Способ обработки интерметаллических сплавов на основе гамма-алюминида титана

Изобретение относится к области металлургии, а именно к изготовлению высококачественных слитков и заготовок изделий из легированных интерметаллических сплавов на основе гамма-алюминида титана. Способ обработки интерметаллических сплавов на основе гамма-алюминида титана, включающий направленную бестигельную зонную перекристаллизацию литой цилиндрической заготовки из интерметаллического сплава на основе гамма-алюминида титана в атмосфере инертного газа. Направленную бестигельную зонную перекристаллизацию заготовки ведут в вертикальном реакторе, при этом нагрев и плавление заготовки осуществляют посредством перемещающегося снизу вверх с постоянной скоростью 150 мм/ч индуктора с мощностью, обеспечивающей длину расплавляемой зоны, не превышающую диаметр отливки, и осевым градиентом температуры не менее 300°С/см, с использованием переменного индукционного тока с частотой в диапазоне 10 кГц - 1 МГц. В качестве инертного газа используют аргон или гелий. Увеличиваются значения пределов текучести и прочности сплавов, повышается однородность механических свойств за счет создания упорядоченной ламельно-гранулярной фазовой микроструктуры сплавов. 1 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл., 1 пр.

 

Изобретение относится к изготовлению высококачественных слитков и заготовок изделий из легированных жаропрочных интерметаллических сплавов на основе гамма-алюминида титана. Сплавы этого типа отличаются малой плотностью, высокой удельной прочностью и хорошей стойкостью к окислению и предназначены для экстремальных областей применения при высоких температурах и нагрузках.

Обычные технические гамма-титаналюминидные сплавы (TNB сплавы) содержат от 40 до 50 атомных процентов алюминия и до 10-15% легирующих примесей, обычно Nb, Cr, Si, В и С, остальное - титан. Подобные сплавы в твердом состоянии состоят из γ-TiAl как основной фазы (70-90 объемн. %) и α2-Ti3Al как неосновной фазы. Детали или полуфабрикаты (слитки, отливки) из таких титаналюминидных сплавов, полученные способом литья, имеют относительно их прочности, текучести и стойкости к воздействиям нагрузок при комнатной температуре недостатки, которые обусловливаются металлургическими, структурными особенностями и свойствами составляющих фаз этих материалов. Техническому применению сплавов, как правило, препятствует их хрупкость.

Инновационные гамма-титаналюминиды, релевантные современному уровню техники (так называемые TNM-сплавы 3-го поколения), содержат 42-46 ат. % алюминия, и в качестве легирующих добавок в сумме до 10-12 ат. % переходные металлы, стабилизирующие первичную β-Ti фазу (также известную как В2-фаза), с которой начинается кристаллизация TNM-расплавов [Appel F., Paul J.D. H., Oehring М. "Gamma Titanium Aluminide Alloys: Science and Technology", Weinheim, Wiley-VCH Verlag, 2011, 745 р.]. Помимо Nb и Cr используются такие β-стабилизаторы, как Mo, Та, Zr, W. Их применение приводит к сохранению в затвердевшем сплаве относительно малой объемной фракции метастабильной В2-фазы, пластичной при высоких температурах. Благодаря этому, работоспособность сплавов в наиболее экстремальных условиях (например, в конструкциях турбин авиационных двигателей) повышается до 700°C. Однако, сохраняющаяся хрупкость и недостаточная прочность сплавов при комнатной температуре ограничивают их применимость в режимах термоциклирования, характерных для функционирования авиационной турбины.

По мнению авторов, одним из наиболее перспективных подходов формирования сбалансированных механических свойств является целенаправленная инженерия структурно-фазового состояния γ-TiAl интерметаллидов, создание пространственно-упорядоченных микроструктур/текстур с использованием высокоградиентной направленной кристаллизации [A.V. Kartavykh, Е.А. Asnis, N.V. Piskun, I.I. Statkevich, M.V. Gorshenkov, A.V. Korotitskiy. A promising microstructure/deformability adjustment of β-stabilized γ-TiAl intermetallics // Materials Letters. 2016. V. 162. P. 180-184].

