Способ получения лигатуры алюминий-титан-цирконий


 


Владельцы патента RU 2518041:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии Уральского отделения Российской академии наук (ИМЕТ УрО РАН) (RU)

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к способам получения лигатур на основе алюминия, и может быть использовано при получении лигатуры алюминий-титан-цирконий, применяемой для модифицирования алюминиевых сплавов. Способ получения лигатуры алюминий-титан-цирконий включает плавление бинарных лигатурных сплавов алюминий-титан и алюминий-цирконий при поддержании отношения по массе титана к цирконию от 0,15 до 1,5, нагрев расплава до температуры на 160-300°С выше температуры ликвидуса, перемешивание расплава, воздействие на расплав низкочастотными колебаниями для равномерного распределения алюминидов не менее 1 минуты и проведение кристаллизации расплава со скоростью 103-104 град/с. Техническим результатом изобретения является повышение модифицирующей способности лигатуры за счет образования комплексных метастабильных алюминидов с решеткой, совпадающей с решеткой матрицы модифицируемых алюминиевых сплавов, и их равномерного распределения в сплаве лигатуры. 1 з.п. ф-лы, 3 пр., 1 табл.

 

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к способам получения лигатур на основе алюминия, и может быть использовано при получении лигатуры алюминий-титан-цирконий, применяемой для модифицирования сплавов.

Известен способ приготовления лигатуры алюминий-тугоплавкий металл, включающий обработку алюминиевого расплава галогенидом тугоплавкого металла при одновременном воздействии наносекундными электромагнитными импульсами с удельной мощностью 1000-1500 МВт/м3. (патент РФ 2232827, МПК С22С 21/00, 1/03, опубл. 20.07.2004).

Способ позволяет получать лигатуры алюминий-тугоплавкий металл за счет распада соответствующего галогенида с образованием алюминида тугоплавкого металла и газообразного экологически вредного галогенида алюминия. Кроме того, при получении таким способом лигатур Al-Ti, Al-Zr образующиеся в них алюминиды титана и циркония не позволяют обеспечить высокую модифицирующую способность этих лигатур, поскольку тетрагональный тип их решеток, на которых зарождается матрица алюминиевых сплавов, совмещается с ее гранецентрированной кубической (ГЦК) решеткой только отдельными плоскостями.

Известен способ получения лигатур для производства алюминиевых сплавов, принятый за прототип, включающий плавление алюминия, смешивание порошка алюминия и переходного металла (титан, цирконий, ванадий, хром и др.) в стехиометрическом соотношении, брикетирование полученной экзотермической смеси и введение ее в расплав алюминия при температуре 800-850°С для образования интерметаллидов, перемешивание и кристаллизацию расплава в литейной форме (а.с. СССР 1759930, МПК С22С 1/03, 1/04, опубл. 07.09.1992).

Недостатками способа являются:

- недостаточно высокая модифицирующая способность лигатур, обусловленная тем, что алюминиды, образующиеся при кристаллизации лигатур Al-Ti, Al-Zr, имеют тетрагональные решетки DO22 и DO23, которые имеют соответствие с ГЦК матрицы модифицируемых этими лигатурами алюминиевых сплавов лишь отдельными кристаллографическими плоскостями;

- недостаточно равномерное распределение в расплаве образующихся при протекании экзотермических реакций алюминидов переходных элементов;

- сложность осуществления, обусловленная приготовлением и брикетированием порошковых материалов алюминия и переходного металла.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение модифицирующей способности лигатуры за счет образования комплексных метастабильных алюминидов, имеющих ГЦК решетку структурного типа L12, совпадающую с ГЦК решеткой матрицы алюминиевых сплавов, и равномерного распределения в лигатурном сплаве комплексных алюминидов, не превышающих по размеру 10-15 мкм.

Указанный результат достигается в способе получения лигатуры алюминий-титан-цирконий, включающем плавление материала, содержащего алюминий и переходный металл, перемешивание расплава и кристаллизацию, согласно изобретению в качестве материала, содержащего алюминий и переходный металл, используют лигатурные сплавы алюминий-титан и алюминий-цирконий при поддержании в расплаве отношения по массе титана к цирконию 0,15-1,5, расплав нагревают до температуры на 160-300°С выше температуры ликвидуса, на расплав воздействуют низкочастотными колебаниями для измельчения и равномерного распределения алюминидов и проводят кристаллизацию расплава со скоростью 103-104 град/с. При этом воздействие низкочастотными колебаниями на расплав осуществляют не менее 1 минуты.

