Анотація до роботи:

Кузьменко М.М. „Розробка термодеформованих титанових композитів системи Ti-Si-(Al,Zr) конструкційного призначення для використання в інтервалі температур 20-700 ^оС”.– Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.01 – матеріалознавство. - Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України, Київ, 2006.

Дисертація присвячена розробленню термодеформованих титанових композитів системи Ti-Si-(Al,Zr) та дослідженню впливу режимів деформування на їх структуру, фазовий склад та механічні властивості. Вивчено вплив пластичної деформації модельних та складнолегованих сплавів із вмістом кремнію до 6 % (мас.). Додаткове легування сплавів системи Ti-Si алюмінієм та цирконієм дозволило підвищити модуль пружності до 140 ГПа, що є недосяжним для традиційних титанових сплавів. Запропоновано механізми впливу на низькотемпературну пластичність та короткотривалу жароміцність.

Внаслідок виконаної роботи з’ясовано основні причини обмеження пластичності складнолегованих сплавів системи Ti-Si-(Al,Zr) при кімнатній температурі. Запропоновано перспективні склади та режими термомеханічного оброблення, які дозволяють формувати оптимальні структурні стани для забезпечення кращої комбінації низькотемпературної міцності, пластичності, тріщиностійкості та жароміцності до температури 700 ^оС.

Досліджувані сплави знаходяться на рівні кращих промислових жароміцних титанових сплавів після випробувань при кімнатній температурі та переважають їх по міцності при середніх і підвищених температурах. Дані сплави можуть доповнити ряд традиційних титанових сплавів для роботи при температурах вищих за 600 ^оС.

Ключові слова: титанові сплави, пластичне деформування, композити, термомеханічне оброблення, структуроутворення, фазовий склад, механічні властивості, модуль пружності, жароміцність, жаростійкість.

У дисертації наведено вирішення наукового завдання, що полягає у розробці нових титанових композитів Ti-Si-(Al,Zr) із силіцидним зміцненням для застосування у виробах конструкційного призначення в інтервалі температур 20-700 ^оС та режимів їх гарячого деформування за рахунок досліджень закономірностей еволюції структури, фазового складу та фізико-механічних властивостей. Під час виконання роботи отримані такі основні результати:

1. Показано, що титанові композити системи Ti-Si із евтектичною складовою в литому стані відрізняються покращеними високотемпературними механічними властивостями. Проте їх пластичність при кімнатній температурі є відносно низькою (до 0,8 %). Встановлено, що така низька пластичність обумовлена в першу чергу наявністю первинної дендритної структури та морфологією силіцидної фази, а також особливістю руйнування силіцидних колоній в процесі навантаження.

2. Встановлено, що деформування подвійних сплавів системи Ti-Si призводить до значного покращення їх пластичності та міцності при кімнатній температурі та деякого зниження жароміцності у порівнянні з литим станом. Враховуючи те, що по жароміцності у деформованому стані сплави з 2 % (мас.) кремнію практично не поступаються сплавам з 4 та 6 % (мас.), вони можуть бути рекомендовані як перспективна основа для комплексного твердорозчинного зміцнення матриці за рахунок легування алюмінієм та цирконієм.

3. Виявлено, що додаткове легування сплавів системи Ti-Si алюмінієм та цирконієм призводить до зменшення розчинності кремнію в - фазі. При цьому відбувається одно-часне легування твердого розчину та вихідної зміцнюючої фази Ti₅Si₃, яка трансформується у складнолегований силіцид (Ti,Zr)₅(Al,Si)₃. У процесі термомеханічної обробки комплекснолегова-

них сплавів Ti-Si-(Al,Zr) із вмістом цирконію до 5 % (мас.) відбувається часткове перетворення

вихідної фази (Ti,Zr)₅(Al,Si)₃ на (Ti,Zr)₂(Al,Si).

4. Встановлено немонотонний вплив ступеню деформації на механічні властивості сплаву Ti-3Al-4Si-5Zr. Деформування до ступеню 30 % призводить до руйнування силіцидного каркасу та утворення всередині евтектичних колоній тріщин деформаційної природи, що негативно впливають на властивості сплаву. Підвищення ступеню деформування до 60 та 90 % покращує однорідність структури, заліковує тріщини та інші дефекти литої структури, що суттєво підвищує характеристики міцності (від 800 до 1100 МПа) та пластичності при кімнатній температурі (від 0 до 4-5 %).

