Plazmová a vakuová metalurgie speciálních slitin titanu

Jan Juřica

Doctoral thesis

Plasma and vacuum metallurgy of special titanium alloys

Abstract:

Intermetalické sloučeniny na bázi aluminidu titanu vykazují velmi dobrou kombinaci vysoké pevnosti, oxidační odolnosti při zvýšených teplotách a nízké hmotnosti. Díky těmto vlastnostem jsou uvedené slitiny cílem výzkumu více než 20 let a předpokládá se jejich využití jako tepelně a mechanicky zatížených komponentů v automobilovém, energetickém a leteckém průmyslu. Jako jeden z největších problémů, které brání masivnímu využití je považována jejich problematická příprava. Taveniny intermetalických sloučenin na bázi TiAl jsou totiž značně reaktivní především s komerčně dostupnými keramickými kelímky a pro jejich přípravu je zpravidla nutné použití metody skull melting s vodou chlazeným Cu krystalizátorem. Tato metoda přípravy je však energeticky velmi náročná, což způsobuje vyšší náklady na přípravu komponentů a také neumožňuje výrazné přehřátí taveniny, které je nutné pro přesné lití tenkostěnných produktů. Dalším omezením intermetalik na bázi TiAl je jejich nízká creepová odolnost za teplot vyšších než 750 °C. Uhlík je prvek, u kterého bylo dokázáno, že jeho menší přídavky výrazně zvyšují vysokoteplotní vlastnosti TiAl slitin. Legování uhlíkem bylo zpravidla aplikováno přídavky grafitového, nebo TiC prášku do vsázky. V rámci této práce bylo použito jiného přístupu a to legování uhlíkem in-situ během vakuového indukčního tavení za použití izostaticky lisovaných grafitových kelímků. Cílem bylo experimentálně posoudit možnosti legování uhlíkem v rozmezí od 0,3 do 2 % uvedenou metodou u dvou typů moderních TiAl slitin (TNM a ABB). V rámci této práce bylo dokázáno, že metoda vakuového indukčního tavení umožňuje legování uhlíkem v daném rozsahu, je však nutno dodržet jednotlivé parametry během tavení. Byla určena maximální rozpustnost uhlíku ve dvou typech TiAl slitin, charakterizována mikrostruktura a navrženo a provedeno tepelné zpracování za účelem homogenizace a dosažení téměř lamelárního typu mikrostruktury. Rovněž byly určeny mechanické vlastnosti a creepová odolnost slitiny ABB legované uhlíkem v rozmezí 0,4 až 2 at. %. Bylo zjištěno, že z hlediska creepové odolnosti se jako nejvhodnější u slitiny ABB jeví obsah uhlíku okolo 0,5 až 0,8 at. %, u kterých byla určena minimální creepová rychlost nižší než 10-8 s-1 při 800 °C a zatížení 200 MPa

Abstract:

Titanium aluminide-based intermetallic compounds show a very good combination of high strength, oxidation resistance at elevated temperatures and low weight. Thanks to these properties, these alloys have been the target of research for more than 20 years and are expected to be used as thermally and mechanically loaded components in the automotive, energy and aerospace industries. One of the biggest problems that prevents massive use is considered to be their problematic preparation. This is because melts of TiAl intermetallic compounds are highly reactive, especially with commercially available ceramic crucibles, and for their preparation, it is usually necessary to use the skull melting method with a water-cooled Cu crystallizer. However, this method of preparation is very energy intensive, which causes higher costs for the preparation of components and also does not allow significant overheating of the melt, which is necessary for accurate casting of thin-walled products. Another limitation of TiAl-based intermetallics is their low creep resistance at temperatures higher than 750 ° C. Carbon is an element for which it has been proven that its smaller additions significantly increase the high-temperature properties of TiAl alloys. Carbon alloying was usually applied by adding graphite or TiC powder to the charge. In this work, another approach was used, namely in-situ carbon alloying during vacuum induction melting using isostatically pressed graphite crucibles. The aim was to experimentally assess the possibilities of carbon alloying in the range from 0.3 to 2 % by the given method for two types of modern TiAl alloys (TNM and ABB). In this work, it was proved that the method of vacuum induction melting allows the alloying with carbon in a given range, but it is necessary to observe the individual parameters during melting. The maximum solubility of carbon in two types of TiAl alloys was determined, the microstructure was characterized and heat treatment was designed and performed in order to homogenize and achieve an almost lamellar type of microstructure. The mechanical properties and creep resistance of ABB carbon alloy in the range from 0.4 to 2 at. %, were also determined. It was found that from the point of view of creep resistance, carbon content of about 0.5 to 0.8 at. % appears to be the most suitable for ABB alloy for which a minimum creep rate of less than 10-8 s-1 at 800 °C and a load of 200 MPa was determined.

Keywords

intermetalika, TiAl, vakuové indukční tavení, karbidy, tepelné zpracování, mikrostruktura, tvrdost, odolnost vůči tečení

Keywords

intermetallics, TiAl, vacuum induction melting, carbides, heat treatment, microstructure, hardness, creep

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 11. 2. 2021

Thesis defence

• Date of defence: 26. 5. 2021
• Supervisor: Ivo Szurman
• Reader: Pavel Novák, Petr Lichý, Ivo Dlouhý

VSB – Technical University of Ostrava

Fakulta materiálově-technologická

Doctoral programme / field:
Metalurgie / Metalurgická technologie