Способ получения листового композиционного материала системы титан-алюминий


 

B23K103/18 - Пайка или распаивание; сварка; плакирование или нанесение покрытий пайкой или сваркой; резка путем местного нагрева, например газопламенная резка; обработка металла лазерным лучом (изготовление изделий с металлическими покрытиями экструдированием металла B21C 23/22; нанесение облицовки или покрытий литьем B22D 19/08; литье погружением B22D 23/04; изготовление составных слоистых материалов путем спекания металлического порошка B22F 7/00; устройства для копирования и регулирования на металлообрабатывающих станках B23Q; покрытие металлов или материалов металлами, не отнесенными к другим классам C23C; горелки F23D)

Владельцы патента RU 2614511:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН) (RU)

Изобретение может быть использовано при получении листового композиционного материала системы титан-алюминий для изготовления деталей летательных аппаратов, в том числе подвергаемых повышенным тепловым нагрузкам. Способ включает получение слоистой заготовки в виде пакета и последующую ее прокатку. Слоистую заготовку получают сваркой пакета в твердой фазе в газозащитной среде путем прокатки при температуре 420-470°C с относительным обжатием 20-30%. Затем заготовку подвергают многопроходной холодной прокатке до заданной толщины при относительном обжатии за проход 10-15% и с промежуточными отжигами при температуре не выше 500°C после достижении суммарной степени деформации более 35%. После чего проводят заключительную термическую обработку при температуре 500-800°C с выдержкой 1-4 ч. Технический результат состоит в повышении механических и функциональных свойств листового композиционного материала. 1 табл.

 

Изобретение относится к области металлургии легких сплавов и может быть использовано при получении материала для изготовления деталей летательных аппаратов, в том числе подвергаемых повышенным тепловым нагрузкам.

Известны способы получения металлических листовых материалов, включающие сборку многослойного пакета из пластин Ti и Al и последующее их соединение между собой посредством сварки взрывом. Полученный многослойный материал подвергают отжигу и производят его обжатие (Патент Российской Федерации №2463140, МПК В23К 20/08, В32В 7/04, В32В 15/01, 2012 г.; Патент Российской Федерации №2255849, МПК В23К 20/08, 2005 г.).

Недостатки известных способов состоят в сложности их реализации и низкой тепловой устойчивости получаемых изделий из легких сплавов.

Наиболее близким аналогом к предлагаемому изобретению является способ получения листового композиционного материала из легких сплавов, согласно которому осуществляют формирование пакета из титановой фольги, на верхнюю и нижнюю сторону каждого слоя которой предварительно наносят покрытие из порошка Al методом холодного газодинамического напыления, и осуществляют деформирование пакета при температуре и давлении, необходимых для получения интерметаллидного соединения (Патент Российской Федерации №2394665, МПК B22F 7/04, 2010 г.).

Недостаток известного способа состоит в том, что порошковый слой после завершения обработки сохраняет пористость, что снижает функциональные и технологические свойства листового композиционного материала и изделий из него.

Технический результат, решаемый изобретением, состоит в повышении механических и функциональных свойства листового композиционного материала.

Для решения поставленной технической задачи в известном способе получения листового композиционного материала системы титан-алюминий, включающем получение слоистой заготовки в виде пакета и последующую ее прокатку, согласно предложению слоистую заготовку получают сваркой в твердой фазе пакета, составленного из листов титана и алюминия, путем прокатки в газозащитной среде при температуре 420-470°C с относительным обжатием 20-30%, затем заготовку подвергают многопроходной холодной прокатке до заданной толщины при относительном обжатии за проход 10-15% и с промежуточными отжигами при температуре не выше 500°C после достижении суммарной степени деформации более 35%. После чего проводят заключительную термическую обработку при температуре 500-800°C с выдержкой 1-4 ч.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в следующем. Материалы для несущих деталей летательных аппаратов должны сочетать низкую плотность, высокую механическую прочность и жаропрочность. Условиям низкой плотности в наиболее полной мере удовлетворяют легкие сплавы - композиционные слоистые материалы на основе титана и алюминия, приобретающие при термопластической обработке уникальный комплекс прочностных свойств. По этой причине сваренные в твердой фазе за счет взаимной диффузии и экзотермической реакции слои пластин из Al и Ti образуют материал с предельно высоким сочетанием низкой плотности и высокой прочности.

Экспериментально установлено, что наиболее высокий комплекс функциональных свойств достигается при получении слоистой заготовки при сварке в твердой фазе пакета в газозащитной среде путем прокатки при температуре 420-470°C с относительным обжатием 20-30%. При температуре ниже 420°C или относительном обжатии менее 20% прочность соединения слоев Ti и Al недостаточна, что ведет к расслоению заготовки при последующей холодной прокатке. При температуре выше 470°C или относительном обжатии более 30% имеет место снижение пластических свойств слоистой заготовки в результате образования интерметаллидов в объеме заготовки и, естественно, дефектов в виде разрывов, что недопустимо.

