PT83943B

PT83943B - Processo de preparacao de ligas precursoras intermatalicas e de tipo intermetalico

Info

Publication number: PT83943B
Application number: PT83943A
Authority: PT
Original assignee: Inco Alloys Int
Priority date: 1985-12-16
Filing date: 1986-12-16
Publication date: 1993-02-26
Also published as: ZA869426B; GR3000668T3; NO167591C; FI865119A; KR900006699B1; NO865064D0; PT83943A; KR870006221A; NO167591B; NO865064L; DK606686A; FI865119A0; DE3672992D1; IN169104B; ATE54951T1; IN169115B; DK606686D0

Description

MEMÓRIA DESCRITIVA

ÂMBITO TÉCNICO

O presente invento descreve processos mecânicos de preparação de ligas em geral e, mais em particular, um processo para fabricar e utilizar pós de ligas precursoras. Os precursores de ligas obtidas mecanicamente podem actuar como ligas intermediárias para produzir, de modo expe dito, sistemas finais de ligas obtidas mecanicamente. Tanto as composições intermetálicas como as não-intermetálicas (tipo intermetálico)têm as mesmas percentagens em peso que o composto intermetálico, mas não a sua estrutura.

ANTECEDENTES

Nos últimos anos tem havido uma intensa pesquisa de novos materi^ ais metálicos altamente resistentes, de baixo peso relativo, boa ductilj. dade, facilmente trabalháveis e produzidas, tenazes, resistentes a fadiga e à corrosão. Estes novos materiais destinam-se a aplicações para o espaço aéreo, automóveis, electrónica e outras aplicações industriais.

uso de técnicas metalúrgicas de pós e, mais em particular a te enologia da obtenção mecânica de ligas, tem sido cuidadosamente estudado para se conseguirem estas propriedades melhoradas. Além disso a metalur gia de pós geralmente oferece caminhos para produzir materiais homogéneos, para controlar a composição química e para incorporar, nas ligas, ma teriais reforçadores da dispersão. Também os materiais de ligas, difíceis de manejar, podem ser mais facilmente introduzidos nas ligas por té cnicas metalúrgicas de pós do que pelas técnicas convencionais de fusão de lingotes.

A preparação de pós reforçadores da dispersão com propriedades me_ lhoradas por técnicas de liga mecânica já foi descrita pela patente amerl cana N2. 3.591.362 (Benjamin) e sua progénia. Os materiais ligados mecanicamente caracterizam-se por uma estrutura de fino grão estabilizada por partículas dispersoides uniformemente distribuídas, como óxidos e/ou carbonetos .

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A liga mecânica, para os fins desta especificação é um processo de moagem de alta energia, relativamente a seco, que produz pós compósitos com micro-estruturas controladas extremamente finas. Os pós são pro duzidos em produtores de atrito (attritors) de alta energia ou em moinhos de esferas. Tipicamente, os vários elementos (em forma de pó) e adjuvantes de processamento são postos num moinho. As esferas do moinho provocam a fusão a frio dos pós e a sua fractura,resultando por fim uma distribuição de pós muito uniforme.

alumínio em particular, comporta-se muito bem no fabrico de par tes leves - especialmente para aplicações no espaço aéreo. 0 alumínio, quando ligado com outros constituintes, é usualmente empregue em situações onde a temperatura máxima não excede cerca de 204-260°C(400°F-500^OF)

A temperaturas mais elevadas as ligas correntes de alumínio perdem a sua força. Ê contudo desejável na indústria, criar ligas de alumínio que se jam capazes de operar, com sucesso, até cerca de 482°C (900°F). Prossegue o trabalho experimental utilizando sistemas de alumínio simultaneamen te com titânio, níquel, ferro e crómio, com vista a criar novas ligas ca pazes de funcionar a níveis de temperatura mais elevados.

