¹Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт металлургии и материаловедения
им. А. А. Байкова РАН», Москва, Россия ; ²Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», Москва, Россия:

Т. К. Акопян, научный сотрудник^1,2 , эл. почта: nemiroffandtor@yandex.ru

Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», Москва, Россия:
Н. О. Короткова, аспирант, инженер кафедры «Обработка металлов давлением»
А. П. Долбачев, магистрант, инженер кафедры «Литейные технологии и художественная обработка
материалов»

Межведомственный аналитический центр, Москва, Россия:

Н. И. Дашкевич, руководитель направления

С использованием расчетно-экспериментальных методов проведен анализ фазового состава и структуры после кристаллизации, охлаждения и последующей термообработки, включающей горячее изостатическое прессование (ГИП) γ-сплава типа TNM. Выполненный в программе Thermo-Calc термодинамический анализ выявил, что изучаемый сплав TNM + C (% (ат.): 43,00 Al; 4,46 Nb; 1,06 Mo; 0,83 Cr) аналогично базовому сплаву TNM (Ti43,5Al4Nb1Mo0,1B) является β-затвердевающим, т. е. в равновесных условиях его кристаллизация заканчивается в β-области. После чего следует ряд твердофазных превращений: полиморфное превращение β→α, выделение вторичных кристаллов γ-фазы и эвтектоидное превращение α→α₂+β+γ. С использованием модели Sheil – Gulliver был проведен анализ неравновесной кристаллизации изучаемого сплава. Установлено, что в процессе неравновесной кристаллизации кроме β-фазы образуются фазы α и γ по соответствующим перитектическим реакциям: L+β→α и L+α→γ. При этом неравновесная кристаллизация заканчивается при более низкой температуре, которая достигает 1250 ^оС. Исследования в сканирующем и просвечивающем электронных микроскопах микроструктуры сплава TNM + С в литом состоянии и после вакуумного отжига при 1250 ^оС показали, что основной структурной составляющей являются эвтектоидные колонии, состоящие из пластин интерметаллидных фаз γ и α₂, толщиной порядка 250 нм после отжига. По границам эвтектоидных колоний выявляются частицы β- и γ-фаз. Качественный и количественный анализ микроструктуры сплава после ГИП-обработки при температуре 1250 ^оС и избыточном давлении 170 МПа выявил ряд существенных различий по сравнению с отжигом в вакууме при той же температуре. Структура сплава становится более грубой, что выражается в увеличении размеров эвтектоидных колоний, при этом толщина эвтектоидных пластин γ- и α₂-фаз достигает 300–350 нм. Кроме этого, наблюдается существенное изменение в соотношении фаз. В частности, количество γ-фазы повышается более чем в 5 раз (с 6 до 34 % (об.)), при этом количество -фазы уменьшается практически вдвое (82 до 40 % (об.)). Высокая доля γ-фазы в сплаве после ГИП-обработки приводит к снижению его твердости (HV10) на ~70 единиц по сравнению с отжигом в вакууме и составляет ~350 единиц.

Работа проведена при поддержке РФФИ, грант на выполнение работ по научному проекту № 16-33-01108 (мол_а) «Разработка физико-химических основ управления фазовым составом, структурой и свойствами перспективных сплавов на основе алюминидов титана».

