Современные жаростойкие материалы и системы металл- покрытие : высокотемпературное окисление сплавов на основе y-TiAl и их микродуговое оксидирование

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

№ 2416 

Кафедра защиты металлов и технологии поверхности
 

 
 
 
Современные жаростойкие 
материалы и системы  
металл–покрытие 

Высокотемпературное окисление  
сплавов на основе γ-TiAl и их микродуговое  
оксидирование 

Курс лекций 

Допущено Учебно-методическим объединением высших учебных 
заведений РФ по образованию в области материаловедения, 
технологии материалов и покрытий в качестве учебного пособия 
для студентов высших учебных заведений, обучающихся  
по направлению подготовки магистров 22.04.01  
«Материаловедение и технологии материалов» 

Москва  2015 

УДК 620.197 
 
С56 

Р е ц е н з е н т ы :  
д-р техн. наук, проф. А.В. Кудря; 
канд. хим. наук В.В. Душник (ИФХЭ РАН) 

Авторы: А.Г. Ракоч, А.А. Гладкова, Ю.А. Пустов, И.В. Бардин 

Современные жаростойкие материалы и системы металл– 
С56 покрытие : высокотемпературное окисление сплавов на основе γ-TiAl и их микродуговое оксидирование : курс лекций / 
А.Г. Ракоч [и др.]. – М. : Изд. Дом МИСиС, 2015. – 48 с. 
ISBN 978-5-87623-834-4 

Описаны структура легких конструкционных сплавов на основе γ-TiAl, особенности их высокотемпературного окисления и перспективный метод для создания поверхности защитных покрытий. Рассмотрены основы теории газовой высокотемпературной коррозии металлических материалов и ее применение для описания закономерностей окисления сплавов на основе γ-TiAl с использованием практически всех основных механизмов окисления. Кратко описан широко применяемый в настоящее время как в России, так и за рубежом метод микродугового оксидирования, позволяющий получать покрытия с высокими функциональными свойствами на изделиях из легких конструкционных сплавов. Показана перспективность применения этого метода для получения легких жаропрочных и жаростойких 
материалов на основе легких сплавов, необходимых для создания двигателей, в том 
числе авиационных.  
Предназначен для студентов высших учебных заведений, обучающихся 
по направлению подготовки магистров 22.04.01 «Материаловедение и технологии материалов» и, в частности, по профильной направленности «Модифицирование поверхностей металлов и защита от коррозии». Может быть рекомендован студентам магистратуры, обучающимся по профильным направленностям, связанным с технологиями обработки поверхности металлических и композиционных материалов, и аспирантам, работающим в области 
исследований коррозионных процессов и защиты от коррозии. 

УДК 620.197 

ISBN 978-5-87623-834-4 
© Коллектив авторов, 2015 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Введение................................................................................................................4 
1. Сплавы на основе алюминидов титана  
и их высокотемпературное окисление...................................................6 
1.1. Алюминиды титана и сплавы на их основе..........................................6 
1.2. Краткие сведения по структуре  и механическим  
свойствам интерметаллида  γ-TiAl и сплавам на его основе....................7 
1.3. Высокотемпературное  окисление сплавов на основе γ-TiAl .........11 
1.4. Кинетические особенности высокотемпературного (900 °C)  
окисления сплавов (% ат.) Ti–47,5Al  и Ti–43,5Al–4,5Nb–1,7Mo..........18 
2. Перспективность метода микродугового оксидирования   
для увеличения жаростойкости сплавов на основе γ-TiAl ................28 
2.1. Описание процесса  микродугового оксидирования........................28 
2.2. Разработка технологического режима МДО сплавов  
на основе алюминидов титана  для увеличения их  
жаростойкости  и термостойкости при температуре 900 °С ..................35 
Заключение .........................................................................................................46 
Библиографический список.............................................................................47 
 

