Современные жаростойкие материалы и системы металл- покрытие : высокотемпературное окисление сплавов на основе y-TiAl и их микродуговое оксидирование

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

№ 2416 

Кафедра защиты металлов и технологии поверхности
 

 
 
 
Современные жаростойкие 
материалы и системы  
металл–покрытие 

Высокотемпературное окисление  
сплавов на основе γ-TiAl и их микродуговое  
оксидирование 

Курс лекций 

Допущено Учебно-методическим объединением высших учебных 
заведений РФ по образованию в области материаловедения, 
технологии материалов и покрытий в качестве учебного пособия 
для студентов высших учебных заведений, обучающихся  
по направлению подготовки магистров 22.04.01  
«Материаловедение и технологии материалов» 

Москва  2015 

УДК 620.197 
 
С56 

Р е ц е н з е н т ы :  
д-р техн. наук, проф. А.В. Кудря; 
канд. хим. наук В.В. Душник (ИФХЭ РАН) 

Авторы: А.Г. Ракоч, А.А. Гладкова, Ю.А. Пустов, И.В. Бардин 

Современные жаростойкие материалы и системы металл– 
С56 покрытие : высокотемпературное окисление сплавов на основе γ-TiAl и их микродуговое оксидирование : курс лекций / 
А.Г. Ракоч [и др.]. – М. : Изд. Дом МИСиС, 2015. – 48 с. 
ISBN 978-5-87623-834-4 

Описаны структура легких конструкционных сплавов на основе γ-TiAl, особенности их высокотемпературного окисления и перспективный метод для создания поверхности защитных покрытий. Рассмотрены основы теории газовой высокотемпературной коррозии металлических материалов и ее применение для описания закономерностей окисления сплавов на основе γ-TiAl с использованием практически всех основных механизмов окисления. Кратко описан широко применяемый в настоящее время как в России, так и за рубежом метод микродугового оксидирования, позволяющий получать покрытия с высокими функциональными свойствами на изделиях из легких конструкционных сплавов. Показана перспективность применения этого метода для получения легких жаропрочных и жаростойких 
материалов на основе легких сплавов, необходимых для создания двигателей, в том 
числе авиационных.  
Предназначен для студентов высших учебных заведений, обучающихся 
по направлению подготовки магистров 22.04.01 «Материаловедение и технологии материалов» и, в частности, по профильной направленности «Модифицирование поверхностей металлов и защита от коррозии». Может быть рекомендован студентам магистратуры, обучающимся по профильным направленностям, связанным с технологиями обработки поверхности металлических и композиционных материалов, и аспирантам, работающим в области 
исследований коррозионных процессов и защиты от коррозии. 

УДК 620.197 

ISBN 978-5-87623-834-4 
© Коллектив авторов, 2015 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Введение................................................................................................................4 
1. Сплавы на основе алюминидов титана  
и их высокотемпературное окисление...................................................6 
1.1. Алюминиды титана и сплавы на их основе..........................................6 
1.2. Краткие сведения по структуре  и механическим  
свойствам интерметаллида  γ-TiAl и сплавам на его основе....................7 
1.3. Высокотемпературное  окисление сплавов на основе γ-TiAl .........11 
1.4. Кинетические особенности высокотемпературного (900 °C)  
окисления сплавов (% ат.) Ti–47,5Al  и Ti–43,5Al–4,5Nb–1,7Mo..........18 
2. Перспективность метода микродугового оксидирования   
для увеличения жаростойкости сплавов на основе γ-TiAl ................28 
2.1. Описание процесса  микродугового оксидирования........................28 
2.2. Разработка технологического режима МДО сплавов  
на основе алюминидов титана  для увеличения их  
жаростойкости  и термостойкости при температуре 900 °С ..................35 
Заключение .........................................................................................................46 
Библиографический список.............................................................................47 
 

