CZ2010189A3 - Príprava in-situ kompozitních materiálu TiAI-Ti5Si3 - Google Patents

Abstract

Príprava kompozitních materiálu s matricí TiAl, vyztužených cásticemi Ti.sub.5.n.Si.sub.3.n.spocívá v tom, že se pripraví smes prášku titanu a slitiny Al-Si obsahující 25 až 70 % hmotn. kremíku, která se slisuje a poté se provede reaktivní sintrace ve vakuu nebo v ochranné atmosfére.

Description

Oblast techniky

Vynález se týká přípravy kompozitních materiálů s matricí TiAl, vyztužených částicemi TÍ5SÍ3. Tyto materiály se vyznačují vysokou tvrdostí, odolností proti otěru a oxidační odolností za vysokých teplot. Využití lze očekávat u tryskových a spalovacích motorů (součásti výfukových systémů, ventily, turbodmychadla atd.).

Dosavadní stav techniky

V současnosti jsou nejpoužívanějšími kovovými vysokoteplotními materiály žáruvzdorné oceli nebo slitiny niklu. Jejich výhodou je bezproblémová výroba a nízká cena. Nevýhodou však je vysoká hustota těchto materiálů. Tam, kde se vyžaduje snížení hmotnosti konstrukčních součástí, především v leteckém a automobilovém průmyslu nebo v kosmonautice, je nutná jejich náhrada materiály se srovnatelnými nebo lepšími vysokoteplotními vlastnostmi a nižší hustotou. Tímto materiálem jsou intermetalické fáze přechodných kovů s hliníkem, zvané aluminidy. Z pohledu hustoty jsou nejvýhodnější aluminidy titanu (TiAl, Ti₃AI). Hliník valuminidech má kromě snížení hustoty pozitivní vliv i na odolnost těchto slitin vůči vysokoteplotní oxidaci.

V současnosti nejrozšířenější postupy výroby aluminidů titanu zahrnují procesy tavné metalurgie (např. patenty CZ298961, CN101462151, CN101462150). Tyto procesy jsou však velmi problematické mimo jiné díky vysoké reaktivitě taveniny s tavícím kelímkem a velmi špatným slévárenským vlastnostem intermetalik. Z důvodu reaktivity taveniny se využívají speciální kelímky z oxidu hlinitého nebo zirkoničitého povlakované oxidem vápenatým (patent CZ298961) nebo oxidem yttritým. Jako alternativu k těmto postupům je možné využít technologie práškové metalurgie. Při těchto procesech je možné vycházet přímo z prášku příslušného aluminidu, který je kompaktizován za tepla, nebo využít vhodných prekurzorů, které zreagují po dodání energie ohřevem. Těmito prekurzory mohou být například prášky Ti₃AI a TÍAI₃, které po smísení a ohřátí vytvoří fázi TiAl (patent US5411700), nebo titan a fáze TiAI₃ nebo T1AI2 (patent US20020085941).

Dalšího zlepšení vlastností materiálů na bázi aluminidů je možné dosáhnout přípravou kompozitního materiálu vyztuženého keramickými částicemi. Byly patentovány technologie výroby kompozitních materiálů s intermetalickou matricí reaktivní infiltrací

taveniny kovu do předlisku prekurzorů (CZ2000-1960) a postupy přípravy kompozitů TÍAIC2-TÍ5SÍ3 reakční syntézou z prvků - titanu, hliníku, křemíku a grafitu (CN 1789202).

Podstata vynálezu

Způsob přípravy in-situ kompozitních materiálů TiAI-Ti₅Si₃ podle vynálezu spočívá v tom, že se připraví směs prášků titanu a slitiny ΑΙ-Si obsahující 25 až 70 hm. % křemíku, která se slisuje a poté se provede reaktivní sintrace ve vakuu nebo v ochranné atmosféře.

Směs prášků o velikosti částic 10 až 1000 pm obsahuje 10 až 20 hm. % Si a 8 až 30 hm. % Al, zbytek je Ti.

Tato směs prášků se lisuje při laboratorní teplotě tlakem vyšším než 200 MPa.

Reaktivní sintrace výlisku se s výhodou provádí při teplotách 750 až 1100°C po dobu 2 až 300 min ve vakuu nebo v ochranné atmosféře inertního plynu, přičemž rychlost ohřevu slisované směsi prášků na teplotu reaktivní sintrace je 10 °C .min'¹ nebo vyšší.

Získaný materiálů TÍAI-TÍ5SÍ3 podle vynálezu je tvořen částicemi Ti₅Si₃ v matrici TiAl a vyznačuje se tvrdostí cca 700 HV a velmi vysokou odolnosti proti vysokoteplotní oxidaci.