Введение 

Создание новых классов легких материалов, способных работать 
в условиях высоких температур, обусловлено острой потребностью машиностроительной, судостроительной и, в первую очередь, авиационной промышленности в них. Разработка технологий производства высокотемпературных титан-алюминиевых сплавов со специальной микроструктурой, упрочняющим и модифицирующим легированием и надежными защитными покрытиями позволит в будущем использовать 
их в наиболее экстремальных эксплуатационных условиях. Критичными параметрами применения новых жаропрочных материалов является 
их удельная прочность, жаростойкость и термостойкость.  
Применение высокотемпературного материала на основе алюминидов титана с защитным покрытием, имеющего малую удельную 
массу (до 4 г/см3), позволит до 50 % увеличить отношение подъемная 
сила/вес авиационных двигателей по сравнению с лучшими современными аналогами, созданными на основе никелевых спецсплавов 
(superalloys) с плотностью около 9 г/см3.  
Наиболее перспективными являются сплавы на основе γ-TiAl. Ряд 
сплавов на основе этого интерметаллида обладают не только высокими литейными свойствами, но и комплексом разных механических 
свойств: прочностью, пластичностью, сопротивлением усталости и, 
самое главное, жаропрочностью. В настоящее время уже разработаны сплавы на основе γ-TiAl, имеющие высокий предел прочности и 
малую ползучесть при температурах, значительно превышающих 
650 °С. Критичными параметрами применения новых жаропрочных 
материалов остаются их жаростойкость и термостойкость.  
Увеличить жаростойкость и термостойкость сплавов на основе γ-TiAl 
возможно, зная механизмы высокотемпературного окисления алюминидов, влияния легирующих элементов на скорость их окисления, 
а также разработав эффективные методы получения на их поверхности защитных покрытий.  
Кроме того, для увеличения надежности работы сплавов на основе γ-TiAl их износостойкость, в частности при работе в качестве турбинных лопаток в авиационных газотурбинных двигателях, должна 
быть значительно увеличена.  
Для увеличения жаростойкости сплавов на основе γ-TiAl их легируют различными элементами, в том числе имеющими большую валентность, чем валентность титана, в частности Nb; модифицируют 
их поверхностные слои; проводят комплексную защиту – легирование с последующей модификацией их поверхности.  

Основным методом модифицирования поверхностных слоев алюминидов титана является их насыщение элементами, которые при 
высоких температурах в кислородосодержащей газовой среде образуют пленку с низкой диффузионной проницаемостью реагирующих 
компонентов через нее. С этой целью применяют различные способы 
насыщения поверхностных слоев сплавов на основе алюминидов титана: диффузионное их обогащение алюминием или кремнием и 
алюминием из порошков с использованием галогенида в качестве 
активатора; ионную имплантацию, приводящую к вхождению в эти 
слои таких элементов, как Al, Si, W, Nb; магнетронное распыление, 
например, нанесение на поверхность элементов Zr(Ni)–Cr–Al–Y, которые диффундируют в поверхностные слои сплава при его высокотемпературном окислении при 800…900 °С; погружение сплава 
в расплав силумина (горячий способ); нанесение кремния на алюминиды титана с использованием электрической дуги и последующим 
отжигом образцов в вакууме, предварительное азотирование сплавов 
на основе γ-TiAl для увеличения его износостойкости при высоких 
температурах. 
Однако эти способы имеют существенные недостатки: необходимость тщательной подготовки поверхности сплавов на основе алюминидов титана и в большом ряде случаев использование дорогостоящего оборудования, создание вакуума или атмосферы из инертного газа или азота, аммиака, уменьшение защитной способности 
покрытий при длительной эксплуатации изделий при высоких температурах вследствие диффузии легирующих элементов в металлическую основу. 
Наиболее перспективным оказался метод микродугового оксидирования, который позволяет получать покрытия, увеличивающие жаростойкость и износостойкость сплавов на основе γ-TiAl. 
 

1. СПЛАВЫ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИДОВ 
ТИТАНА И ИХ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЕ 
ОКИСЛЕНИЕ 

1.1. Алюминиды титана и сплавы на их основе 

В системе Ti–Al со стороны титана образуются интерметаллиды 
Ti3Al (α2-фаза) и TiAl (γ-фаза), обладающие значительными областями гомогенности (рис. 1.1). 

 

Рис. 1.1. Двойная фазовая диаграмма Ti–Al 

В 1961 г. С.Г. Глазунов и Ю.Ф. Алтунин обратили внимание 
на то, что алюминиды титана Ti3Al и TiAl могут быть полезными 
конструкционными материалами, так как обладают малой плотностью, высокой жаропрочностью и хорошими литейными свойствами.  
Однако лишь в конце XX в. алюминидам титана и сплавам на их 
основе стали уделять должное внимание, что нашло отражение, 
в частности, в увеличении числа докладов по этой тематике на меж

дународных конференциях. Если на 5-й Международной конференции по титану в 1984 г. было представлено всего два доклада по 
алюминидам титана, то на 8-й (1995 г.) – 76. Основные принципы 
легирования алюминидов титана для увеличения их физико–
химических свойств при высоких температурах были уже сформулированы в работах конца ХХ столетия, так что сохранилась лишь необходимость в развитии предыдущих идей. Вместе с тем необходима 
дальнейшая работа по увеличению не только механических свойств, 
в том числе жаропрочности, но и жаростойкости, термостойкости 
сплавов на основе интерметаллидов, по созданию защитных покрытий на их поверхности.  
Сплавы на основе γ-TiAl рассматриваются с инженерной точки зрения 
как наиболее перспективные интерметаллиды для применения в реактивном двигателестроении. Однако низкая температура плавления (~1500°С) 
исключает γ-TiAl из использования в составе высокотемпературных частей турбин и ограничивает его применение камерой низкого давления 
турбин и статическими деталями двигателя. 
После многолетних усилий по разработке сплавов на основе γ-TiAl он 
пока не используется в реактивных двигателях, несмотря на то, что проведенные в 1993 г. испытания двигателя с турбиной низкого давления, 
содержащей 98 лопастей из сплава на основе γ-TiAl, были успешными. 
Оставшиеся проблемы включают в себя не только низкие пластичность при комнатной температуре (1…2 %) и прочность при разрушении, но и высокую усталостную стресс-чувствительность и низкую жаростойкость при температурах выше 650 °С и термостойкость. 

