CZ304699B6 - Příprava in-situ kompozitních materiálů TiAl-Ti5Si3 - Google Patents

Příprava in-situ kompozitních materiálů TiAl-Ti5Si3 Download PDF

Info

Publication number
CZ304699B6
CZ304699B6 CZ2010-189A CZ2010189A CZ304699B6 CZ 304699 B6 CZ304699 B6 CZ 304699B6 CZ 2010189 A CZ2010189 A CZ 2010189A CZ 304699 B6 CZ304699 B6 CZ 304699B6
Authority
CZ
Czechia
Prior art keywords
mixture
tial
reactive sintering
titanium
powders
Prior art date
Application number
CZ2010-189A
Other languages
English (en)
Other versions
CZ2010189A3 (cs
Inventor
Pavel Novák
Original Assignee
Vysoká škola chemicko-technologická v Praze
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Vysoká škola chemicko-technologická v Praze filed Critical Vysoká škola chemicko-technologická v Praze
Priority to CZ2010-189A priority Critical patent/CZ304699B6/cs
Publication of CZ2010189A3 publication Critical patent/CZ2010189A3/cs
Publication of CZ304699B6 publication Critical patent/CZ304699B6/cs

Links

Landscapes

  • Powder Metallurgy (AREA)

Abstract

Příprava kompozitních materiálů s matricí TiAl, vyztužených částicemi Ti.sub.5.n.Si.sub.3.n. spočívá v tom, že se připraví směs prášků titanu a slitiny Al-Si obsahující 25 až 70 % hmotn. křemíku, která se slisuje a poté se provede reaktivní sintrace ve vakuu nebo v ochranné atmosféře.

Description

Vynález se týká přípravy kompozitních materiálů s matricí TiAl, vyztuženými částicemi Ti5Si3. 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, Ti3Al). Hliník v aluminidech 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 CZ 298961, CN 101462151, CN 10162150). Tyto procesy jsou však velmi problematické mimo jiné díky vysoké reaktivitě taveniny stavícím kelímkem a velmi špatným slévárenským vlastnostem intermetalik. Z důvodu reaktivity taveniny se využívají speciální kelímky z oxidu hlinitého nebo zirkoničitého povlakované oxidem vápenatým (patent CZ 298 961) 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 Ti3Al a TiAl3, které po smísení a ohřátí vytvoří fázi TiAl (patent US 5 411 700), nebo titan a fáze TiAl3 nebo TiAl2 (patent US 20020085941).
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 TiAlC2-Ti5SÍ3 reakční syntézou z prvků titanu, hliníku, křemíku a grafitu (CN 1789202).
Patentový dokument US 200264949 se zabývá výrobou aluminidů nebo silicidů titanu. Zahrnuje postupně smísení prášků titanu a hliníku nebo křemíku, lisování vzniklé směsi za studená, reaktivní sintraci a lisování za tepla. Dokument US 2002064949 řeší výrobu binárních sloučenin pro naprašovací targety, kde je hlavním kritériem vysoká chemická čistota produktu. Kompozitní materiál TiAl-Ti5Si3 podle vynálezu je plánován pro využití při vysokoteplotních aplikacích jako tepelně namáhané součásti automobilových a leteckých motorů, kde rozhodují mechanické vlastnosti a oxidační odolnost za vysokých teplot. Vlastnosti tohoto kompozitního materiálu jsou zcela jiné, než v případě binárních silididů a aluminidů titanu.
Patentový dokument CN 1296501 se zabývá výrobou kompozitního materiálu odlišného složení, obsahující titan, křemík, karbid titanu, karbid bóru a hliník. Je vyráběn lisováním směsi výchozích prášků za tepla (při teplotě 1200 až 1500 °C), tedy kombinací reaktivní sintrace a lisování za tepla.
- 1 CZ 304699 B6
Podstata vynálezu
Způsob přípravy in-situ kompozitních materiálů TiAl—TÍ5SÍ3 podle vynálezu spočívá v tom, že připraví směs prášků titanu a slitiny Al-Si obsahující 25 až 70 % hmotn. křemíku, která se slisuje a poté se provede reaktivní sintrace ve vakuu nebo v ochranné atmosféře.
Směs prášků o velikosti částic 10 až 1000 μ 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 výlisků 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 materiál TÍAI-TÍ5SÍ3 podle vynálezu je tvořen částicemi TÍ5S13 v matrici TiAl a vyznačuje se tvrdostí cca 700 HV a velmi vysokou odolností proti vysokoteplotní oxidací.
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.
Přehled obrázků na výkrese
Obr. 1 znázorňuje mikrostrukturu kompozitního materiálu TÍAI-TÍ5SÍ3 o složení TiAll5Si 15
Obr. 2 znázorňuje hmotnostní přírůstky kompozitu TiAl-TÍ5S13 a fáze TiAl v průběhu oxidace při 1000 °C.
Příklady provedení vynálezu
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:
1. Příprava směsi prášků titanu a slitiny Al-Si. Byly použity prášky titanu a slitiny A1SÍ50 o velikosti částic 200 až 600 pm vyrobené mechanickým obráběním. Směs prášků obsahovala 70 % hmotn. titanu, 15 % hmotn. Al a 15 % hmotn. 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.
-2CZ 304699 B6
Mikrostruktura připraveného materiálu (obr. 1) je tvořena rovnoměrně distribuovanými částicemi silicidu Ti5Si3 o průměrné velikosti přibližně 10 pm v matrici TiAl. Pórovitost produktu je nižší než 5 % obj. Tento materiál dosahuje tvrdosti 680 HV 10. To představuje výrazné zvýšení tvrdosti oproti čisté fázi TiAl, která dosahuje hodnot 400 až 450 HV.
Odolnost připraveného materiálu vůči vysokoteplotní oxidaci byla studována na vzduchu při teplotě 1000 °C. Ve srovnání s materiálem na bázi fáze TiAl, připraveným vakuovým indukčním tavením, jsou hmotnostní přírůstky způsobené růstem oxidové vrstvy až o 70 % nižší (obr. 2).
Průmyslová využitelnost
Přípravu in-situ kompozitních materiálů TiAl-Ti5Si3 lze realizovat na běžných zařízeních pro lisování a v běžných vakuových pecích nebo pecích s ochrannou atmosférou. Výchozí suroviny (titanový prášek, slitiny Al-Si) jsou běžně komerčně dostupné.

