NO167591B - Fremgangsmaate for fremstilling av en intermetallisk forlegering. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte for fremstilling av intermetalliske pulverforbindelser.

Mekanisk legerte forlegeringer kan virke som legerings-mellomprodukter for rask dannelse av endelige mekanisk legerte systemer. Både intermetalliske materialer og ikke-intermetalliske ("intermetallisk-type-") materialer som har den samme vektprosent som den intermetalliske forbindelse, men ikke dennes struktur, frembringes.

I de senere år har det vært en intensiv søkning etter nye metalliske materialer med høy styrke og lav relativ vekt, god duktilitet, bearbeidbarhet, formbarhet, seighet, utmattings-fasthet og korrosjonsresistens. Anvendelsesformålene for disse nye materialer finnes innen luftfarts- og automobilindustrien, den elektroniske industri og annen industri.

Anvendelsen av pulvermetallurgi-teknikker og mer spesielt teknologi omfattende mekanisk legering har vært gjenstand for utstrakt forskning med sikte på oppnåelse av ovennevnte forbed-rede egenskaper. Pulvermetallurgi frembyr i alminnelighet dessuten en måte til å produsere homogene materialer, å regulere den kjemiske sammensetning og å inkorporere dispersjonsforsterkende materialer i legeringen. Videre kan legeringsmaterialer som det er vanskelig å behandle, lettere innføres i legeringen ved pul-vermetallurgiske teknikker enn ved konvensjonelle barresmeltings-teknikker.

Fremstilling av dispersjonsforsterkende pulvere med forbe-drede egenskaper ved mekanisk legeringsteknikk er beskrevet i bl.a. US-patent 3.591.3 62. Mekanisk legerte materialer er kjennetegnet ved en finkornet struktur som er stabilisert ved jevnt fordelte dispergerte partikler så som oksyder og/eller karbider.

I det foreliggende er mekanisk legering en relativt tørr, høy energi-maleprosess som produserer komposittpulvere med regu-lerte, ytterst fine mikrostrukturer. Pulverne fremstilles i høyenergetisk abrasjonsutstyr eller kulemøller. Typisk blir de forskjellige elementer (i pulverform) og prosesshjelpemidler tilført en mølle. Kulene i møllen vil vekselvis bevirke kald-sveising og frakturering av pulverne, hvilket til slutt resulterer i en meget ensartet pulverfordeling.

Spesielt er aluminium meget godt egnet for fremstilling av lettvektsdeler, særlig for anvendelser innen flyindustrien. Aluminium legert med andre bestanddeler blir vanligvis anvendt i situasjoner hvor maksimumstemperaturen ikke overskrider 2 04 - 260°C (400-500°F). Ved høyere temperaturer taper konvensjonelle aluminiumlegeringer sin styrke. Industrien på området ønsker imidlertid å utvikle aluminiumlegeringer som med godt resultat kan anvendes ved temperaturer opp til 482°C (900°F). Utviklings-arbeidet hvor aluminium anvendes sammen med titan-, nikkel-, jern- og krom-systemer, pågår med sikte på å frembringe nye legeringer som er i stand til å funksjonere ved de høyere temperaturnivåer.

Hittil har det vært meget vanskelig å legere mekaniske aluminiumlegeringer som inneholder element-tilsetninger som er betydelig hardere enn aluminiumgrunnmassen, dvs. aluminium med Ni, Fe, Cr, V, Ce, Zr, Zn og/eller Ti. Ved direkte prosessering av disse legeringer med den ønskede sammensetning kald-sveises aluminiumpulveret rundt den hardere legeringsbestanddel under dannelse av komposittpulverpartikler av aluminium innleiret med store, segregerte, ulegerte element-tilsetninger.

Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen er kjennetegnet ved at

a) element-pulver i mengder som tilsvarer mengdene av disse elementer i en intermetallisk materiale blandes med et

prosessreguleringsmiddel til en blanding, idet element-pulverne omfatter et hovedelement og minst ett sekundært element, hvor det sekundære element er hardere enn hovedelementet ,

b) blandingen legeres mekanisk, og

c) blandingen oppvarmes under samtlige elementers solidus-temperatur for fremstilling av den intermetalliske forbindelse.

Pulveret blir eventuelt reagert ved en forhøyet temperatur slik at den intermetalliske struktur dannes, det resulterende pulver anvendes som en av legeringstilsetningene for å danne en endelig pulverblanding. De øvrige materialtilsetninger til-blandes til den endelige pulverblanding, og den resulterende pulverblanding legeres deretter mekanisk.

Alternativt, ved sløyfing av oppvarmingstrinnet, vil det intermetallisk-type-materialet ved prosesseringen av det intermetalliske materialet, dvs. de riktige Vektprosenter, ikke være i intermetallisk form.

