PL223403B1 - Sposób modyfikowania własności mechanicznych stopu tytanowo-aluminiowego i zmodyfikowany tym sposobem stop - Google Patents

Sposób modyfikowania własności mechanicznych stopu tytanowo-aluminiowego i zmodyfikowany tym sposobem stop

Info

Publication number
PL223403B1
PL223403B1 PL405033A PL40503313A PL223403B1 PL 223403 B1 PL223403 B1 PL 223403B1 PL 405033 A PL405033 A PL 405033A PL 40503313 A PL40503313 A PL 40503313A PL 223403 B1 PL223403 B1 PL 223403B1
Authority
PL
Poland
Prior art keywords
alloy
titanium
modulus
young
mechanical properties
Prior art date
Application number
PL405033A
Other languages
English (en)
Other versions
PL405033A1 (pl
Inventor
Marek Tkacz
Original Assignee
Inst Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk
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 Inst Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk filed Critical Inst Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk
Priority to PL405033A priority Critical patent/PL223403B1/pl
Publication of PL405033A1 publication Critical patent/PL405033A1/pl
Publication of PL223403B1 publication Critical patent/PL223403B1/pl

Links

Landscapes

  • Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)
  • Manufacture Of Alloys Or Alloy Compounds (AREA)

Description

Opis wynalazku
Przedmiotem wynalazku jest sposób modyfikowania własności mechanicznych stopu tytanowoaluminiowego i zmodyfikowany tym sposobem stop. W szczególności wynalazek dotyczy poprawy własności mechanicznych stopu Ti3Al, często używanego jako materiału konstrukcyjnego w budowie silników lotniczych i badaniach przestrzeni kosmicznej, poprzez zmianę struktury krystalograficznej.
Tytan i jego stopy są tradycyjnie materiałami, które posiadają wyjątkowe własności mechaniczne. Są one używane powszechnie w przemyśle lotniczym, naftowym i chemicznym. Głównymi cech ami, które decydowały o tak szerokim zastosowaniu tych materiałów jest ich wysoka wytrzymałość i niska gęstość, czyli waga wykonanych z nich urządzeń. W szczególności związek międzymetaliczny o składzie Ti3Al charakteryzuje się wyjątkowymi własnościami w tym zakresie. Jedyną cechą tego stopu, która jest niekorzystna w szerszym jego zastosowaniu jest niska kowalność, czyli kruchość. Stwarza to poważne trudności w obróbce mechanicznej, zwłaszcza precyzyjnych elementów silników lotniczych czy części aparatury wysyłanych w przestrzeń kosmiczną. Odkształcenie plastyczne zachodzi w wyniku wzajemnego przemieszczania się warstw atomów. Atomy zajmują nowe położenia, które są położeniami równowagi, przez to materiał zachowuje trwale nadany mu kształt.
Wyróżnia się dwa główne mechanizmy odkształcenia plastycznego: poślizg dyslokacyjny i bl iźniakowanie. Duże odkształcenia plastyczne, jakie są konieczne do realizowania procesów obróbki plastycznej, uzyskuje się przede wszystkim przez poślizg, bliźniakowanie bowiem pozwala otrzymać znacznie mniejsze odkształcenia. Poślizg jest to przemieszczenie się jednej części kryształu względem drugiej wzdłuż tzw. płaszczyzn poślizgu, bez zmiany budowy krystalicznej obu części kryształu.
W każdej sieci krystalicznej istnieją wyróżnione płaszczyzny, a na nich kierunki, wzdłuż których może zachodzić łatwiejszy poślizg niż w innych płaszczyznach. Są to tzw. płaszczyzny łatwego poślizgu, najgęściej obsadzone atomami. W takich płaszczyznach poślizg dyslokacji jest najłatwiejszy, gdyż droga przeskoku dyslokacji jest najkrótsza. Po przesunięciu się o określony wektor poślizg dyslokacji jest blokowany przez zwiększającą się gęstość dyslokacji, a dalsze poślizgi w krysztale mogą zachodzić w płaszczyznach o mniej gęstym ułożeniu atomów.
Płaszczyzna poślizgu oraz kierunek poślizgu tworzą razem system poślizgu. Ilość systemów poślizgu decyduje o plastyczności materiału i jest zależna od jego struktury krystalograficznej.
Związek międzymetaliczny Ti3AI krystalizuje w strukturze heksagonalnej (Ni3Sn) w której liczba systemów poślizgu jest niska i wynosi 3. Z tego wynika generalnie wysoka kruchość takich metali jak magnez, kadm, cynk czy tytan, które krystalizują w strukturze heksagonalnej.