Введение 

Создание новых классов легких материалов, способных работать 
в условиях высоких температур, обусловлено острой потребностью машиностроительной, судостроительной и, в первую очередь, авиационной промышленности в них. Разработка технологий производства высокотемпературных титан-алюминиевых сплавов со специальной микроструктурой, упрочняющим и модифицирующим легированием и надежными защитными покрытиями позволит в будущем использовать 
их в наиболее экстремальных эксплуатационных условиях. Критичными параметрами применения новых жаропрочных материалов является 
их удельная прочность, жаростойкость и термостойкость.  
Применение высокотемпературного материала на основе алюминидов титана с защитным покрытием, имеющего малую удельную 
массу (до 4 г/см3), позволит до 50 % увеличить отношение подъемная 
сила/вес авиационных двигателей по сравнению с лучшими современными аналогами, созданными на основе никелевых спецсплавов 
(superalloys) с плотностью около 9 г/см3.  
Наиболее перспективными являются сплавы на основе γ-TiAl. Ряд 
сплавов на основе этого интерметаллида обладают не только высокими литейными свойствами, но и комплексом разных механических 
свойств: прочностью, пластичностью, сопротивлением усталости и, 
самое главное, жаропрочностью. В настоящее время уже разработаны сплавы на основе γ-TiAl, имеющие высокий предел прочности и 
малую ползучесть при температурах, значительно превышающих 
650 °С. Критичными параметрами применения новых жаропрочных 
материалов остаются их жаростойкость и термостойкость.  
Увеличить жаростойкость и термостойкость сплавов на основе γ-TiAl 
возможно, зная механизмы высокотемпературного окисления алюминидов, влияния легирующих элементов на скорость их окисления, 
а также разработав эффективные методы получения на их поверхности защитных покрытий.  
Кроме того, для увеличения надежности работы сплавов на основе γ-TiAl их износостойкость, в частности при работе в качестве турбинных лопаток в авиационных газотурбинных двигателях, должна 
быть значительно увеличена.  
Для увеличения жаростойкости сплавов на основе γ-TiAl их легируют различными элементами, в том числе имеющими большую валентность, чем валентность титана, в частности Nb; модифицируют 
их поверхностные слои; проводят комплексную защиту – легирование с последующей модификацией их поверхности.  

Основным методом модифицирования поверхностных слоев алюминидов титана является их насыщение элементами, которые при 
высоких температурах в кислородосодержащей газовой среде образуют пленку с низкой диффузионной проницаемостью реагирующих 
компонентов через нее. С этой целью применяют различные способы 
насыщения поверхностных слоев сплавов на основе алюминидов титана: диффузионное их обогащение алюминием или кремнием и 
алюминием из порошков с использованием галогенида в качестве 
активатора; ионную имплантацию, приводящую к вхождению в эти 
слои таких элементов, как Al, Si, W, Nb; магнетронное распыление, 
например, нанесение на поверхность элементов Zr(Ni)–Cr–Al–Y, которые диффундируют в поверхностные слои сплава при его высокотемпературном окислении при 800…900 °С; погружение сплава 
в расплав силумина (горячий способ); нанесение кремния на алюминиды титана с использованием электрической дуги и последующим 
отжигом образцов в вакууме, предварительное азотирование сплавов 
на основе γ-TiAl для увеличения его износостойкости при высоких 
температурах. 
Однако эти способы имеют существенные недостатки: необходимость тщательной подготовки поверхности сплавов на основе алюминидов титана и в большом ряде случаев использование дорогостоящего оборудования, создание вакуума или атмосферы из инертного газа или азота, аммиака, уменьшение защитной способности 
покрытий при длительной эксплуатации изделий при высоких температурах вследствие диффузии легирующих элементов в металлическую основу. 
Наиболее перспективным оказался метод микродугового оксидирования, который позволяет получать покрытия, увеличивающие жаростойкость и износостойкость сплавов на основе γ-TiAl.