Известен способ изготовления интерметаллических отливок, описанный в RU 2107582 C1 [1] (опублик. 27.03.1998 г.), включающий приготовление расплава из первого твердого и второго металлов в емкости, с использованием нагрева, и заливку расплава из емкости в форму для образования отливки после затвердевания. Сначала в емкость для приготовления расплава помещают загрузку, состоящую из первого твердого металла; загрузку, состоящую из второго металла, которая вступает в экзотермическую реакцию с первым металлом, расплавляют отдельно, вводят в емкость расплавленную загрузку, состоящую из второго металла, для контактирования с загрузкой первого металла. После чего ведут их нагрев в контакте друг с другом для экзотермической реакции первого и второго металлов и образования сплава для литья и сокращения времени, необходимого для получения сплава, времени нахождения расплава в емкости и для уменьшения загрязнения расплава в результате реакции с материалом емкости. Общим с заявляемым способом является назначение изобретения, а также наличие общих операций, таких как приготовление расплава. Недостатком известного способа является загрязнение расплава, обусловленное его контактом со стенками тигля и литейной формы при высоких температурах.

Известен также способ индукционного плавления металлов и сплавов, описанный в US 4738713 В1 [2] (опублик. 04.01.1994 г.) и включающий плавление металлошихты индукционными токами в холодном тигле. В тигле расплавляют металл, причем тигель представляет собой вертикально-ориентированный, полый, удлиненный цилиндр, как правило, постоянного поперечного сечения по всей его длине с металлическими боковыми стенками. Тигель снабжен средствами для охлаждения, часть указанного тигля окружена первичной катушкой индуктивности. Далее в указанный тигель вводят загрузку, которая состоит из химически активного металла, после чего воздействуют на металл индукционным переменным током для создания тепла в загрузке, поддерживают переменный ток, далее проводят охлаждение. Общим с заявляемым способом является назначение изобретения, а также наличие общих операций, таких как плавление и нагрев с помощью индукционного переменного тока, охлаждение расплава. Недостатком известного способа является загрязнение расплава, обусловленное его контактом со стенками тигля.

Наиболее близким к заявляемому способу по технической сущности (прототипом) является RU 2362651 С1 [3] (опублик. 27.07.2009, г.), в котором описан способ получения слитков и литых изделий из интерметаллических сплавов. Согласно данному изобретению способ получения слитков и литых изделий из интерметаллических сплавов на основе титана и алюминия включает плавление исходной шихты в тигле и последующую кристаллизацию расплава в форме. Для плавления используют тигель и форму, выполненные из нитрида алюминия или футерованные изнутри нитридом алюминия. После этого кристаллизацию расплава осуществляют в атмосфере инертного газа. Общим с заявляемым способом является назначение изобретения, а также наличие общих операций, таких как плавление и кристаллизация в атмосфере инертного газа. Недостатком известного способа является загрязнение расплава, обусловленное его контактом со стенками тигля и литейной формы при высоких температурах.

Заявляемый способ отличается от прототипа тем, что для нагревания и плавления материала используют переменные индукционные токи, а кристаллизацию проводят без контакта со стенками тигля в поле осевого градиента температуры величиной не менее 300°C/см.

Техническим результатом заявляемого изобретения является достижение высокого уровня механических свойств и устойчивости к деформации отливок интерметаллических сплавов на основе гамма-TiAl при комнатной температуре, а именно: предела текучести 500-600 МПа, предела прочности 1700-1800 МПа при статических нагрузках.

Указанный результат достигается тем, что способ включает направленную бестигельную зонную перекристаллизацию (БЗП) литой цилиндрической заготовки интерметаллического сплава на основе гамма-алюминида титана в атмосфере инертного газа, причем для нагревания и плавления материала используют переменные индукционные токи с диапазоном частот 10 кГц-1 МГц, а кристаллизацию проводят в поле осевого градиента температуры величиной не менее 300°C/см.

Указанный результат достигается также тем, что в качестве инертного газа используют аргон или гелий.

Изобретение поясняется чертежами, где на Фиг. 1 изображена схема реализации заявляемого способа со следующими обозначениями: 1 - отливка сплава на основе гамма-TiAl в процессе направленной зонной перекристаллизации; 2 - кварцевый или сапфировый трубчатый реактор; 3 - водоохлаждаемые торцевые держатели слитка гамма-TiAl; 4 - кольцевой водоохлаждаемый индуктор-нагреватель, перемещаемый вдоль реактора с постоянной скоростью снизу вверх. На Фиг. 2 даны экспериментальные кривые деформации образцов интерметаллического сплава на основе гамма-TiAl состава Ti-44Al-5Nb-3Cr-1.5Zr (ат. %) при комнатной температуре до (1) и после (2) применения заявляемого способа. На Фиг. 3 представлены: (а) неупорядоченная микроструктура исходного литого сплава Ti-44Al-5Nb-3Cr-1.5Zr (ат. %); (б) упорядоченная дуплексная микроструктура того же сплава после применения заявляемого способа; (в) увеличенная пограничная область между ламельной и γ-гранулярной фракциями структуры с «демпфирующими» зернами прослойки В2; (г) увеличенная ламельная субструктура, состоящая из чередующихся ламелей γ-TiAl и α2-Ti3Al фаз субмикронной толщины. Изображения (а), (б), (г) на Фиг. 3 получены методом растровой электронной микроскопии в режиме обратно-рассеянных электронов; изображение (в) получено методом электронной микроскопии на просвет.

