Способ получения интерметаллидного ортосплава на основе титана


 

B33Y10/00 -
B33Y10/00 -

Владельцы патента RU 2635204:

федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" (ФГАОУ ВО "СПбПУ") (RU)

Изобретение относится к получению интерметаллидного ортосплава на основе титана. Способ включает перемешивание порошков титана и ниобия с обеспечением механического легирования порошка титана порошком ниобия в течение 8-24 ч, затем проводят механическое перемешивание легированного ниобием порошка титана с порошком алюминия. Полученную порошковую смесь компонентов сплава наносят на металлическую платформу слоями толщиной 35-150 мкм с лазерным плавлением слоев постоянным непрерывным лазером мощностью 400-1000 Вт со скоростью сканирования 300-1000 мм/с. Обеспечивается высокая химическая однородность интерметаллидного ортосплава на основе титана. 2 з.п. ф-лы, 3 пр., 1 табл.

 

Изобретение относится к порошковой металлургии, а именно к получению интерметаллидного ортосплава на основе титана, и может найти применение в авиационной и энергетической промышленности при производстве компонентов газотурбинных двигателей.

Известны три основные группы сплавов на основе алюминидов титана, обладающие различным фазовым составом: α2-сплавы (Ti3Al), γ-сплавы (TiAl) и ортосплавы (Ti2AlNb), которые обладают высокой прочностью, низким удельным весом, жаростойкостью, высоким сопротивлением ползучести. Основным препятствием для массового применения интерметаллидных α2- и γ-сплавов, в отличие от ортосплавов, является их низкая пластичность. В то же время, ортосплавы имеют более высокие характеристики низкотемпературной и высокотемпературной удельной прочности и пластичности, что позволяет рассматривать их как перспективный материал для изготовления компонентов аэрокосмической техники. Алюминий является основным легирующим элементом в титановых сплавах, способствует образованию ортофазы и повышает прочность материала при высоких температурах. Ниобий добавляют для образования ортофазы Ti2AlNb, повышения стабильности сплава при повышенной температуре, а также для повышения пластичности сплава при комнатной температуре путем образования В2-фазы. Мо, Та, Zr, Si добавляют для повышения прочностных характеристик при повышенной температуре и увеличения сопротивления ползучести материала.

Известен способ получения интерметаллидного ортосплава на основе титана, при котором осуществляют переплав исходных компонентов сплава (например, с помощью вакуумно-дуговой плавки), затем материал подвергают пластической деформации в виде ковки или экструзии для получения прутков из ортосплава, после чего прутки из ортосплава подвергают термомеханической обработке [Патент US 6132526, МПК С22С 14/00, опубликован 17.10.2000 г.].

Недостатками известного способа являются неоднородный химический состав получаемого материала, высокая трудоемкость и многостадийность способа и невозможность использования получаемого сплава для изготовления сложнопрофильных изделий методами порошковой металлургии.

Известен способ получения интерметаллидного ортосплава на основе титана, при котором механически смешивают порошки чистых металлов - компонентов сплава, после чего полученную смесь спекают при высокой температуре под давлением [Wang, Guofeng, Jianlei Yang, and Xueyan Jiao. "Microstructure and mechanical properties of Ti-22Al-25Nb alloy fabricated by elemental powder metallurgy." Materials Science and Engineering: A 654 (2016): 69-76].

Недостатками известного способа являются химическая неоднородность получаемого материала, а также ограничения по геометрии изготавливаемых изделий.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является способ получения сплава на основе титана [Fischer, М., et al. "In situ elaboration of a binary Ti-26Nb alloy by selective laser melting of elemental titanium and niobium mixed powders." Materials Science and Engineering: С 62 (2016): 852-859], включающий механическое перемешивание порошков титана и ниобия, нанесение на металлическую платформу порошковой смеси титана и ниобия слоями толщиной 30 мкм и плавление слоев порошковой смеси титана и ниобия импульсным лазером с энергией от 39 до 1467 Дж/мм.

Данным способом возможно получение ортосплава, однако получаемый материал будет иметь неоднородность по химическому составу.

Технической проблемой изобретения является разработка способа получения интерметаллидного ортосплава на основе титана, обеспечивающего однородный химический состав материала.

