Разработка надежного процесса соединения разнородных сплавов интерметаллида / суперсплавов на основе Ni (лазерная сварка / пайка с использованием концепции высокоэнтропийного легирования)


Грант РФФИ, номер проекта 20-53-56063
Конкурс на лучшие проекты фундаментальных научных исследований, проводимый совместно РФФИ и Национальным научным фондом Ирана
Руководитель проекта Цибульский Игорь Александрович

Аннотация
Проект направлен на решение фундаментальной научной проблемы, относящейся к физическим основам формирования структурно-фазовых градиентов в многокомпонетных системах в условиях высоких температур. Предполагается проведение комплексных теоретических и экспериментальных исследований кинетики процессов при соединении алюминида титана со сплавом на основе никеля методом диффузионной пайки с промежуточной прослойкой из высокоэнтропийных сплавов различного состава и закономерностей формирования тонкой структуры и кристаллографической текстуры переходных слоев соединений. Будут изучены механизмы взаимосвязи физико-механических свойств соединений с параметрами структурно-фазового градиента переходных слоев. Особое внимание будет уделено изучению прочности соединений при комнатной и высоких температурах. Для определения температурно-кинетических условий протекания фазово-структурных превращений в прослойке и в основном материале в процессе пайки будет использоваться численное моделирование процесса неравновесного теплопереноса методом конечных элементов. Решение этих фундаментальных вопросов позволит расширить область применения технологии диффузионной пайки с промежуточным слоем при создании ответственных конструкций различных машиностроительных отраслей, а также сокращении отставания России в области передовых производственных технологий.
Количество участников проекта – 8 человек
Срок реализации 2021-2023 гг
Цель и задачи проекта
Целью проекта является исследование базисных механизмов формирования переходных слоев при соединении алюминида титана со сплавом на основе никеля методом диффузионной пайки с промежуточной прослойкой из высокоэнтропийных сплавов.

Запланировано решение следующих научных задач:
1. Численное моделирование процесса неравновесного теплопереноса при диффузионной пайке в разнородном соединении и переходных слоях, учитывающее термокинетические параметры процесса.
2. Установление физических закономерностей формирования тонкой структуры и кристаллографической текстуры переходных слоев соединений алюминида титана со сплавом на основе никеля, полученных методом диффузионной пайки с промежуточной прослойкой из высокоэнтропийного сплава
3. Установление механизма взаимосвязи физико-механических свойств соединений алюминида титана со сплавом на основе никеля, полученных методом диффузионной пайки с промежуточной прослойкой из высокоэнтропийного сплава с параметрами структурно-фазового градиента формирующихся переходных слоев.
4. Экспериментальные исследования прочности соединений в широком интервале температур.
5. Сравнение механических характеристик разнородных соединений алюминида титана и никелевых жаропрочных сплавов, полученных методами диффузионной пайки с промежуточным слоев ВЭС и лазерной сваркой с прослойкой из ВЭС.
6. Экспериментальные исследования влияния химического состава материала промежуточного слоя, температуры и времени диффузионной пайки на формирование структурно-фазового состояния, тонкой кристаллической структуры и образование хрупких интерметаллиднов и эвтектик в соединении при получении разнородного соединения алюминида титана и никелевого жаропрочного сплава с промежуточным слоем из ВЭС