Холодная прокатка слоистой заготовки с обжатием за проход менее 10% нерациональна, т.к. увеличивает требуемое число проходов, затраты на производство и снижает функциональные свойства композиционного материала. Повышение относительного обжатия за проход более 15% не исключает образование дефектов в виде разрывов, что недопустимо.

Экспериментально установлено, что после достижении суммарной степени деформации более 35% снижаются пластические свойства заготовки, что приводит к ухудшению функциональных свойств и выхода годного. Для восстановления технологической пластичности слоистого материала Ti-Al в процессе его холодной прокатки без образования дефектов в виде трещин и разрывов, как показал опыт, необходимы промежуточные отжиги. Но при этом, если температура промежуточного отжига будет выше 500°C, то в слоистом материале системы Ti-Al на границах слоев произойдет образование низкопластичных интерметаллических соединений. Это приведет к снижению выхода годного и ухудшению функциональных свойств композиционного материала.

Заключительная термическая обработка холоднокатаного листового композиционного материала конечной толщины системы Ti-Al при температуре 500-800°C с выдержкой 1-4 ч обеспечивает повышение его прочности и жаропрочности за счет формирования интерметаллических соединений.

При этом экспериментально установлено, что если температура заключительной термической обработки будет ниже 500°C или время выдержки составит менее 1 ч, то количества образующихся интерметаллидных соединений не достаточно для повышения функциональных свойств. В то же время, повышение температуры заключительной термообработки выше 800°C, как и выдержки более 4 ч, приводит к снижению пластических и вязкостных свойств композиционного материала, что недопустимо.

Примеры реализации способа

Для получения слоистого композита исходными материалами были выбраны технически чистые титан марки ВТ1-0 и алюминиевый сплав марки АД1. Для обеспечения стехиометрического состава γ-Ti-Al при высокотемпературной обработке слоистого материала были приняты различные соотношения толщин слоев алюминия и титана, а именно 1:1, 2:1, 1:2. Пакеты собирали из пластин размерами 0,1×40×120 мм по 30 слоев каждого материала.

Температурный режим прокатки пакетов был выбран из условий, с одной стороны, недопущения образования прочных и хрупких интерметаллидов на границе контакта слоев, резко снижающих деформируемость материала, и, с другой стороны, сохранения пластичности составляющих пакета. Такими температурными условиями, как показали эксперименты, является интервал температур прокатки tпр=450-500°C.

Для обеспечения сварки в твердой фазе титана и алюминия при выбранном температурном интервале экспериментально определенно относительное обжатие ε=25-30% за проход. Прокатку проводили на вакуумном прокатном стане дуо 170.

Сваренный в вакууме пакет прокатывали на воздухе при температуре 450-500°C с относительным обжатием за проход ε=8-10% до конечной толщины 0,35 мм. Затем полосы разрезали на пластины длиной 120 мм и вновь собирали в пакеты, которые прокатали вначале в вакууме, а затем в воздушной атмосфере. В результате повторения таких циклов в конечном итоге получили полосы толщиной 0,35 мм, состоящие из 4800 слоев. При этом толщина титановых слоев составляла 100-120 нм, а алюминиевых 80-90 нм.

Для образования интерметаллидов образцы полученных слоистых композиционных материалов подвергали нагреву до температур Tто равных 510, 590 и 810°C. В результате экзотермической реакции на границе раздела «титан-алюминий» образовались интерметаллические фазы. Рентгеноструктурный анализ показал, что при всех температурно-временных условиях образовались химические соединения типа Ti3Al, TiAl и TiAl2.

Варианты реализации предложенного способа и показатели их эффективности приведены в таблице.

Как следует из данных, представленных в таблице, при реализации предложенного способа (варианты №2-4) достигается повышение механических и функциональных свойств изделий из слоистого листового композиционного материала системы Ti-Al. При запредельных значениях заявленных параметров (варианты №1 и №4) механические и функциональные свойства слоистого материала ухудшаются. Также более низкие механические и функциональные свойства имели место при реализации известного способа (Патент Российской Федерации №2394665, МПК B22F 7/04, 2010 г.).

Технико-экономические преимущества предложенного способа получения листового композиционного материала системы титан-алюминий заключаются в том, что сварка в твердой фазе пакета в газозащитной среде прокаткой при температуре 420-470°C с суммарным относительным обжатием 20-30% обеспечивает формирование прочного бездефектного соединения. Это повышает технологическую пластичность слоистого материала при его дальнейшей холодной прокатке при обжатии за проход 10-15%.

Промежуточные отжиги при температуре не выше 500°C после достижения суммарной степени деформации более 35% снимают деформационный наклеп и восстанавливают высокую пластичность слоистого материала. Заключительная термическая обработка холоднокатаного слоистого материала при температуре 500-800°C со временем выдержки 1-4 ч приводит к образованию интерметаллических соединений различной морфологии, что повышает функциональные свойства и существенно повышает жаропрочность композиционного материала.

В качестве базового объекта принят известный способ (Патент РФ №2394665, МПК B22F 7/04, 2010). Использование предложенного способа обеспечивает возможность создания легких конструкций для полетов с высокими скоростями в плотных слоях атмосферы.

