Научные труды МАТИ. Вып. 11 (83)

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ 
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

“MATH” - РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ 
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ К.Э. ЦИОЛКОВСКОГО

ВЫПУСК 11 (83)

МОСКВА 20 06

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение 
высшего профессионального образования

«МАТИ» -  Российский государственный 
технологический университет 
имени К.Э. Циолковского

НАУЧНЫЕ ТРУДЫ

Издание основано в 1940 году

Выпуск 11 (83)

ИЦ МАТИ

Москва 2006

УДК 621; 669; 681.5; 66; 621.37/39; 681.2; 005; 504; 51; 53; 531/534; 54; 378

Научные труды МАТИ. Вып. 11 (83). -  М.: ИЦ МАТИ, 2006,- 341 с. ил 

ISBN 5-93271-356-9

В данном выпуске сборника Научных трудов представлены результаты 
фундаментальных и прикладных исследований, выполненных учеными МАТИ, в 
том числе в содружестве со специалистами других организаций в широком 
спектре научных направлений, включая научно-исследовательские работы по 
грантам и ряду научно-технических программ.

Сборник рассчитан на научных работников, преподавателей вузов и аспирантов. Может использоваться при переподготовке кадров промышленных 
предприятий.

Гпавный редактор: проф. А.П. Петров 

Заместитель главного редактора: проф. В.А. Васильев

Редакционная коллегия:

Ответственные 
секретари редколлегии:

заел. проф. МАТИ Бибиков Е.Л., 
чл.-корр. РАН, проф. Васильев В.В., 
проф. Галкин В.И., проф. Дмитренко В.П., 
чл.-корр. РАН. проф. Ильин А.А., 
проф. Намазов В.Н., проф. Родинов В.Б., 
проф. Соколов В.П., проф. Суминов И.В., 
проф. Сухов С.В. проф. Федоров В.К., 
доц. Уваров В.Н., нач. ОНТИ Чивикина Г.И., 
проф. Юрин В.Н.

Затеева Т.А., Иванова Э.И.

Научные редакторы: 
проф. Балберкин А.В., проф. Бецофен С.Я.,

проф. Бойцов А.Г, проф. Бухаров С.В., 
проф Коллеров М.Ю., проф Мамонов А.М., 
проф. Петров Л.М., проф. Попов В.Г., 
проф. Слепцов В.В., заел. проф. МАТИ Суминов В.М., 
проф. Черняев А.В.

Тел. (495) 915-37-76, факс (495) 915-09-35 
Адрес: 121552 Москва, Оршанская ул., 3, МАТИ

ISBN 5-93271-356-9 
© «МАТИ» - Российский государственный технологический

университет им. К.Э. Циолковского, 2006

ПРЕДИСЛОВИЕ

Сборник «Научные труды» МАТИ № 11 (83) содержит 12 тематических 
разделов, соответствующих многопрофильному характеру нашего университета. Помимо традиционных, здесь выделен новый раздел -  «Биомедицинская 
инженерия» для публикации работ в области разработки конструкций, технологии, производства и клинического применения имплантатов для травматологии, ортопедии, спинальной хирургии, нейрохирургии и т.п. Раздел введен редколлегией впервые по инициативе факультета «Материаловедение и технология материалов» (декан -  чл.-корр. РАН, д.т.н., проф. Ильин А.А.).

Как обычно, в данном выпуске «Научных трудов» МАТИ представлены 
результаты фундаментальных и прикладных исследований, выполненных в 
широком спектре научных направлений, включая научно-исследовательские 
работы по грантам и ряду научно-технических программ. Ряд работ выполнено 
в соавторстве с учеными и специалистами РАН, научно-исследовательских и 
производственных организаций.

Научные труды МАТИ им. К.Э. Циолковского, 2006 г. Вып. 11 (83)
3

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

УДК 669. 295: 615. 46

'Ч,.

ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССОВ СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ 
В ТИТАНОВЫХ СПЛАВАХ С ПОВЫШЕННЫМ СОДЕРЖАНИЕМ АЛЮМИНИЯ

ПРИ ИЗОТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ

чл.-корр. РАН'А.А. Ильин, к.т.н., доц. С.В, Скворцова, к.т.н. Г.В. Гуртовая,

О.Н. Гвоздева, И.М. Куделина

Работа посвящена изучению влияния изотермической выдержки на процессы структуро- 
образования в титановых сплавах с повышенным содержанием алюминия: Ti-8AI-2Mo-2Zr-0,2Si- 
0,1 Fe и Ti-10AI-2Mo-2Zr-0,2Si-0,1Fe. На основании проведенных исследований определены температурно-временные рамки термической стабильности исследованных сплавов.

This article is devoted to investigation of phase composition and structure of titanium alloys 
with high aluminum concentration under isothermal treatment influence. There was defined the time- 
temperature area of alloys thermal stability._______________________________________________

Введение

В последнее время большое внимание уделяется вопросам применения 
титановых сплавов с повышенным содержанием алюминия (> 7 %), так как они 
обладают высокими характеристиками: удельной жаропрочностью, модулем 
упругости, жаростойкостью. По этим показателям они превосходят лучшие серийные титановые сплавы и могут успешно конкурировать со сталями и никелевыми сплавами при рабочих температурах до 700-750°С [1-3].