Kort beskrivelse av bildene

Fig. 1 er et bilde, tatt gjennom mikroskop med 150 gangers forstørrelse, av forlegeringen "som malt/findelt". Fig. 2 er et bilde, tatt gjennom mikroskop med 150 gangers forstørrelse, av den "reagerte" forlegering. Fig. 3 og 4 er bilder, tatt gjennom mikroskop med 150 gangers forstørrelse, av forlegeringen "som malt/findelt" etter prosessering. Fig. 5 og 6 er bilder, tatt gjennom mikroskop med 150 gangers forstørrelse, av den "reagerte" forlegering etter prosessering.

Foretrukket måte for utførelse av oppfinnelsen

Skjønt den følgende diskusjon hovedsakelig er fokusert på aluminium, vil det forstås at teknikken kan benyttes med andre legeringsbasismetaller (titan, nikkel, jern etc.) også. Den beskrevne prosess tilveiebringer i hovedsak en intermetallisk form for hvilken som helst legering.

De foreliggende legeringer kan dannes ved at man først legerer mekanisk en kombinasjon av aluminium og de hardere lege-ringselementer, hvor konsentrasjonen av den hardere legerings-tilsetning er tilstrekkelig meget høyere enn i det tilsiktede endelige materialet. For mange systemer kan bestanddelene blandes ved et nivå tilsvarende en av de intermetalliske forbindelser i legeringssystemet. Når prosesseringen er fullført, kan pulveret oppvarmes for derved å fullføre dannelsen av det intermetalliske materialet. Anvendelse av en høyere konsentra-sjon av legeringselement reduserer dempningsvirkningen av aluminiumpulver-matriksen med hensyn til beskyttelse av legeringstil-setningen mot å findeles under den mekaniske legeringsbehandling. Dette tillater at den harde elementtilsetning blir findispergert gjennom hele aluminiummatriksen under den mekaniske legeringsbehandling.

Som antydet ovenfor, kan de vanlige mekaniske legeringstek-nikker under anvendelse av gjengs utstyr resultere i ikkehomogene fordelinger. De forskjellige bestanddeler i legeringen forblir adskilte og segregerte; dette påvirker legeringens egenskaper på ugunstig måte og reduserer dens anvendelighet.

Man forestilte seg at ved å produsere et forlegerings-materiale før endelig prosessering og deretter kombinere dette materialet med de øvrige pulverbestanddeler for å danne det tilsiktede legeringsmaterialet, kunne oppnå bedre fordeling og mindre segregering av bestanddelene. Etter mekanisk legering av den resulterende blanding ville så den endelige legering ha de ønskede egenskaper. Forlegeringsmaterialet kan, i visse situasjoner, være en intermetallisk forbindelse. Forlegeringen vil dessuten inneholde forskjellige prosentvise mengder av bestanddelene enn det endelige legeringsmaterialet.

Ved eksempelvis det aluminium-titan-legeringssystem som er beskrevet i det foreliggende (et ikke-begrensende eksempel), forestilte man seg at det tilsiktede endelige legeringspulver-materialet skulle inneholde ca. 96 % aluminium, 4 % titan ("Al 4Ti") pluss forurensninger og rester av prosesserings-hjelpe-midler. Forlegeringen, som har samme vektprosenter som det intermetalliske materialet, inneholder vesentlig mer titan, f.eks. ca. 63 % aluminium, 37 % titan (Al 37Ti).

For den foreliggende beskrivelsens formål skal hovedlege-ringskomponenten være definert som det element som har den høyeste vektprosent i enhver legering, og den sekundære lege-ringskomponent skal være det gjenværende element (eller elementer) . I ovennevnte eksempel kan aluminium således anses som hovedelementet både i forlegeringen og den endelige legering, mens titan er det sekundære element i begge legeringer.

Det ble først funnet at når man øker innholdet av det sekundære element i forlegeringen og deretter legerer denne mekanisk, vil den krystallinske struktur av forlegeringen bli forandret slik at den danner en intermetallisk forbindelse som raskt kan kombineres med hovedelementet slik at den endelige legering dannes. Etter mekanisk legering har den endelige legering den ønskede homogene struktur. Ut fra senere eksperimenter ble det funnet at intermetallisk-type-versjonen (ikke-intermetallisk) med det intermetalliske materialets prosentvise sammensetning også resulterte i et ønsket endelig legeringspulver.

Det er særdeles vanskelig, om ikke praktisk talt umulig, å legere aluminium og titan mekanisk når man forsøker å fremstille den tilsiktede endelige Al-4Ti-legering. En ensartet struktur er vanskelig å oppnå. Den ønskede tilsiktede legering med den ønskede ensartede struktur fremstilles følgelig ved at man danner forlegeringen AI3H og deretter blander forlegeringen med aluminiumpulver (hovedelementet i den endelige legering).