1.2. Краткие сведения по структуре  
и механическим свойствам интерметаллида  
γ-TiAl и сплавам на его основе 

Алюминид 
титана 
обладает 
упорядоченной 
тетрагональноискаженной гранецентрированной структурой типа Li0, аналогичной 
сверхструктуре CuAu, в которой слои, упакованные атомами титана, 
чередуются со слоями, занятыми атомами алюминия (рис. 1.2). Периоды решетки γ-фазы: а = 0,3984…0,3949 нм; с = 0,4065…0,4089 нм; 
с/а = 1,020…1,035. Периоды решетки и соотношение с/а возрастают 
с увеличением содержания алюминия. 
В богатой титаном области происходят два перитектоидных превращения: ж  +β↔α (при 1475 °С) и ж + α↔γ (при 1447 °С). При более низкой температуре (1118°С) наблюдается эвтектоидный распад α-фазы по 
схеме α↔α + γ. Область гомогенности γ-фазы довольно велика и при 
комнатной температуре простирается от 50 до 66 % ат. (см. рис. 1.1). 

Рис. 1.2. Кристаллическая структура TiAl 

Интерметаллид TiAl сохраняет упорядоченную структуру до температуры плавления (~1450 °С). Из-за высокого содержания алюминия плотность алюминида TiAl невелика (3,8 г/см3). 
Пластичность интерметаллида TiAl при температурах ниже 
700 °С ничтожно мала (δ ≈ 0,5%), что обусловлено особенностями 
его дислокационного строения. Пластическая деформация интерметаллида TiAl может осуществляться скольжением одиночных дислокаций с вектором Бюргерса a/2 <101> и a/2 <112>. Однако при температурах, близких к комнатной, все эти дислокации заблокированы. 
Выше температуры 700 °С пластичность интерметаллида титана резко возрастает из-за снятия блокировки дислокаций и вследствие увеличения их подвижности. Помимо этого, начинается интенсивное 
двойникование по системам {111} <112>.  
Эти эффекты можно объяснить уменьшением ковалентной составляющей связи и усилением ее «металличности». 
В зависимости от чистоты и микроструктуры механические свойства интерметаллида TiAl колеблются в довольно широких пределах 
и при комнатной температуре составляют: σв = 350…580 мПа, 
δ = 0,5…1,5 %. Модули упругости алюминия TiAl при 20 °С равны: 
E = 175 гПа; G = 67 гПа. 
Различные технологии изготовления заготовок, режимы горячей деформации и последующей термической обработки позволяют получить 
три основных типа структур интерметаллида TiAl: ламельную (пла

стинчатую), рекристаллизованную (глобулярную) и бимодальную (дуплексную). Ламельная структура представляет собой полностью сдвойникованные пластины γ-фазы, по границам которых расположены тонкие прослойки α2-фазы (Ti3Al). В зависимости от скоростей кристаллизации и охлаждения толщина γ-пластин и α2-прослоек может колебаться 
от десятых долей до нескольких микрометров.  
Рекристаллизованная структура представлена зернами γ-фазы и 
выделениями α2-фазы, сформированными в результате динамической 
или статической рекристаллизации. Регулируя технологически параметры, можно менять величину зерен γ-фазы; размеры, форму и долю α2-фазы; тип границ зерен в широких пределах. Такая структура 
обеспечивает более высокий комплекс механических свойств при 
комнатной температуре по сравнению с ламельной структурой.  
Бимодальная структура состоит из областей, представленных рекристаллизованными зернами, и областей ламельного строения. Этот 
тип структуры можно получить в результате рекристаллизации 
в (α + γ)-области. При комнатной температуре интерметаллид TiAl 
при такой структуре обладает наилучшим комплексом механических 
свойств. Вместе с тем следует отметить, что характеристики жаропрочности наиболее высоки при ламельной структуре. 
Определенного типа структуру можно получить у сплавов 
с 47…48 % ат. Al*1 путем регулируемого охлаждения с температур, 
соответствующих α-области диаграммы состояния Ti–Al (рис. 1.3). 
При температуре выше 1350 °С сплавы этого состава имеют неупорядоченную α-структуру. При охлаждении ниже ~ 1350 °С начинается превращение α-фазы в γ-фазу, при приблизительно 1118°С происходит эвтектоидное превращение α↔α2+γ. Превращение α-фазы 
в двухфазную смесь α2+γ приводит к формированию ламельной 
структуры, в которой чередуются пластинки α2- и γ-фаз с определенным ориентационным соотношением. 
Из двойных сплавов на основе интерметаллида TiAl наилучшей 
пластичностью 
обладают 
сплавы, 
содержащие 
46…48 % 
Al, 
со структурой γ + α2.  
Сплавы со структурой как γ, так и γ + α2 называют γ-сплавами или 
сплавами γ-TiAl. Пластичность сплавов со структурой γ + α2 может быть 
повышена при легировании третьими компонентами, такими как Ag, Be, 
Cr, W, Mn, Mo, Nb, Si, V, C, Ni в небольших концентрациях (1…4 %). 
Наиболее существенно повышают пластичность γ-сплавов Mo, Cr, W, 
Mn, Nb, причем благоприятное действие последнего сохраняется до до––––––––– 

