Metalurgická príprava intermetalických zliatin Ti-Al-Ta časť 1

V predloženej práci sme študovali proces výroby intermetalickej zliatiny Ti-46Al-8Ta (at.%) plazmovým tavením. Dvojstupňová metalurgická príprava intermetalickej zliatiny pozostávala z indukčného tavenia predzliatiny s chemickým zložením Al-14Ta (at.%) a jej následného dvojnásobného plazmového tavenia spolu s čistým Ti. Mikroštruktúra binárnej predzliatiny bola tvorená dendritmi intermetalickej fázy Al3Ta a medzidendritickým priestorom, ktorý obsahoval tuhý roztok na báze Al. Zvyšovanie času stabilizácie binárnej taveniny Al-Ta počas indukčného tavenia malo za následok zjemnenie mikroštrukúry a zvýšenie tvrdosti podľa Vickersa. Chemické zloženie ingotov intermetalickej zliatiny Ti-Al-Ta bolo homogénne po dvojnásobnom plazmovom tavení a ich mikroštruktúra pozostávala z rovnoosých lamelárnych zŕn tvorených fázami γ(TiAl) a α2(Ti3Al).

1 Úvod

Intermetalické zliatiny na báze TiAl sú perspektívne materiály pre vysokoteplotné aplikácie. Vďaka ich unikátnym vlastnostiam ako sú nízka merná hmotnosť, vysoká pevnosť pri izbových teplotách, dobrá lomová húževnatosť, vysoká creepová pevnosť a dobrá odolnosť voči oxidácii sa tieto zliatiny využívajú najmä v leteckom a automobilovom priemysle na výrobu lopatiek vysokotlakových  kompresorov leteckých motorov, turbín, ventilov a turbodúchadiel. Zámerom použitia TiAl v týchto aplikáciách je nahradiť ťažšie niklové superzliatiny v určitom rozsahu napätia a teploty [1-3]. Zliatiny na báze TiAl patria do skupiny materiálov s obsahom Al od 35 do 49 at.%. Štruktúra týchto zliatin je tvorená fázami α2(Ti3Al) s hexagonálnou štruktúrou DO19 a γ(TiAl) s tetragonálnou štruktúrou L10 [1, 4]. V závislosti na chemickom zložení a tepelnom spracovaní môžu tieto zliatiny vytvárať čisto lamelárnu, takmer lamelárnu, duplexnú alebo takmer γ štruktúru. Plne lamelárna alebo takmer lamelárna štruktúra je tvorená lamelami fáz γ a α2 [5]. Chemické zloženie intermetalických zliatin na báze TiAl sa spravidla pohybuje v rozmedzí Ti-(45-49)Al-(0-2)(Cr, Mn, V)-(0.5-5)(Nb, W, Mo)-(0-1) (Si, B,C) (at.%) [1]. Úlohou tretieho legujúceho prvku je okrem zvýšenia pevnosti a odolnosti voči oxidácii (Nb, Ta) aj zvýšenie ťažnosti (V, Cr, Mn) a creepovej pevnosti (W, C) [6]. Príprava a spracovanie intermetalických zliatin na báze TiAl je veľmi náročné. Dôvodom je vysoká reaktivita titánu a jeho zliatin, ktorá vyžaduje ochranu taveniny pred oxidáciou a tiež použitie špeciálnych keramických materiálov na kelímky a  formy na odliatky [2, 7]. Jednou z možností prípravy je ich tavenie a odlievanie použitím oblúkových, plazmových alebo indukčných pecí [2]. Medzi často používané spôsoby výroby týchto zliatin patrí technológia plazmového tavenia, ktorá umožňuje dosiahnuť vysoké koncentrácie tepelnej energie a tavenie materiálov v kovových kryštalizátoroch. Výhoda tavenia vysokoreaktívnych materiálov v plazmovej peci oproti oblúkovým peciam spočíva v zabránení znečistenia taveného materiálu z používaných elektród. Ďaľšou výhodou napr. oproti vákuovým peciam je tavenie v inertnom plyne, čím sa vplyvom tlaku znižuje odparovanie kovu. Využitie plazmovej pece s vodou chladeným medeným kryštalizátorom tak umožňuje prípravu kovov najvyššej čistoty. Výhodou tohto procesu je získanie veľmi vysokej teploty, možnosť riadenia parametrov tepelného zdroja a ovplyvňovanie atmosféry vo vnútri pece [7].

2 Experiment

Na prípravu zliatiny s chemickým zložením Ti-46Al-8Ta (at.%) sme použili vstupné suroviny, ktoré pozostávali z Ti (čistota 99,39%) vo forme huby, Al (čistota 99,22%) vo forme kúskov a Ta (čistota 99,99%) vo forme triesok, ako je ukázané na Obr. 1.

