Способ получения монофазного интерметаллидного сплава на основе системы алюминий-титан

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к интерметаллидному сплаву на основе системы алюминий-титан , который может быть использован при производстве изделий и покрытий, в частности в производстве лопаток газотурбинных двигателей, клапанов моторов, вентиляторов для горячих газов. Предварительно производят механическую активацию порошка алюминия в количестве 25 мас.% и порошка титана в количестве 75 мас.%. Полученную смесь уплотняют, осуществляют ее нагрев высокочастотным электромагнитным полем до температуры 1200-1400°C и последующую выдержку. Обеспечивается получение монофазного интерметаллидного сплава заданного состава с однородным распределением структурных составляющих. 1пр.

 

Изобретение относится к области порошковой металлургии и может быть использовано при производстве монофазных интерметаллидных сплавов на основе алюминидов титана методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, которые могут найти применение в качестве материалов для подвижных конструктивных элементов, используемых при повышенных температурах, вследствие малой плотности, высокого модуля упругости, высоких показателей прочности и сопротивления ползучести, жаростойкости, стойкости к воздействию агрессивных сред, коррозионной стойкости этих материалов, в частности, в авиационной и аэрокосмической промышленности в производстве изделий и покрытий, например, в производстве лопаток газотурбинных двигателей, клапанов моторов, вентиляторов для горячих газов.

Известен способ получения интерметаллидного сплава на основе системы алюминий-титан, включающий помещение порошка алюминия в количестве 75 мас.% и порошка титана в количестве 25 мас.% в шарообразную капсулу из стали диаметром 18 мм и толщиной стенки 0,2 мм, последующую установку шарообразной капсулы с названными порошками в центр камеры, выполненной в виде составного шара диаметром 60 мм, сферическое ударно-волновое воздействие путем инициирования в порошковом образце сферического заряда с разновременностью 10^-7 с и сжатие порошкового образца под воздействием первичных и вторичных волн. Таким образом, за счет достижения высоких импульсных давлений в центральные части образца, там происходит кумуляция энергии ударных волн. В результате получают интерметаллидный сплав состава Ti₃Al (Е.В. Шорохов. Анализ гетерофазных структур алюминидов титана, синтезированных методом сферического ударно-волнового воздействия / Шорохов Е.В., Гринберг Б.А., Бояршинова Т.С., Сударева С. В., Бузанов В.И., Панова Е.В., Романов Е.П. // Физика металлов и металловедение. - 1997. - Т.83. - №4. - С.145-154).

Основным недостатком указанного способа является отсутствие возможности получения монофазного интерметаллидного сплава на основе системы алюминий-титан с однородным распределением структурных составляющих по всему объему, так как при реализации способа в нем присутствует небольшое количество железа, что обусловлено загрязнением порошковых образцов материалом стенок капсулы и камеры.

Наиболее близким аналогом к предложенному способу по технической сущности и достигаемому результату является способ получения интерметаллидного сплава системы титан-алюминий, включающий уплотнение композиционного порошка, содержащего алюминий и титан, путем компактирования до плотности 93-97%, нагрев под давлением до 630-650°C и выдержку при этой температуре в течение времени, соответствующего образованию интерметаллидного соединения и составляющего 0,5-1,5 ч. В качестве композиционного порошка используют частицы титана, покрытые алюминием, при содержании алюминия в количестве 50-63 мас.% и титана в количестве 37-50 мас.%. Данный способ позволяет получать любой интерметаллидный сплав системы титан-алюминий в зависимости от соотношения компонентов исходной порошковой смеси (патент RU 2038192, МПК⁶ B22F 3/14, C22 1/04).

Основными недостатками вышеописанного способа являются отсутствие возможности получения монофазного интерметаллидного сплава на основе системы алюминий-титан с однородным распределением структурных составляющих по всему объему, так как продукт, реализующий способ, на выходе не является монофазным и может содержать до 10 мас.% непрореагировавшего титана в зависимости от состава исходного композиционного порошка, что приводит к снижению прочности и необходимости дополнительной термической обработки для получения высокой твердости; повышенные затраты времени на осуществление способа вследствие его многостадийности и длительной выдержки после нагрева.