Лигатура, используемая для модифицирования алюминиевых сплавов, должна, не меняя существенно состава сплава, измельчать его зерно и структурные составляющие, улучшать прочностные и пластичные свойства. Модифицирующая способность алюминиевой лигатуры с двумя переходными элементами (титан и цирконий) определяется сходством структурных типов ГЦК решеток комплексного алюминида (зародышеобразующей фазы) и матрицы модифицируемых этими лигатурами алюминиевых сплавов, размерным соответствием этих решеток (чем оно ближе, тем выше эффект модифицирования), количеством добавляемой лигатуры, обеспечивающим выделение комплексных алюминидов, их дисперсностью и равномерным распределением в лигатуре.

Таким образом, чем ближе структурное и размерное соответствие решеток, тем выше эффект модифицирования. Это соответствие обеспечивается заявляемым соотношением в лигатуре титана и циркония, условиями нагрева и кристаллизации расплава, при которых образуются комплексные метастабильные алюминиды, имеющие ГЦК решетку структурного тип L12, совпадающую с ГЦК решеткой структурного типа А1 алюминиевой матрицы всеми плоскостями.

При использовании в качестве материала, содержащего алюминий и переходный металл, лигатурных сплавов алюминий-титан и алюминий-цирконий, при поддержании в расплаве отношения по массе титана к цирконию 0,15-1,5 и нагреве расплава на 160-300°С выше температуры ликвидуса образуются комплексные метастабильные алюминиды Al3(ZrxTi1-x), имеющие ГЦК решетку структурного типа L12.

При нагреве расплава до температуры, превышающей температуру ликвидуса меньше чем на 160°С, комплексные метастабильные алюминиды с ГЦК решеткой не образуются. С увеличением перегрева выше температуры ликвидуса на 160-300°С в расплаве образуются метастабильные алюминиды Al3(ZrxTi1-x) с ГЦК решеткой структурного типа L12. При дальнейших перегревах алюминиды начинают растворяться, образуя твердые растворы Aln(ZixTi1-x), кроме того, при высоких перегревах расплава над ликвидусом за счет испарения возрастают потери матричного металла, увеличивается содержание газов и оксидных пленок, что ухудшает качество лигатуры, и возрастают энергозатраты.

Воздействие на расплав низкочастотными колебаниями позволяет обеспечить дисперсность алюминидов и их равномерное распределение в лигатуре. Чем мельче алюминиды и равномернее их распределение, тем быстрее будет протекать процесс растворения лигатуры в модифицируемом расплаве. Дальнейшее проведение кристаллизации полученного расплава со скоростью 103-104 град/с позволит сохранить метастабильную форму выделения алюминидов Al3(ZrxTi1-x).

Способ получения лигатуры алюминий-титан-цирконий включает плавление бинарных лигатурных сплавов алюминий-титан и алюминий-цирконий при поддержании отношения по массе титана к цирконию от 0,15 до 1,5, нагрев расплава до температуры на 160-300°С выше температуры ликвидуса, перемешивание расплава, воздействие на расплав низкочастотными колебаниями для равномерного распределения алюминидов не менее 1 минуты и проведение кристаллизации расплава со скоростью 103-104 град/с.

Заявленный способ испытан в лабораторных условиях. Сплавы готовили в графитовых тиглях в печи угольного сопротивления в атмосфере аргона. Исходными материалами для приготовления лигатурных сплавов были промышленные лигатуры Al - 2% Zr (температура ликвидуса ~ 960°С) и Al - 3% Ti (температура ликвидуса ~ 970°С).

Пример 1. Получение лигатуры Al - 0,27% Ti - 1,82% Zr (температура ликвидуса ~ 950°С). Приготовили две навески: 10 г лигатуры Al - 3% Ti и 100 г лигатуры Al - 2% Zr (массовое отношение титана к цирконию 0,15). Разогрели печь до температуры 1200°С, поставили в нее графитовый тигель, включили промывку аргоном и загрузили обе навески в тигель. После расплавления навесок расплав перемешали и ввели в него графитовый поршень-излучатель, с помощью которого воздействовали на расплав низкочастотными колебаниями в течение 1 минуты в режиме интенсивного перемешивания при 1200°С, что выше температуры ликвидуса на ~ 250°С. Вывели из тигля поршень-излучатель, достали тигель и залили полученный расплав в подогретую плоскую графитовую форму, скорость кристаллизации в которых составляет 103 град/с. Металлографический и рентгеноспектральный микроанализы показали, что в лигатуре образуются алюминиды Al3(Zr0.85Ti0.15) с ГЦК решеткой L12, в которых титан замещает 16% циркония. По данным рентгенофазового анализа параметр решетки алюминидов равен 0,4065 (2) нм, что близко к параметру решетки чистого алюминия (0,4050 нм).