Описание фундаментальной научной задачи, на решение которой направлено исследование:
В последнее десятилетие было проведено много исследований интерметаллических сплавов TiAl, которые благодаря своей структуре имеют хорошие механические свойства и, если состав выбран правильно, хорошую стойкость к окислению при высокой температуре. К сожалению, упорядоченная структура этих сплавов делает их хрупкими и трудными для обработки. Чтобы преодолеть эту проблему, много усилий было уделено выбору наилучшего состава и обработки сплава, которые позволяют достичь наилучшего компромисса между свойствами на растяжение и вязкостью разрушения. Механические свойства были улучшены добавлением легирующих элементов, термической обработкой и методами направленной кристаллизации. Несмотря на это из-за сложности получения сплав алюминида титана остается весьма дорогостоящим. В связи с этим в области в горячих узлах двигателей сочетание в TiAl с никелевыми жаропрочным сплавами является интересной задачей, решение которой позволит решить многие проблемы. Наиболее перспективным методом для соединения TiAl с никелевыми суперсплавами является диффузионная пайка с промежуточным слоем (Transient liquid phase bonding, TLP. Для диффузионной пайки жаропрочного никелевого сплава и интерметаллида AlTi подбирается промежуточный материал в виде фольги температура плавления, которого ниже, чем у основных материалов. Выдержка при заданной температуре приводит к плавлению промежуточного слоя, который сопровождается диффузионно-реакционными процессами атомов промежуточного слоя в основной материал, в следствие чего формируется неразъёмное соединение. Для заданной рабочей температуры процесс соединения методом диффузионной пайки зависит от времени, необходимого для завершения изотермического затвердевания для предотвращения образования хрупких эвтектических фаз паянном соединении. Для этого необходимо проведение систематических работ, которые позволят, исходя из результатов численного моделирования процесса неравновесного теплопереноса и прикладных исследований структурно-фазового градиента переходных слоев, сформулировать требования к технологическим параметрам метода диффузионной пайки, которые обеспечивают качественное соединение жаропрочного никелевого сплава и интерметаллидного сплава алюминида титана. Основной фундаментальной научной задачей предлагаемого проекта является установление физических закономерностей формирования тонкой структуры и кристаллографической текстуры, а также фазового состава переходных слоев соединений алюминида титана со сплавом на основе никеля, полученных различными методами диффузионной пайки с промежуточной прослойкой в виде аморфной фольги из высокоэнтропийных сплавов. Ещё одной фундаментальной задачей, которая будет решаться в ходе реализации проекта является разработка оптимального состава рассматриваемого промежуточного слоя из высокоэнтропийного сплава (ВЭС) для уменьшения образования хрупких эвтектических и интерметаллидных фаз. Решение поставленной научной задачи и проведение экспериментальных исследований в совокупности с компьютерным моделированием позволит установить основные принципы управления процессом формирования структурно-фазового градиента при соединении алюминида титана со сплавом на основе никеля методом диффузионной пайки с промежуточной прослойкой из ВЭС.

Актуальность исследования
Современные материалы благодаря своим превосходным свойствам по сравнению с традиционными материалами высоко ценятся в высокотехнологичных отраслях промышленности. Интерметаллидные сплавы обладают высокой удельной прочностью, что привело высокому вниманию к ним со стороны транспортной промышленности. Никель и его сплавы, называемые суперсплавами, широко используются в горячих узлах двигателей и наземных турбин благодаря их превосходной прочности и устойчивости к коррозии при повышенных температурах. Типичные области применения включают детали статора, такие как направляющие лопатки сопел, лопасти и встроенные колеса. Между тем, в ввиду их высокой плотности в некоторых случаях выгодна замена части жаропрочных сплавов на основе Ni интерметаллидными соединениями Ni3Al или TiAl.
Интерметаллидные сплавы такие как TiAl и Ti3Al, являются подходящим кандидатами из-за высоких температур рекристаллизации и низкой самодиффузии, которые приводят к отличным высокотемпературным свойствам, таким как стойкость к окислению, высокотемпературная усталость и сопротивление ползучести, однако их пластичность при комнатной температуре недопустимо низкая, а их прочность на разрыв не так высока, как у суперсплавов на основе Ni. В связи с этим является привлекательным использование разнородных изделий пары никелевый жаропрочный сплав-алюминид титана. Такое сочетание позволит сохранить и увеличить необходимые эксплуатационные характеристики и сократить удельный вес изделия. Для соединения никелевого жаропрочного сплава и интерметаллидного сплава практически невозможно использовать методы сварки, основанные на плавлении. Альтернативой сварки плавлением является диффузионная сварка, а для повышения эффективности диффузионной сварки используют промежуточные слои, такой процесс называют диффузионной пайкой. Диффузионная пайка сочетает в себе простоту изготовления методом пайки с высокой эффективностью твердофазной диффузионной сварки, позволяет получить соединения с механическими свойствами, сопоставимыми со свойствами соединяемых материалов.

 Диффузионная пайка обладает рядом преимуществ в сравнении с другими видами соединения:
исключает расплавление соединяемых материалов;
- можно контролировать прочность соединений в зависимости от требований к сварному узлу;
- возможность совмещения процессов сварки и термической обработки материалов с целью получения определенных свойств;
- соединение разнородных по физико-химическим свойствам материалов исключает дополнительные промежуточные операции.