Claims (5)

1. Příprava in-situ kompozitních materiálů TiAl-Ti5Si3, vyznačující se tím, že se připraví směs prášků titanu a slitiny Al-Si obsahující 25 až 70 % hmotn. křemíku, která se slisuje a poté se provede reaktivní sintrace ve vakuu nebo v ochranné atmosféře.
2. Příprava podle nároku 1, vyznačující se tím, že směs prášků o velikosti částic 10 až 1000 pm obsahuje 10 až 20 % hmotn. Si a 8 až 30 % hmotn. Al, zbytek je Ti.
3. Příprava podle nároků 1 a 2, vyznačující se tím, že se směs prášků lisuje při laboratorní teplotě tlakem vyšším než 200 MPa.
4. Příprava podle nároků laž3, 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. Příprava podle nároků 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.
CZ2010-189A 2010-03-15 2010-03-15 Příprava in-situ kompozitních materiálů TiAl-Ti5Si3 CZ304699B6 (cs)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ2010-189A CZ304699B6 (cs) 2010-03-15 2010-03-15 Příprava in-situ kompozitních materiálů TiAl-Ti5Si3

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ2010-189A CZ304699B6 (cs) 2010-03-15 2010-03-15 Příprava in-situ kompozitních materiálů TiAl-Ti5Si3

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CZ2010189A3 CZ2010189A3 (cs) 2011-09-29
CZ304699B6 true CZ304699B6 (cs) 2014-09-03

Family

ID=44672303

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CZ2010-189A CZ304699B6 (cs) 2010-03-15 2010-03-15 Příprava in-situ kompozitních materiálů TiAl-Ti5Si3

Country Status (1)

Country Link
CZ (1) CZ304699B6 (cs)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5833772A (en) * 1992-11-18 1998-11-10 Elkem Asa Silicon alloy, method for producing the alloy and method for production of consolidated products from silicon
US20020064949A1 (en) * 1997-07-11 2002-05-30 Shah Ritesh P. Sputtering targets comprising aluminides or silicides
WO2003008358A2 (de) * 2001-07-16 2003-01-30 GfE Gesellschaft für Elektrometallurgie mbH VERFAHREN ZUM KAPSELLOSEN UMFORMEN VON Ϝ-TiAl-WERKSTOFFEN
US20050036899A1 (en) * 2002-01-29 2005-02-17 Rene Lindenau Method for producing sintered components from a sinterable material
CN1637159A (zh) * 2004-11-23 2005-07-13 武汉理工大学 原位热压工艺合成致密钛硅化碳-二硼化钛复合块体材料
CN1789202A (zh) * 2004-12-15 2006-06-21 中国科学院金属研究所 一种铝碳化钛/硅化钛复合材料及其制备方法
CZ19962U1 (cs) * 2007-03-14 2009-08-24 Schwäbische Hüttenwerke Automotive GmbH & Co. KG Tekutinotesný díl ze slinutého kovu