5. Запропоновано комплескнолегований сплав з підвищеним вмістом алюмінію (Ti-8Al-2,2Zr-1,4Si) на основі високолегованої - титанової матриці, додатково зміцненої високодисперсною інтерметалідною фазою Ті₃Al та складним силіцидом (Ti,Zr)₅(Al,Si)₃. Встановлено, що при оптимальних режимах деформування такий сплав має високі показники міцності, пластичності та жароміцності.

6. Вивчено вплив легування алюмінієм на характеристики жароміцності. За допомогою термоактиваційного аналізу знайдено температурні інтервали зміни дислокаційних механізмів деформації в залежності від вмісту алюмінію. Встановлено, що збільшення вмісту алюмінію до 8 % (мас.) дозволяє підвищити температуру можливого використання сплавів до 731 ^оС.

7. Встановлено, що температура деформації суттєво впливає на формування структури. ТМО сплаву Ti-8Al-1,4Si-2,2Zr із закінченням деформування в -області призводить до формування пакетної структури та виділень високодисперсних силіцидів із розміром до 1 мкм. ТМО із закінченням деформування в -області при температурі 970 ^оС призводить до формування дисперсної рівновісьової зеренної структури із одночасним подрібненням силіцидної фази. В проміжній (+) області формується перехідна структура. При цьому, завершення ТМО в - області, забезпечує найбільш високу жароміцність (600-653 МПа при 700 ^оС); в - області - найкраще співвідношення низькотемпературної міцності, пластичності, в’язкості руйнування (К_1С близько 50 МПам^1/2) та жароміцності; сплави, деформовані в (+) області, відрізняються підвищеною міцністю при кімнатній температурі (1290-1310 МПа).

8. На державному підприємстві «ХКБД» (м. Харків) були проведені атестаційні випробування накладок на поршень та вхідника компресора для експериментального двигуна, виготовлених із титанових композитів системи Ti-Si-(Al,Zr). Стендові випробування показали, що застосування нових матеріалів дозволило підвищити температуру випускних газів перед турбіною турбонаддування із 847 ^оК до 935 ^оК та покращити цілий ряд техніко-економічних параметрів нового двигуна.

Публікації автора:

1. Голуб С.Я., Котко А.В., Кулак Л.Д., Кузьменко Н.Н., Фирстов С.А. Фазообразование в сплавах Ti-Al-Zr-Si при их закалке из жидкого состояния // Физика металлов и металловедение. -1992. - №6. - С. 94-101.

Здобувачем проведені роботи по отриманню порошків сферичної та лускоподібної форми заданого складу з різними швидкостями охолодження, проведено їх компактування для вивчення фазового складу, обговорено результати із співавторами.

2. Фирстов С.А., Подрезов Ю.Н., Кузьменко Н.Н., Даниленко Н.И., Кулак Л.Д. Изучение влияния пластической деформации на механические свойства эвтектических сплавов системы Ti-Al-Si-Zr // ФТВД. - 2002. - №3. - С. 48-56.

Здобувачем виготовлені зразки для пластичної деформації, проведена термомеханічна обробка сплавів, обговорено результати із співавторами.

3. Баглюк Г.А., Кузьменко Н.Н. Горячая деф-ция жаропрочного титанового сплава с интерметаллидным упрочнением // ФТВД. – 2004. – т.14. - С. 90-97.

Здобувачем виготовлені зразки для пластичної деформації, проведено термомеханічне оброблення сплавів, обговорено результати із співавторами.

4. Порядченко Н.Ю., Кузьменко М.М., Оришич І.В., Кулак Л.Д. Вивчення жаростійкості сплавів титану з кремнієм, алюмінієм і цирконієм // Металофізика і новітні технології.- 2004.- Т. 26, № 4.- С. 559-570.

Здобувачем виготовлені зразки для окиснення, проведено термомеханічне оброблення сплавів Ti-Si-Al-Zr, обговорено результати із співавторами.

5. Порядченко Н.Ю., Кузьменко М.М., Оришич І.В. Дослідження поведінки сплаву ВТ1-0, легованого алюмінієм, кремнієм і цирконієм, при окисленні на повітрі // Фізико- хімічна механіка матеріалів. .- 2005.-Т 41, № 2: 81

Здобувачем виготовлені зразки для окислення, проведено термомеханічне оброблення сплавів Ti-Si-Al-Zr, обговорено результати із співавторами.

