Wpływ modyfikacji składu chemicznego na utlenianie stopów $Ti-Al$

Abstract

Titanium with a wide range of specific properties (e.g. high specific strength, good corrosion resistance, high melting point and biological inertness) is a component of many materials for special applications. Over the last years titanium aluminides were perceived as the most promising structural alloys. Especially interesting are alloys based on two phases $\gamma- TiAl$ and $\alpha_{2}- Ti_{3}Al$ with a lamellar microstructure because of its unusual combination of good mechanical properties and high temperature corrosion resistance. The main objective of this work was to assess the high temperature oxidation resistance of selected Ti-Al alloys with special emphasis on third generation alloys based on two intermetallic phases [$\gamma = \alpha_{2}$] with niobium and tantalum additions ($Ti-46Al-8Nb$ and $Ti-46Al-8Ta$). Moreover the surface of titanium alloys was modified with different coatings. Silicide coatings were deposited by pack cementation on the commercial $Ti-6Al-lMn$ alloy to improve its oxidation resistance at temperatures exceeding $650^{\circ}C$. Thin coatings with several compositions ($Ti-10Si, Ni-20Cr, CrSi_{2}, Cr-5Si, Cr-0.5Si$) were magnetron sputtered onto $Ti-46Al-8Nb$ alloy to inhibit dissolution of gases (oxygen, nitrogen) during the initial stages of oxidation. Oxidation kinetics of uncoated and coated samples as well as morphology and composition of the scales were compared to assess the effectiveness of the applied protection systems. Moreover, oxidation mechanism of $Ti-46Al-8Nb$ alloy at $700^{\circ}C$ and $800^{\circ}C$ was proposed. Tytan, ze względu na swoje specyficzne właściwości (między innymi duża wytrzymałość szczególnie w połączeniu z niską gęstością, duża odporność na korozję, wysoka temperatura topnienia, obojętność biologiczna) należy do metali mogących stanowić składnik nowoczesnych materiałów konstrukcyjnych, przeznaczonych do specjalnych zastosowań. W ostatnich latach dużym zainteresowaniem jako materiały konstrukcyjne cieszą się stopy na osnowie faz międzymetalicznych z układu $Ti-Al: \gamma-TiAl, \alpha_{2}-Ti_{3}Al.$ oraz $TiAl_{3}$. Szczególnie korzystne połączenie właściwości mechanicznych z odpornością korozyjną mają dwufazowe stopy $[\gamma + \alpha_{2}$] o mikrostrukturze płytkowej. Niniejsza praca obejmuje badania odporności na utlenianie w powietrzu wybranych stopów $Ti-Al.$ ze szczególnym uwzględnieniem stopów trzeciej generacji tj. stopów na osnowie dwóch faz międzymetalicznych [$y + CC2$] z dodatkiem niobu lub tantalu ($Ti-46Al-8Nb i Ti-46Al-8Ta$) oraz próby ich modyfikacji powierzchniowej. Modyfikacja powierzchni miała na celu zwiększenie odporności na utlenianie klasycznego stopu pseudo-$\alpha Ti-6Al-lMn$ w temperaturach powyżej $650^{\circ}C$ oraz ograniczenie dordzeniowej dyfuzji gazów, występującej w początkowych etapach utleniania stopu $Ti-46Al-8Nb$. Zaproponowano kilka rodzajów powłok – powłokę krzemową otrzymywaną metodą „pack cementation" oraz powłoki nanoszone techniką magnetronową o różnym składzie ($Ti-l0Si, Ni-20Cr, CrSi_{2}, Cr-5Si, Cr-0,5Si$) Porównywano kinetykę utleniania stopów bez powłoki oraz stopów z powłokami oraz przeprowadzono szczegółową analizę składu i budowy tworzących się zgorzelin Na tej podstawie dokonywano oceny ich żaroodporności. Ponadto podjęto także próby określenia mechanizmu utleniania stopu $Ti-46Al-8Nb$ w temperaturze $700^{\circ}C$ i $800^{\circ}C$.