Жаропрочный материал на основе ниобия и способы его получения



Жаропрочный материал на основе ниобия и способы его получения
Жаропрочный материал на основе ниобия и способы его получения
Жаропрочный материал на основе ниобия и способы его получения
Жаропрочный материал на основе ниобия и способы его получения
Жаропрочный материал на основе ниобия и способы его получения
Жаропрочный материал на основе ниобия и способы его получения

 


Владельцы патента RU 2469119:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твердого тела Российской академии наук (ИФТТ РАН) (RU)

Изобретение относится к области металлургии, в частности к слоистым материалам, и может быть использовано для изготовления деталей авиационно-космической техники, работающих при высоких температурах. Заявлены жаропрочный материал на основе ниобия и способы его получения. Жаропрочный материал на основе ниобия, выполненный в виде чередующихся слоев твердого раствора алюминия или кремния в ниобии и слоев соответствующих интерметаллидов ниобия Nb3Al или Nb3Si, толщина которых не превышает 50 мкм. Способ получения жаропрочного материала на основе ниобия включает сборку пакета с чередованием фольги ниобия и фольги алюминия и термообработку пакета до образования слоев интерметаллического соединения Nb3Al или сборку пакета из ниобиевой фольги с односторонним покрытием из Si-порошка. Причем термообработку осуществляют под давлением 5-15 МПа в вакууме 10-2-10-4 мм рт.ст. до образования слоев интерметаллического соединения Nb3Al и Nb3Si соответственно. Технический результат - повышение прочности за счет создания в материале дополнительных границ раздела. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 8 ил., 4 пр.

 

Изобретение относится к области металлургии, может быть использовано для изготовления деталей авиационно-космической техники, работающих при высоких температурах.

Исследования возможности создания жаропрочных сплавов на основе ниобия с использованием метода твердорастворного и дисперсионного упрочнения путем легирования вольфрамом, молибденом, цирконием, титаном и другими элементами, а также дисперсионным упрочнением за счет выделения частиц второй фазы проводились еще в 1970-1980-е годы.

Наиболее подробно результаты этих исследований и их практической реализации представлены в работах [Е.Н.Шефтель, О.А.Банных, «Физико-химические и структурные подходы к созданию конструкционных сплавов на основе ниобия», Металлы, 2001, №5, с.97-110]. Большое внимание исследователей уделялось сплавам, упрочнение которых осуществлялось за счет дисперсных выделений фаз внедрения: карбидов, оксидов и нитридов титана, циркония, гафния, сродство которых к углероду, кислороду и азоту выше, чем у ниобия. По данным, представленным в этих работах, наиболее эффективным упрочнителем оказались нитриды перечисленных металлов, далее следуют карбиды и оксиды. Так, при объемном содержании фазы внедрения 4% (доэвтектические сплавы) кратковременная прочность при 1100°С составляла у нитридных сплавов 600 МПа, у карбидных 300, а у оксидных 250 МПа (при объемной доли оксидов 1%).

Эти сплавы получают путем обработки давлением слитков электронно-лучевой или зонной плавки и последующей специальной термообработки или химико-термической обработки для получения дисперсных выделений соответствующих фаз внедрения.

Однако данные методики являются высокотехнологичными и многозатратными.

Известен ниобиевый сплав на основе интерметаллидного соединения Nb3Al, описанный в патенте Японии 06122935, опубл. 06.05.94 г., кл. С22С 27/02, следующего состава (мас.%):

Тантал 1,0-15,0

Вольфрам 1,0-15,0

Алюминий 18,0-26,0

Ниобий - остальное.

Известный сплав отличается повышенной прочностью на сжатие при температуре 1600°С по сравнению с бинарными сплавами системы Nb-Al.

Однако они являются недостаточно пластичными вследствие больших объемных долей фаз упрочнителей в составе данных сплавов.