Obr. 1 Vstupné materiály.

Vzorky na mikroštruktúrne analýzy sme vyrobili elektroiskrovým rezaním ingotov v troch rôznych oblastiach (v strede, v hornej a dolnej časti ingotu). Metalografické výbrusy vzoriek pre svetelnú mikroskopiu sme chemicky leptali v roztoku: 150 ml H2O, 25 ml HNO3 a 10 ml HF. Na mikroštrukrúrne analýzy sme použili svetelný mikroskop (SM) a energiovo-disperznú spektroskopiu (EDS). Vzdialenosť sekundárnych vetiev dendritov sme merali pomocou programu na obrazovú analýzu SigmaScan Pro 5. Namerané výsledky sme štatisticky spracovali pomocou programu SigmaPlot 9. Tvrdosť podľa Vickersa sme merali v troch rôznych oblastiach ingotov pri zaťažení 98 N. Pre minimalizáciu chyby sme meranie tvrdosti na každom povrchu opakovali minimálne 30 krát.

2.1 Indukčné tavenie Al-Ta

V dôsledku vysokej teploty tavenia čistého Ta (2997 °C) sme ako prvý stupeň metalurgickej prípravy použili indukčné tavenie predzliatiny s chemickým zložením  Al-14Ta (at.%). Toto chemické zloženie sme vybrali na základe binárneho fázového diagramu Al-Ta (Obr. 2), čím sme získali predzliatinu s teplotou tavenia len ~ 1527 °C, ktorá je výrazne nižšia ako teplota tavenia čistého Ta.

Obr. 2 Binárny diagram Al-Ta [8].

Tavenie prebiehalo vo vákuu (5 Pa) v indukčnej peci DEGUSSA (Obr. 3). Vsádzku sme vložili do keramického kelímka na báze Al2O3. Výkon pece sme počas 20 min tavenia postupne zvyšovali z 1,5 kW na 10 kW. V čase keď sa začal odparovať Al, bola pec napustená Ar na podtlak 30-35 kPa. Po roztavení celej vsádzky sme taveninu odliali do medenej kokily. Týmto spôsobom sme pripravili 5 ingotov s rôznym časom stabilizácie taveniny od 60 do 270 s.

Obr. 3 Indukčná pec Degussa.

2.2 Plazmové tavenie Ti-Al-Ta

Druhý stupeň metalurgickej prípravy zliatiny pozostával z dvojnásobného plazmového tavenia binárnych systémov pripravených indukčným tavením spolu s Ti hubou v plazmovej peci s horizontálnym kryštalizátorom (Obr. 4).

Obr. 4 Plazmová pec s horizontálnym kryštalizátorom.

Predzliatinu Al-Ta sme spolu s Ti hubou vložili do kryštalizátora, ktorý sa pohyboval v smere osi x rýchlosťou v = 170 cm/hod. Zdrojom tepla v plazmovej peci bol plazmový horák (Obr. 5), ktorým je plazma privádzaná po celej dĺžke kryštalizátora. Výkon pece sa počas tavenia pohyboval  v rozpätí 29 až 68 kW, čím sa zabezpečila maximálna teplota taveniny ~ 1650°C [9].

Obr. 5 Horák plazmovej pece.

3 Výsledky a diskusia

3.1 Analýza predzliatiny Al-Ta pripravenej indukčným tavením

Typická makroštruktúra ingotu z predzliatiny Al-Ta po indukčnom tavení je ukázaná na Obr. 6. Týmto spôsobom sme pripravili ingoty s dĺžkou 90 mm a hmotnosťou 441 g.

Obr. 6 Ingot Al-Ta po indukčnom tavení a čase stabilizácie t = 110 s.

Pomocou plošnej EDS analýzy sme určili chemické zloženie ingotov predzliatiny Al-Ta po rôznych časoch stabilizácie taveniny. Ako je vidieť z Obr. 7, chemické zloženie jednotlivých ingotov sa v závislosti na čase stabilizácie výrazne nemenilo, pričom obsah Al sa pohyboval v rozsahu (81,4 ± 2,3) at.%, Ta (14,1 ± 1,3) at.% a O (4,3 ± 1,1) at.%. Avšak v dôsledku vyparovania Al počas tavenia sa znížil jeho obsah v ingotoch po indukčnom tavení oproti naváženému množstvu z 86 at.% vo vsádzke na (81,4 ± 2,3) at.% [10].

Obr. 7 Priemerné chemické zloženie predzliatiny Al-Ta po indukčnom tavení.