Однако широкое применение таких сплавов ограничивается недостаточной 
термической стабильностью из-за протекания процессов упорядочения в a-фазе и 
выделения упорядоченной а2-фазы на основе интерметаллида "ПзА1, что приводит 
к охрупчиванию металла и разрушению деталей в процессе эксплуатации.

Для повышения термической стабильности сплавов с повышенным содержанием алюминия необходимо изучить процессы, происходящие в этих 
сплавах при нагреве и изотермической выдержке.

Результаты экспериментов и их обсуждение

Исследования проводили на образцах, вырезанных из горячекатаных 
прутков опытных титановых сплавов с повышенным содержанием алюминия: 
Ti-8AI-2Mo-2Zr-0,2Si-0,1 Fe (сплав 1) и Ti-10AI-2Mo-2Zr-0,2Si-C),1 Fe (сплав 2).

Фазовый состав исследуемых сплавов в исходном горячекатаном состоянии при комнатной температуре представлен а- и (3-фазами. Структура сплавов 
приведена на рис. 1. Структура сплава 1 представлена пластинами а-фазы 
толщиной 1,2-1,6 мкм (рис. 1 а), а в сплаве 2 после деформации в (а+(3)-области 
сформировалась бимодальная структура, представленная крупными глобулярными частицами (размером 10-15 мкм) и мелкими (длиной 4-8 мкм и толщиной 
0,8-1 мкм) пластинами a-фазы на фоне (3-матрицы (рис. 1 б).

Температура полиморфного превращения (Ас3) исследуемых сплавов 
была определена методом пробных закалок.

Научные труды МАТИ, 2006 г. Выл. 11 (83)
5

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Образцы нагревали до температур закалки, которые составляли 1100 °С, 
1070 °С, 1040 °С и 1010 °С, выдерживали в течение 20 минут, для завершения 
диффузионных процессов и затем охлаждали в воде. Фазовый состав и структуру закаленных образцов контролировали рентгеноструктурным и металлографическим методами.

Рис. 1. Микроструктура образцов из сплавов 
Ti-8AI-2Mo-2Zr-0,2Si-0,1Fe (а, б) и Ti-10AI-2Mo-2Zr-0,2Si-0,1Fe (в, г) в состоянии поставки

Металлографические исследования показали (рис. 2), что в структуре 
сплава 1 (Ti-8AI-2Mo-2Zr-0,2Si-0,1 Fe) после закалки с температур 1100°С, 
1070°С и 1040°С присутствуют P-фаза и мартенсит а' (рис. 2 а-в).

Рис. 2. Микроструктура сплава 1 (Ti-8AI-2Mo-2Zr-0,2Si-0,1 Fe) 
после закалки в воде с разных температур:

а) 1100 °С, б) 1070 °С, в) 1040 °С, г) 1010 °С

6
Научные труды МАТИ, 2006 г. Вып. 11 (83)

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

При закалке с температуры 1010°С в структуре, помимо (3-фазы и мартенсита, присутствует также небольшое количество частиц a-фазы (рис. 2г), что 
свидетельствует о непосредственной близости данной температуры к температуре полиморфного превращения (Ас3) сплава 1.

В сплаве 2 (Ti-10AI-2Mo-2Zr-0,2Si-0,1Fe) после закалки с температур 
1100°С и 1070°С присутствуют (3-фаза и мартенсит а' (рис. 3 а, б), а при закалке 
с температуры 1040 °С в структуре наблюдаются а-частицы, что свидетельствует о том, что данная температура лежит ниже температуры полиморфного 
превращения (Ас3) (рис. Зв). Дальнейшее понижение температуры нагрева под 
закалку до 1010 °С приводит к увеличению количества и размера а-частиц и 
исчезновению мартенсита (рис. 3 г).

в)

34 дм

Рис. 3. Микроструктура сплава 2 (Ti-10AI-2Mo-2Zr-0,2Si-0,1 Fe) 
после закалки в воде с разных температур:

а) 1100°С, б) 1070°С, в) 1040°С, г) 1010°С

Основываясь на результатах проведенных исследований, можно сделать 
вывод, что исследуемые сплавы имеют следующие температуры полиморфного превращения (Ас3): для сплава1 (Ti-8AI-2Mo-2Zr-0,2Si-0,1Fe) -  Ас3=Ю 40°С; 
для сплава 2 (Ti-10AI-2Mo-2Zr-0,2Si-0,1Fe) -  Ас3=1070°С.

Для исследования процессов выделения сх2-фазы при изотермической 
выдержке образцы из сплавов 1 и 2 нагревали до температуры (3-области 
(1100° С) и выдерживали при этсй температуре в течение 40 минут для полной 
гомогенизации (3-фазы. Затем образцы быстро переносили в печи с температурами, соответствующими а+(3-области: 950° С, 900° С, 800° С, 750° С и 700° С. 
При каждой температуре образцы выдерживали в течение 30 минут, 1часа, 5, 
10, 20 и 30 часов, после чего образцы охлаждали в воде, чтобы зафиксировать

Научные труды МАТИ, 2006 г. Вып. 11 (83)
7

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

при комнатной температуре состояние, свойственное ему при температуре изотермической выдержки.