6. P. Cavaliere, M. El Mehtedi, E. Evangelista, N. Kuzmenko, O. Vasylyev. Hot forming behaviour of Ti-Al-Zr-Si “in-situ” metal matrix composite by means of hot torsion tests // Editor of Composites: Part A (Elsevier Science Publ.). - 2006.

Здобувачем виготовлені зрази для пластичної деформації, проведено термомеханічне оброблення сплавів, досліджено механічні властивості та структуру отриманого матеріалу та обговорено результати із співавторами.

7. Порошковый сплав на основе титана: А.с. 1818867 (ДСП) СССР, МКИ С22 С 14/00/

/ В.И. Мазур, С.В. Капустникова, Л.Д. Кулак, Н.Н. Кузьменко, С.А. Фирстов. - №4927654/02; Заявл. 16.04.91.

Здобувачем запропоновано режим термомеханічної обробки при компактуванні гранул сплаву титану, досліджено механічні властивості матеріалу.

8. S. Firstov, O. Vasylyev, D. Miracle, M. Kuzmenko. Influence of plastic deformation on structure and properties of Ti-Al-Si-Zr in situ composites // 8-а Міжнародна конференція з композитів (ICCE/8). – Tенеріфе (Spain), 2001.

Здобувачем запропоновано режими термомеханічної обробки досліджуваного сплаву титану, досліджено механічні властивості отриманого матеріалу та обговорено результати із співавторами.

9. M. Kuzmenko, D. Verbilo, O. Koval. Influence of plastic deformation on mechanical behavior of Ti-Al-Si-Zr alloys // International Conference “Science for Materials in the Frontier of Centuries: Advantages and Challenges”. – Kyiv (Ukraine), 2002. - Р.537-538.

Здобувачем виготовлені зрази для пластичної деформації, проведена термомеханічна обробка сплаву, досліджено механічні властивості отриманого матеріалу та обговорено результати із співавторами.

10. S. Firstov, M. Kuzmenko, O. Koval, O. Vasylyev. Structure and mechanical properties of Ti-Si-X in-situ composites // International Conference “Science for Materials in the Frontier of Centuries: Advantages and Challenges”. - Kyiv (Ukraine), 2002. - Р.623-624.

Здобувачем виготовлені зрази для пластичної деформації, проведена термомеханічна обробка сплаву системи Ti-Si-X, досліджено механічні властивості отриманого матеріалу та обговорено результати із співавторами.

11. Kuzmenko M. Effect of thermo-mechanical treatment on structure and properties of Ti-B-X alloys // NATO Advanced Research Workshop “Metallic Mate-rials with High Structural Efficiency”, Kyiv (Ukraine), 2003.

12. B. Vasyliv, A. Ivasyshyn, O. Ostash, S. Firstov, M. Kuzmenko. High-temperature fatigue crack growth resistance of thermo mechanically and heat treated cast Ti-Si-Al-Zr composites // Metallic Materials with High Structural Efficiency (Eds. Senkov at al.), Kluwer Academic Publishers (Netherlands), 2004.-P.235-240.

Здобувачем виготовлені зразки для пластичної деформації, проведено термомеханічне оброблення сплаву системи Ti-Si-Al-Zr, обговорено результати із співавторами.

13. Н.П. Бродниковский, Н.Н. Кузьменко, Л.Д. Кулак. Влияние температуры деформации на механические свойства жаропрочного сплава с Ti₃Al матрицей, упрочненной силицидом Ti₅Si₃ // Международная конференция «ММS-2005», Киев, 2005,с.362-363.

Здобувачем розроблена методика експерименту, виготовлені зразки, проведено плас-

тичне деформування та узагальнені результати досліджень.

Всі публікації містять результати безпосередньої праці здобувача на всіх етапах досліджень і відбивають основні положення дисертаційної роботи.

АНОТАЦІЯ. Кузьменко М.М. „Розробка термодеформованих титанових композитів системи Ti-Si-(Al,Zr) конструкційного призначення для використання в інтервалі температур 20-700 ^оС”.– Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.01 – матеріалознавство. - Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України, Київ, 2006.

Дисертація присвячена розробленню термодеформованих титанових композитів системи Ti-Si-(Al,Zr) та дослідженню впливу режимів деформування на їх структуру, фазовий склад та механічні властивості. Вивчено вплив пластичної деформації модельних та складнолегованих сплавів із вмістом кремнію до 6 % (мас.). Додаткове легування сплавів системи Ti-Si алюмінієм та цирконієм дозволило підвищити модуль пружності до 140 ГПа, що є недосяжним для традиційних титанових сплавів. Запропоновано механізми впливу на низькотемпературну пластичність та короткотривалу жароміцність.