Известен жаропрочный материал на основе сплавов системы Nb-Si с 3 и 6 мас.% Si, полученных зонной плавкой («Структура жаропрочных сплавов системы Nb-Si с 3 и 6 мас.%81, полученных зонной плавкой», В.П.Коржов, М.И.Карпов // «Материаловедение», 2009, №11. с.39-43).

Однако данные сплавы обладают пониженной прочностью.

Предлагаемое изобретение решает задачу повышения прочности за счет создания в материале дополнительных границ раздела.

Поставленная задача решается созданием жаропрочного материал на основе ниобия, новизна которого заключается в том, что он представляет собой, по крайней мере, чередующиеся слои ниобия или твердого раствора алюминия или кремния в ниобии и слои соответствующих интерметаллидов ниобия, толщина которых не превышает 50 мкм.

Еще одним аспектом изобретения является способ получения жаропрочного материала, указанного выше, включающий сборку пакета из чередующихся фольг ниобия и алюминия, размером около 1 мкм каждая, и термообработку его под давлением в вакууме до образования слоев интерметаллического соединения Nb3Al.

В таком случае оптимальное отношение общей толщины фольг ниобия к общей толщине фольг алюминия в пакете из чередующихся фольг ниобия и алюминия равно 3,25-6,00.

Наиболее технологично проводить термообработку пакета в вакууме 10-2-10-4 мм рт.ст. под давлением 5-15 МПа.

Одним из способов проведения термообработки пакета является проведение его по режиму: нагрев при 450-600°С в течение 1-10 ч, затем нагрев до 1600-1950°С в течение 1-3 ч и выдержка в течение 10-50 мин.

Еще одним аспектом изобретения является способ получения жаропрочного материала, указанного выше, включающий сборку пакета из ниобиевых фольг с односторонним покрытием из Si-порошка и термообработку его в вакууме под давлением до образования интерметаллического соединения Nb3Si.

Полученный материал обладает повышенной прочностью при сохранении пластичности за счет создания в нем дополнительных границ раздела между слоями.

На фиг.1 изображены макроструктура поперечного сечения многослойного образца (а) и микроструктура характерного участка во вторичных электронах (б).

На фиг.2 изображены концентрационные профили алюминия и ниобия и фрагмент участка микроструктуры в отраженных электронах с указанием мест (точки от 1 до 11) проведения рентгеноспектрального анализа (а, б).

На фиг.3 изображены макроструктура поперечного сечения многослойного образца (а) и микроструктура характерного участка в отраженных электронах (б).

На фиг.4 изображены концентрационные профили алюминия и ниобия и фрагмент участка микроструктуры в отраженных электронах с указанием мест (точки от 1 до 13) проведения рентгеноспектрального анализа (а, б).

На фиг.5 изображены макроструктура поперечного сечения многослойного образца (а) и микроструктура характерного участка в отраженных (б) и вторичных (в) электронах.

На фиг.6 изображены концентрационные профили алюминия и ниобия, фрагмент участка микроструктуры в отраженных электронах с указанием мест (точки от 1 до 17) проведения рентгеноспектрального анализа и микроструктура с указанием расположения слоев (а, б).

На фиг.7 изображены кратковременные пределы прочности при испытаниях на 3-точечный изгиб в зависимости от температуры испытания образцов со структурой, в составе которой в равных количествах присутствовали слои интерметаллического соединения Nb3Al.

На фиг.8 изображен кратковременный предел прочности при испытаниях на 3-точечный изгиб в зависимости от температуры испытания образцов, в составе которой присутствовали слои интерметаллического соединения Nb3Si.

Приведенные ниже примеры подтверждают, но не ограничивают предлагаемое изобретение.