I det følgende beskrives fremstillingen av et Al-37Ti-forlegeringspulver som deretter ble fortynnet for igjen å legeres mekanisk til en endelig Al-4Ti-legering. Al-Ti-forlegeringen i en "som malt/findelt" tilstand og i en "reagert" og siktet tilstand ble fortynnet med ytterligere aluminiumpulver for fremstilling av den tilsiktede legering.

Et forsøk ble utført med sikte på å fremstille en forlegering tilsvarende den intermetalliske Al3Ti-sammensetning, ca. 62,8 vekt% Al og 37,2 vekt% Ti (Al-37Ti). Abrasjonsutstyr i laboratoriemålestokk ble anvendt for alle forsøk. Det anvendte aluminiumpulver var luftatomisert aluminium, som er det normale utgangsmaterialet for kommersielt tilgjengelige mekanisk legerte aluminiumlegeringer. Utgangstitanpulveret var knust titansvamp.

Prosesseringsbetingelsene var som følger:

Kulemengde: 68 kg

Pulvermengde: 3632 g bestående av:

Anm.: Stearinsyre ble tilsatt som 2 % av den samlede sats. All prosessering ble utført i argon.

Al-Ti-stearinsyre-blandingen ble i sin helhet tilsatt ved forsøkets begynnelse. Pulverforløperen ble prosessert i 3,5 timer. En del (betegnet som den "reagerte" legering) av den prosesserte Al-Ti-forlegering ble vakuum-avgasset i en ovn ved 537,7°C (1000°F) i 2 timer og deretter fullstendig kjølt under vakuum. Hvilken som helst ikke-oksyderende atmosfære (helium, argon etc.) kan anvendes. Den reagerte forlegering ble knust og siktet til -0,044 mm maskeåpning (-325 mesh) før fornyet abra-sjonsbehandling med aluminiumpulver for fremstilling av den tilsiktede Al-4Ti-legering. Den ikke-reagerte forlegering betegnes "som malt/findelt" forlegering.

Begge versjoner av den tilsiktede Al-4Ti-legering ble prosessert i 3,632 kg forsøk under anvendelse av nedenstående fire kombinasjoner av forlegering og stearinsyre. Malebetingelsene var de samme som for fremstillingen av forlegeringen.

Forsøk 1 og 3 innbefattet 0,35 kg stearinsyre, 0,4 kg forlegeringspulver og 3,2 kg aluminiumpulver. Forsøk 2 og 4 innbefattet 0,73 kg stearinsyre, 0,4 kg forlegeringspulver og 3,16 kg aluminiumpulver.

Den "som malt/findelt"-betegnede Al-37Ti-forlegering er vist på fig. 1. Hver pulverpartikkel synes å være en ikke-intermetallisk Al-Ti-kompositt med titanpartiklene fordelt i aluminiumgrunnmassen. De innleirede titanpartikler er ca. 7 pm i diameter.

Den høye oppvarmingstemperatur, 537,7°C (1000°F), bryter ned stearinsyren og bidrar, i kombinasjon med malevirkningen, til dannelsen av den nye intermetalliske, krystallinske struktur Al3Ti. Etter at forlegeringspulveret er reagert, er pulvermor-fologien og mikrostrukturen drastisk forandret. Se fig. 2. Partiklene har en flak-lignende morfologi, og deres indre bestanddeler kan ikke lenger ses.

Utvelgelsen av Al-37Ti som forlegeringsmaterialet dikteres av dannelsen av den intermetalliske forbindelse Al3Ti ved disse prosentvise mengder. Se Al-Ti-fasediagrammet i "Constitution of Binary Alloys, 2nd edition, s. 140, av M. Hansen, McGraw Hill, 1958. Den temperatur som her er valgt for forsøkene (537,7°C eller 1000°F) ble valgt vilkårlig. Den ble imidlertid med hensikt holdt under solidus-temperaturen for det element som hadde det laveste smeltepunkt, i dette tilfellet aluminium (665°C eller 1000°F). Smelting skal unngås.

Hvis man ønsker å fremstille en forlegering som har en intermetallisk sammensetning og den tilhørende intermetalliske struktur, er ovennevnte oppvarmingstrinn ("som reagert") nød-vendig. Hvis man derimot bare ønsker å ha det intermetalliske materialets sammensetning, men ikke strukturen ("intermetallisk-type"), sløyfes oppvarmingsoperasjonen.

Al-4Ti fremstilt med begge versjoner av forlegeringen, ble prosessert med enten 1 % eller 2 % stearinsyre og er vist på fig. 3-6.