Dlatego też istotnym zagadnieniem jest zmiana struktury krystalograficznej na kubiczną, gdzie liczba systemów poślizgu jest czterokrotnie wyższa.
Teoretyczne prace pokazały, że taka transformacja byłaby możliwa w przypadku Ti3AI przy zastosowaniu wysokiego ciśnienia rzędu 15 GPa. [P.Ch Sahu. N.V. Chandra Shekar, M. Jousuf and K, Govinda Rajan, Pys. Rev. Lett, 78, 1054 (1997)]. Jednakże dokładne wysokociśnieniowe pomiary dyfrakcji rentgenowskiej do ciśnień ok. 25 GPa nie wykazały indukowanej ciśnieniem zmiany symetrii tego związku [N.A. Dubrovinskaia, M. Vennstrom, I.A. Abrikosov, R. Ahuja, P. Ravindran, Y. Anderson, O. Eriksson, V. Dmitriev and L.S. Dubrovinsky, Phys. Rev. 83, 024108 (2000) oraz M. Rajagopalan, P.Ch Sahu, N.V. Chandra Shekar, M. Jousuf and K. Govinda Rajan, Int. J. Mod. Phys. 613,841 (1999)). Także równoczesne obliczenia teoretyczne przy zastosowaniu nowocześniejszych metod obliczeniowych nie potwierdziły możliwości przejść fazowych w tym układzie.
Inną, efektywną metodą transformacji struktury krystalograficznej jest wprowadzenie do sieci metalu atomów wodoru lub deuteru. W wielu przypadkach np. chromu, molibdenu, żelaza, wolframu czy platyny tworzeniu się fazy wodorkowej towarzyszy przemiana fazowa ze struktury kubicznej do heksagonalnej.
W systemie związków międzymetalicznych tytan - aluminium z wodorem znaleziono kilka faz o strukturze kubicznej dla różnych koncentracji wodoru. Jednakże prace te koncentrowały się wyłącznie na możliwości wykorzystania tych układów do magazynowania wodoru na potrzeby tzw. energetyki wodorowej [A.J. Maefand, B. Hauback, H. Fjellvag, M. Sorby, I. Journal of Hydrogen Energy 24 Issue; 2-3 Pages: 163-168 1999; oraz D, Sornaduraj, B. Panigrafi, Ramarsi. J,Alloys&Compd.305 (2000) 35].
Dlatego też celem obecnego wynalazku jest poprawa własności mechanicznych stopu Ti3Al, poprzez zmianę jego struktury krystalograficznej, w wyniku nawodorowania w warunkach wysokiego ciśnienia.
Zgodnie z obecnym wynalazkiem, sposób modyfikowania własności mechanicznych stopu tytanowo-aluminiowego, charakteryzuje się tym, że
PL 223 403 B1
a) wyjściowy stop tytanowo-aluminiowy (Ti3AI) o module Younga wynoszącym od 160 do 170 GN/m posiadający strukturę heksagonalną, poddaje się reakcji nawodorowania w warunkach wysokiego ciśnienia gazowego wodoru lub deuteru w zakresie od 0,15 do 0,2 GPa oraz w odpowiedniej temperaturze w zakresie od 100°C do 200°C, w wyniku czego otrzymuje się odpowiednio wodorek Ti3AlH6 lub deuterek Ti3AlD6, który następnie
b) poddaje się procesowi odgazowania w odpowiedniej temperaturze w zakresie od 350°C do 600°C z wytworzeniem zmodyfikowanego stopu tytanowo-aluminiowego (Ti3Al), o strukturze kubicznej, i posiadającego moduł Younga od 250 do 300 GN/m .
Korzystnie, w sposobie według wynalazku stosuje się wyjściowy stop o module Younga wyn oszącym 170 GN/m2.
Korzystnie, w sposobie według wynalazku ciśnienie gazowego wodoru lub deuteru wynosi 0,15 GPa.
Korzystnie, w sposobie według wynalazku reakcję nawodorowania prowadzi się w temperaturze 150°C.
Korzystnie, w sposobie według wynalazku reakcję odgazowania prowadzi się w temperat urze 450°C.
Ponadto obecny wynalazek obejmuje stop tytanowo-aluminiowy (Ti3Al), zmodyfikowany powyższym sposobem, charakteryzujący się tym, że występuje w postaci czystej struktury kubicznej i posia22 da moduł Younga wynoszący od 250 do 300 GN/m , korzystnie 300 GN/m .
Wynalazek zostanie teraz bliżej przedstawiony w korzystnym przykładzie wykonania, z odniesieniem do załączonego rysunku, na którym:
fig. 1 przedstawia indukowane wodorem przejście fazowe w Ti3Al, gdzie jasne kule przedstawiają atomy tytanu, zaś ciemne - aluminium. Małe puste kulki w strukturze fcc wskazują na pozycje 8 luk tetraedrycznych, w których w sposób przypadkowy umieszczonych jest 8 atomów wodoru.
fig. 2 przedstawia widma rentgenowskie Ti3AlH6 dla różnych ciśnień, otrzymane w kowadełkach diamentowych, zaś fig. 3 przedstawia zależność objętości komórek elementarnych wodorku i deuterku jako funkcji ciśnienia. (Równania stanu).