Для достижения технического результата аналогично прототипу способ получения интерметаллидного ортосплава на основе титана включает перемешивание порошков титана и ниобия, нанесение на металлическую платформу порошковой смеси компонентов сплава слоями и послойное лазерное плавление порошковой смеси.

В отличие от прототипа, при перемешивании осуществляют механическое легирование порошка титана порошком ниобия при содержании Nb от 18 до 28% (ат.) в планетарной мельнице с использованием металлических шаров в качестве мелющих тел в течение 8-24 ч.

Затем осуществляют механическое перемешивание порошка твердого раствора легирующих компонентов в титане с порошком алюминия при содержании Al от 16 до 26% (ат.). Полученную смесь наносят на металлическую платформу слоем толщиной 35-150 мкм и плавят при помощи непрерывного лазера мощностью 400-1000 Вт со скоростью сканирования 300-1000 мм/с.

При механическом легировании порошка титана порошком ниобия дополнительно могут вводить порошок по крайней мере одного элемента из группы, включающей молибден, цирконий, тантал и кремний, в суммарном количестве 0,4-5%.

После охлаждения интерметаллидного ортосплава на основе титана может быть проведена термическая обработка путем отжига при температуре 900-1200°С в течение 12-36 ч.

Технический результат - высокая химическая однородность интерметаллидного ортосплава на основе титана.

При механическом легировании в планетарной мельнице с использованием металлических шаров в качестве мелющих тел сначала происходит перемешивание порошков титана, ниобия и смеси порошков Мо+Zr+Та+Si. Затем частицы порошков сплющиваются и свариваются между собой за счет интенсивной пластической деформации металлическими шарами. Формируется порошок со слоистой структурой, состоящей из различных комбинаций исходных компонентов. Далее с увеличением времени механического легирования за счет диффузии исходных компонентов образуется порошок, состоящий из твердого раствора легирующих компонентов в титане с высокой химической однородностью.

Механическое перемешивание порошков необходимо для получения однородной порошковой смеси алюминия и порошка твердого раствора на основе титана.

В результате воздействия энергии лазерного луча на слой порошковой смеси алюминия и твердого раствора легирующих компонентов в титане происходит расплавление порошковой смеси с образованием жидкой фазы и ее последующее охлаждение. При охлаждении жидкой фазы под действием капиллярных сил происходит перемещение расплавленных компонентов и их перемешивание с одновременной кристаллизацией жидкой фазы, что приводит к образованию интерметаллидного ортосплава на основе титана, состоящего из титана, ниобия, алюминия, и по крайней мере одного элемента из группы, включающей молибден, цирконий, тантал и кремний с высокой химической однородностью. Высокая химическая однородность интерметаллидного ортосплава на основе титана определяется тем, что механическое легирование происходит в твердофазном состоянии, при котором не происходит дендритная ликвация и осуществляется однородное перемешивание исходных компонентов.

Использование непрерывного лазера обусловлено большей стабильностью расплавленной области. При мощности лазера более 1000 Вт и/или скорости сканирования лазера менее 300 мм/с происходит перегрев порошковой смеси, что приводит к частичному испарению материала, ликвации компонентов из-за больших размеров расплавленной области и образованию газовых пор. При мощности лазера менее 400 Вт, и/или скорости сканирования более 1000 мм/с, и/или толщине слоя порошковой смеси более 150 мкм энергии лазерного излучения недостаточно для полного расплавления материала, что приводит к получению отдельных частиц порошков алюминия и твердого раствора легирующих компонентов в титане, и не позволяет получить интерметаллидный ортосплав на основе титана. При толщине слоя порошковой смеси менее 35 мкм, сопоставимой с размерами частиц порошка, при плавлении лазером не обеспечивается перемещение и перемешивание расплавленных компонентов и, соответственно, однородность химического состава.

После охлаждения интерметаллидный ортосплав на основе титана может быть термически обработан путем отжига при температуре 900-1200°С в течение 12-36 ч. В результате отжига происходит выделение дополнительных вторичных фаз O-Ti2AlNb и α2-Ti3Al, что приводит к повышению прочности сплава, а также повышается химическая однородность материала. При температуре отжига менее 900°С и/или времени отжига менее 12 ч не происходит выделения вторичных фаз. При температуре отжига более 1200°С и/или времени отжига более 36 ч происходит чрезмерный рост зерен материала, что приводит к снижению его прочности.