Пример 2. Получение лигатуры Al - 1,23% Ti - 1,18% Zr (температура ликвидуса ~ 890°С). Приготовили две навески: 70 г лигатуры Al - 3% Ti и 100 г лигатуры Al - 2% Zr (отношение массы титана к цирконию 1,04). Далее по условиям примера 1 нагрев расплава осуществляли до температуры 1050°С, что выше температуры ликвидуса ~ на 160°С, кристаллизацию расплава вели со скоростью ~ 104 град/с. В лигатуре образовались алюминиды Al3(Zr0.40Ti0.60) с ГЦК решеткой структурного типа L12, в которых цирконий замещает ~ 40% титана, а параметр решетки алюминидов составляет 0,4006 (2) нм.

Пример 3. Получение лигатуры Al - 1,5% Ti - 1,0% Zr (температура ликвидуса ~ 900°С). Приготовили две навески: 100 г лигатуры Al - 3% Ti и 100 г лигатуры Al - 2% Zr (отношение массы титана к цирконию 1,5). Далее по условиям примера 1 нагрев расплава осуществляли до температуры 1200°С, что выше температуры ликвидуса на ~ 300°С, кристаллизацию расплава вели со скоростью ~ 104 град/с. При отношениях титана к цирконию от 1,0 до 1,5 количество титана замещающего цирконий в алюминидах изменяется незначительно. В лигатуре Al - 1,5% Ti - 1,0% Zr образовались алюминиды состава Al3(Zr0.35Ti0.65) с ГЦК решеткой структурного типа L12 и параметром решетки 0,4001 (6) нм.

Металлографический анализ сплавов проводили с помощью инвертированного микроскопа GX-57 (OLYMPUS) при увеличениях от 50 до 1500, а также сканирующего электронного микроскопа Carl Zeiss EVO 40. Приставку для рентгеноспектрального микроанализа INCA X-Act фирмы «Oxford Instruments» использовали для определения химического состава матрицы и алюминидов. Рентгенофазовый анализ (РФА) выполняли на дифрактометре XRD-7000 фирмы Shimadzu с программным обеспечением.

Рентгенофазовый анализ лигатур Al-Ti-Zr в диапазоне углов 20, составляющем 18-85 град, с шагом 0,02 и временем выдержки на каждой точке 5 сек показал, что на дифрактограммах, наряду с основными пиками алюминиевой матрицы, имеются слабые пики, соответствующие рефлексам метастабильной фазы комплексных алюминидов с ГЦК решеткой структурного типа L12. С увеличением перегрева размеры алюминидов уменьшаются, а с применением обработки низкочастотными колебаниями не только уменьшаются размеры, но и становится однородным их распределение в объеме сплава.

При легировании сплава Al - 4% Cu применение заявленной лигатуры алюминий-титан-цирконий (состава Al - 0,27% Ti - 1,82% Zr) с ГЦК решеткой L12 комплексных алюминидов обеспечивает значительное повышение показателей твердости сплавов по сравнению с традиционно используемыми лигатурами алюминий-титан (с тетрагональной решеткой DO22 алюминидов титана) или алюминий-цирконий (с тетрагональной решеткой DO23 алюминидов циркония). Показатели твердости сплавов в процессе старения при 150°С приведены в таблице.

Тип обработки Твердость сплавов, МПа
Al - 4% Cu Al - 4% Cu - 0,6% Zr Al - 4% Cu - 0,6% Ti Al - 4% Cu - 0,6% (Zr+Ti)
Литой сплав до отжига 475 446 455 496
Отжиг 5 час при 530°С с закалкой в воде 530 595 624 724
Старение при 150°С через 2 час 519 568 671 977
через 5 час 624 624 724 1250
через 14 час 595 977 849 1069
через 19 час 639 872 897 1211

