Инженерия микроструктуры и свойств конструкционных интерметаллидов на основе TiAl(Nb), TiAl(Nb,Cr,Zr) при направленной кристаллизации, микролегировании бором и лантаном

Жаропрочные титан-алюминиевые интерметаллиды предназначены для эксплуатации в качестве материалов лопаток авиационных газотурбинных двигателей. Применение сплавов на основе TiAl, имеющих плотность 4 - 4,5 г/см³, позволит до 20% увеличить отношение «подъёмная сила/вес» авиадвигателей по сравнению с современными аналогами, созданными на основе никелевых спецсплавов с плотностью 8 - 8,5 г/см³. Цель: разработка и экспериментальное опробование фундаментальных научных и технологических основ управления структурой, фазовым составом и физико-механическими свойствами интерметаллических γ-сплавов на базе исходной композиции Ti - 46Al - 8Nb (ат.%) с применением функционального легирования и методов направленной кристаллизации.Проведены тестирования и анализ реакционных взаимодействий расплава Ti - Al - Nb с тиглями из нитридной спецкерамики BN и AlN. Защищен патентом РФ способ применения AlN в качестве материала тиглей и литейных форм. Впервые разработаны принципы и приёмы структурной инженерии интерметаллических сплавов на основе γ-TiAl методамитигельной вертикальной направленной кристаллизации (ВНК) и бестигельной зонной плавки (БЗП). Высокоградиентная БЗП заявлена к патентованию как способ обработки интерметаллидов на основе TiAl. Впервые установлены граничные ростовые режимы формирования столбчатой и равноосно-зернистой первичных микроструктур в слитках Ti - 46Al - 8Nb при ВНК. Впервые обнаружен и промоделирован эффект осевой структурно-композиционной перитектической сегрегации в слитках Ti - 46Al - 8Nb при ВНК. Установлен механизм возникновения такой сегрегации, и сформулированы методы её предотвращения для получения структурно-однородных изделий. Гексаборид лантана (LaB₆) впервые применен в качестве лигатуры в металлургии TiAl-интерметаллидов. Доказана двойная эффективность LaB₆ как модификатора дисперсности микроструктуры и кислородного геттера. Впервые синтезированы, структурно модифицированы на основе разработанных кристаллизационных режимов и всесторонне исследованы сплавы на базе β-стабилизированных систем TiAl(Nb,Zr,Cr) и TiAl(Nb,Zr,Cr)B,La. Исследованы механизмы формирования мелкодисперсных структур с диаметром зерна 120 и 30 мкм в слитках γ-TiAl(Nb) и γ-TiAl(Nb,Zr,Cr) при микролегировании борсодержащими лигатурами TiB₂ и LaB₆. Доказано, что исходные лигатуры подвергаются растворению и репреципитации в Nb-содержащих расплавах TiAl с образованием микрокристаллов твёрдых растворов Ti₍₁₋ₓ₎NbₓB. В системе TiAl(Nb) они являются центрами зарождения зёрен первичной β-фазы. Нуклеационная способность Ti₍₁₋ₓ₎NbₓB снижается с увеличением содержания Nb. Впервые обнаружен особый механизм структурообразования в β-стабилизированных TiAl-сплавах, инициируемый боридами Ti₍₁₋ₓ₎NbхB. В системе TiAl(Nb,Cr,Zr) они проявляют активность в низкотемпературной области фазовой диаграммы α₂+γ, являясь центрами зарождения фазы α₂-Ti₃Al. Впервые методом БЗП сформирована ориентированная трёхфазная (γ+α₂+В2) структура сплава Ti-44Al-5Nb-3Cr-1.5Zr, обладающая высокой прочностью до 900 - 950°С. Сплав TiAl(Nb,Cr,Zr) с улучшеннымимеханическими свойствами заявлен к патентованию. Впервые установлены физико- химические механизмы износа β-стабилизированных сплавов при трибологических испытаниях против легированной хромистой стали.