В основу настоящего изобретения положена задача создания способа получения монофазного интерметаллидного сплава на основе системы алюминий - титан с заранее заданным составом и необходимыми свойствами, на основе самораспространяющегося высокотемпературного синтеза.

Техническим результатом является обеспечение получения монофазного интерметаллидного сплава, реализующего способ, с однородным распределением структурных составляющих по всему объему сплава, а также уменьшение длительности процесса.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения монофазного интерметаллидного сплава на основе системы алюминий-титан, включающем уплотнение, нагрев порошка алюминия и титана и выдержку при этой температуре в течение времени, соответствующего образованию интерметаллидного сплава заданного состава, согласно изобретению предварительно проводят механическую активацию порошка алюминия в количестве 25 мас.% и порошка титана в количестве 75 мас.%, нагрев осуществляют высокочастотными электромагнитными полями до температуры 1200-1400°C, а выдержку при этой температуре производят в течение 1-3 мин.

Однородное распределение структурных составляющих по всему объему получаемого сплава обусловлено тем, что исходную порошковую смесь предварительно подвергают механической активации для повышения реакционной способности порошковой системы, затем при достаточно высоком темпе нагрева системы скорость химической реакции превышает скорость релаксации и при завершении химической реакции продукт является монофазным, но характеризуется повышенной концентрацией неравновесных дефектов, далее в процессе выдержки происходят структурные изменения, которые характеризуются релаксацией структуры и ростом размера зерен; причем указанные процессы являются неравновесными, экзотермическими и не определяются равновесной диаграммой системы, именно это позволяет управлять реализацией самораспространяющегося высокотемпературного синтеза и получать монофазный интерметаллидный сплав с гомогенной структурной морфологией, имеющий заданные микро- и макро-структурные характеристики.

Уменьшение длительности процесса получения монофазного интерметаллидного сплава на основе системы алюминий-титан обусловлено тем, что после механической активации осуществляется, с одной стороны, возможность быстрого нагрева порошков алюминия и титана высокочастотными электромагнитными полями до температуры 1200-1400°C, что значительно превышает адиабатические температуры горения в системе алюминий - титан, и быстрый теплоотвод с последующим охлаждением при прекращении нагрева высокочастотными электромагнитными полями с другой стороны, чего нельзя достигнуть при получении интерметаллидного сплава системы титан-алюминий согласно способу, выбранному в качестве наиболее близкого аналога; при этом в результате реакции высоких температур непосредственно в волне горения время выдержки является кратковременным, зависящим от необходимой структуры конечного продукта, в отличие от способа, выбранного в качестве наиболее близкого аналога, при осуществления которого нагрев компакта и выдержка занимают более 1 часа.

Количество порошка алюминия, составляющее 25 мас.%, и порошка титана в количестве 75 мас.%, является оптимальным, так как предложенный способ направлен на получение монофазного интерметаллидного сплава Ti₃Al, то есть сплава состава 3Ti+Al, а при содержании порошка алюминия, составляющем менее 25 мас.%, и порошка титана в количестве, составляющем более 75 мас.%, синтезируемый продукт не будет являться монофазным сплавом состава Ti₃Al, и при содержании порошка алюминия в количестве, составляющем более 25 мас.%, и порошка титана в количестве, составляющем менее 75 мас.%, синтезируемый продукт не будет являться монофазным сплавом состава Ti₃Al.

Температура нагрева порошков алюминия и титана высокочастотными электромагнитными полями, составляющая 1200-1400°C, является оптимальной, так как при температуре нагрева порошков алюминия и титана высокочастотными электромагнитными полями, составляющей менее 1200°C, синтезируемый продукт будет характеризоваться высокой концентрацией неравновесных дефектов структуры, а при температуре нагрева порошков алюминия и титана высокочастотными электромагнитными полями, составляющей более 1400°C, будет происходить перитектический распад фазы Ti₃Al.

