Формирование биметаллического материала Ti–Al методом проволочного электронно-лучевого аддитивного производства

В настоящее время в аэрокосмической промышленности и авиастроении существует запрос на новые конструкционные материалы, обладающие достаточно высокой механической прочностью, тепловой ползучестью, стойкостью к коррозии и окислению. Обычные сплавы, используемые для этих целей, слишком тяжелы. В то же время альтернативные легкие материалы, такие как сплавы на основе Ti–Al, имеют множество недостатков при производстве традиционными методами. В данной работе рассмотрена возможность получения сплавов на основе Ti–Al методом проволочного электронно-лучевого аддитивного производства (ЭЛАП). Изучены химический и фазовый составы, микроструктура и микротвердость биметаллического сплава Ti–Al, полученного данным методом. Обнаружено образование пяти характерных областей между титановой и алюминиевой частями биметаллической заготовки. Зона смешивания состоит из интерметаллидов TiAl и TiAl₃, что подтверждается исследованием ее микроструктуры, химического и фазового составов. По результатам рентгеновского дифракционного анализа и энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии можно предположить, что объемная доля интерметаллида TiAl в зоне смешивания выше, чем доля фазы TiAl₃. Средняя микротвердость зоны смешивания составляет 450 HV (≈4,4 ГПа). В зоне смешивания сформировалась развитая дендритная микроструктура и равномерное распределение фаз без привязки к дендритным и междендритным зонам. Трещины, появляющиеся в этой области, заполняются материалом верхних слоев, поэтому материал беспористый и бездефектный. Это показывает принципиальную возможность получения интерметаллидных сплавов Ti–Al с использованием ЭЛАП.

1. Gialanella S., Malandruccolo A. Chapter 4. Titanium and Titanium Alloys // Aerospace alloys. Switzerland: Springer, 2020. P. 129–189. DOI: 10.1007/978-3-030-24440-8.

2. Rao K.A. Nickel Based Superalloys – Properties and Their Applications // International Journal of Management, Technology and Engineering. 2018. Vol. 8. № V. P. 268–277.

3. Clemens H., Smarsly W., Güther V., Mayer S. Advanced intermetallic titanium aluminides // Proceedings of the 13th World Conference on Titanium. 2016. P. 1189–1200. DOI: 10.1002/9781119296126.ch203.

4. Dwivedi P., Siddiquee A.N., Maheshwari S. Issues and requirements for aluminum alloys used in aircraft components: state of the art // Russian Journal of Non-Ferrous Metals. 2021. Vol. 62. P. 212–225. DOI: 10.3103/S1067821221020048.

5. Bewlay B.P., Nag S., Suzuki A., Weimer M.J. TiAl alloys in commercial aircraft engines // Materials at High Temperatures. 2016. Vol. 33. № 4-5. Р. 549–559. DOI: 10.1080/09603409.2016.1183068.

6. Edalati K., Toh S., Iwaoka H., Watanabe M., Horita Z., Kashioka D., Kishida K., Inui H. Ultrahigh strength and high plasticity in TiAl intermetallics with bimodal grain structure and nanotwins // Scripta Materialia. 2012. Vol. 67. № 10. Р. 814–817. DOI: 10.1016/j.scriptamat.2012.07.030.

7. Tetsui T. Application of TiAl in a turbocharger for passenger vehicles // Advanced Engineering Materials. 2001. Vol. 3. № 5. P. 307–310. DOI: 10.1002/1527-2648(200105)3:5<307::AID-ADEM307>3.0.CO;2-3.

8. Jarvis D.J., Voss D. IMPRESS Integrated Project – an overview paper // Materials Science and Engineering: A. 2005. Vol. 413-414. P. 583–591. DOI: 10.1016/j.msea.2005.09.066.

9. Clemens H., Kestler H. Processing and applications of intermetallic γ‐TiAl‐based alloys // Advanced engineering materials. 2000. Vol. 2. № 9. P. 551–570. DOI: 10.1002/1527-2648(200009)2:9<551::AID-ADEM551>3.0.CO;2-U.

10. Wu X. Review of alloy and process development of TiAl alloys // Intermetallics. 2006. Vol. 14. № 10-11. P. 1114–1122. DOI: 10.1016/j.intermet.2005.10.019.

11. Cobbinah P.V., Matizamhuka W.R. Solid-state processing route, mechanical behaviour, and oxidation resistance of TiAl alloys // Advances in Materials Science and Engineering. 2019. Vol. 2019. P. 1–21. DOI: 10.1155/2019/4251953.