1. Способ получения лигатуры алюминий-титан-цирконий для модифицирования алюминиевых сплавов, включающий плавление материала, содержащего алюминий и переходный металл, перемешивание расплава и кристаллизацию, отличающийся тем, что в качестве материала, содержащего алюминий и переходный металл, используют лигатурные сплавы алюминий-титан и алюминий-цирконий при поддержании в расплаве отношения по массе титана к цирконию 0,15-1,5, расплав нагревают до температуры на 160-300°С выше температуры ликвидуса и после перемешивания на расплав воздействуют низкочастотными колебаниями для равномерного распределения образовавшихся алюминидов, а кристаллизацию расплава проводят со скоростью 103-104 град/с.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что воздействие на расплав низкочастотными колебаниями осуществляют не менее 1 минуты.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к обработке алюминия, в частности к регулированию ресурса работы изделий, изготавливаемых из технически чистого алюминия и эксплуатирующихся в условиях ползучести, и может быть использовано в строительстве, производстве двигателей, автомобиле-, авиа- и судостроении, где наибольшее применение находит алюминий и сплавы на его основе.

Изобретение относится к обработке цветных металлов, а именно к изменению физико-механических свойств алюминия. .

Изобретение относится к области обработки металлов и может быть использовано для регулирования ресурса работы изделий, изготавливаемых из алюминия марки А85 и эксплуатирующихся в условиях ползучести.

Изобретение относится к области сплавов, а именно к способу получения чушек из сплава металлов, а также изобретение относится к чушке из сплава. .

Изобретение относится к металлургии, в частности к способам обработки расплавов сплавов различных материалов. .

Изобретение относится к металлургии и литейному производству и может быть использовано для получения отливок, требующих высокой теплопроводности. .

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при получении слитков алюминиевых сплавов и фасонном литье заэвтектических силуминов поршневой группы.

Изобретение относится к металлургии легких сплавов, в частности к способам ультразвуковой обработки расплава при производстве фасонных отливок из заэвтектических силуминов поршневой группы.
Изобретение относится к области металлургии, в частности к жаропрочным порошковым сплавам на основе никеля, обладающим повышенным сопротивлением к сульфидной коррозии, и может быть использовано для изготовления деталей газотурбинных двигателей.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению литого композиционного материала (ЛКМ) на основе алюминия для изготовления отливок и деформируемых изделий электротехнического назначения.
Изобретение относится к области определения коррозионной стойкости металлов и может быть использовано для контроля подверженности к сульфидной коррозии деталей из порошковых никелевых сплавов газотурбинных двигателей.
Изобретение относится к порошковой металлургии жаропрочных никелевых сплавов. Может использоваться в газотурбинных двигателях (ГТД) для изготовления тяжелонагруженных деталей, работающих при повышенных температурах.
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению металлокерамических электроконтактных материалов Cu-Cd/Nb. Из порошков меди и ниобия готовят шихту, проводят холодное прессование и спекание.
Изобретение относится к области металлургии, в частности к способу получения сплавов на основе титана, плавка и разливка которых проводится в вакуумных дуговых гарнисажных печах.
Изобретение относится к металлургии и литейному производству, в частности к способу модифицирования легированного чугуна с шаровидным графитом для изготовления быстроизнашивающихся деталей, например мелющих элементов рудо- и угольных размольных мельниц.
Изобретение относится к получению наноструктур. Содержащую карбид наноструктуру получают осаждением на основу нанослоя металла или неметалла, или их окислов и последующей карбидизацией путем обработки в угарном газе в присутствии угля или сажи при температуре 1400-1500°С.

Изобретение относится к металлургии, в частности к получению карбидочугуна с отсутствием пор в объеме сплава, и может быть использовано для изготовления рабочих частей выглаживателей.
Изобретение относится к области металлургии, в частности к волокнистым композиционным материалам, армированным непрерывными волокнами оксида алюминия, и может быть использовано в качестве конструкционного материала в авиационной технике.
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению пористых многослойных проницаемых материалов. Может использоваться в медицине для изготовления функционально-градиентных имплантатов. Готовят экзотермическую смесь порошков исходных компонентов при их соотношении, обеспечивающем ее самостоятельное горение, и осуществляют гранулирование. Проводят послойное прессование заготовки, чередуя слои крупных и мелких гранул, при одинаковых или разных давлениях прессования, затем осуществляют самораспространяющийся высокотемпературный синтез и последующее охлаждение полученного материала в вакууме. Обеспечивается получение пористого материала с широким диапазоном пор и высоким пределом прочности. 3 пр.
Наверх