Композиционный материал

 

Изобретение относится к конструкционным материалам и может быть использовано при изготовлении изотермических штамповых вставок или износостойкой футеровки. Сущность изобретения: предложен композиционный материал, имеющий следующий состав, мас. карбид титана 13,5 15; эвтектика карбид титана-никель 1,5 2; интерметаллид никеля, титана и алюминия состава Ni₃(Ti,Al); никель остальное. 1 з.п. ф-лы, 1 табл. 2 ил.

Изобретение относится к конструкционным материалам и может быть использовано при изготовлении изотермических штамповых вставок или износостойкой футеровки.

Известен композиционный материал [1] на основе карбида титана с никелевой связкой, имеющий следующий состав, мас. карбид титана 80; никель 20. Предел прочности материала при испытаниях на трехточечный изгиб (σ_и) при температурах 1050, 1100, 1150^оС соответственно равен 300, 190, 110 МПа; предел прочности при испытании на осадку (σ_0,2) при этих же температурах равен 61, 27, 13 МПа соответственно.

Недостатком материала являются низкие прочностные свойства в интервале температур 1050 1150^оС из-за сильного разупрочнения никелевой матрицы.

Наиболее близким к предлагаемому является композиционный материал с матричной структурой [2] имеющий следующий состав, мас. карбид титана 58; никелевый сплав 42. Предел прочности материала на трехточечный изгиб при температурах 1050, 1100, 1150^оС составляет 585, 348, 161 МПа, предел прочности при испытаниях на осадку при указанных температурах равен 303, 203, 162 МПа. Окисление материала при 1100^оС за 5 ч равно 21,58 мг/см.

Недостатком материала являются относительно низкие показатели прочности.

Цель изобретения повышение прочности при 1050 1150^оС.

Предложен композиционный материал с матричной структурой на основе никелевой фазы, упрочненный карбидом титана в виде частиц кубической формы и в виде эвтектики с никелем, и интерметаллидной фазой Ni₃(Ti,Al), имеющий следующее соотношение компонентов, мас. Частицы карбида титана 13,5 15 Эвтектика TiC-Ni 1,5 2 Интерметаллидная фаза Ni₃(Ti,Al) 42 45 Никелевая фаза Остальное Частицы карбида титана имеет кубическую форму с величиной ребра 8 30 мкм. Эвтектические выделения TiC-Ni имеют пластинчатую форму. Длинновой размер пластин колеблется в пределах 10 50 мкм, толщина их составляет 0,8 1,0 мкм. Интерметаллидная фаза равномерно распределена в объеме материала и представляет собой дисперсные выделения γ'-фазы размером 0,3 0,5 мкм.

Частицы карбида титана могут быть распределены в объеме материала равномерно или с увеличением концентрации к одной из поверхностей материала. Поверхность с пониженной концентрацией частиц TiC обладает способностью релаксировать контактные напряжения, что сильно увеличивает трещиностойкость материала.

Композиционный материал получают методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) из шихты, содержащей оксид никеля, алюминий, титан и углерод в виде графита.

Структуру и химический состав материала изучали на оптическом микроскопе "НЕОФОТ-32", растровом электронном "ISM-840A" и "Link-860", автоматическом структурном анализаторе "Эпиквант". Фазовый состав определяли с помощью рентгеновского дифрактометра "ДРОН-3М". Предел текучести σ_0,2 и предел прочности на изгиб σ_и определяли на испытательной машине 123IV-10.

Существенными отличительными признаками материала являются присутствие в нем частиц карбида титана, эвтектики TiC-Ni и интерметаллидной фазы Ni₃ (Ti, Al); соотношение этих компонентов.

Известно использование интерметаллида NiAl, Ni₃Al в качестве металлической связки в спеченных твердых сплавах на основе тугоплавкого соединения. Эта интерметаллидная фаза является упрочнителем в твердых сплавах.