12. Brotzu A., Felli F., Mondal A., Pilone D. Production issues in the manufacturing of TiAl turbine blades by investment casting // Procedia Structural Integrity. 2020. Vol. 25. P. 79–87. DOI: 10.1016/j.prostr.2020.04.012.

13. Soliman H.A., Elbestawi M. Titanium aluminides processing by additive manufacturing – a review // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2022. Vol. 119. № 9-10. Р. 5583–5614. DOI: 10.1007/s00170-022-08728-w.

14. Emiralioğlu A., Ünal R. Additive manufacturing of gamma titanium aluminide alloys: a review // Journal of Materials Science. 2022. Vol. 57. № 7. Р. 4441–4466. DOI: 10.1007/s10853-022-06896-4.

15. Dzogbewu T.C. Additive manufacturing of TiAl-based alloys // Manufacturing Review. 2020. Vol. 7. № 35. P. 1–8. DOI: 10.1051/mfreview/2020032.

16. Kryukova O.N., Knyazeva A.G. Thermokinetic. Model of a Layer Growth on a Substrate During Electron-Beam Cladding // Russian Physics Journal. 2023. Vol. 66. № 1. P. 66–73. DOI: 10.1007/s11182-023-02906-3.

17. Löber L., Biamino S., Ackelid U., Sabbadini S., Epicoco P., Fino P., Eckert J. Comparison off selective laser and electron beam melted titanium aluminides // International Solid Freeform Fabrication Symposium. 2011. DOI: 10.26153/tsw/15316.

18. Negi S., Nambolan A.A., Kapil S., Joshi P.S., Karunakaran K.P., Bhargava P. Review on electron beam based additive manufacturing // Rapid Prototyping Journal. 2020. Vol. 26. № 3. P. 485–498. DOI: 10.1108/RPJ-07-2019-0182.

19. Özel T., Shokri H., Loizeau R. A Review on Wire-Fed Directed Energy Deposition Based Metal Additive Manufacturing // Journal of Manufacturing and Materials Processing. 2023. Vol. 7. № 1. Article number 45. DOI: 10.3390/jmmp7010045.

20. Kolubaev E.A., Rubtsov V.E., Chumaevsky A.V., Astafurova E.G. Micro-, Meso-and Macrostructural Design of Bulk Metallic and Polymetallic Materials by Wire-Feed Electron-Beam Additive Manufacturing // Physical Mesomechanics. 2022. Vol. 25. № 6. P. 479–491. DOI: 10.1134/S1029959922060017.

21. Lim H.S., Hwang M.J., Jeong H.N., Lee W.Y., Song H.J., Park Y.J. Evaluation of surface mechanical properties and grindability of binary Ti alloys containing 5 wt % Al, Cr, Sn, and V // Metals. 2017. Vol. 7. № 11. Article number 487. DOI: 10.3390/met7110487.

22. Kriegel M.J., Wetzel M.H., Treichel A., Fabrichnaya O., Rafaja D. Binary Ti–Fe system. Part I: Experimental investigation at high pressure // Calphad. 2021. Vol. 74. Article number 102322. DOI: 10.1016/j.calphad.2021.102322.

23. Osipovich K., Kalashnikov K., Chumaevskii A. et al. Wire-Feed Electron Beam Additive Manufacturing: A Review // Metals. 2023. Vol. 13. № 2. Article number 279. DOI: 10.3390/ma15030814.

24. Bieler T.R., Trevino R.M., Zeng L. Alloys: titanium // Encyclopedia of Condensed Matter Physics. 2005. P. 65–76. DOI: 10.1016/B0-12-369401-9/00536-2.

25. Sujan G.K., Wu B., Pan Z., Li H. In-Situ Fabrication of Titanium Iron Intermetallic Compound by the Wire Arc Additive Manufacturing Process // Metallurgical and Materials Transactions A. 2020. Vol. 51. P. 552–557. DOI: 10.1007/s11661-019-05555-9.

26. Chen X.Y., Fang H.Z., Wang Q., Zhang S.Y., Chen R.R., Su Y.Q. Microstructure and microhardness of Ti–48Al alloy prepared by rapid solidification // China Foundry. 2020. Vol. 17. P. 429–434. DOI: 10.1007/s41230-020-0090-7.

27. Alshabatat N., Al-qawabah S. Effect of 4 % wt. Cu Addition on the Mechanical Characteristics and Fatigue Life of Commercially Pure Aluminum // Jordan Journal of Mechanical & Industrial Engineering. 2015. Vol. 9. № 4. P. 297–301.