Způsob přípravy in-situ kompozitních materiálů s matricí TiAl vyztuženou částicemi silicidu TÍ5SÍ3 využívající reaktivní sintraci slisované směsi prášků titanu a slitiny Al-Si nevyžaduje oproti výše uvedeným postupům přípravy využití taveniny jako při reaktivní infiltraci. Díky použití slitiny Al-Si je oproti postupu přípravy obdobných materiálů podle patentu CN 1789202 možné snížení teploty procesu sintrace, není nutná vysoká rychlost ohřevu, pórovitost produktu je nižší a produkt se vyznačuje rovnoměrnější distribucí silicidové výztuže. Rovněž není nutná aplikace zvýšeného tlaku při reaktivní sintraci. Připravené materiály dosahují pórovitosti méně než 7 obj. %, tvrdosti cca 700 HV a velmi dobré odolnosti proti vysokoteplotní oxidaci.

Příklady provedení

Vynález bude v dalším textu blíže popsán s pomocí konkrétního příkladu, který je pouze ilustrativní a neomezuje nijak rozsah vynálezu.

Kompozitní materiál TÍAI-TÍ5SÍ3 byl připraven ve třech krocích:

«· * · Β Β * Β Β · · Β *··»·♦ Β« ΒΒ «·*·

1. Příprava směsi prášků titanu a slitiny ΑΙ-Si. Byly použity prášky titanu a slitiny AISÍ50 o velikosti částic 200 až 600 pm vyrobené mechanickým obráběním. Směs prášků obsahovala 70 hm. % titanu, 15 hm. % Al a 15 hm. % Si. Směs byla homogenizována mechanickým promícháním.

2. Lisování bylo provedeno při laboratorní teplotě na univerzálním zatěžovacím stroji Heckert FPZ 100/1 tlakem 260 MPa.

3. Reaktivní sintrace byla provedena při teplotě 900°C po dobu 60 min v evakuované a utěsněné trubici z křemenného skla. Ohřev slisované směsi prášků na teplotu reaktivní sintrace byl realizován rychlostí 20 °C .min’¹.

Mikrostruktura připraveného materiálu (obr.1) je tvořena rovnoměrně distribuovanými částicemi silicidu Ti₅Si₃ o průměrné velikosti přibližně 10 pm v matrici TiAI. Pórovitost produktu je nižší než 5 obj. %. Tento materiál dosahuje tvrdosti 680 HV 10. To představuje výrazné zvýšení tvrdosti oproti čisté fázi TiAI, která dosahuje hodnot 400450 HV.

Odolnost připraveného materiálu vůči vysokoteplotní oxidaci byla studována na vzduchu při teplotě 1000°C. Ve srovnání s materiálem na bázi fáze TiAI, připraveným vakuovým indukčním tavením, jsou hmotnostní přírůstky způsobené růstem oxidové vrstvy až o 70 % nižší (obr.2).

Průmyslová využitelnost

Přípravu in-situ kompozitních materiálů TiAI-Ti₅Si₃ lze realizovat na běžných zařízeních pro lisování a v běžných vakuových pecích nebo pecích s ochrannou atmosférou. Výchozí suroviny (titanový prášek, slitiny ΑΙ-Si) jsou běžně komerčně dostupné.

Claims (5)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Příprava in-situ kompozitních materiálů TÍAI-TÍ5SÍ3 vyznačující se tím, že se připraví směs prášků titanu a slitiny ΑΙ-Si obsahující 25 až 70 hm. % křemíku, která se slisuje a poté se provede reaktivní sintrace ve vakuu nebo v ochranné atmosféře.
2. 2. Příprava podle nároku 1 vyznačující se tím, že směs prášků o velikosti částic 10 až 1000 pm obsahuje 10 až 20 hm. % Si a 8 až 30 hm. % Al, zbytek je Ti.
3. 3. Příprava podle nároku 1 a 2 vyznačující se tím, že se směs prášků lisuje při laboratorní teplotě tlakem vyšším než 200 MPa.
4. 4. Příprava podle nároku 1 až 3 vyznačující se tím, že reaktivní sintrace výlisku se provádí při teplotách 750 až 1100°C po dobu 2 až 300 min ve vakuu, přičemž rychlost ohřevu slisované směsi prášků na teplotu reaktivní sintrace je 10 °C min’¹ nebo vyšší.
5. 5. Příprava podle nároku 1 až 3 vyznačující se tím, že reaktivní sintrace výlisku se provádí při teplotách 750 až 1100°C po dobu 2 až 300 min v ochranné atmosféře inertního plynu, přičemž rychlost ohřevu slisované směsi prášků na teplotu reaktivní sintrace je 10 °C .min'¹ nebo vyšší.

   <2®ιο-