Способ получения изделий из аморфных сплавов на основе системы ti-zr-cu

 

Использование: металлургия, производство металлических материалов с аморфной структурой, получаемых из расплава при высоких скоростях охлаждения. Цель: получение массивных изделий различной формы и улучшение механических свойств. Сущность изобретения: дополнительно определяют максимальную критическую толщину аморфизации и соответствующую минимальную скорость перемещения ленты при закалке на диске, а изделие формируют в замкнутом объеме, максимальная толщина которого не превышает двукратной критической толщины аморфизации, причем скорость заполнения объема должна быть не меньше минимальной скорости перемещения ленты при закалке на диске. 4 ил.

Изобретение относится к металлургии, а именно к производству металлических материалов с аморфной структурой, получаемых из расплава при высоких скоростях охлаждения. Известны способы получения аморфной структуры в металлических сплавах методами быстрой закалки из жидкого состояния. Недостатком этих способов является то, что изготовление изделий возможно только в форме ленты, полосы или проволоки с сечением 30-100 мкм и только в отдельных случаях с сечением до 0,5-1,0 мм. Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ получения аморфной ленты закалкой расплава на диске, включающий плавление металла при электрическом или индукционном нагреве, выдавливание расплава из сопла тигля под действием газа с последующим затвердеванием его при соприкосновении с внешней поверхностью вращающегося диска (холодильника). Аморфная структура ленты получается в том случае, когда фронт затвердевания расположен в верхней части расплава на холодильнике, т.е. скорость теплоотвода больше скорости движения расплава. При этом количество вытекающего расплава Q рассчитывают по формуле Q=πa²v, где а радиус сопла тигля (струи); v скорость истечения расплава. При получении аморфной ленты толщиной d и шириной W выполняется соотношение Q WdV_л, где V_л скорость перемещения диска. Недостатком данного способа и всех существующих методов закалки из жидкого состояния является невозможность получения массивных изделий различной формы с аморфной структурой. Целью изобретения является получение массивных изделий различной формы и улучшение механических свойств. Слиток формируют струей металла в замкнутом объеме неподвижного охлаждаемого тела (холодильника), причем скорость заполнения объема формы не меньше скорости движения диска, при которой аморфная лента достигает своей критической толщины. В результате того, что теплоотвод осуществляется от центра слитка в радиальных направлениях через стенки холодильника, толщина аморфного слоя может быть значительно увеличена по сравнению с аморфной лентой, получаемой закалкой расплава на диске при одностороннем контакте с холодильником. Это связано с тем, что целый ряд интерметаллидов отличается сильно выраженной ковалентной связью, которая приводит к наличию сильной зависимости вязкости расплава от температуры одному из условий аморфизации расплава при быстрой закалке. Критическая толщина аморфной ленты для сплавов системы Ti-Zr-Cu может достигать 1,5 мм, что соответствует критической скорости охлаждения расплава, необходимой для получения аморфной структуры, порядка 10²-10⁴к/c. Плавление металла осуществляется методом индукционного нагрева. В качестве исходных материалов используют сплавы на основе Ti-Zr-Cu. Расплав подают из сопла тигля под давлением в замкнутый объем неподвижного охлаждаемого тела (холодильника), причем струя не касается стенок холодильника, в результате чего заполнение объема расплавом происходит снизу вверх. В первом приближении максимальная толщина слитка с аморфной структурой (Н_кр.) для конкретного сплава системы Ti-Zr-Cu определяется из соотношения Н_кр 2d_c, где d_c критическая толщина аморфного сплава, полученная при использовании метода быстрой закалки на диске, т.е. максимальная толщина, когда сплав имеет аморфную структуру. Количество вытекающего из сопла тигля расплава Q рассчитывают по формуле Q=πa²v, где а радиус сопла тигля; v скорость истечения расплава. Скорость заполнения объема формы расплавом (V_н) определяется из соотношения Q SV_н, где S площадь сечения, перпендикулярного движению расплава в форме. Для получения аморфной структуры слитка V_н должна удовлетворить условию V_н≥V_кр. где V_кр= минимальная скорость перемещения ленты при затвердевании на диске, при которой достигается аморфная структура. П р и м е р 1. Получение массивных образцов аморфного сплава Ti₁₀Zr₄₀Cu₅₀. С целью выбора оптимальных композиций сплавов необходимо определить критическую толщину. Для экспериментального исследования взят сплав Ti₁₀Zr₄₀Cu₅₀ тройной интерметаллидсодержащей системы Ti-Cu-Zr. В равновесном кристаллическом состоянии он трехфазный: TiZrCu₄ + Zr₂Cu + +ZrCu_3,6. Для определения критической толщины аморфного сплава Ti₁₀Zr₄₀Cu₅₀ при закалке на диске использована методика торможения закалочного диска. Специальным тормозом в процессе разливки диск останавливают за 1-3 с. В результате получают ленту переменной толщины. За критическую толщину аморфной ленты принята толщина, при которой в оптическом микроскопе при увеличении х 100 на внешней поверхности ленты наблюдаются первые выделения кристаллической фазы. Аморфное состояние ленты контролируют также рентгенографически. В результате установлено, что вся лента является аморфной. Критическая толщина равна 1,5-2 