Пример 1

Пакет собирался из 44 ниобиевых фольг, чередующихся с 43 алюминиевыми фольгами. Толщина всех алюминиевых фольг - 10 мкм, толщина 42 внутренних ниобиевых фольг - 40 мкм, толщина двух наружных - 100 мкм. Объемное соотношение Nb:Al=4:1. Термообработка в печи с графитовым нагревателем в вакууме ~10-2 мм рт.ст. под давлением ~6 МПа по режиму: 550°С в течение 1 ч + нагрев до 1700°С за 1 ч + выдержка 30. Макроструктура поперечного сечения многослойного образца (а) и микроструктура характерного участка во вторичных электронах (б) приведены на фиг.1. Концентрационные профили алюминия и ниобия и фрагмент участка микроструктуры в отраженных электронах с указанием мест (точки от 1 до 11) проведения рентгеноспектрального анализа приведены на фиг.2.

Как видно из приведенных изображений, по всему сечению, кроме поверхностного слоя толщиной ~0,1 мм, образовались слои интерметаллического соединения Nb3Al, содержащего от ~19 до 22-23 ат.% Al.

Кратковременный предел прочности при испытаниях на 3-точечный изгиб составил 300 МПа при 1300°С.

Пример 2

Пакет собирался из 44 ниобиевых фольг, чередующихся с 43 алюминиевыми фольгами. Толщина всех алюминиевых фольг - 15 мкм, толщина 42 внутренних ниобиевых фольг - 50 мкм, толщина двух наружных - 100 мкм. Объемное соотношение Nb:Al=3,25:1.

Термообработка в печи с графитовым нагревателем в вакууме ~10-4 мм рт.ст. под давлением ~ 15 МПа по режиму: 450°С в течение 10 ч + нагрев до 1600°С за 3 ч + выдержка 10 мин + охлаждение с печью.

Макроструктура поперечного сечения многослойного образца (а) и микроструктура характерного участка в отраженных электронах (б) приведены на фиг.3.

Концентрационные профили алюминия и ниобия и фрагмент участка микроструктуры в отраженных электронах с указанием мест (точки от 1 до 13) проведения рентгеноспектрального анализа приведены на фиг.4.

Как видно из приведенных изображений, микроструктура поперечного сечения представляет собой чередование слоев интерметаллического соединения Nb3Al (20-22 ат.% Al) толщиной ~40 мкм и слоев твердого раствора на основе ниобия Nb(Al) толщиной ~6 мкм, содержащего ~17 ат.% Al. Внутри слоев Nb3Al вытянутые островки интерметаллического соединения Nb2Al.

Кратковременный предел прочности при испытаниях на 3-точечный изгиб составил 350 МПа при 1300°С.

Пример 3

Пакет собирался из 48 ниобиевых фольг, чередующихся с 47 алюминиевыми фольгами. Толщина всех алюминиевых фольг - 10 мкм, толщина 46 внутренних ниобиевых фольг - 60 мкм, толщина двух наружных - 200 мкм. Объемное соотношение Nb:Al=6:1.

Термообработка в печи с графитовым нагревателем в вакууме ~10-3 мм рт.ст. под давлением ~5 МПа по режиму: 600°С в течение 5 ч + нагрев до 1950°С за 1 ч + выдержка 50 мин + охлаждение с печью.

Макроструктура поперечного сечения многослойного образца (а) и микроструктура характерного участка в отраженных (б) и вторичных (в) электронах приведены на фиг.5.

Концентрационные профили алюминия и ниобия, фрагмент участка микроструктуры в отраженных электронах с указанием мест (точки от 1 до 17) проведения рентгеноспектрального анализа и микроструктура с указанием расположения слоев приведены на фиг.6.

Как видно из приведенных изображений, микроструктура поперечного сечения представляет собой чередование слоев интерметаллического соединения Nb2Al (около 35 ат.% Al) толщиной 20-25 мкм и слоев твердого раствора на основе ниобия Nb(Al) толщиной ~10 мкм, содержащего ~10 ат.% Al, с обеих сторон которого расположены слои интерметаллического соединения Nb3Al (20-22 ат.% Al) толщиной по ~5 мкм.