Korzystny przykład wykonania wynalazku
Przeprowadzone badania syntezy i własności strukturalnych związku Ti3AI o wysokiej zawartości wodoru tub deuteru wykazały, ze początkowa struktura heksagonalna zmienia się na kubiczną ściennie centrowaną jak pokazuje fig. 1.
Syntezę wykonano w warunkach wysokiego ciśnienia gazowego wodoru (ok. 150 MPa) w temperaturze 150°C po odgazowaniu w temperaturze 450°C.
Wyjściowy stop o składzie Ti3Al otrzymano przez stopienie stechiometrycznych ilości tytanu i aluminium w atmosferze argonu. Jest to typowa metoda otrzymywania tego typu stopów.
Syntezę faz wodorkowych i deuterowych wykonano w komorze wysokociśnieniowej, w której umieszczono ok. 5 gramów wyjściowego stopu TiAl. Ciśnienie wodoru lub deuteru ok. 0,15 GPa podawane było z jednostopniowego kompresora. Próbka była odgazowana w temperaturze 450°C w warunkach próżni rzędu 10- Torra. Otrzymano próbki jednofazowe o strukturze kubicznej zarówno w przypadku wodoru jak i deuteru o składzie Ti3AI-H6/D6. Pomiary różnicowej kalorymetrii skaningowej wskazują na termiczną stabilność obu otrzymanych związków do temperatury ok. 500°C. Powyżej tej temperatury następuje rozkład faz na wyjściowy stop i stopniowe utlenianie charakterystyczne dla wszystkich stopów na bazie tytanu i aluminium.
Przeprowadzone wysokociśnieniowe badania rentgenowskie w kowadełkach diamentowych do ciśnienia 40 GPa wykazały w całym zakresie stabilność kubicznej fazy jak widać na fig. 2.
Jeszcze ciekawsze wyniki otrzymano z analizy zależności objętości komórki elementarnej w funkcji ciśnienia przedstawione na fig. 3.
Dopasowanie wyników do równania stanu Bircha-Murnaghana:
pozwala na wyznaczenie modułu objętościowego B0 i jego pochodnej ciśnieniowej.
PL 223 403 B1
B0 = -V*5p/5V, V0 - objętość komórki elementarnej przy normalnym ciśnieniu, V - objętość komórki elementarnej przy bieżącym ciśnieniu, P - ciśnienie w GPa
Bo = 8B0/5p
Wyniki porównano w Tabeli I
T a b e l a I
Związek V0, A3 B0,GPa B'0
TisAl[2] 136.4(5) 133(8) 3.4
Ti3AlH6 87.2(2) 205(9) 4 (stałe)
Ti3AlD6 86.8(2) 249(11) 4 (stałe)
Wielkości Vo Bo i Bo' opisane powyżej.
Jak widać moduł objętościowy zarówno wodorku jak i deuterku wzrósł niemal dwukrotnie w stosunku do wyjściowego związku. Moduł objętościowy powiązany jest z modułem Younga zależnością:
E = 3B0 (1-2v) gdzie B0 jest modułem objętościowym a v stosunkiem Poissona.
Dla stopu Ti3Al w temperaturze pokojowej moduł Younga wynosi ok. 170 GN/m , wyznaczony z pomiarów odkształcenia [R.E, Shafrik. Metall.Trans. *A 1003 (1977)]. Według obliczeń z modułu objętościowego E=3*136*1-2*0.3) = 163 GN/m2.
2
Dla nawodorowanego stopu E=3*249*(1-2*0.3) = 298,8 GN/m . Badania wysokociśnieniowe, zwłaszcza przeprowadzone w szerokim zakresie ciśnień, pozwalają na precyzyjne wyznaczenie modułu Younga dla materiałów o strukturze kubicznej gdzie stosunek Poissona się nie zmienia.
Wstawiając odpowiednie wielkości otrzymujemy niemal dwukrotnie większy moduł Younga dla fazy wodorkowej. Jest to radykalny wzrost własności sprężystych materiału.
Oznacza to, że nie tylko kowalność czy plastyczność ale także własności mechaniczne ulegają znacznej poprawie po nawodorowaniu wyjściowego związku. Ale to nie wszystko - nawodorowany materiał ma o ponad 30% mniejszy ciężar właściwy co stanowi dodatkowy benefit zwłaszcza w kontekście wykorzystania takiego materiału w przemyśle lotniczym czy badaniach kosmosu gdzie masa urządzeń ma bardzo duże znaczenie.
Zasadniczym elementem nowości jest sposób wodorownia w rezultacie którego otrzymuje się czystą fazę kubiczną. Nawodorowywanie metodami elektrochemicznymi lub niskociśnieniowymi skutkuje niską zawartością fazy kubicznej i częściowym rozkładem wyjściowego stopu na kilka faz o różnej strukturze [H. Xiao, I.M. Roobertson, H.K. Birnbaum, Acta Mater. 50, (202) 3671].
Reasumując nawodorowanie związku międzymetalicznego Ti3Al w warunkach wysokie ciśnienia skutkuje:
- poprawą plastyczności
- poprawą sprężystości
- zmniejszeniem ciężaru właściwego
- jednorodnością otrzymanego materiału pod względem składu.