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5833772A (en) * 1992-11-18 1998-11-10 Elkem Asa Silicon alloy, method for producing the alloy and method for production of consolidated products from silicon
US20020064949A1 (en) * 1997-07-11 2002-05-30 Shah Ritesh P. Sputtering targets comprising aluminides or silicides
WO2003008358A2 (de) * 2001-07-16 2003-01-30 GfE Gesellschaft für Elektrometallurgie mbH VERFAHREN ZUM KAPSELLOSEN UMFORMEN VON Ϝ-TiAl-WERKSTOFFEN
US20050036899A1 (en) * 2002-01-29 2005-02-17 Rene Lindenau Method for producing sintered components from a sinterable material
CN1637159A (zh) * 2004-11-23 2005-07-13 武汉理工大学 原位热压工艺合成致密钛硅化碳-二硼化钛复合块体材料
CN1789202A (zh) * 2004-12-15 2006-06-21 中国科学院金属研究所 一种铝碳化钛/硅化钛复合材料及其制备方法
CZ19962U1 (cs) * 2007-03-14 2009-08-24 Schwäbische Hüttenwerke Automotive GmbH & Co. KG Tekutinotesný díl ze slinutého kovu

Also Published As

Publication number Publication date
CZ2010189A3 (cs) 2011-09-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Ghasali et al. Fabrication of magnesium-boron carbide metal matrix composite by powder metallurgy route: comparison between microwave and spark plasma sintering
JP6788669B2 (ja) アルミニウム及びアルミニウム合金の粉末成形方法
CN101215173B (zh) 一种ZrB2-SiC-ZrC复相陶瓷材料的制备方法
CN110257684B (zh) 一种FeCrCoMnNi高熵合金基复合材料的制备工艺
CN102382998B (zh) 一种原位钛基复合材料零件的制备方法
CN109338172A (zh) 一种高熵合金增强的2024铝基复合材料及其制备方法
US20090011266A1 (en) Intermetallic Composite Formation and Fabrication from Nitride-Metal Reactions
CN104120291B (zh) 一种TiC、TiB2颗粒增强镍基复合材料的制备方法
CN113373335B (zh) 一种高强钛基复合材料的制备方法
US5640666A (en) Composite silicide/silicon carbide mechanical alloy
CN102492871A (zh) 一种TiAl金属间化合物基固体自润滑复合材料及其制备方法
CN104004942B (zh) 一种TiC颗粒增强镍基复合材料及其制备方法
CN102676883A (zh) 一种碳化硅增强铝基复合材料及其制备方法
CN103938005B (zh) 气流磨氢化钛粉制备超细晶粒钛及钛合金的方法
CN101973777A (zh) 一种金属增韧碳化硅基复合陶瓷及制备方法
CN108374133B (zh) 原位合成MgAlB4晶须增强铝基复合材料的方法
CN102173802B (zh) 一种原位(TiB2+SiC)/Ti3SiC2复相陶瓷材料及其制备方法
CN1958817A (zh) 一种利用放电等离子烧结制备高铌钛铝合金材料的方法
US5454999A (en) Composite silicide/silicon carbide mechanical alloy
Cai et al. Porous NbAl3/TiAl3 intermetallic composites with controllable porosity and pore morphology prepared by two-step thermal explosion
CN110747378A (zh) 一种Ti3AlC2-Al3Ti双相增强Al基复合材料及其热压制备方法
CN113817933B (zh) 陶瓷增强钛基复合材料、其制备方法及应用
CN102676956B (zh) 一种原位合成铁基表面复合材料的制备方法
CN104911384B (zh) 一种钨基难熔碳化物复合材料的低温制备方法
Amosov et al. Fabrication of Al-AlN nanocomposites

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A Patent lapsed due to non-payment of fee

Effective date: 20160315