Prosesseringen av Al-4Ti under anvendelse av "som malt/- findelt" forlegering med 1 % stearinsyre førte til liten for-fining av fordelingen av forlegeringen i aluminiumgrunnmassen. Se fig. 3. Med 1 % stearinsyre er kald-sveising mer fremher-skende enn oppflaking og partikkelfrakturering. Al-Ti-forlegeringen er bare spredt langs de kald-sveisede aluminiumpar-tikkel-lag. Videre er de prosesserte aluminiumpartikler kald-sveisede agglomerater.

Ved økning av stearinsyreinnholdet til 2 % er resultatet et Al-Ti-pulver med en struktur som er meget lik strukturen hos kommersielt tilgjengelig, mekanisk legert IN-9052-pulver (A14Mg). Se fig. 4. Al-Ti-forlegéringen er meget forfinet og kan ikke lett skjelnes i pulverpartikkel-mikrostrukturen.

Et prosessreguleringsmiddel ("PCA") så som stearinsyre (CH3(CH2)igCOOH) har tendens til å belegge overflatene av metall-pulverne og nedsetter tendensen til kald-sveising mellom pulverpartiklene. Ellers ville den mekaniske legeringsprosess snart opphøre og pulveret kald-sveises til kulene og veggene i appa-raturen. PCA reduserer kald-sveisingen av pulverpartiklene og fører til bedre homogenisering og laminær struktur.

Når Al-Ti-forlegeringen ble reagert og siktet til -0,044 mm maskeåpning (-325 mesh) før mekanisk legeringsbehandling med 1 % stearinsyre, erholdtes et pulver lignende det som ble fremstilt med "som malt/findelt" forlegering. Se fig. 5. Igjen syntes 1

% stearinsyre å være utilstrekkelig for oppnåelse av en riktig balanse mellom flak-dannelse, frakturering og kald-sveising.

En økning av stearinsyreinnholdet (f.eks. til 2 % eller mer) synes å forbedre prosesseringen av legeringen. Se fig. 6. Den tilsatte "reagerte" Al-Ti-forlegering syntes imidlertid ikke å være forfinet til samme grad som den "ureagerte" forlegering.

Vi anser ikke at dette påvirker legeringens egenskaper på ugunstig måte.

Mengden av stearinsyre kan være fra 0,5 % til 5 vekt% av den samlede pulvermengde. Mengden av hvilket som helst PCA som tilsettes, er lik en mengde som er tilstrekkelig til å bevirke pulverfrakturering og redusere kald-sveising. Skjønt 2 % stearinsyre viste seg å være tilstrekkelig i de foreliggende eksempler, skal det bemerkes at mengden av stearinsyre eller hvilket som helst annet PCA er en funksjon av pulversammensetningen og typen av måleapparatur (kulemølle eller abrasjonsutstyr) som anvendes. Forskjellige permutasjoner vil således kreve forskjellige PCA-mengder.

Prosesseringen av aluminium med høye konsentrasjoner av titan og anvendelse av det resulterende pulver som en forlege-ringstilsetning til å fortynne legeringer synes å gi gode resul-tater. Denne teknologi bør være direkte anvendbar i forbindelse med andre harde elementtilsetninger, så som Zr, Cr, Fe og Ni.

De resulterende pulvere kan konsolideres til ønsket form under anvendelse av vanlige, konvensjonelle metoder og utstyr.

Claims (6)

1. Fremgangsmåte til fremstilling av intermetalliske pulverforbindelser, karakterisert ved at a) element-pulver i mengder som tilsvarer mengdene av disse elementer i en intermetallisk materiale blandes med et prosessreguleringsmiddel til en blanding, idet element-pulverne omfatter et hovedelement og minst ett sekundært element, hvor det sekundære element er hardere enn hovedelementet , b) blandingen legeres mekanisk, og c) blandingen oppvarmes under samtlige elementers solidustempe-ratur for fremstilling av den intermetalliske forbindelse.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at prosessreguleringsmiddelet anvendes i blandingen i en mengde som er tilstrekkelig for å fremskynde pulverfrakturering og å redusere kaldsveising.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at det som hovedelement anvendes aluminium.

4. Fremgangsmåte til fremstilling av et A^Ti-pulver-materiale ifølge krav 1, karakterisert ved at elementpulverene anvendes i en mengde av ca. 62,8 vekt% aluminiumpulver og ca. 37,2 vekt% titanpulver, og at det mekaniske legeringstrinn gjennomføres i ikke-oksyderende omgivelser.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 4, karakterisert ved at oppvarmingsoperasjonen utføres ved ca. 538°C (1000°F).

6. Fremgangsmåte ifølge krav 4, karakterisert ved at det som prosessreguleringsmiddel anvendes stearinsyre i en mengde av 0,5-5 vekt% av blandingen.