Claims (6)

  1. Zastrzeżenia patentowe
    1. Sposób modyfikowania własności mechanicznych stopu tytanowo-aluminiowego, znamienny tym, że
    a) wyjściowy stop tytanowo-aluminiowy (Ti3AI) o module Younga wynoszącym od 180 do 2
    170 GN/m2 posiadający strukturę heksagonalną, poddaje się reakcji nawodorowania w warunkach wysokiego ciśnienia gazowego wodoru lub deuteru w zakresie od 0,15 do 0,2 GPa oraz w odpowiedniej temperaturze w zakresie od 100°C do 200°C, w wyniku czego otrzymuje się odpowiednio wodorek Ti3AlH6 lub deuterek Ti3AlD6, który następnie
    b) poddaje się procesowi odgazowania w odpowiedniej temperaturze w zakresie od 350°C do
    600°C i wytworzeniem zmodyfikowanego stopu tytanowo-aluminiowego (Ti3AI) o strukturze 2 kubicznej, i posiadającego moduł Younga od 250 do 300 GN/m .
    PL 223 403 B1
  2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się wyjściowy stop o module Younga wynoszącym 170 GN/m .
  3. 3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że stosuje się ciśnienie gazowego wodoru lub deuteru wynoszące 0,15 GPa.
  4. 4. Sposób według zastrz. 1 albo 2, albo 3, znamienny tym, że reakcję nawodorowania prowadzi się w temperaturze 150°C.
  5. 5. Sposób według któregokolwiek z zastrz. od 1 do 4, znamienny tym, że reakcję odgazowania prowadzi się w temperaturze 450°C.
  6. 6. Stop tytanowo-aluminiowy (Ti3Al), zmodyfikowany sposobem według któregokolwiek z zastrz. od 1 do 5, znamienny tym, że występuje w postaci czystej struktury kubicznej i posiada moduł Younga wynoszący od 250 do 300 GN/m2, korzystnie 300 GN/m2.
PL405033A 2013-08-08 2013-08-08 Sposób modyfikowania własności mechanicznych stopu tytanowo-aluminiowego i zmodyfikowany tym sposobem stop PL223403B1 (pl)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL405033A PL223403B1 (pl) 2013-08-08 2013-08-08 Sposób modyfikowania własności mechanicznych stopu tytanowo-aluminiowego i zmodyfikowany tym sposobem stop

