Введение 4
1 Структура и свойства алюминидов титана и способы формирования покрытий на их основе 6
1.1 Структура и фазовый состав алюминидов титана 6
1.2 Свойства алюминидов титана 8
1.3 Способы алитирования 12
2 Методика исследования процессов алитирования титана, структуры и свойств алитированных покрытий 19
2.1 Методики исследования процессов смачивания титана алюминиевыми расплавами 19
2.2 Методика исследования прочности сцепления слоев титана и алюминия 26
2.3 Методика проведения рентгеноспектрального анализа слоистого композиционного материала титан – алюминий 29
2.4 Исследования жаростойкости алитированных слоев 32
3 Исследование процессов алитирования титана 35
3.1 Исследования процессов смачивания и растекания алюминия по титану и прочности сцепления покрытия 35
3.2 Исследование влияния кремния на процессы смачивания и растекания алюминия по титану и прочность сцепления покрытия 37
3.3 Исследование влияния циркония на процессы смачивания и растекания алюминия по титану и прочность сцепления покрытия 41
3.4 Исследование влияния времени выдержки в алюминиевом расплаве на процессы алюминирования титана 47
3.5 Исследование влияния диффузионного отжига на структуру алитированных покрытий на титане 54
4 Исследование жаростойкости титана с алитированным покрытием 63
4.1 Жаростойкость алитированных покрытий в алюминиевом расплаве и в расплаве силумина 63
4.2 Жаростойкость алитированных покрытий в алюминиевом расплаве легированном цирконием 69
Заключение 72
Список используемых источников 74
В промышленности титан один из широко применяемых конструкционных металлов. Порядковый номер титана в таблице Д.И. Менделеева – 22. Плотность титана 4,51 г/см3. Температура плавления - Tпл=1668°С, а температура кипения - Tкип=3260 °С.
Преимуществами титана и его сплавов, которые обеспечивают его широкое применение в промышленности в качестве конструкционного металла являются:
- низкая плотность (4510 кг/м3), которая обеспечивает уменьшение массы машин и агрегатов;
- высокие показатели прочности, в том числе и при повышенных температурах (250-500 °С);
- высокая стойкость в ряде агрессивных сред, которая определяется коррозионной стойкостью пленки оксида титана, образующейся на поверхности титана. Пленка оксида титана прочно связана с титаном и защищает его от взаимодействия с окружающей средой;
- Титан отличается высокой удельной прочностью. Удельная прочность ряда титановых сплавов достигает 30-35, что значительно выше удельной прочности, легированной стали, алюминия и магния, и их сплавов.
Титан наиболее широко применяется для изготовления изделий авиационной отрасли, ракетнокосмической техники и в морском судостроения. Титан, вследствие высокой коррозионной стойкости в ряде агрессивных сред, используется для производства цистерн, химических реакторов, технологических трубопроводов и деталей трубопроводов.
По объему применения в качестве конструкционного металла титан находится на четвертой позиции после железа, алюминия и магния. Широко применяются титановые сплавы и сплавы на основе интерметаллидных фаз титан-алюминий. Интерметаллидные сплавы на основе алюминидов титана отличаются набором неповторяемых эксплуатационных свойств. Алюминиды титана имеют высокую коррозионную стойкость, жаростойкость и жаропрочность, что позволяет их применять в авиастроении, автомобилестроении и химическом машиностроении. Алюминиды титана благодаря биологической совместимости и безвредности применяются в медицине и пищевой промышленности.
Титановые сплавы незаменимый материал, вследствие высокой удельной прочности и низкой плотности, в авиастроении и ракетостроении. Из титановых сплавов изготавливают детали шасси, обшивку, агрегаты, детали реактивных двигателей.
В химическом машиностроении и судостроении титановые сплавы применяют вследствие высокой коррозионной стойкости. Титан обладает высокой коррозионной стойкостью в серной и соляной кислоте и их солях. Из титана изготавливают оборудование для хлорной промышленности, а так же работающее в азотной кислоте. В судостроении титан используется для изготовления винтов, обшивки морских судов, подводных лодок, торпед и т.д.
Однако жаростойкость титана и большинства титановых сплавов ограничена температурой 600 ºС. При более высоких температурах наблюдается интенсивное взаимодействие титана с кислородом с образованием в основном диоксида титана. Для повышения жаростойкости титановых сплавов широко применяются защитные покрытия. В качестве защитных жаростойких покрытий неплохо зарекомендовали интерметаллиды на основе системы титан-алюминий.
Целью работы является повышение жаростойкости титана и титановых сплавов, за счет проведения исследований и разработки технологий формирования на титане покрытий на основе интерметаллидных сплавов системы титан-алюминий.
Проведенные исследования процессов алитирования титана в жидком алюминиевом расплаве с последующим диффузионным отжигом, а также исследование структуры, химического и фазового состава покрытия и его жаростойкости позволили сделать следующие выводы:
- для повышения жаростойкости изделий из титана и титановых сплавов предложено формировать на их поверхности покрытия на основе алюминидов титана;
- проведенный анализ позволил установить наиболее универсальный, производительный способ формирования алюминидов титана на поверхности изделий из титана и титановых сплавов-жидкофазное алитирование;
- на основании проведенных исследований установлены оптимальные составы активирующих флюсов и режимы жидкофазного алитирования тита;
- проведенные исследования показали, что при жидкофазном алитировании в результате фрагментации интерметаллидного слоя нельзя получить алюминидные покрытия требуемых толщин (30-100мкм);
- для получения покрытий на основе алюминидов титана на титане и титановых сплавов предложена двухстадийная технология, включающая жидкофазное алитирование и диффузионный отжиг;
- установлено влияние режимов диффузионного отжига на химический и фазовый состав многослойного алитированного покрытия на титане. Установлено влияние времени выдержки на процессы трансформации алюминидных слоев. Доминирующим слоем при двухстадийном алитировании является слой Ti₃Al;
- проведенные исследования показали значительное увеличение жаростойкости, снижение скорости окисления в 2,5-10 раз титановых изделий с алитированным слоем;
- легирование алитированного слоя кремнием и цирконием повышает жаростойкость покрытия в 1,5-2 раза.
Проведенные исследования показали, что дальнейшая работа в направлении алитирования титана должна быть направлена на поиск наиболее эффективных легирующих компонентов, значительно повышающих жаростойкость поверхности изделий из титана и его сплавов.