Проведенные металлографические исследования показали, что структура 
исследуемых сплавов после изотермической обработки представлена пластинами 
a-фазы внутри бывших (3-зерен, окруженных а-оторочкой (рис. 4 и 5). С понижением температуры изотермической выдержки толщина а-оторочки и величина сх- 
пластин уменьшаются. Это связано с тем, что при более высоких температурах 
зарождение a-фазы происходит в основном по границам (3-зерна, при этом процессы роста преобладают над процессами зарождения. С понижением температуры зарождение а-частиц происходит не только на границе, но и в объеме (3- 
зерна, а процессы зарождения начинают преобладать над процессами роста.

а) 
34 рм 
б)

Рис. 4. Микроструктура образцов из сплава 1 (Ti-8AI-2Mo-2Zr-0,2Si-0,1Fe) 
после изотермической выдержки в течение 20 часов при температурах:

а) 900 °С, б) 700 °С

34 рм

а) 
б)

Рис. 5. Микроструктура образцов из сплава 2 (Ti-10AI-2Mo-2Zr-0,2Si-0,1 Fe) 
после изотермической выдержки в течение 20 часов при температурах:

а) 900 °С, б) 700 °С

8
Научные труды МАТИ, 2006 г. Вып. 11 (83)

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Так как металлографически а- и а2-фазы неразличимы, то выделение сх2- 
фазы контролировали рентгеноструктурным методом по появлению на дифрак- 
тограммах сверхструктурных рефлексов.

Установлено что изотермическая выдержка при 950 °С не приводит к образованию а2-фазы в исследуемом временном интервале для обоих исследуемых сплавов.

В сплаве 1 (Ti-8AI-2Mo-2Zr-0,2Si-0,1 Fe) процесс выделения а2-фазы начинается только после выдержки образцов при температуре 700 °С в течение 
20 часов. На это указывает появление на дифрактограммах образцов сверхструктурных максимумов, характерных для а2-фазы.

В сплаве Ti-10AI-2Mo-2Zr-0,2Si-0,1 Fe образование сх2-фазы происходит 
при изотермической выдержке при температурах 700-900 °С в течение 30-ти 
минут. С увеличением времени выдержки происходит постепенное возрастание 
интенсивности сверхструктурных максимумов, что свидетельствует об увеличении количества а2-фазы. В то же время период кристаллической решетки а- 
фазы практически не изменяется, а увеличивается только полуширина ее дифракционных максимумов. Возможно это связано с увеличением внутренних 
напряжений из-за непрерывного выделения мелкодисперсных, когерентных с сх- 
матрицей частиц а2-фаза.

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 05-03-33177а. 

Выводы

1. Проведенные исследования показали, что титановый сплав Ti-8AI-2Mo- 
2Zr-0,2Si-0,1Fe является термически стабильным при выдержках до 30 часов в 
интервале температур 750-950 °С. Изотермическая выдержка при 700 °С свыше 
20 часов приводит к выделению в нем а2-фазы.

2. В сплаве Ti-10AI-2Mo-2Zr-0,2Si-0,1 Fe процесс выделения (х2-фазы начинается при небольших временах выдержки (от 30-ти минут) при температурах 
от 700 до 900 °С. При температуре 950°С сплав Ti-10AI-2Mo-2Zr-0,2Si-0,1 Fe 
термически стабилен в течение 30-ти часов.

Литература

1. Титановые сплавы в конструкциях и произЕЮдстве авиадвигателей и авиационно-космической техники/ Б.А. Колачев, Ю.С. Елисеев, А.Г. Братухин, В.Д. Талалаев / Под ред. А.Г. Братухина -  М.: издательство МАИ, 2001. -  412с.

2. Глазунов С.Г., Павлов Г.А, Тегюхин В.В. Алюминиды титановых сплавов, как 
новые конструкционные материалы для авиакосмического машиностроения. 
/ Металловедение и термическая обработка. -  М.: ВИЛС, 1991. -  С. 84.

3. Полькин И.С., Колачев Б.А., Ильин А.А. Алюминиды титана и сплавы на их 
основе. // Технология легких сплавов (ВИЛС). 1997, № 3. -  С. 32-38.

4. Белов С.П., Ильин А.А., Мамонов А.М., Александрова А.В. Теоретический анализ процессов упорядочения Е; сплавах на основе T13AI. П. Влияние водорода 
на устойчивость интерметаллида Ti3AI // Металлы, 1994, №2. -  С.76 -  80.

5. Белов С.П., Ильин А.А., Мамонов А.М., Александрова А.В. Анализ процессов 
упорядочения в сплавах на основе Ti3AI. О механизме упорядочения в сплавах на основе соединения Ti3AI// Металлы, 1994, №1. -  С. 134-138.

Научные труды МАТИ, 2006 г. Вып. 11 (83)
9