Предлагаемый способ получения интерметаллидного ортосплава на основе титана осуществляют в следующей последовательности:

Проводят механическое легирование порошка титана ниобием при содержании ниобия от 18 до 28% (ат.) и по крайней мере одним порошком из группы, включающей молибден, цирконий, тантал и кремний в суммарном количестве 0,4-5%, в планетарной мельнице с использованием металлических шаров в качестве мелющих тел при соотношении массы шаров к массе порошка 10-20 к 1 в течение 8-24 ч. Производят механическое перемешивание полученного порошка твердого раствора легирующих компонентов в титане с порошком алюминия при содержании Al от 16 до 26% (ат.) в смесителе типа "пьяная бочка" в течение 6-24 ч за счет многократного пересыпания порошков в объеме цилиндрической емкости, закрепленной под некоторым углом.

Наносят смесь порошка алюминия и порошка твердого раствора легирующих компонентов в титане на металлическую платформу слоем толщиной 35-150 мкм. С помощью непрерывного лазера плавят слой порошковой смеси алюминия и порошка твердого раствора легирующих компонентов в титане при мощности лазера 400-1000 Вт, скорости сканирования 300-1000 мм/с. После охлаждения расплава интерметаллидного ортосплава на основе титана проводят отжиг при температуре 900-1200°С в течение 12-36 ч.

Пример 1

Были взяты порошок титана с размером частиц d50=37 мкм в количестве 74,5% (ат.), порошок ниобия с размером частиц d50=43 мкм в количестве 25,5% (ат.). Было проведено механическое легирование взятых порошков в планетарной мельнице с использованием металлических шаров в качестве мелющих тел при соотношении массы шаров к массе порошка 10:1 в течение 10 ч. Был получен порошок твердого раствора легирующих компонентов в титане с высокой химической однородностью и размером частиц d50=41 мкм.

К порошку твердого раствора легирующих компонентов в титане был добавлен порошок алюминия с размером частиц d50=27 мкм в количестве 21% (ат.) от полученной смеси, полученная смесь была механически перемешана в «пьяной бочке» в течение 12 ч. В результате была получена однородная порошковая смесь алюминия и твердого раствора легирующих компонентов в титане.

На металлическую платформу был нанесен слой порошковой смеси алюминия и твердого раствора легирующих компонентов в титане толщиной 100 мкм. С помощью непрерывного лазера при мощности 1000 Вт и скорости сканирования лазера 700 мм/с расплавили слой порошковой смеси. Затем металлическая платформа была опущена на 100 мкм, нанесен новый слой порошковой смеси и расплавлен с помощью лазера. Процесс был повторен для 200 слоев. Однородность химического состава была определена путем построения химических карт с помощью энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии, фазовый состав был определен с помощью рентгенофазового анализа. В результате был получен однородный интерметаллидный ортосплав на основе титана с высокой химической однородностью и имеющий следующий фазовый состав: Ti2AlNb+В2.

Пример 2

Были взяты порошок титана с размером частиц d50=37 мкм в количестве 72,5% (ат.), порошок ниобия с размером частиц d50=43 мкм в количестве 25,5% (ат.), порошок молибдена с размером частиц d50=45 мкм в количестве 0,7% (ат.), порошок циркония с размером частиц d50=58 мкм в количестве 0,6% (ат.), порошок тантала с размером частиц d50=55 мкм в количестве 0,4% (ат.), порошок кремния с размером частиц d50=62 мкм в количестве 0,3% (ат.). Было проведено механическое легирование взятых порошков в планетарной мельнице с использованием металлических шаров в качестве мелющих тел при соотношении массы шаров к массе порошка 13:1 в течение 17 ч. Был получен порошок твердого раствора легирующих компонентов в титане с высокой химической однородностью и размером частиц d50=38 мкм.

