Full Text

Интерметаллидные сплавы на основе титана и алюминия (γ-TiAl, α2-Ti3Al) обладают высокой прочностью в сочетании с низкой плотностью. Актуальными являются исследования, направленные на установление необходимой доли алюминия в титане для улучшения механических свойств по сравнению с традиционными титановыми сплавами. Основными методами получения таких сплавов являются традиционные технологии порошковой металлургии и их современное развитие в аддитивных технологиях [1–3]. Особый интерес вызывают технологические условия, способствующие формированию микро и нано размерных зерен (от 10 нм до 100 мкм) сплавов [4]. Свойства таких материалов могут существенно отличаться от свойств исходных чистых компонентов за счет изменения фазового состава, параметров кристаллической решетки и вследствие формирования особой структуры зерен [5,6]. Все эти факторы влияют на коррозионную стойкость таких сплавов. Стойкость к коррозионному окислению в кислородосодержащей среде зависит не только от состава материала, но и от температуры эксплуатации. С ее повышением характер окисления чистого титана меняется по разным законам - от логарифмического и параболического законов до линейного закона и закона с убывающей параболической скоростью [7]. Исследование окисления чистого алюминия еще более трудоемкая задача, не решенная до сих пор [8]. Добавление легирующих компонентов не всегда решает проблему окисления сплавов. Например, легирование оксида алюминия иттрием замедляет зернограничную диффузю кислорода [9]. Добавление легирующих компонентов в Ti-Al сплавы в одних интервалах температур замедляет окисление, а в других напротив – ускоряет [10,11]. Несмотря на успешное использование программных комплексов для моделирования многокомпонентной диффузии в сплавах [12,13], исследования по выявлению наиболее удачных легирующих компонентов для подавления процесса окисления сплавов (особенно интерметаллидных и многокомпонентных) далеки от завершения. Высокие температуры способствуют ускорению диффузии вдоль границ зерен, активации химических реакций и проявлению ползучести [14,15]. Однако металлы, образующие интерметаллидные фазы, могут вести себя иначе, чем иные металлы и сплавы, с чем связаны многочисленные исследования. Например, обнаружено, что легирование монокристалла сапфира титаном уменьшает скорость ползучести в 8-15 раз [16]. Увеличение доли алюминия в Ti-Al сплаве способствует химическому упорядочению и подавляет движение дислокаций [4]. Al диффундирует в Ti3Al и TiAl медленнее и с более высокой энергией активации, чем Ti [17]. Малый размер зерен и связанная с этим высокая доля граничной фазы вносят свой вклад, не всегда положительный. Таким образом, существует потребность в исследовании роли диффузии кислорода вдоль границ зерен Ti-Al сплавов на окисление в условиях высоких температур. Наиболее известная модель для исследования диффузии по границам зерен – двумерная модель изолированной границы, предложенная Фишером [18]. Полученное на ее основе аналитическое решение позволяет интерпретировать экспериментальные данные по тройному произведению sδD' для оценки коэффициента зернограничной диффузии (в этом произведении s есть коэффициент сегрегации, δ есть толщина границы, D' есть коэффициент диффузии вдоль границ). Однако приближения, использованные Фишером и его последователями для получения аналитических решений, некорректно использовать в случае смешанных режимов диффузии по Харрисону и в случае, когда границы зерен пересекаются. Для таких условий используют иные модели. Например, для построения аналитического решения рассматривают диффузию в материале с плотно упакованным сферическим зерном малого диаметра [19]. Для исследования зернограничной диффузии с зернами в форме многоугольников, расположенных симметрично или произвольно относительно друг друга, используют двумерные и трехмерные модели, а для их анализа – разнообразные численные методы [20,21]. В [22,23] численно исследована диффузия в материале, модель структуры которого получена из анализа поверхности образца методом обратного рассеяния электронов. Механические напряжения в этих работах – дополнительный осложняющий фактор. Однако возможные химические реакции там не анализировались. Влияние изменения