 Важным достоинством диффузионной пайки применительно к интерметаллидному сплаву TiAl является отсутствие плавления, что позволяет избежать формирования хрупких интерметаллидов. Отсутствие плавления также исключает проблемы, связанные с ликвацией, растрескиванием и остаточными напряжениями, которые в значительной степени влияют на качество никелевых жаропрочных сплавов. Перечисленные преимущества диффузионной пайки позволяют реализовать качественное соединение разнородных материалов на основе никеля и алюминида титана и решить ряд проблем, связанных с особенностями получения разнородных соединений.
Одной из самых сложных проблем является образование интерметаллидных соединений в процессе пайки с промежуточным слоем разнородных материалов. Поэтому актуальной задачей является выбор оптимального состава промежуточного соединение и режимов диффузионной пайки таким образом, чтобы исключить возможности формирования интерметаллидов.
Развитие диффузионной пайки сопряжено с исследованием механизма образования соединения в твердой фазе. На данный момент для определения оптимальных параметров режима диффузионной пайки необходимо развитие теоретических представлений о соединении материалов, в частности разнородных, на основе изучения физической природы явлений, которые происходят при диффузионной пайке жаропрочных никелевых сплавов c интерметаллидным сплавом TiAl через прослойку на основе высокоэнтропийных сплавов. В настоящее время в литературе отсутствуют систематические работы, в которых бы предлагался надежный метод соединения суперсплавов на основе никеля и алюминида титана, а результаты исследований не были сопоставимы с характеристиками основных материалов. Мотивация предлагаемого проекта состоит в том, чтобы решить проблемы соединения разнородных материалов с использованием в качестве промежуточных слоев высокоэнтропийных сплавов в процессе диффузионной пайки. Использование численного моделирования и получение зависимостей для ключевых параметров позволят подобрать оптимальные режимы пайки, которые позволят избежать образования хрупких фаз, а также создать принципы управления процессом формирования структурно-фазового градиента.

Ожидаемые результаты научного исследования 
Установление принципов управления процессом формирования структурно-фазового градиента при соединении алюминида титана со сплавом на основе никеля методом диффузионной пайки с промежуточной прослойкой из ВЭС. 
А также
Комплексное исследование влияния параметров процесса диффузионной пайки и предложенных вариаций химического состава промежуточной прослойки на прочность в широком диапазоне температур.
Формулировка и реализация метода определения формирования переходных слоев при диффузионной вакуумной пайке алюминида титана со сплавом на основе никеля с промежуточной прослойкой из ВЭС
Разработка оптимальных параметров процесса диффузионной пайки и химической композиции промежуточной прослойки для получения бездефектных высокопрочных соединений.

Результаты выполнения проекта за первый год
Одним из наиболее интересных сплавов для высокотемпературных применений в последние годы исследований являются сплавы на основе интерметаллидов из титана и алюминия (Ti3Al и TiAl). Они являются наиболее перспективной альтернативой распространенным жаропрочным сталям и жаропрочным сплавам. По сравнению с тугоплавким и легким титаном они обладают рядом преимуществ: более высоким модулем упругости, более низкой плотностью, лучшими механическими характеристиками в зависимости от температуры и более высокой стойкостью к окислению благодаря образованию поверхностно-пассивного слоя оксида алюминия.
Использование TiAl для получения всех элементов конструкции нецелесообразно ввиду высокой стоимости и достаточно сложной технологичности интерметаллидных сплавов, то наиболее целесообразно использовать соединения TiAl с металлическими материалами. В то же время разнородные соединения такого типа представляют серьезную проблему для применения этого сплава в промышленности.
В проекте предложен способ получения разнородного соединения никелевых сплавов и интерметаллидных сплавов с использованием высокоэнтропийных сплавов. Проект направлен на решение фундаментальной научной проблемы, относящейся к физическим основам формирования структурно-фазовых градиентов в многокомпонентных системах в условиях высоких температур. За первый год выполнения проекта были проведены теоретические исследования с использованием термодинамического моделирования в программном комплексе ThermoCalc по определению фазового состава высокоэнтропийных сплавов и их взаимодействию с никелевым сплавом Inconel 718 и интерметаллидному сплаву TiAl. Показаны основные фазы, которые могут быть образованы с обеих сторон такого разнородного соединения. Показаны возможные образующиеся фазы на границах разнородного соединения. Также были выполнены первичные экспериментальные исследования по получения материала ВЭС. Был использован метод по газовой атомизации расплава из прекурсоров. Был получен порошковый материал для использования в качестве промежуточного слоя между жаропрочным никелевым сплавом и интерметаллидным сплавом TiAl.

Возврат к списку