Однако только определенное соотношение взятых компонентов дает возможность достичь поставленную цель, выход за указанные выше интервалы приводит либо к невозможности образования интерметаллидной фазы, либо к избыточной концентрации карбида титана, что ведет к снижению прочности композиционного материала.

На фиг. 1 представлена структура материала 85% Ni- 15% TiC с равномерным распределением частиц карбида титана; на фиг. 2 структура материала 85% Ni 15% TiC со слоистым распределением карбида титана.

П р и м е р 1. В шихте используют порошки следующих компонентов: NiO 434 г (72% ); алюминий марки ACД-I 105 г (17,5%), титан марки ТПМ 48 г (8%), в виде углерода используется графит марки CI дисперсностью менее 40 мкм 15 г (2,5%). Расчетный состав слитка: 85% Ni 15% TiC.

Порошки перемешивают и прессуют шихту в пресс-форме в виде цилиндра диаметром 100 мкм и высотой 13 мм с плотностью 2,2 г/см³. Далее заготовку помещают в реактор и создают давление 4 МПа. Для создания давления используют инертный газ азот. Затем инициируют реакцию СВС вольфрамовой спиралью, накаливаемой электрическим током. Параллельно этому включают индуктор, помещенный в реакторе. Цилиндрическая заготовка находится внутри индуктора в графитовом тигле. По окончании СВС-реакции индуктор нагревается до 1800^оС и выдерживается при ней 20 с. В результате получают материал (фиг. 2) следующего состава, мас. Частицы карбида титана 14 Эвтектика TiC-Ni 1,7 Интерметаллидная фаза Ni₃(Ti,Al) 43 Никель Остальное Полученный композиционный материал состоит из двух слоев слоя с высокой концентрацией частиц TiC и слоя с практическим отсутствием оных. Ширина слоя с высокой концентрацией TiC составляет 4 мм, слой имеет следующий состав, мас. Частицы TiC 31 Эвтектика TiC-Ni 1,7 Интерметаллидная фа- за Ni₃(Ti,Al) 28 Никель Остальное Ширина слоя с низкой концентрацией TiC составляет 1 1,5 мм, и слой имеет следующий состав, мас. Частицы TiC 1,6 Эвтектика TiC-Ni 1,7 Интерметаллидная фаза Ni₃(Ti,Al) 56 Никель Остальное Полученный материал был испытан на трехточечный изгиб при температурах 1050, 1100, 1150^оС. Предел прочности составил 620, 420, 260 МПа соответственно. Предел прочности при испытании на осадку при указанных температурах равен 350, 260, 203 МПа.

П р и м е р 2. Состав шихты, ее прессование и инициирование реакции СВС аналогично примеру 1. Материал получали без применения индуктора. В результате получили материал (фиг. 1) следующего состава, мас. Частицы TiC 14 Интерметаллидная фаза Ni₃(Ti,Al) 42 Эвтектика TiC-Ni 1,8 Никель Остальное Частицы карбида титана распределены равномерно в объеме материала.

Полученный материал был испытан на трехточечный изгиб при температурах 1050, 1100, 1150^оС. Предел прочности σ_и составил 590, 371, 192 МПа соответственно. Предел прочности при испытаниях на осадку при указанных температурах равен 325, 230, 184 МПа.

Аналогично примеру 1 были получены материалы, которые отличаются процентным содержанием компонентов, и аналогично примеру 2 были получены материалы, которые отличаются содержанием компонентов. Данные приведены в таблице.

Формула изобретения

КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ, содержащий никель и карбид титана, отличающийся тем, что он дополнительно содержит интерметаллид никеля, титана и алюминия состава Ni₃(Ti, Al) и эвтектику карбид титана никель при следующем соотношении компонентов, мас.

Карбид титана 13,5 15
Эвтектика карбид титана никель 1,5 2
Интерметаллид никеля, титана и алюминия состава Ni₃ (Ti, Al) 42 - 45
Никель Остальное
2. Материал по п.1, отличающийся тем, что он содержит карбид титана с концентрацией, возврастающей по направлению к одной из поверхностей материала.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3