К порошку твердого раствора легирующих компонентов в титане был добавлен порошок алюминия с размером частиц d50=27 мкм в количестве 18% (ат.) от полученной смеси, полученная смесь была механически перемешана в «пьяной бочке» в течение 24 ч. В результате была получена однородная порошковая смесь алюминия и твердого раствора легирующих компонентов в титане. На металлическую платформу был нанесен слой порошковой смеси алюминия и твердого раствора легирующих компонентов в титане толщиной 150 мкм. С помощью лазера при мощности 800 Вт и скорости сканирования лазера 600 мм/с расплавили слой порошковой смеси. Затем металлическая платформа была опущена на 150 мкм, нанесен новый слой порошковой смеси и расплавлен с помощью лазерного луча. Процесс был повторен для 200 слоев. Была проведена термическая обработка полученного ортосплава при температуре 1000°С в течение 22 ч. Однородность химического состава была определена путем построения химических карт с помощью энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии, фазовый состав был определен с помощью рентгенофазового анализа. В результате был получен однородный интерметаллидный ортосплав на основе титана, с высокой химической однородностью и имеющий следующий фазовый состав: Ti2AlNb+В2. В отличие от первого примера было получено большее содержание ортофазы Ti2AlNb.

Пример 3

В таблице 1 показаны результаты исследования однородности интерметаллидного ортосплава, полученного по примеру 1 в зависимости от параметров лазерного плавления и толщины слоя порошковой смеси.

Как видно из таблицы 1, при использовании мощности лазерного излучения в диапазоне от 400 до 1000 Ватт, скорости сканирования от 300 до 1000 мм/с и толщины слоя 35-150 мкм образуется однородный ортосплав с фазовым составом Ti2AlNb+В2. При использовании параметров, существенно отличающихся от этих, происходит либо неполное плавление частиц порошка, недостаточное для образования ортосплава, либо происходит перегрев материала, ликвация, рост зерна и выделение нежелательных фаз, снижающих однородность материала.

1. Способ получения интерметаллидного ортосплава на основе титана, включающий перемешивание порошков титана и ниобия, нанесение на металлическую платформу полученной порошковой смеси компонентов сплава слоями с лазерным плавлением слоев, отличающийся тем, что перемешивание осуществляют с обеспечением механического легирования порошка титана порошком ниобия в течение 8-24 ч, затем проводят механическое перемешивание легированного ниобием порошка титана с порошком алюминия, при этом полученную порошковую смесь наносят на металлическую платформу слоем толщиной 35-150 мкм, а лазерное плавление производят постоянным непрерывным лазером мощностью 400-1000 Вт со скоростью сканирования 300-1000 мм/с.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что после лазерного плавления проводят отжиг при температуре 900-1200°C в течение 12-36 ч.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при механическом легировании порошка титана порошком ниобия дополнительно вводят по крайней мере один элемент из группы, включающей молибден, цирконий, тантал и кремний, в суммарном количестве 0,4-5 ат.%.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способам термической обработки изделий или заготовок из псевдо-β титановых сплавов путем закалки и холодной пластической деформации и может быть реализовано в металлургии, а также в машиностроении в производстве для изготовления конкретных изделий из них, в частности, пружин.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к титановому листу, который может быть использован для изготовления сепараторов топливных элементов. Титановый лист для сепаратора топливного элемента содержит основу листа из титана или титанового сплава с рекристаллизованной структурой, поверхностный слой и пассивирующий слой.

Изобретение относится к получению изделий из твердого сплава на основе карбида вольфрама. Способ включает спекание порошка в печи при температуре в диапазоне от 1360 до 1550°C с получением изделия и его охлаждение.

Изобретение относится к способу нанесения защитного покрытия из слоев TiN и (Ti+V)N на подложку из титанового сплава ВТ-6. Осуществляют одновременное напыление слоев TiN и (Ti+V)N на подложку из титанового сплава ВТ-6 с помощью двух электродуговых испарителей с чередованием времени нанесения каждого слоя и количества напыляемого материала с каждого из катодов электродуговых испарителей в атмосфере инертного газа.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способу получения заготовки из титанового сплава, и может быть использовано для изготовления деталей самолета.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способу изготовления никель-титановых прокатных изделий, и может быть использовано для изготовления исполнительно-приводных механизмов, имплантируемых стентов и других медицинских устройств.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способам термомеханической обработки прутков из двухфазных титановых сплавов. Способ термомеханической обработки прутков из двухфазных титановых сплавов с молибденовым эквивалентом от 3,3 до 22% включает закалку прутка и его холодную деформацию.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способам создания текстуры в тонких листах из титанового сплава Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo методом горячей прокатки. Способ получения листов из жаропрочного сплава Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Мо включает предварительную обработку слитка ковкой или штамповкой в β-области с получением сляба, горячую продольную прокатку сляба на подкат с последующим отжигом и травлением, резку подката на листовые заготовки, их адъюстажную обработку и сборку в пакет, пакетную поперечную прокатку в листовую заготовку с последующими отжигами и адъюстажной обработкой полученных листов.