Для оценки прочностных свойств при температурах 1100-1300°С были проведены первые испытания на 3-точечный изгиб образцов прямоугольного поперечного сечения площадью ~2×2-2,5 мм2, вырезанных из пластин 30-40×50-60×2-2,5 мм3. Результаты испытаний полученных изделий в примерах 1-3 и некоторых других представлены на фиг.7. Видно, что лучшие значения кратковременного предела прочности, равные с учетом разброса 220-350 МПа в интервале температур от 1200 до 1300°С, достигнуты для образцов, имевших структуру, состоявшую полностью из слоев соединения Nb3Al.

Кратковременный предел прочности при испытаниях на 3-точечный изгиб составил 220 МПа при 1200°С.

На фиг.7 приведены кратковременные пределы прочности при испытаниях на 3-точечный изгиб в зависимости от температуры испытания образцов со структурой, в составе которой в равных количествах присутствовало интерметаллическое соединение Nb3Al.

Как показали испытания, наибольшие значения кратковременного предела прочности получены при проведении термоообработки в вакууме ~10-2 мм рт.ст. по режиму: 850-900°С в течение 3 ч под давлением ~50 МПа + 1700°С в течение 30 мин под давлением ~6 МПа + охлаждение с печью до комнатной температуры.

Пример 4

Пакет собирался из 42 ниобиевых фольг, одна поверхность которых имела покрытие из Si-порошка. Внутренние ниобиевые фольги имели толщину 20 мкм, толщина наружных ниобиевых фольг - 200 мкм. Сборка пакета производилась таким образом, чтобы каждая свободная от покрытия поверхность Nb-фольги соприкасалась с Si-покрытием соседней фольги. В связи с этим одна наружная ниобиевая фольга оставалась без покрытия.

Покрытие наносили методом окрашивания поверхности фольги суспензией кремниевого порошка в полиэтиленгликоле. Размер порошка кремния - 1-3 мкм. После нанесения суспензии покрытие сушили в течение 12-15 ч при ~200°С. Толщина Si-покрытия составляла 40-50 мкм.

Термообработка для образования интерметаллического соединения Nb3Si проводилась в печи с графитовым нагревателем в вакууме ~10-2 мм рт.ст. по режиму: 850-900°С в течение 3 ч под давлением ~50 МПа + 1700°С в течение 30 мин под давлением ~ 6,5 МПа + охлаждение с печью.

Кратковременные пределы прочности при испытаниях на 3-точечный изгиб в зависимости от температуры испытания образцов приведены на фиг.8.

Видно, что лучшие значения кратковременного предела прочности равны 260 МПа при температуре 1150°С, наименьшие 220 изделия МПа при температуре 1200°С.

Как видно из приведенных примеров, использование предлагаемого изобретения позволяет получать жаропрочный материал на основе ниобия, значения кратковременного предела прочности, равные с учетом разброса 450-250 МПа в интервале температур от 950 до 1300°С.

1. Жаропрочный материал на основе ниобия, выполненный в виде чередующихся слоев твердого раствора алюминия или кремния в ниобии и слоев соответствующих интерметаллидов ниобия Nb3Al или Nb3Si, толщина которых не превышает 50 мкм.

2. Жаропрочный материал на основе ниобия по п.1, отличающийся тем, что внутри слоя интерметаллида Nb3Al расположены слои интерметаллида Nb2Al.

3. Способ получения жаропрочного материала по п.1 или 2, включающий сборку пакета с чередованием фольги ниобия и фольги алюминия и термообработку пакета под давлением 5-15 МПа в вакууме 10-2-10-4 мм рт.ст. до образования слоев интерметаллического соединения Nb3Al, при этом термообработку осуществляют путем нагрева при 450-600°С в течение 1-10 ч, затем нагрева до 1600-1950°С в течение 1-3 ч и выдержки в течение 10-50 мин.

4. Способ получения жаропрочного материала по п.3, отличающийся тем, что отношение толщины фольги ниобия к толщине фольги алюминия в пакете равно 3,25-6,00.