Até agora tem sido extremamente difícil obter mecanicamente ligas de alumínio que contenham elementos adicionais, e que sejam significativamente mais duras do que a matriz do alumínio, isto é, alumínio com Ni, Fe, Cr, V, Ce, Zr, Zn e/ou Ti. Quando se processam directamente estas ligas com a desejada composição, o pó de alumínio solda a frio à volta dos constituintes mais duros da liga formando partículas de pós compósitos de alumínio em inclusões na grande massa segregada e não ligada de elementos adicionais.

SUMARIO DO INVENTO presente invento descreve um processo para preparar e ligar me canicamente pós metálicos, por meio de uma composição de compostos inter metálicos que podem ser subsequentemente re-ligados mecanicamente de modo a formar ligas com a desejada composição final.

A técnica envolve ligar mecanicamente uma mistura de pós corres

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pondendo a uma composição intermetálica, fazendo reagir opcionalmente o pó a uma temperatura elevada de modo a formar uma estrutura intermetálica, usando o pó resultante como uma adição à liga para constituir uma mistura final de pós, misturando as outras adições de materiais até à mis tura final e ligando depois, mecanicamente, a mistura de pós resultante.

Em alternativa, antecipando a operação de aquecimento, a composq ção tipo-intermetálico resultante, ainda que possuindo composição intermetálica (isto é, as percentagens em peso apropriadas), não ficará sob a forma intermetálica.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

A Figura 1 é uma fotomicrografia da liga precursora moída, ti. rada com uma ampliação de 150 x.

A Figura 2 é uma fotomicrografia da liga precursora reagida, tirada com uma ampliação de 150 x.

As Figuras 3 e 4 são fotomicrografias da liga precursora moída após processamento, a 150 de ampliação.

As Figuras 5 e 6 são fotomicrografias da liga precursora reagi da após processamento, tiradas com uma ampliação a 150 x.

MODO PREFERIDO DE CONDUZIR 0 INVENTO

Ainda que a discussão seguinte gire principalmente em tomo do alu mínio, deve reconhecer-se que a técnica pode ser utilizada também com outras bases de ligas (isto é, titânio, níquel, ferro, etc.). 0 processo aqui revelado cria essencialmente uma forma intermetálica para qualquer liga.

As ligas do presente invento podem ser preparadas ligando mecanicamente uma combinação de alumínio e de outros elementos mais duros, onde a concentração da liga de adição mais dura é suficientemente mais elevada do que a da desejada composição final. Em muitos sistemas, os componentes podem ser misturados a um nível correspondente a um dos compostos intermetálicos do sistema da liga. Uma vez completado o processo, o pó pode ser aquecido para completar a formação dos intermetálicos. Usando uma

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concentração mais elevada dos elementos de liga reduz-se a eficiência do efeito de molha (damping) da matriz do pó de alumínio que evita que os elementos adicionados à liga sejam refinados durante a liga mecânica. Isto permite que a adição de elementos mais duros seja melhor dispersa na matriz de AI durante a ligação mecânica.

Como foi referido anteriormente, as técnicas normais de liga me-

cânica utilizando o equipamento corrente podem produzir distribuições não homogéneas. Os vários constituintes da liga permanecem descontínuos e se parados; eventualidade que prejudica as características da liga e reduz a sua utilidade.

Previu-se que produzindo uma composição de liga precursora antes do processamento final e combinando esta composição com outros componentes em pó, para formar a composição de liga desejada se obteria uma melhor distribuição e menor separação. Ligando depois mecanicamente a mistura resultante, a liga final deveria ter as características desejadas. A com posição precursora pode ter, em certas situações, uma composição intermetálica. Além disso, a liga precursora poderá incluir constituintes em per centagens diferentes das da composição da liga final.

Por exemplo, no sistema de liga alumínio-titânio aqui descrito (que, diga-se de passagem, não constitui um exemplo limitador do âmbito do invento) previu-se que a composição em pó da liga final desejada tivejs se cerca de 96% de alumínio e 4% de titânio (A14Ti) mais impurezas e re síduos de adjuvantes do processamento. A liga precursora, com as percentagens em peso da composição intermetálica, tem percentagem substancialmen te mais elevada em titânio, por exemplo, cerca de 63% de alumínio e 37% de titânio (AI 37 Ti).