Время выдержки, составляющее 1-3 мин, является оптимальным, так как при выдержке менее 1 мин синтезируемый продукт будет характеризоваться высокой концентрацией неравновесных дефектов структуры, а при выдержке более 3 мин произойдет перитектический распад фазы Ti₃Al.

Способ получения монофазного интерметаллидного сплава на основе системы алюминий-титан осуществляется следующим образом.

Предварительно производят высокоэнергетическую механическую активацию исходной порошковой смеси, содержащей 75 мас.% алюминия и 25 мас.% титана, в планетарной шаровой мельнице в инертной атмосфере. Затем полученную механоактивированную экзотермическую смесь засыпают в графитовый тигель, с помощью пресса смесь уплотняют вместе с термопарой под давлением 2 МПа. Затем тигель с уплотненной смесью и термопарой помещают в индуктор, находящийся в вакуумной камере. Вакуумную камеру герметично закрывают, откачивают воздух до давления 0,01 МПа, затем вводят аргон до давления 0,08 МПа. Далее уплотненную смесь нагревают высокочастотными электромагнитными полями до температуры 1200-1400°C путем разогрева графитового тигеля, инициируя процесс самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, а выдержку при этой температуре производят в течение времени, соответствующего образованию интерметаллидного сплава заданного состава, составляющего 1-3 мин.

Пример конкретного выполнения способа.

Готовят экзотермическую смесь порошков алюминия марки АСД-1 в количестве 25 мас.% со средним размером 12 мкм и титана марки ПТХ со средним размером 80±10 мкм и алюминия марки АСД-1 со средним размером 12 мкм в количестве 25 мас.%. Смесь порошков подвергают механической активации в планетарной шаровой мельнице АГО-2 ударно-фрикционного типа в течение 7 мин, при соотношении объемов смеси и размольных шаров 1:20, диаметре размольных шаров 8 мм, причем из цилиндров шаровой мельницы для защиты от окисления предварительно откачивают воздух, а затем цилиндры заполняют аргоном под давлением 0,3 МПа.

Далее полученную механоактивированную экзотермическую смесь состава 3Ti+Al, представляющую собой механокомпозит с размерами 10-40 мкм, извлекают из цилиндров планетарной шаровой мельницы в боксе в атмосфере аргона и засыпают в графитовый тигель. С помощью лабораторного пресса механоактивированную экзотермическую смесь состава 3Ti+Al уплотняют вместе с термопарой под давлением 2 МПа. После этого тигель с прессованной смесью и термопарой помещают в индуктор, находящийся в вакуумной камере, из-под которой откачивают воздух до давления 0,01 МПа. Потом в вакуумную камеру вводят аргон до давления 0,08 МПа. Затем, увеличивая мощность индуктора до 20%, уплотненную механоактивированную экзотермическую смесь состава 3Ti+Al нагревают высокочастотными электромагнитными полями до температуры 1200-1400°C, путем разогрева графитового тигеля, инициируя процесс самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. После этого выключают индуктор и осуществляют выдержку при этой температуре в течение времени, соответствующего образованию интерметаллидного сплава заданного состава, составляющего 1-3 мин. Конечным продуктом, реализующим предложенный способ, является интерметаллидный сплав Ti₃Al.

Таким образом, использование предлагаемого способа обеспечивает получение монофазного интерметаллидного сплава заданного состава с определенными свойствами, с однородным распределением структурных составляющих по всему объему сплава, являющегося экологически чистым за счет отсутствия в продуктах синтеза газообразных веществ, уменьшение расхода электроэнергии, сокращение длительности процесса и снижение стоимости готовой продукции вследствие отсутствия дополнительной термообработки для получения высокой твердости.

Способ получения монофазного интерметаллидного сплава на основе системы алюминий-титан, включающий уплотнение, нагрев порошка алюминия и титана и выдержку при этой температуре в течение времени, соответствующего образованию интерметаллидного сплава заданного состава, отличающийся тем, что предварительно проводят механическую активацию порошка алюминия в количестве 25 мас.% и порошка титана в количестве 75 мас.%, нагрев осуществляют высокочастотным электромагнитным полем до температуры 1200-1400°C, а выдержку при этой температуре производят в течение 1-3 мин.