мм. Предлагаемый исходный сплав весом 15 г помещают в кварцевый тигель, расположенный над неподвижным охлаждаемым телом (холодильником). Диаметр сопла тигля 0,8 мм. В качестве холодильника используют массивную форму, изготовленную из меди, что обеспечивает высокую скорость теплоотвода. Внутренние объемы, заполняемые расплавом, имеют форму цилиндров высотой 50 мм, с поперечным сечением диаметром до 5 мм и 2 х 2, 2 х 3 мм. Расстояние между соплом тигля и холодильником 3 мм. Слиток расплавляют с помощью высокочастотного индуктора. Расплав под действием газа выдавливают через сопло тигля и струей заполняют объем формы. Процесс проводят с выполнением условия М_н ≥ V_кр. Следует учесть, что образец с диаметром поперечного сечения 4 мм имеет площадь этого сечения, приблизительно в 3 раза большую площади поперечного сечения аморфной ленты толщиной 2 мм и шириной 2 мм. Скорость истечения расплава из сопла тигля зависит от давления газа (Р), и в первом приближении эту зависимость можно представить как прямо пропорциональную: P ≈V. Поэтому для получения массивных образцов с аморфной структурой давление газа увеличено в 3 раза по сравнению с величиной Р, реализуемой при закалке данного сплава на диске, и составляет 0,6 атм. Процесс проводят в инертной атмосфере гелия. В результате получают массивные образцы, имеющие форму стержней длиной 50 мм с поперечным сечением 2 х 2 мм, 2 х 3 мм и диаметром до 4 мм, с аморфной структурой. На фиг.1 показан массивный образец аморфного сплава Ti₁₀Zr₄₀Cu₅₀ c диаметром поперечного сечения 4 мм; на фиг.2 дифрактограммы, полученные в результате рентгеноструктурного анализа массивных образцов сплава Ti₁₀Zr₄₀Cu₅₀, проведенного на дифрактометре ДРОН-2 на Cu K-излучении. Подтверждением аморфной структуры полученных образцов является наличие на дифрактограммах гало в области углов 30-50^о, характерного для аморфного состояния. Подтверждением аморфной структуры массивных образцов быстрозакаленного сплава Ti₁₀Zr₄₀Cu₅₀ является наличие экзотермических эффектов, сопровождающих кристаллизацию аморфной фазы при нагреве, на термограммах массивных образцов, полученных методом дифференциального термического анализа (фиг.3). Исследованы механические свойства массивных образцов аморфного сплава Ti₁₀Zr₄₀Cu₅₀. Предел прочности при изгибе 1600 МПа, при растяжении 800 МПа (удлинение 2-4%), что в 1,5 раза выше, чем для их кристаллических аналогов. Модуль упругости Е 78 ГПа, модуль сдвига ϕ 26 ГПа, коэффициент Пуассона μ 0,5. П р и м е р 2. При тех же параметрах процесса, что и в примере 1, из сплава Ti₁₀Zr₄₀Cu₄₀ получены быстрозакаленные образцы длиной 50 мм с диаметром поперечного сечения 5 мм. Рентгеноструктурным анализом установлено, что эти образцы являются аморфно-кристаллическими; на дифрактограммах имеются пики, которые идентифицируются как кристаллическая структура с о.ц.к. решеткой (а 3,23 ) (фиг.4). Для массивных образцов диаметром 5 мм не выполняется условие: H_кр≅2d_c. B результате при затвердевании из расплава образуется метастабильная кристаллическая фаза с о.ц.к структурой. П р и м е р 3. Образцы быстрозакаленного сплава Ti₁₀Zr₄₀Cu₅₀ длиной 50 мм с диаметром поперечного сечения 2; 3; 4 мм, получены на установке для плавки во взвешенном состоянии. Слитки массой 10-15 г расплавляют с помощью высокочастотного индуктора во взвешенном состоянии. При отключении индуктора расплав падает под тяжестью собственного веса и заполняет формы. Рентгеноструктурным анализом установлено, что все образцы являются кристаллическими. Дифрактограммы, снятые с внутренней части этих слитков, характеризуются наличием пиков, которые идентифицируются как кристаллическая структура с о. ц. к. решеткой с параметром а 3,23 А. Данный способ не позволяет получить аморфную структуру даже в тех образцах, для которых выполняется условие Н_кр ≅ 2d_c. Предлагаемый способ позволяет получать изделия с аморфной структурой различной формы и может быть реализован на установках для быстрой закалки из расплава при замене охлаждающих тел медных дисков на холодильники с различными формами. Возможно получение полуфабрикатов, близких по форме к готовым изделиям, что значительно сокращает расходы на дополнительную обработку материалов. Процесс является менее энергоемким, так как не требует затрат электроэнергии на вращение диска, в отличие от метода закалки на быстровращающемся диске, при сокращении операции получения аморфных сплавов.

Формула изобретения

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ АМОРФНЫХ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ СИСТЕМЫ Ti-Zr-Cu, включающий плавление и выдавливание расплава из сопла тигля под давлением на диск с последующим охлаждением, отличающийся тем, что, с целью получения массивных изделий различной формы и улучшения механических свойств, дополнительно определяют максимальную критическую толщину аморфизации и соответствующую минимальную скорость перемещения ленты на диске, а при охлаждении изделие формируют в замкнутом объеме, максимальная толщина которого не превышает двукратной критической толщины аморфизации, причем скорость заполнения объема должна быть не меньше минимальной скорости перемещения ленты при закалке на диск.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4

MM4A Досрочное прекращение действия патента из-за неуплаты в установленный срок пошлины заподдержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 22.02.2009

Дата публикации: 20.07.2011

---