Para os objectivos desta descrição, o principal componente da liga define-se como sendo o elemento com mais elevada percentagem ponderai em qualquer liga, e o componente secundário da liga como sendo o elemento ou elementos restantes. Assim, no exemplo anterior, o alumínio deve ser considerado como elemento principal tanto na liga precursora como na liga final, enquanto que o titânio será o elemento secundário em ambas as ligas.

Primeiro determinou-se que aumentando o nível do elemento secundá65 677

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rio na liga precursora e ligando-o depois mecanicamente, a estrutura cri£ talina da liga precursora seria tão alterada que poderia formar um intermetálico e permitir que fosse combinada, com sucesso, com o elemento prin cipal de modo a dar a liga final. A liga final, após ligação mecânica,ti nha a desejada estrutura homogénea. Por experiências posteriores verificou-se que também a versão tipo-intermetálico (não inter-metálico) resultava no desejado pó de liga final.

E extremamente difícil, senão virtualmente impossível, ligar meca nicamente alumínio e titânio quando se tenta formular a desejada liga AI 4Ti. g difícil conseguir uma estrutura uniforme. De acordo com o invento formando uma liga precursora AlgTi, e misturando depois a liga precursora com pó de alumínio (o elemento principal da liga final), forma-se a desejada liga com a estrutura uniforme requerida.

Adiante descreve-se a preparação de um pó precursor A1-37TÍ que foi subsequentemente diluído, por nova ligação mecânica, na liga final Al4Ti. A liga precursora Al-Ti em estado moído, reagido e peneirado foi diluída com pó de alumínio adicional para formar a desejada liga.

Orientou-se uma experiência no sentido de se obter uma liga precursora correspondente à composição intermetálica Al^Ti - cerca de 62,8% p/p AI e 37,2% p/p Ti (A137Ti) . Um moinho (attritor) à escala laboratc) rial foi utilizado em todas as experiências. 0 pó de alumínio usado era alumínio atomizado pelo ar, o que constitui a alimentação normal para ligas de alumínio ligadas mecanicamente, obteníveis no comércio. 0 pó de titânio inicial era de titânio esponjoso esmagado.

As condições do processo foram as seguintes:

Carga de esferas : 68 Kg

Carga de pós : 3 632 gramas com a seguinte composição:

% p/p Peso (g)

Ti37,2

AI62-,8

Agente de contro lo do processo2 (ácido esteárico)

324

235

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Notas: 0 ácido esteárico foi adicionado como 2% da carga total.

Todo o processamento se realizou em atmosfera de argon.

A mistura Al-Ti-ácido esteárico foi toda adicionada no começo da operação. 0 precursor em pó foi processado durante 3,5 horas. Uma porção (referida como liga reagida) da liga precursora Al-Ti processada foi desgaseificada em vácuo numa fornalha a 537,7°C (1000°F) durante duas horas e depois completamente arrefecida sob vácuo. Pode também usar-se qualquer atmosfera não-oxidante (hélio, argon, etc). A liga precursora após reacção foi esmagada e peneirada até -325 mesh antes de nova moagem com pó de alumínio para produzir a desejada liga A14Ti. A liga precurso ra que não reagiu é aqui referida como liga precursora moída.

Ambas as versões da liga A14Ti foram processadas em operações de

3,632 kg usando as seguintes quatro combinações de liga precursora e áci. do esteárico. As condições de moagem foram as liga precursora.

mesmas que na preparaçao da

Tempo de processamento

1. Alumínio + liga precursora moída +
+ 1% de ácido esteárico	3,5
2. Alumínio + liga precursora moída + + 2% de ácido esteárico	3
3. Alumínio + liga precursora reagida + + 17o de ácido esteárico	4,5
4. Alumínio + liga precursora reagida + 27o de ácido esteárico	3,5

h h

As operações 1 e 3 incluíram 0,35 kg de ácido pó de liga precursora e 3,2 kg de pó de alumínio.

de incluíram 0,73 kg de ácido esteárico, 0,4 kg de pó de 3,16 kg de pó de alumínio.

esteárico, 0,4 kg As operações 2 e 4 liga precursora e

Na Figura 1 mostra-se a liga precursora moída, A1-37TÍ. Cada partícula de pó é aparentemente um composto não intermetálico Al-Ti com as partículas de titânio distribuídas na matriz do alumínio. As partículas de titânio incluídas têm aproximadamente 7 micrómetros de diâmetro.