Obr. 8 znázorňuje typickú dendritickú mikroštruktúru ingotov pripravených indukčným tavením a čase stabilizácie taveniny t = 60 s (Obr. 8a) a = 270 s (Obr. 8b). Na základe EDS analýzy, dendrity sú tvorené 71,37 at.% Al a 28,63 at.%. Ta, čo podľa binárneho diagramu Al-Ta predstavuje intermetalickú fázu Al3Ta. Medzidendritický priestor je tvorený 98,11 at.% Al, ktorý je vo forme tuhého roztoku α(Al) [10].

Obr. 8 Mikroštruktúra ingotov Al-Ta pripravených indukčným tavením a čase stabilizácie taveniny: (a) t = 60 s,(b) t = 270 s.

Ako je vidieť z mikroštrukrúrnej analýzy, zvyšujúci sa čas stabilizácie taveniny t mal za následok zjemňovanie dendritickej štruktúry, a tým aj znižovanie vzdialeností sekundárnych vetiev dendritov λ2. Meraním λ2 sme zistili, že so zvyšujúcim sa časom stabilizácie klesala priemerná hodnota λ2 z (11,2 ± 0,3) mm pri t = 60 s na (7,8 ± 0,3) mm pri t = 270 s.

Lapin a Gabalcová [11] v systémoch Ti-Al-Nb a Ti-Al-Ta pripravených usmernenou kryštalizáciou potvrdili,  že λ2 klesá so zvyšujúcou sa rýchlosťou ochladzovania v podľa vzťahu [12]

kde K je materiálová konštanta a n je exponent rýchlosti ochladzovania. Rýchlosť ochladzovania je definovaná ako [13]

kde GL je teplotný gradient v tavenine na rozhraní tuhá fáza-tavenina a V je rýchlosť odlievania. Zjemňovanie dendritickej štruktúry teda súvisí so zvyšovaním rýchlosti ochladzovania, ktorá závisí od teploty prehriatia taveniny.

3.1.1 Vplyv času stabilizácie na tvrdosť binárnej predzliatiny

Obr. 9 znázorňuje grafickú závislosť tvrdosti podľa Vickersa v troch rôznych častiach ingotu. Ako je vidieť z grafu, tvrdosť HV výrazne stúpa so zvyšujúcim sa časom stabilizácie taveniny t.

Obr. 9 Vplyv stabilizácie taveniny na tvrdosť predzliatiny Al-Ta.

Keďže obsah kyslíka sa vo všetkých vzorkách po indukčnom tavení so zmenou parametrov tavenia relatívne nemení (Obr. 7), stúpanie tvrdosti z HV = 65 pri t = 60 s na HV = 78 pri t = 270 s je pravdepodobne zapríčinené zjemnením dendritickej štruktúry z dôvodu zvýšenia rýchlosti ochladzovania počas kryštalizácie. Ako ukázal vo svojich prácach Lapin a kol. [14], zvyšovanie tvrdosti v zliatinách na báze TiAl výrazne závisí na zvyšovaní rýchlosti ochladzovania v počas kryštalizácie. Nakoľko pri dlhých časoch stabilizácie taveniny je veľmi ťažké udržať počas indukčného tavenia konštantnú teplotu taveniny, domnievame sa, že zvýšenie tvrdosti, a tým aj klesanie vzdialenosti sekundárnych vetiev dendritov je zapríčinené zvýšením teploty prehriatia taveniny, a tým aj zvýšením rýchlosti ochladzovania počas odlievania.

3.2 Analýza zliatiny Ti-Al-Ta pripravenej plazmovým tavením

Na Obr. 11 je znázornený typický ingot  Ti-Al-Ta pripravený dvojnásobným plazmovým tavením v horizontálnom kryštalizátore počas 20 min. Hmotnosť ingotu bola približne 1300 g. Ako je ukázané na Obr. 10, mikroštruktúra v celom priereze ingotu je tvorená rovnoosými lamelárnymi zrnami tvorenými lamelami fáz α2 a  γ. Plošnou EDS analýzou sme určili chemické zloženie ingotu, ktoré bolo tvorené 44,52 at.% Ti, 45,97 at.% Al, 8,86 at.% Ta a 0,65 at.% O [10].

Obr. 10 Typická mikroštruktúra ingotu Ti-Al-Ta pripraveného dvojnásobným plazmovým tavením počas 15 min.

Obr. 11 Ingot zliatiny Ti-Al-Ta pripravený dvojnásobným plazmovým tavením.