1* Далее везде по тексту содержание элементов в сплавах дается в % ат. 

вольно больших концентраций (~ до 10 %). Прочность и сопротивление 
окислению сплавов с (γ + α2)-структурой повышают 1…3 % Nb, Ta, Mn, 
Zr, Hf, W. 
Эффективность влияния легирующих элементов на механические 
свойства алюминида TiAl зависит от соотношения Ti:Al, вида полуфабриката (литое или деформированное состояние) и от сопутствующих легирующих элементов. 

 

Рис. 1.3. Средняя часть диаграммы состояния Ti–Al 

Однофазные γ-сплавы вряд ли найдут промышленное применение, так как обладают невысокими технологическими свойствами. 
Во всем интервале температур до температуры плавления интерметаллид TiAl сохраняет упорядоченную структуру с ограниченными 
возможностями пластической деформации. Двухфазные (γ + α2)сплавы, напротив, можно нагреть до температур, при которых они 
обладают однофазной структурой, представленной неупорядоченной 
α-фазой, и по этой причине легко деформируются. 
На рис. 1.3 стрелками показано влияние некоторых легирующих 
элементов на положение фазовых границ β/α и α/α + γ. Температура 
перехода от (α + γ)- к α-структуре имеет для сплавов на основе алюминида TiAl такое же значение, как и температура перехода 
от (α + β)- к β-структуре для обычных сплавов. Температуру перехода от (α + γ)- к α-структуре обозначают Тα. 

Ниобий смещает линию α-перехода (температуру Тα) в сторону алюминия и уменьшает протяженность (α + γ)-области. При постоянном 
содержании алюминия это приводит к увеличению доли α2-фазы 
в (γ + α2)-сплавах и измельчению микроструктуры.  
Сплавы на основе Ti–Al с содержанием Nb от 4,5 до 10 % и малыми добавками В и С обозначают TNB. Эти сплавы обладают более 
высокой прочностью и сопротивлением окислению по сравнению 
со сплавами второго поколения. Так, в частности, сплавы Ti–45Al– 
–(5…10)Nb при комнатной температуре имеют временное сопротивление разрыву 1100 МПа при удлинении более 2 %. Довольно высокое для интерметаллидов удлинение обусловлено тем, что ниобий 
уменьшает энергию дефектов упаковки и тем самым повышает 
склонность сплавов к двойникованию. Вместе с тем затрудняется 
способность дислокаций к переползанию и поперечному скольжению, что способствует повышению характеристик жаропрочности. 
К тому же легирование сплавов на основе интерметаллида TiAl ниобием проводят с целью измельчения зерна, повышения однородности 
первичных структур, облегчения последующих технологических 
процессов.  
Сплавы на основе γ-TiAl в интервале температур от 600 до 800°С 
превосходят традиционные титановые сплавы по удельной прочности. Их жаропрочность и другие механические свойства сопоставимы с таковыми для никелевых сплавов типа инконель 718 или даже 
выше. 
По мнению Y.W. Kim, сплавы на основе алюминида γ-TiAl по сопротивлению ползучести можно применять до температуры 750 °С 
при бимодальной структуре и до 950 °С при пластинчатой. 
Изменяя состав и структуру сплавов на основе интерметаллида 
TiAl за счет их различной термической обработки, добиваются получения у них высоких механических свойств. 

1.3. Высокотемпературное  
окисление сплавов на основе γ-TiAl 

Максимальная температура работоспособности γ-TiAl в настоящее время ограничена 650 °С, однако области применения таких 
сплавов в будущем требуют повышения этого предела до температур 
≥ 800 °С. При таких температурах сплавы на основе γ-TiAl в рабочих 
режимах будут подвергаться жестким воздействиям окружающей 
среды (высокотемпературному окислению). Безусловно, чтобы дос