A elevada temperatura de aquecimento 537,7°C (1000°F), quebra o

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- 8 ácido esteárico e, em combinação com a acção de moagem, ajuda a formar a nova estrutura cristalina intermetálica Al^Ti. Após reacção do pó da li_ ga precursora, a morfologia e a microestrutura do pó são drasticamente alteradas. Ver Figura 2. As partículas têm uma morfologia tipo flocos e os seus constituintes internos já não se podem distinguir.

A selecção de Al 37Ti como composição da liga precursora é ditada pela formação do composto intermetálico Al^Ti nestas percentagens. Veja o diagrama de fases Al-Ti em Constitution of Binary Alloys, 2â. ed., p 140, por M. Hansen, McGraw Hill, 1958. A temperatura utilizada nestas experiências (537,7°C ou 1000°F) foi arbitrariamente escolhida. Contudo visava manter-se abaixo da temperatura de fusão (solidus temperature) do elemento com o mais baixo ponto de fusão - neste caso o alumínio (665°C ou 1229°F). Deve-se evitar a fusão.

Se for desejável preparar uma liga precursora possuindo uma composição intermetálica e acompanhante estrutura intermetálica, então é ne cessário o passo de aquecimento (reagido) anteriormente mencionado. Por outro lado se for desejável ter apenas a composição da composição interme tálica, mas não a estrutura (tipo intermetálica), não se realiza a operação de aquecimento.

Ligas Al-4Ti preparadas por ambas as versões da liga precursora, foram processadas quer com um quer com dois por cento de ácido esteárico e estão indicadas nas Figuras 3 a 6.

processamento de A1-4TÍ usando a liga precursora moída com 1% de ácido esteárico conduziu a um pouco de refinação na distribuição da H ga precursora na matriz de alumínio. Ver Figura 3. Com o ácido esteárico ao nível de 1%, a soldadura a frio predomina sobre a fractura e a floculação das partículas. A liga precursora Al-Ti é meramente espalhada ao longo de camadas de partículas de alumínio soldadas a frio. Também as partículas do alumínio processado são aglomerados soldados a frio.

Aumentando o teor de ácido esteárico para 2% produz-se um pó AlTi que é muito semelhante em estrutura ao pó (Al 4Mg) ligado mecanicamen te, IN-9052 comercial. Ver Figura 4. A liga precursora de Al-Ti está bem refinada e não se distingue facilmente na microestrutura das partículas em pó.

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Um agente de controlo do processo (PCA), como o ácido esteárico (CH (CH_O)._£COOH), tende a cobrir as superfícies dos pós metálicos e retarda a tendência para a soldadura a frio entre as partículas de pó. Aliás, o processo de ligação mecânica cedo interrompe a soldadura a frio dos pós às esferas e paredes do moinho. 0 PCA reduz a soldadura a frio das partículas de pó e conduz a uma melhor homogeneização e estrutura la minar.

Fazendo reagir a liga precursora Al-Ti e peneirando-a a -325 mesh antes da ligação mecânica com 1% de ácido esteárico, produz-se um pó seme lhante ao obtido com a liga precursora moída. Ver Figura 5. Uma vez mais, o nível de 17» de ácido esteárico parece inadequado para produzir um adequado equilíbrio de floculação, fractura e soldadura a frio. Aumentan do o teor de ácido esteárico (digamos, para 2% ou mais) o processamento da liga parece melhorar. Ver Figura 6. No entanto, a adição da liga pre cursora Al-Ti reagida não apareceu refinada ao nível da liga precursora não reagida. Não se crê que isto prejudique as suas características.