Изобретение также поясняется Таблицей 1, где приведены данные единичных измерений предела текучести (σ0.2) и предела прочности (σmax) образцов интерметаллического сплава Ti-44Al-5Nb-3Cr-1.5Zr (ат. %) до (1) и после (2) применения заявляемого способа, полученные стандартным путем из кривых деформации на Фиг. 2. В Таблице 1 представлены также результаты статистической обработки результатов измерений - средние величины и относительные среднеквадратичные отклонения (ОСКО) по выборкам σ0.2 и σmax.

Сущность заявляемого способа обработки интерметаллических сплавов на основе гамма-алюминида титана поясняется примером реализации.

Пример. В частном случае способ реализуется следующим образом. В качестве исходного материала использована цилиндрическая отливка интерметаллического сплава на основе гамма-TiAl состава Ti-44Al-5Nb-3Cr-1.5Zr (ат. %), а схема реализации способа изображена на Фиг. 1. Отливка (1) помещается в вертикальный кварцевый или сапфировый трубчатый реактор (2) без контакта с его стенками, что обеспечивается фиксацией торцов отливки в водоохлаждаемых держателях (3). В реакторе создается проток высокочистого инертного газа сверху вниз через торцевые патрубки. С экономической точки зрения целесообразно в качестве инертного газа использовать аргон. Для нагревания и плавления материала использован кольцевой высокочастотный полый водоохлаждаемый индуктор (4), питающийся электрическим током частотой 400 кГц. Мощность индуктора рассчитывается так, чтобы длина расплавленной зоны не превышала диаметра отливки, а величина осевого градиента температуры на фронте кристаллизации (нижней границе расплавленной зоны) составляла не менее 300°C/см. После расплавления и стабилизации первой (нижней) зоны осуществляется процесс бестигельной зонной перекристаллизации образца (БЗП) при движении индуктора снизу вверх с постоянной скоростью 150 мм/ч.

Статистическая выборка образцов исходного и перекристаллизованного сплава Ti-44Al-5Nb-3Cr-1.5Zr испытывалась методом одноосного сжатия (осадки) в осевом направлении слитков при комнатной температуре. Результаты испытаний даны в графическом виде на Фиг. 2, и в численном виде в Таблице 1, наглядно иллюстрируя сравнительную устойчивость исходного литого и обработанного сплавов к деформации. Из экспериментальных данных следует, что у сплава после применения заявляемого способа предел текучести σ0.2 повышен на 11% (547.8 против 494.1 МПа), а предел прочности σmax - на 26% (1781.2 против 1414.0 МПа). Статистический разброс значений σmax по слитку улучшен вдвое - с 17.3 до 8.7% по ОСКО.

Указанные закономерности объясняются изменением и упорядочением микроструктуры сплава после применения заявляемого способа. На Фиг. 3а зафиксирована неконтролируемая в процессе литья неупорядоченная микроструктура исходной отливки Ti-44Al-5Nb-3Cr-1.5Zr (ат. %). Компоненты микроструктуры состоят из трех фаз: основной γ-TiAl (серая фаза на Фиг. 3а), неосновной α2-Ti3Al (темно-серая), и метастабильной фазы B2(β-Ti) (светлая фаза). Для сравнения на Фиг. 3б дана упорядоченная дуплексная (ламельно-гранулярная) микроструктура того же сплава после БЗП, содержащая домены аксиально-направленной ламельной α2-Ti3Al+γ-TiAl текстуры (80% объемн.), гранулярной γ-TiAl микроструктуры (15%), и 5% светлых межгранулярных прослоек β-Ti (В2) фазы. Ламельная текстура, состоящая из чередующихся ламелей γ-TiAl и α2-Ti3Al фаз субмикронной толщины, выстроенных вдоль направления действия температурного градиента, увеличена на Фиг. 3г. Фиг. 3в представляет увеличенную пограничную область между ламельной и γ-гранулярной фракциями, где видны детали структурного перехода и «демпфирующие» зерна прослойки В2.