Внаслідок виконаної роботи з’ясовано основні причини обмеження пластичності складнолегованих сплавів системи Ti-Si-(Al,Zr) при кімнатній температурі. Запропоновано перспективні склади та режими термомеханічного оброблення, які дозволяють формувати оптимальні структурні стани для забезпечення кращої комбінації низькотемпературної міцності, пластичності, тріщиностійкості та жароміцності до температури 700 ^оС.

Досліджувані сплави знаходяться на рівні кращих промислових жароміцних титанових сплавів після випробувань при кімнатній температурі та переважають їх по міцності при середніх і підвищених температурах. Дані сплави можуть доповнити ряд традиційних титанових сплавів для роботи при температурах вищих за 600 ^оС.

Ключові слова: титанові сплави, пластичне деформування, композити, термомеханічне оброблення, структуроутворення, фазовий склад, механічні властивості, модуль пружності, жароміцність, жаростійкість.

АННОТАЦИЯ. Кузьменко Н.Н. „Разработка термодеформированных титановых композитов системы Ti-Si-(Al,Zr) конструкционного назначения для применения в интервале температур 20-700 ^оС”.– Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специаль-

ности 05.02.01 – материаловедение. - Институт проблем материаловедения им. И.Н. Францевича НАН Украины, Киев, 2006.

Диссертация посвящена разработке термодеформированных титановых композитов системы Ti-Si-(Al,Zr) с силицидным упрочнением и исследованию влияния режимов пластической деформации на их структуру, фазовый состав и механические свойства. Изучено влияние пластической деформации модельных Ti-Si и сложнолегированных Ti-Si-(Al,Zr) сплавов с содержанием кремния до 6 % (мас.) на упрочнение титановой матрицы разным количеством силицидной фазы.

Проведено рациональное легирование двойных сплавов системы Ti-Si алюминием и цирконием. Такое легирование позволило повысить модуль упругости до 140 ГПа, что на данный момент является недосягаемым для традиционных титановых сплавов. Определен температурный диапазон и допустимая степень одноразовой деформации при свободной осадке комплекснолегированных сплавов и отработаны режимы их пластической деформации. Показано, что наибольшее влияние на свойства сплава оказывает температура деформации, а именно, соотношение ее с температурой полиморфного превращения. При деформации в - области образуется очень стойкая пластинчатая структура, которая почти не изменяется после рекристаллизационного отжига. Такие сплавы имеют повышенную кратковременную и длительную прочность, но несколько заниженные характеристики вязкости разрушения и удлинения.

При деформации в - области со степенью деформации более 60 % образуется структура с глобулярной формой упрочняющей фазы. Форма кристаллов этой фазы может быть близкой к сфероидальной, дискообразной или волоконной с размерами от нескольких до десятков микрон. Такие сплавы имеют достаточно высокую пластичность и трещиностойкость, но уступают сплавам с пластинчатой структурой по высокотемпературным свойствам.

Для определения предельной температуры эксплуатации материала проведен термоактивна-ционный анализ температурной зависимости твердости сплавов с разным содержанием алюминия. Определены факторы, влияющие на структуру и высокотемпературные свойства сплава с повышенным до 8 % (мас.) Al и невысоким, до 2 % (мас.), содержанием Si. К ним относятся:

- оптимальное соотношение легирующих элементов;

- проведение деформации в - или - области;

- размер ₂- фазы и соотношение - и ₂- фаз;

- размер зерна - фазы.

В результате выполненной работы выяснены основные причины ограничения пластичности сложнолегированных сплавов системы Ti-Si-(Al,Zr) при комнатной температуре. Предложены перспективные составы сплавов и режи-

мы пластической деформации, которые позволяют формировать оптимальные структурные состояния для обеспечения лучшей комбинации низкотемпературной прочности, пластичности, трещиностойкости и жаропрочности до 700^оС.

Исследуемые сплавы находятся на уровне лучших промышленных жаропрочных ти-тановых сплавов после испытаний при комнатной температуре и превосходят их по проч-ности при средних и повышенных температурах. Данные сплавы могут дополнить ряд традиционных титановых сплавов для работы при температурах превышающих 600 ^оС.