A quantidade de ácido esteárico pode variar entre cerca de 0,5% e cerca de 57, (p/p) da carga total de pó. A quantidade de qualquer PCA adji cionado é igual à quantidade suficiente para facilitar a fractura dos pós e reduzir a soldadura a frio. Ainda que nos exemplos não-limitativos, aqui apresentados, os 2% de ácido esteárico tenham provado ser suficientes, a quantidade de ácido esteárico ou de qualquer outro PCA é função da composição dos pós e do tipo de aparelho de moagem (moinho de esferas ou attritor) usado. Assim outras composições necessitarão de diferentes níveis de PCA.

processamento do alumínio com elevadas concentrações de titânio e o uso do resultante pó como adição a ligas precursoras para diluir as ligas, parece ter sucesso. Esta tecnologia deverá ser directamente aplicável a outros elementos de adição duros, como o Zr, Cr, Fe e Ni.

Os pós resultantes podem ser consolidados e enformados usando os métodos e equipamento convencionais ordinários.

Ainda que de acordo com a lei, os arranjos específicos do invento aqui ilustrados podem sofrer alterações pelos peritos na arte quanto à for

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- 10 ma do invento coberta pelas reivindicações e certas características do invento podem por vezes ser usadas com vantagem sem o correspondente uso de outras características.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1 - Processo para preparar composições em pó reforçadas de dispersões intermetálicas, caracterizado por compreender:

a) misturar elementos em pó, que constituem a composição intermetálica, com um agente de controlo do processo,

b) ligar mecanicamente a mistura, e

c) aquecer a mistura abaixo da temperatura de fusão (solidus temperature) de todos os elementos para formar a composição intermetáli. ca.
2 - Processo de acordo com a reivindicação 1 caracterizado por estar presente na mistura um agente de controlo do processo, numa quanti^ dade suficiente para promover a desagregação do pó e reduzir a soldadura a frio.
3 - Processo de acordo com a reivindicação 1 caracterizado por os elementos em pó incluírem um elemento principal e pelo menos um elemento secundário, sendo o elemento secundário mais duro do que o elemento principal .
4 - Processo para preparar uma dispersão intermetálica reforçada de Al^Ti em pó, caracterizado por compreender:

a) misturar cerca de 62,8% de alumínio em pó e cerca de 37,2% de titânio em pó,

b) ligar mecanicamente a mistura em pó de alumínio-titânio, num meio não oxidante, e
5 - Processo de acordo com a reivindicação 4 caracterizado por a

c) aquecer a mistura até uma temperatura abaixo da temperatura de fusão (solidus temperature) do alumínio de modo a formar-se um pó compósito intermetálico de alumínio-titânio.

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- 11 operação de aquecimento ocorrer a cerca de 538°C.
6 - Processo de acordo com a reivindicação 4 caracterizado por se adicionar à mistura o agente de controlo do processo.
7 - Processo de acordo com a reivindicação 6 caracterizado por o agente de controlo do processo ser o ácido esteárico, presente entre cer ca de 0,5% e cerca de 5% da mistura.
8 - Processo para preparar uma liga em pó reforçada à base de alu mínio, de dispersões intermetálicas, caracterizado por compreender:

a) misturar alumínio em pó, e pelo menos um elemento secundário em pó, nas mesmas proporções que as de uma composição intermetálica correspondente, para formar uma mistura,

b) ligar mecanicamente a mistura e

c) aquecer a composição até uma temperatura abaixo da temperatura de fusão (solidus temperature) de cada um dos elementos de modo a formar a composição intermetálica.
9 - Processo de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por o agente de controlo do processo estar presente na mistura numa quantidade suficiente para promover a desagregação do pó e reduzir a soldadura a frio.
10 - Processo de acordo com a reivindicação 8 caracterizado por o elemento incluído no elemento secundário em pó ser mais duro do que o alu mínio.