Разработка подходов и способов создания материалов на основе легированных гамма-алюминидов титана с упорядоченной наноструктурой для применения в жаропрочных компонентах газотурбинных двигателей

В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от от 27.06.2014 № 14.575.21.0042 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» на этапе № 4 в период с 01.01.2016 по 30.06.2016 выполнялись следующие работы:

• Проведены исследовательские испытания экспериментальных образцов по разработанным Программе и методикам в части определения температурной зависимости модуля Юнга.
• Проведены исследовательские испытания экспериментальных образцов по разработанным Программе и методикам в части определения среднего теплового коэффициента линейного расширения.
• Проведена высокотемпературная термообработка экспериментальных образцов для определения термостабильности фазового состава.
• Проведены исследовательские испытания экспериментальных образцов по разработанным Программе и методикам в части определения показателей трибохимической стойкости.

Представлено материально-техническое обеспечение работ по пунктам 4.1- 4.3.

При этом были получены следующие результаты:

1) Проведены исследовательские испытания экспериментальных образцов в части определения температурной зависимости модуля Юнга в диапазоне 20-400 0С. Эти температурные зависимости для всех сплавов имеют вид кривых с максимумом, в различной степени выраженным при температурах 150-3000С. Наилучшие упругие свойства 120–200 ГПа в исследуемом температурном интервале показал сплав Ti-44Al-5Nb-3Cr-1.5Zr ат.%, не содержащий боридного микролегирования (рисунок 1).

Рисунок 1 — Экспериментальная зависимость модуля упругости сплава № 4 Ti-44Al-5Nb-3Cr-1.5Z от температуры

При увеличении содержания бора (0 — 0.4 — 1 ат.%) наблюдается ухудшение упругих свойств материала: модуль Юнга находится в пределах 124 — 144 ГПа для сплава Ti-44Al-5Nb-2Cr-1.5Zr-0.4B-0.07La и 84 — 125 ГПа для сплава Ti-44Al-5Nb-1Cr-1.5Zr-1B-0.17La. Наблюдается также смещение положения максимума модуля упругости в сторону более низких температур (от 300 до 150⁰С). Наихудший средний модуль Юнга 84.9 ГПа в температурном интервале 20-400⁰С имеет сплав Ti-46Al-8Nb.

Полученные значения модуля Юнга в целом соответствуют требованиям ТЗ и разрабатываемым за рубежом аналогичным материалам для экстремальных конструкционных применений.

2) Проведены испытания образцов в части определения среднего теплового коэффициента линейного расширения (ТКЛР) в диапазоне 20-900⁰С. Средний ТКЛР разных сплавов лежит в диапазоне величин (1.28-1.45)×10-5 град-1 (рисунок 2). Определённые значения ТКЛР всех сплавов соответствуют требованиям ТЗ.

Рисунок 2 — Температурные зависимости теплового коэффициента линейного расширения экспериментальных сплавов по результатам дилатометрических испытаний:

1 — сплав Ti-46Al-8Nb; 2 —Ti-44Al-7Nb-2B; 3 —Ti-44Al-7.5Nb-2.7B; 4 —Ti-44Al-5Nb-3Cr-1.5Zr; 5 —Ti-44Al-5Nb-2Cr-1.5Zr-0.4B-0.07La; 6 —Ti-44Al-5Nb-1Cr-1.5Zr-1B-0.17La;

3) С участием индустриального партнёра проведены испытания экспериментальных образцов в части определения показателей трибохимической стойкости. Средний коэффициент трения по эталону стали 40Х (находящийся в пределах 0.265-0.327, рисунок 3) и интенсивность изнашивания (3.07-3.65)×10-8 всех сплавов соответствуют требованиям ТЗ.

Рисунок 3 — Изменение коэффициента трения f в функции пути скольжения L при проведении трибологических испытаний в паре с эталоном хромистой стали 40Х. Нумерация сплавов та же, что на рис.2

4) Проведены длительные высокотемпературные термообработки образцов (10 часов при 9000С) в атмосфере аргона на установке термобарической обработки материалов УСУ-01/А в ЦКП ТИСНУМ. Испытания показали удовлетворительную термостабильность фазового состава всех разрабатываемых сплавов. Величина выявленной в результате ВТО нестабильности содержания основных интерметаллических фаз γ-TiAl и α2-Ti3Al в исследованных образцах не превышает суммарной погрешности измерений с учётом неоднородности материала (4% объёмн.).