 

4 Záver

V  práci sme sa zaoberali metalurgickou prípravou zliatiny typu Ti-Al-Ta pomocou plazmového tavenia v horizontálnom, vodou chladenom kryštalizátore. Získané výsledky možno zhrnúť nasledovne:

1. Dôležitou súčasťou prípravy zliatiny s požadovaným chemickým zložením je rozpustenie ťažkotaviteľného Ta pomocou indukčného tavenia predzliatiny Al-Ta.

2. Mikroštruktúrnou analýzou binárneho systému Al-Ta sme zistili, že so zvyšujúcim sa časom stabilizácie taveniny vzrastala tvrdosť predzliatiny a klesala vzdialenosť sekundárnych vetiev dendritov.

3. EDS analýzou sme zistili, že dendritická štruktúra v systéme Al-Ta je tvorená intermetalickou fázou Al3Ta a medzidendritický priestor je tvorený tuhým roztokom α(Al).

4. Dvojnásobným plazmovým tavením predzliatiny Al-Ta s čistým Ti sme pripravili ingoty intermetalickej zliatiny Ti-Al-Ta s technicky prijateľnou variáciou hlavných legujúcich prvkov, v ktorých obsah kyslíka prevyšoval povolený maximálny limit. Mikroštruktúra ingotov pozostávala z rovnoosých zŕn, ktoré boli tvorené lamelami fáz α2(Ti3Al) a γ(TiAl).

Poďakovanie

Autorka príspevku ďakuje Agentúre na podporu výskumu a vývoja za finančnú podporu v rámci projektu APVV-0009-07.

Použitá literatúra

  1. APPEL, F. – OEHRING, M. – WAGNER, R.: Novel design concepts for gamma-base titanium aluminide alloys, Intermetallics. 8,2000, p. 1283-1312.
  2. Porter, W. J. – Kim, Y. W. – Li, K. – Rosenberger, A. H. – Dimiduk, D. M.: In: K. J. Hemker et al. (Ed.), Structural Intermetallics 2001. TMS, Warrendale, PA, USA, 2001, p. 139-241.
  3. APPEL, F. – WAGNER, R.: Microstructure and deformation of two-phase y-titaniumaluminides, Mater. Sci. Eng. A 22, 1998, p. 187-268.
  4. IMAYEV, R.M. – IMAYEV, V.M. - OEHRING, M. –APPEL, F.: Alloy design concepts for refined gamma titanium aluminide based alloys, Intermetallics, 15, 2007, p. 451-460.
  5. LAPIN, J. – PELACHOVÁ, T.: Microstructural stability and microhardness of a cast TiAl-based alloy for turbine blade applications, Kovove Mater., 42, 2004, p. 143-155.
  6. LAPIN, J.:TiAl-based alloys: present status and future perspectives. In: 18th International Conference on Metallurgy and Materials, 19-21.5. 2009, Hradec nad Moravicí, Czech republic, METAL 2009, Conferenceproceeding, 2009, (CD ROM - Príspevok v zborníku a prednesená vyžiadaná plenárna prednáška).
  7. DEBOVSKý, V.: Plazmová metalurgie, Praha, SNTL, 1978.
  8. Witusiewicz, V.T. – Bondar,   A.A. Hecht U. –  Zollinger, J. –Petyukh,V.M. –  Fomichov, O.S. – Voblikov,V.M. – RexaS.: Experimental study and thermodynamic re-assessment of the binary Al-Ta system, Intermetallics, 18, 2010, p. 92-106.
  9. LAPIN, J. – PELACHOVÁ, T. – WITUSIEWICZ, V.T. – DOBROČKA, E.: Effect of long-term ageing on microstructure stability and lattice parameters of coexisting phases in intermetallic Ti-46Al-8Ta alloy, Intermetallics, In Press, Corrected Proof, Available online 23 October 2010.
  10. LAPIN, J. – FRKÁŇOVÁ, K. – STANEKOVÁ, H. -GABALCOVÁ, Z. – DEMIAN, S.: Effect of compaction of elemental materials on plasma melted ingots of intermetallic Ti-Al-Ta alloy, In preparation.
  11. Lapin, J. – Gabalcová, Z.:Solidification behaviour of TiAl-based alloys studied by directionalsolidification technique, zaslané doIntermetallics, 2009.
  12. Flemings,M.C.:Solidification Processing,McGraw-Hill, NY, USA, 1974.
  13. DANTZIG, J.A. – RAPPAZ, M.: Solidification.Taylor& Francis, London, UK, 2009.
  14. LAPIN, J. – GABALCOVÁ, Z. – BAJANA, O. – DALOZ, D.: Effect of heat treatments on the microstructure and mechanical properties of a cast Ti-44Al-4Nb-4Zr-0.2Si-0.3B alloy, Kovové Mater, 44, 2006, p. 297-306.