5. Способ получения жаропрочного материала по п.1 или 2, включающий сборку пакета из ниобиевой фольги с односторонним покрытием из Si-порошка и термообработку его под давлением 5-15 МПа в вакууме 10-2-10-4 мм рт.ст. до образования слоев интерметаллического соединения Nb3Si, при этом термообработку осуществляют путем нагрева при 450-600°С в течение 1-10 ч, затем нагрева до 1600-1950°С в течение 1-3 ч и выдержки в течение 10-50 мин.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области металлургии, в частности к жаропрочным дисперсно-упрочненным сплавам на основе ниобия и способам их получения, и может быть использовано для изготовления деталей авиационно-космической техники, работающих при температурах до 1600°С.
Изобретение относится к области металлургического производства распыляемых металлических мишеней для микроэлектроники, а также к изготовлению интегральных схем и тонкопленочных конденсаторов на основе тантала и его сплавов.
Изобретение относится к области цветной металлургии и может быть использовано при производстве сплавов титана. .
Изобретение относится к металлургии и может быть использовано для изготовления изделий, работающих в условиях механических нагрузок при повышенных температурах. .

Изобретение относится к получению ниобиевой проволоки, пригодной для применения в качестве проволочного вывода для ниобиевых, ниобийоксидных или танталовых конденсаторов.
Изобретение относится к области металлургии и касается составов сплава на основе ниобия, которые могут быть использованы для изготовления изделий, работающих в условиях механических нагрузок при повышенных температурах.
Изобретение относится к области металлургии и касается составов сплавов на основе ниобия, которые могут быть использованы для изготовления изделий, работающих в условиях механических нагрузок при повышенных температурах.
Изобретение относится к области металлургии, а именно к жаропрочным интерметаллидным сплавам на основе Nb-Al для изготовления деталей авиационно-космической техники, работающих при температурах до 1600°С.

Изобретение относится к технологии получения износостойких материалов с помощью энергии взрывчатых веществ (ВВ) и может быть использовано при изготовлении пар трения, тормозных устройств и т.п., предназначенных для эксплуатации в условиях агрессивных сред.

Изобретение относится к технологии получения износостойких изделий с помощью энергии взрывчатых веществ (ВВ) и может быть использовано при изготовлении пар трения, тормозных устройств и т.п., предназначенных для эксплуатации в условиях агрессивных сред.

Изобретение относится к технологии получения износостойких материалов с помощью энергии взрывчатых веществ (ВВ) и может быть использовано при изготовлении пар трения, тормозных устройств и т.п., предназначенных для эксплуатации в условиях агрессивных сред.
Изобретение относится к области ювелирной промышленности и предназначено для производства биметаллического полуфабриката сплавов золота ЗлСрМ 585-80 и серебра СрМ 925.

Изобретение относится к способу получения композиционных вольфрам-медных покрытий на контактных поверхностях. .

Изобретение относится к получению дегидрированных углеводородов и касается способа непрерывного гетерогенного каталитического частичного дегидрирования по меньшей мере одного подлежащего дегидрированию углеводорода в реакторе, выполненном из композиционного материала, который с контактирующей с реакционным объемом стороны В состоит из обладающей особым составом элементов стали В, которая с дальней от реакционного объема стороны А непосредственно или через промежуточный слой меди, никеля или меди и никеля плакирована на сталь А с особым составом элементов, а также частичного окисления дегидрированного углеводорода и самого реактора.

Изобретение относится к области получения биметаллических труб, которые состоят из коаксиально собранных труб из разнородных металлов, прочно скрепленных по всей их контактной поверхности [1].
Изобретение относится к производству слоистых композиционных материалов сталь-алюминий. .
Изобретение относится к производству слоистых композиционных материалов сталь-алюминий. .

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано для изготовления многослойных металлических листов, в том числе с субмикро- и наноразмерной структурой.

Изобретение относится к медно-оловянным сплавам и может быть использовано для соединительных элементов в электронике и электротехнике
Наверх