Способ получения листового композиционного материала системы титан-алюминий, включающий получение слоистой заготовки в виде пакета и последующую ее прокатку, отличающийся тем, что слоистую заготовку получают сваркой в твердой фазе пакета в газозащитной среде путем прокатки при температуре 420-470°С с относительным обжатием 20-30%, затем заготовку подвергают многопроходной холодной прокатке до заданной толщины при относительном обжатии за проход 10-15% и с промежуточными отжигами при температуре не выше 500°С после достижении суммарной степени деформации более 35%, после чего проводят заключительную термическую обработку при температуре 500-800°С с выдержкой 1-4 ч.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к монете наличного денежного обращения и способу её изготовления. Монета содержит внешнее кольцо (2), две вставки (4, 6), уложенные одна на другую и расположенные внутри внешнего кольца (2), по меньшей мере один промежуточный слой, расположенный между двумя вставками.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к высокопрочной коррозионно-стойкой плакированной стали, используемой для изготовления сварных конструкций и оборудования, применяемых в нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической, коксохимической и других отраслях промышленности.

Изобретение относится к алюминиевому сплаву системы Al-Si-Cu и листовому продукту с этим сплавом, предназначенным в основном для использования в транспортных средствах.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к изделиям с нанесенным покрытием с использованием диффузионной пайки. Композиционная смесь для нанесения покрытия на изделие содержит частицы, выбранные из частиц, обладающих свойством износостойкости, частиц цеолита, частиц, обладающих каталитическими свойствам, или их комбинаций и механическую смесь, содержащую по меньшей мере один порошок частиц источника бора и по меньшей мере один порошок частиц источника кремния, каждая частица в порошках представляет собой источник кремния или источник бора со средним размером частиц менее 250 мкм.
Изобретение относится к области обработки металлов давлением и может быть использовано для получения многослойного композиционного материала с микроразмерной структурой слоев.

Изобретение относится к полосе, состоящей из алюминиевого композиционного материала для изготовления конструктивных элементов с высокими требованиями к пластическому формообразованию, способу изготовления полосы и применению листов, изготовленных из полосы по изобретению.

Изобретение относится к сварной стальной детали и способу ее изготовления. Заготовка детали получена сваркой встык, по меньшей мере, одного первого и одного второго листа.

Изобретение относится к металлическому материалу для электронного компонента, соединительному разъему, разъему шлейфового соединения, разъему гибкой печатной платы, в которых для контактной части использован упомянутый металлический материал, и электронному компоненту, в котором в качестве электрода для внешнего соединения использован указанный металлический материал.
Изобретение относится к производству слоистых композиционных материалов, содержащих слой пеноалюминия. Приготавливают алюминиевый расплав и перегревают его выше температуры ликвидус.
Способ может быть использован при изготовлении биметаллического проката для изготовления ювелирных изделий, часов, сувенирных изделий, посуды, столовых приборов, церковных украшений.

Изобретение может быть использовано при изготовлении тонких биметаллических полос, содержащих слои из сплавов алюминия и сплавов меди. Биметаллическая полоса содержит основной слой на основе алюминия в отожженном состоянии и, по крайней мере, один плакирующий слой на основе меди в отожженном состоянии.

Изобретение может быть использовано при изготовлении биметаллической проволоки на стальной основе с оболочками из различных металлов, преимущественно цветных. Предварительно обрабатывают стальной сердечник и медную оболочку в виде ленты в электролите в электрогидродинамическом режиме анодного процесса.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к плакирующему материалу для стального листа, используемого в морских конструкциях, устройствах опреснения морской воды.

Изобретение может быть использовано для получения биметалла из меди и низкоуглеродистой стали при изготовлении деталей, применяемых в конструкциях установок для электролиза алюминия.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к изготовлению биметаллических заготовок из алюминиево-оловянных антифрикционных сплавов путем изменения их физической структуры сочетанием термической обработки и пластической деформации, и может быть использовано, например, в производстве подшипников скольжения.

Изобретение относится к производству двух-, трех- и многослойных материалов горячей прокаткой и может быть использовано при производстве биметаллического проката на основе низкоуглеродистой стали и алюминиевых сплавов.
Изобретение относится к области обработки металлов давлением и может быть использовано для получения многослойного композиционного материала с микроразмерной структурой слоев.
Способ может быть использован при изготовлении биметаллического проката для изготовления ювелирных изделий, часов, сувенирных изделий, посуды, столовых приборов, церковных украшений.
Способ может быть использован при изготовлении биметаллического проката для изготовления ювелирных изделий, часов, сувенирных изделий, посуды, столовых приборов, церковных украшений.

Изобретение относится к металлургической промышленности и касается способа получения слоистого композиционного материала на основе алюминиевых сплавов и низколегированной стали.

Изобретение может быть использовано при изготовлении тонких биметаллических полос, содержащих слои из сплавов алюминия и сплавов меди. Биметаллическая полоса содержит основной слой на основе алюминия в отожженном состоянии и, по крайней мере, один плакирующий слой на основе меди в отожженном состоянии.
Наверх