размеров зерен (и связанное с этим изменение доли граничной фазы) на окисление оценивается лишь в некоторых экспериментальных работах. Например, в статье [24] показано, что нанокристаллизация поверхности аустенитной нержавеющей стали приводит к изменению механизма ее окисления за счет ускорения диффузии хрома по отношению к скорости образования окислов железа. Авторы работы [25] предлагают использовать импульсное электрическое поле для формирования симметричной микроструктуры границ зерен в алюминиевых сплавах и регулирования коррозионной стойкости. Для исследования динамики окисления поверхности чистых металлов и сплавов чаще других используют модели Вагнера и их модификации [26], где предметом исследования является закон роста сплошного окисленного слоя. Эта модель удобна для описания экспериментальных результатов. Окисление сплавов TiAl и Ti3Al по традиции описывают с использованием аналогичных моделей [1,27], не прибегая к детализации стадий. Некоторые модели типа Вагнера предполагают диффузионный характер поступления окислителя в металл, но ни одна из них не учитывает роль границ зерен. Большая часть опубликованных работ направлена на исследования типа кинетического закона окисления (линейный, параболический, логарифмический и т.д.). Например, окисление поверхности нанокристаллического алюминия исследуют с использованием молекулярно-динамического моделирования [28]. Межкристаллитную коррозию поверхности алюминия в среде электролита исследуют с использованием вероятностной модели клеточных автоматов для структуры с тройными стыками зерен [29]. В статье [30] на основе моделей Фишера и Вагнера предложена двумерная блочно-щелевая диффузионно-кинетическая модель. Предполагается, что окислитель диффундирует преимущественно через вертикальные границы (щели) между блоками (зернами или кристаллитами), перенос окислителя через горизонтальные щели между блоками пренебрежимо мал. Таким образом, исходные условия задачи аналогичны формулировке Фишера. Далее уравнения модифицируют, учитывая подвижность границы и концентрационное равновесие между образующимся оксидом и металлом относительно вертикальных щелей. В результате математических преобразований и уменьшения размерности исходных уравнений получается новая система уравнений, решением которой являются концентрация окислителя в металле и в окисленном слое и закон окисления (зависимость толщины окисленного слоя от времени). Полученные аналитические выражения удобны для анализа предельных вариантов массообмена, однако использовать их для интерпретации экспериментальных данных затруднительно. Пересечение границ зерен влияет на динамику переноса окислителя, процессы могут идти по смешанному типу кинетики Харрисона или даже существенно от них отличаться в том случае, когда диффузионные и кинетические свойства зерен и границ близки. Такие свойства вполне могут быть присуще структуре, полученной в существенно неравновесных условиях синтеза. Например, в работе [31] исследовали коррозию сплава Cu–20Co–30Cr с размерами зерен 100 мкм и 23 нм, изготовленных с использованием порошковой металлургии. Обнаружили, что измельчение зерна до нанометрового размера способствует уменьшению скорости коррозии. Для объяснения получаемых экспериментально результатов необходимы теоретические исследования, учитывающие специфику всех вышеперечисленных факторов, влияющих на окисление. В настоящей работе на основе двумерной модели [32] изучается окисление интерметаллидного сплава на основе Ti-Al. Эта модель удобна для исследования роли зернограничной диффузии в Ti3Al как в изотермических, так и в неизотермических условиях. В отличие от предыдущих работ [32,33], в настоящей работе мы анализируем динамику окисления интерметаллида Ti3Al в неизотермических условиях, учитывая явный и неявный вклад границ зерен в диффузию и окисление.

About the authors

M. V Chepak-Gizbrekht

Institute of Strength Physics and Materials Science of Siberian Branch Russian Academy of Sciences (ISPMS SB RAS), Tomsk, Russian Federation

A. G Knyazeva

Institute of Strength Physics and Materials Science of Siberian Branch Russian Academy of Sciences (ISPMS SB RAS), Tomsk, Russian Federation

References

Statistics

Views

Abstract - 14

PDF (Russian) - 8