1. Appel F., Paul J. D. H., Oehring M. Gamma titanium aluminide alloys. — Wiley, 2011. — 746 р.
2. Wu X. Review of alloy and process development of TiAl alloys // Intermetallics. 2006. Vol. 14. P. 1114–1122.
3. Hu D., Wu X., Loretto M. H. Advances in optimization of mechanical properties in cast TiAl alloys // Intermetallics. 2005. Vol. 13. P. 914–919.
4. Güther V., Rothe C., Winter S., Clemens H. Metallurgy, microstructure and properties of intermetallic TiAl ingots // Berg and Hüttenmännische Monatshefte. 2010. Vol. 155. P. 325–329.
5. Clemens H., Wallgram W., Kremmer S., Güther V., Otto A., Bartels A. Design of novel β-solidifying TiAl alloys with adjustable β/B2-phase fraction and excellent hot-workability // Adv. Eng. Mater. 2008. Vol. 10. P. 707–713.
6. Clemens H., Mayer S. Design, processing, microstructure, properties, and applications of advanced intermetallic TiAl alloys // Adv. Eng. Mater. 2013. Vol. 15. P. 191–215.
7. Hongsheng Ding, Ge Nie, Ruirun Chen et al. Influence of oxygen on microstructure and mechanical properties of directionally solidified Ti – 47Al – 2Cr – 2Nb alloy // Mater. Des. 2012. Vol. 41. P. 108–113.
8. Wang Y., Wang J. N., Yang J., Zhang B. Control of a finegrained microstructure for cast high-Cr TiAl alloys // Materials Science and Engineering: A. 2005. Vol. 392. P. 235–239.
9. Bartels A., Koeppe C., Mecking H. Microstructure and properties of Ti – 48Al – 2Cr after thermomechanical treatment // Materials Science and Engineering: A. 1995. Vol. 192/193. P. 226–232.
10. Huang Z. W., Voice W., Bowen P. Thermal exposure induced α₂+γ→B2(ω) and α₂→B2(ω) phase transformations in a high Nb fully lamellar TiAl Alloy // Scr. Mater. 2003. Vol. 48. P. 79–84.
11. Jin Y., Wang J. N., Yang J., Wang Y. Microstructure refinement of cast TiAl alloys by solidification // Scr. Mater. 2004. Vol. 51. P. 113–117.
12. Hao Y. L., Yang R., Cui Y. Y., Li D. The influence of alloying on the α₂/(α₂ + γ) phase boundaries in TiAl based systems // Acta. Mater. 2000. Vol. 48. P. 1313–1324.
13. Ильин А. А., Колачев Б. А., Полькин И. С. Титановые сплавы. Состав, структура, свойства : справочник. — М. : ВИЛС-МАТИ, 2009. — 520 с.
14. Witusiewicz V. T., Bondar A. A., Hecht U., Velikanova T. Ya. The Al – B – Nb – Ti system: IV. Experimental study and thermodynamic re-evaluation of the binary Al – Nb and ternary Al – Nb – Ti systems // J. of Alloys and Compounds. 2009. Vol. 472. P. 133–161.
15. Hao Y. L., Yang R., Cui Y. Y., Li D. The influence of alloying on the α₂/(α₂ + γ)/γ phase boundaries in TiAl based systems // Acta materialia. 2000. Vol. 48. P. 1313–1324.
16. Kainuma R., Fujita Y., Mitsui H. et al. Phase equilibria among  α (hcp), β (bcc) and γ (L₁₀) phases in Ti – Al base ternary alloys // Intermetallics. 2000. Vol. 8. P. 855–867.
17. Kuang J. P., Harding R. A., Campbell J. The effects of HIP pore closure and age hardening on primary creep and tensile property variations in a TiAl XD™ alloy with 0,1 wt.% carbon // Materials Science and Engineering: A. 2002. Vol. 31. P. 329–331.
18. Huang A., Hu D., Loretto M. H., Mei J., Wu X. The influence of pressure on solid-state transformations in Ti – 46Al – 8Nb // Scr. Mater. 2007. Vol. 56. P. 253–256.
19. ГОСТ 2999–75. Металлы и сплавы. Метод измерения твердости по Виккерсу. — Введ. 1976–07–01.
20. Belov N. A., Akopyan T. K., Belov V. D., Gershman J. S., Gorshenkov M. V. The effect of Cr and Zr on the structure and phase composition of TNM gamma titanium aluminide alloy // Intermetallics. 2017. Vol. 84. P. 121–129.
21. Kartavykh A. V., Asnis E. A., Piskun N. V., Statkevich I. I., Stepashkin A. A., Gorshenkov M. V., Akopyan T. K. Complementary thermodynamic and dilatometric assessment of phase transformation pathway in new β-stabilized TiAl intermetallics // Materials Letters. 2017. Vol. 189. P. 217–220.
22. Schwaighofer E., Clemens H., Mayer S., Lindemann J., Klose J., Smarsly W., Güther V. Microstructural design and mechanical properties of a cast and heattreated intermetallic multi-phase γ-TiAl based alloy // Intermetallics. 2014. Vol. 44. P. 128–140.