Упорядоченная дуплексная структура с оптимизированным объемным соотношением фазовых доменов (γ+α2)/γ/В2 после БЗП обладает более сбалансированными свойствами по сравнению с литым материалом: улучшенной прочностью за счет мелкодисперсной ламельной составляющей при осевом нагружении, и одновременно улучшенной пластичностью за счет γ-гранулярной сопряженной составляющей с «прокладками» из В2-фазы. За счет ограниченной упругой подвижности γ-зерен в среде В2-фазы, такие домены способствуют релаксации напряжений в основной ламельной структуре, повышая пороговые критические напряжения деформации материала σ0.2 и σmax.

1. Способ обработки интерметаллических сплавов на основе гамма-алюминида титана, включающий направленную бестигельную зонную перекристаллизацию литой цилиндрической заготовки из интерметаллического сплава на основе гамма-алюминида титана в атмосфере инертного газа, отличающийся тем, что направленную бестигельную зонную перекристаллизацию заготовки ведут в вертикальном реакторе, при этом нагрев и плавление заготовки осуществляют посредством перемещающегося снизу вверх с постоянной скоростью 150 мм/ч индуктора с мощностью, обеспечивающей длину расплавляемой зоны, не превышающую диаметр отливки, и осевым градиентом температуры не менее 300°С/см, с использованием переменного индукционного тока с частотой в диапазоне 10 кГц - 1 МГц.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве инертного газа используют аргон или гелий.



 

Похожие патенты:

Лигатура // 2625148
Изобретение относится к области металлургии, в частности к составам лигатур, используемых в производстве сплавов на основе титана. Лигатура содержит, мас.

Изобретение относится к области металлургии, в частности легированным сплавам на основе TiAl с преобладающей фазой γ-TiAl, и может быть использовано при изготовлении компонентов авиационных газотурбинных двигателей.

Изобретение относится к области металлургии, к сплавам на основе титана, которые могут быть использованы для изготовления деталей приборов. Сплав на основе титана содержит, мас.%: молибден 29,0-35,0; палладий 10,0-15,0; рутений 0,8-1,2; родий 2,6-3,0; титан - остальное.

Изобретение относится к способам нанесения покрытия из алюминида титана на металлическое изделие и к металлическому изделию с указанным покрытием. Способ нанесения покрытия из алюминида титана на металлическое изделие включает холодное напыление алюминида титана на изделие для формирования покрытия из алюминида титана, причем покрытие из алюминида титана включает тонкую гамма/альфа2 структуру, а алюминид титана, нанесенный на изделие холодным напылением, имеет состав, включающий 45 мас.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способу изготовления крепежных изделий из титанового сплава с заданными механическими свойствами, и может быть использовано в аэрокосмической отрасли.
Изобретение относится к получению композитного титан-ниобиевого порошка для аддитивных технологий. Способ включает механическую активацию смеси порошков титана и ниобия с добавлением противоагломерирующего компонента.

Изобретение относится к металлургии, а именно к изготовлению деталей из сплава TA6Zr4DE, и может быть использовано при изготовлении вращающихся деталей турбомашины. Способ изготовления детали турбомашины, выполненной из титанового сплава TA6Zr4DE, включает ковку заготовки в альфа-бета-области с образованием предварительно отформованной заготовки, горячую штамповку предварительно отформованной заготовки в бета-области титанового сплава с получением необработанной детали и термическую обработку.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к альфа/бета титановым сплавам с высокой прочностью и пластичностью. Альфа/бета титановый сплав содержит, мас.%: от 3,9 до 4,5 алюминия, от 2,2 до 3,0 ванадия, от 1,2 до 1,8 железа, от 0,24 до 0,30 кислорода, до 0,08 углерода максимум, до 0,05 азота максимум, до 0,015 водорода максимум, в общей сложности до 0,30 других элементов: менее чем 0,005 каждого из бора и иттрия, не более чем 0,10 каждого из олова, циркония, молибдена, хрома, никеля, кремния, меди, ниобия, тантала, марганца и кобальта, и остальное - титан и случайные примеси.

Изобретение относится к области цветной металлургии, а именно к созданию титановых сплавов, предназначенных для использования в качестве высокопрочного конструкционного термически упрочняемого материала.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к сплавам на основе тинана, и может быть использовано при изготовлении тяжелонагруженных деталей и узлов, работающих при температуре до 600°С.

