti-46Al-1,5Mo- 0,2C, z=100. Fig.11. Structure of alloy Ti-46Al-1,5Mo- Obr.12. Struktura slitiny Ti-46Al-1,5Mo- Indkukcne pretaveno, z=100. Fig.12. Structure of alloy Ti-46Al-1,5Mo- Obr.13. Struktura slitiny Ti-46Al-1,5Mo- 2x indukcne pretaveno, z=100. Fig.13. Structure of alloy Ti-46Al-1,5Mo- 6
Struktury (obr. 12 a 13) jsou z vakuove-indukcne pretaveného ingotu. Tavenina byla odlita opet do grafitové formy. Struktura na snímku obr.12 je jemná. Struktura na obr. 13, vykazuje znaky duplexní struktury, tvorené koloniemi fází? a? 2 a matricí. Fáze? a? 2 jsou strídave usporádány jako lamely. Tyto kolonie lamel mají navzájem odlišnou orientaci. Tento odlitek byl dvakrát indukcne pretavován. 5. ZÁVER Úcelem této práce bylo zhodnotit možnosti metalurgické prípravy intermetalických sloucenin ze systému Ti-Al-Me. Tyto slitiny se postupne dostávají ze stádia výzkumu a vývoje do stádia praktických aplikací. Obtížnost výroby, její ekonomická a materiální nárocnost spolu s omezenými hodnotami nekterých mechanických vlastností jsou prekážkami širšímu praktickému uplatnení techto slitin. Plazmová príprava slitin má své nesporné výhody, ale sama o sobe je nedostacující. Neumožnuje vznik homogenní struktury ani dokonalou distribuci legujících prvku. Proto je nezbytné tuto metodu doplinit dalším krokem metalurgického zpracování, napr. vakuove-indukcním tavením. Mechanické vlastnosti lze zlepšovat ovlivnováním mikrostruktury. Tu je možno upravit legováním nebo pomocí smerové krystalizace. Práve na tu je zameren náš další výzkum, který by mel podrobneji priblížit metodiku tohoto druhu zpracování a jeho vliv na výslednou mikrostrukturu a vlastnosti. Tato práce vznikla v rámci rešení grantového projektu GA CR c. 106/03/0984 Metalurgické možnosti modifikace vlastností intermetalických sloucenin ze soustavy Ti-Al a Ti-Al-Me". LITERATURA [1] LEE,H.N. et al. Directional solidification and creep deformation of a Ti-46Al-1,5Mo-0,2C (at%) alloy. Intermetallics, June 2002, vol. 10, no.9, p. 841-849. [2] SAUFHOFF,G. Intermetallics. VCH Verlagsgesellschaft mbh, d-69451, Weinheim,1995, p. 5-32. [3] HUANG,S,C., CHESNUTT,J,C. Gamma TiAl and its alloys. Intermetallic compounds: vol 2. John Wiley and sons Ltd, 1994, p. 75. [4] SZKLINIARZ, W. Wytwarzanie stopów na osnowie faz miedzymetalicznych z ukladu Ti- Al. In TYTAN I JEGO STOPY, sborník konference, 2002, p. 167 173. [5] DEMBOVSKÝ,V. Plazmová metalurgie. Praha, SNTL, 1978. 259 s. 7