Изобретение относится к металлургии, а именно к химико-термической обработке и упрочнению малогабаритных изделий конструкционного и медицинского назначения, например метизных изделий и стоматологических имплантатов, изготовленных из альфа-сплавов титана.

Изобретение относится к области радиационного материаловедения и может быть использовано в технологических циклах получения полуфабрикатов сплавов на основе ванадия.

Изобретение относится получению титансодержащих металлических порошков. Способ включает травление слитков титансодержащего металлического материала, промывку, гидрирование слитков, измельчение полученного гидрида в порошок, дегидрирование полученного порошка гидрида путем термического разложения при вакуумировании и повторное измельчение дегидрированного порошка.

Группа изобретений относится к получению суперсплава, состоящего из титана, алюминия, железа, хрома, меди и кремния, из водной суспензии частиц руд, содержащих соединения титана, алюминия, железа, хрома, меди и кремния.

Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к свариваемым литейным сплавам на основе титана, и предназначено для изготовления фасонных отливок, используемых в ответственных сварно-литых конструкциях энергомашиностроения при температуре до 450°С.

Изобретение относится к области металлургии, в частности легированным сплавам на основе γ-TiAl. Интерметаллический сплав на основе TiAl содержит, ат.%: алюминий 44-46, ниобий 5-7, хром 1-3, цирконий 1-2, бор 0,1-0,5, лантан ≤0,2, титан - остальное.

Изобретение относится к технологии получения компактных полуфабрикатов из сплавов на основе интерметаллида TiNi. Способ включает гидридно-кальциевый синтез порошковой смеси, ее консолидацию путем прессования и вакуумного спекания с последующей термомеханической обработкой.

Изобретение относится к получению заготовок из сплавов на основе интерметаллида TiNi. Способ включает приготовление порошковой смеси из TiO2, Ni и/или оксида никеля и гидрида кальция, термическую обработку полученной смеси при температуре 1100-1300°С в течение не менее 6 часов с обеспечением гидридно-кальциевого синтеза порошка сплавов на основе интерметаллида TiNi.

Изобретение относится к области специальной металлургии, в частности к получению электродов из сплавов на основе алюминида титана. Способ включает получение литого интерметаллидного полуфабриката методом центробежного СВС-литья с использованием реакционной смеси при следующем соотношении компонентов, вес.%: целевой состав 57,5 - 62,0, энергетическая добавка 35,0-40,0, флюс CaF2 2,5-5,0, и последующий вакуумный индукционный переплав полученного полуфабриката в медном водоохлаждаемом тигле с введением в расплав за 1-2 минуты до его разливки в кристаллизатор порошковой лигатуры, состоящей из прессованной смеси алюминия с нанопорошком с удельной поверхностью 5÷30 м2/г, в количестве, обеспечивающем содержание 0,5-7 об.% нанопорошка в расплаве, при этом в качестве целевого используют смесь порошков TiO2, Ti, Al, Ca, Nb2O5 и Cr2O3, а в качестве энергетической добавки смесь порошков CaO2 и Al.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способу получения заготовки из титанового сплава, и может быть использовано для изготовления деталей самолета.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к интерметаллидным сплавам на основе титана, и может быть использовано для изготовления деталей авиационной и космической техники, длительно работающих до 700°С.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способу изготовления никель-титановых прокатных изделий, и может быть использовано для изготовления исполнительно-приводных механизмов, имплантируемых стентов и других медицинских устройств.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству литейных жаропрочных углеродсодержащих и безуглеродистных сплавов на никелевой основе, и может быть использовано для литья лопаток газотурбинных двигателей.
Наверх