Изобретение относится к изготовлению композиционного материала для изделий электронной техники СВЧ на основе металлической матрицы в виде алюминиевого сплава и неметаллического наполнителя в виде карбида кремния.

Группа изобретений относится к металлургии, в частности к производству металлокомпозитов, а также может быть использована для обработки других сплавов. Способ получения композиционного сплава Al-Ti, упрочненного алюминидами титана Al3Ti, включает плавление и обработку расплава в непрерывном режиме в плавильной емкости с помощью поршня-вибратора, погружаемого в расплав и совершающего низкочастотные колебания в диапазоне 16-160 Гц с амплитудой δ, определяемой по выражению δ=1500η/(R02μρ), где η - динамическая вязкость расплава, μ - частота колебаний, ρ - плотность сплава, R0 - радиус поршня.

Изобретение относится к получению заготовок из тугоплавких и жаропрочных сплавов на основе интерметаллидов системы Nb-Al, предназначенных для изготовления деталей с повышенными рабочими температурами эксплуатации.

Изобретение относится к литейному производству в области металлургии, в частности к модифицированию литейных алюминиевых сплавов. Пруток изготавливают путем раскатки алюминиевой пластины до толщины 0,2-0,3 мм, рекристаллизации полученной алюминиевой ленты при температуре 200-300°С, нанесения на нее рассыпчатого модификатора на основе наноуглерода и последующей запрессовки ленты с модификатором в пруток.

Изобретение относится к металлургии, а именно к модифицированию алюминиево-кремниевых сплавов доэвтектического и эвтектического составов и может быть использовано в технологии приготовления алюминиево-кремниевых сплавов для получения фасонных отливок.

Изобретение относится к изготовлению пористых изделий из псевдосплавов на основе вольфрама. Способ включает приготовление порошкообразной шихты, содержащей 95 мас.% вольфрама, остальное - никель и железо в соотношении 7:3, введение в шихту порообразователя, прессование шихты с получением заготовки, удаление порообразователя из заготовки и спекание.

Группа изобретений относится к спеченному композитному материалу и получению из него инструментов, а именно формующих или измельчающих. Способ получения спеченного композитного материала включает спекание состава, содержащего по меньшей мере один твердый носитель, выбранный из группы, состоящей из карбидов, нитридов, боридов и карбонитридов, и связующий сплав, включающий от 66 до 93 мас.% никеля, от 7 до 34 мас.% железа, от 0 до 9 мас.% кобальта и до 30 мас.% одного или нескольких элементов, выбранных из группы, состоящей из W, Mo, Cr, V, Та, Nb, Ti, Zr, Hf, Re, Ru, Al, Mn, B, N и С.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к порошковой металлургии жаропрочных никелевых сплавов, и может быть использовано для изготовления высоконагруженных роторных деталей, работающих при температурах до 650-700°С в газотурбинных двигателях.

Изобретение относится к области металлургии цветных металлов и может быть использовано для получения сплава алюминий-скандий в условиях промышленного производства.
Изобретение относится к получению упрочненного нанокомпозиционного материала, который может быть использован в авиастроении и в автомобильной промышленности. Готовят лигатуру в виде компактированных стержней из равномерно перемешанной смеси порошка магния и нанопорошка нитрида алюминия с диаметром частиц в диапазоне 30÷80 нм.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству жаропрочных сплавов на основе ниобия, которые могут быть использованы для изготовления рабочих лопаток ГТД.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к изготовлению высококачественных слитков и заготовок изделий из легированных интерметаллических сплавов на основе гамма-алюминида титана. Способ обработки интерметаллических сплавов на основе гамма-алюминида титана, включающий направленную бестигельную зонную перекристаллизацию литой цилиндрической заготовки из интерметаллического сплава на основе гамма-алюминида титана в атмосфере инертного газа. Направленную бестигельную зонную перекристаллизацию заготовки ведут в вертикальном реакторе, при этом нагрев и плавление заготовки осуществляют посредством перемещающегося снизу вверх с постоянной скоростью 150 ммч индуктора с мощностью, обеспечивающей длину расплавляемой зоны, не превышающую диаметр отливки, и осевым градиентом температуры не менее 300°Ссм, с использованием переменного индукционного тока с частотой в диапазоне 10 кГц - 1 МГц. В качестве инертного газа используют аргон или гелий. Увеличиваются значения пределов текучести и прочности сплавов, повышается однородность механических свойств за счет создания упорядоченной ламельно-гранулярной фазовой микроструктуры сплавов. 1 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл., 1 пр.

Наверх