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL405033A PL223403B1 (pl) 2013-08-08 2013-08-08 Sposób modyfikowania własności mechanicznych stopu tytanowo-aluminiowego i zmodyfikowany tym sposobem stop

Publications (2)

Publication Number Publication Date
PL405033A1 PL405033A1 (pl) 2015-02-16
PL223403B1 true PL223403B1 (pl) 2016-10-31

Family

ID=52464679

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PL405033A PL223403B1 (pl) 2013-08-08 2013-08-08 Sposób modyfikowania własności mechanicznych stopu tytanowo-aluminiowego i zmodyfikowany tym sposobem stop

Country Status (1)

Country Link
PL (1) PL223403B1 (pl)

Also Published As

Publication number Publication date
PL405033A1 (pl) 2015-02-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Senkov et al. CALPHAD-aided development of quaternary multi-principal element refractory alloys based on NbTiZr
Heckl et al. Reasons for the enhanced phase stability of Ru-containing nickel-based superalloys
Feng et al. Stability, thermal and mechanical properties of PtxAly compounds
Wang et al. Extreme Poisson's ratios and their electronic origin in B2 CsCl-type AB intermetallic compounds
Jiang et al. Structure and mechanical properties of TiZr binary alloy after Al addition
Mazilkin et al. Competition for impurity atoms between defects and solid solution during high pressure torsion
Gao et al. Complex precipitation sequences of Al-Cu-Li-(Mg) alloys characterized in relation to thermal ageing processes
Gong et al. Atomistic modeling of solid-state amorphization in an immiscible Cu-Ta system
Jetter et al. Tuning crystallographic compatibility to enhance shape memory in ceramics
Liu et al. Enthalpy analysis of Ce–Mg–Ni–H formation based on extended miedema theory: Investigation of selected Ce2MgNi2–H2
Long et al. A modification on Brook formula in calculating the misfit of Ni-based superalloys
Jiang et al. Effect of partial Ni substitution in V85Ni15 by Ti on microstructure, mechanical properties and hydrogen permeability of V-based BCC alloy membranes
Raju et al. Effect of B and Cr on elastic strength and crystal structure of Ni3Al alloys under high pressure
Miraz et al. Computational observation of the strengthening of Cu/TiN metal/ceramic interfaces by sub-nanometer interlayers and dopants
Cao et al. The oxidation of nanocrystalline Ni3Al fabricated by mechanical alloying and spark plasma sintering
Liang et al. Thermodynamic properties and lattice misfit of Ir-based superalloys
Wang et al. Experimental study of the crystal structure of the Mg15− xZnxSr3 ternary solid solution in the Mg–Zn–Sr system at 300 C
Tan et al. Body centered cubic magnesium niobium hydride with facile room temperature absorption and four weight percent reversible capacity
Emery et al. Identification of low coefficient of thermal expansion in Al23Ce4Ni6 via combinatorial sputtering of Al-Ce-Ni-Mn thin films and upscaling to bulk materials
Kádas et al. Temperature-dependent elastic properties of α-beryllium from first principles
Cantrell et al. Crystal structure and hydriding behavior of LaNi5− ySny
Liu et al. Mechanical properties of Mg–RE (RE= Sc, Y, Gd–Tm) solid solutions: first-principles determination
PL223403B1 (pl) Sposób modyfikowania własności mechanicznych stopu tytanowo-aluminiowego i zmodyfikowany tym sposobem stop
Suwarno et al. Non-isothermal kinetics and in situ SR XRD studies of hydrogen desorption from dihydrides of binary Ti–V alloys
Lai et al. The influence of aluminum content on the microstructure and mechanical properties of TiZrHfNbAlx refractory high entropy alloys