RU2547988C1 - Литой композиционный материал на основе алюминиевого сплава и способ его получения - Google Patents

Литой композиционный материал на основе алюминиевого сплава и способ его получения Download PDF

Info

Publication number
RU2547988C1
RU2547988C1 RU2013142017/02A RU2013142017A RU2547988C1 RU 2547988 C1 RU2547988 C1 RU 2547988C1 RU 2013142017/02 A RU2013142017/02 A RU 2013142017/02A RU 2013142017 A RU2013142017 A RU 2013142017A RU 2547988 C1 RU2547988 C1 RU 2547988C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
alloy
alti
hours
grain size
composite material
Prior art date
Application number
RU2013142017/02A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2013142017A (ru
Inventor
Рустам Оскарович Кайбышев
Андрей Викторович Дубина
Дамир Вагизович Тагиров
Марат Разифович Газизов
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет"
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 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет" filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет"
Priority to RU2013142017/02A priority Critical patent/RU2547988C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2547988C1 publication Critical patent/RU2547988C1/ru
Publication of RU2013142017A publication Critical patent/RU2013142017A/ru

Links

Landscapes

  • Manufacture Of Alloys Or Alloy Compounds (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению литого композиционного материала (ЛКМ) на основе алюминиевого сплава для изготовления циклически и термически нагруженных до 230°С деталей авиационного назначения - лопаток вентилятора и ступеней компрессора низкого давления перспективных авиационных двигателей и газоперекачивающих аппаратов. Литой композиционный материал на основе алюминиевого сплава системы Al-Cu-Mg-Ag содержит армирующие дискретные керамические частицы оксида алюминия зернистостью 10-100 нм в количестве 0,2-10 об.% и диборида титана зернистостью 0,5-1,5 мкм в количестве, при котором содержание титана в сплаве составляет 0,1-0,2 мас.%. Способ получения ЛКМ включает получение модифицированной лигатуры Al-Ti-B путем сухой механофрикционной обработки в размольно-смесительном устройстве крупнозернистого порошка или стружки лигатуры Al-Ti-B, выбранной из ряда AlTi3B1, AlTi5B0,2, AlTi5B0,6, AlTi5B1, введения в нее в заданном количестве дискретных керамических частиц оксида алюминия зернистостью 10-100 нм, перемешивания до получения однородной консистенции, дальнейшей высокоэнергетической механической обработки полученной смеси, ее брикетирования посредством холодного изостатического прессования под давлением 200-400 МПа для достижения плотности свыше 60% от теоретической, введение полученных брикетов в расплав алюминиевого сплава системы Al-Cu-Mg-Ag, перегретый до 750-850°С, выдержку при заданной температуре в течение 20-60 минут, разливку со скоростью затвердевания не менее 70 К/сек и окончательную термообработку путем проведения гомогенизирующего отжига при 450-500°С в течение 2-24 часов, нагрева до 510-520°С с выдержкой в течение 1-5 часов, закалки в воду и последующего искусственного старения при температуре 190-250°С в течение 2-10 часов. Техническим результатом изобретения является повышение жаропрочности и трещиностойкости ЛКМ за счет равномерного распределения наноразмерных керамических частиц оксида алюминия в объеме отливки. 2 н.п. ф-лы.

Description

Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению литого композиционного материала (ЛКМ) на основе алюминиевого сплава для изготовления циклически и термически нагруженных (до 230°С) деталей авиационного назначения - лопаток вентилятора и ступеней компрессора низкого давления перспективных авиационных двигателей и газоперекачивающих аппаратов.
Известен способ получения ЛКМ на основе интерметаллидной матрицы, включающий смешивание порошков матрицеобразующего металла из группы Fe, Ni, Ti или их смеси с армирующими нейтральными частицами, выбранными из группы оксидов, карбидов, боридов; изготовление пористой заготовки; последующую реакционную пропитку алюминиевым расплавом; гомогенизационную выдержку и кристаллизацию слитка (Патент РФ №2212306, МПК7 С22С 01/10, 2003 г.).
Известен также способ получения композиционного материала (патент РФ №2202643, оп. 20.04.2003), включающий:
а) высокоэнергетическую механическую обработку стружки металла матричного состава с частицами оксида алюминия размером 8-12 мкм в количестве 10-25 об.%,
б) холодное двустороннее прессование полученной смеси до получения 80% относительной плотности;
в) горячую пропитку расплавом алюминия спрессованных брикетов.
Общим недостатком предложенных изобретений является то, что данные способы изготовления не позволяют получать сложные фасонные изделия, обладающие комплексом механических свойств (жаропрочность, трещиностойкость) для изготовления лопаток вентилятора и ступеней компрессора низкого давления авиационных двигателей и газоперекачивающих аппаратов. Кроме того, данные способы отличаются низкой технологичностью: большая длительность процесса, большие энергозатраты, необходимость применения сложного дорогостоящего оборудования.
Известен способ получения сплава на основе алюминия (патент РФ №2177047, оп. 20.12.2001), который основан на механическом замешивании в расплав порошка из тугоплавких частиц оксидов металлов размером 0,001-0,1 мкм в количестве 1-15 мас.%. Предлагаемый способ механического замешивания отличается низкой технологичностью по причине агломерации частиц, что проявляется в резком повышении вязкости и потери жидкотекучести расплава при введении армирующией добавки, что приводит к неравномерному распределению частиц и анизотропии механических свойств по сечению получаемых изделий.
В качестве прототипа был выбран ЛКМ на основе алюминиевого сплава Al+3% Mg и способ его получения (патент RU №2353475 С2, оп. 27.04.2009). В качестве армирующих дискретных керамических частиц он содержит карбид кремния (SiC) с зернистостью 30-50 мкм в количестве 3-5 или 15-19 мас.%. Способ получения данного ЛКМ включает смешивание в размольно-смесительном устройстве порошков матричного компонента из алюминиевого сплава Al+3% Mg и армирующих дискретных керамических частиц карбида кремния, брикетирование смеси под давлением 28-35 МПа и введение полученных брикетов в расплав алюминиевого сплава Al+3% Mg при температуре 850±10°С в количестве, необходимом для получения заданной концентрации армирующих дискретных керамических частиц в указанном расплаве, после чего проводят выдержку в течение 20-30 мин для протекания процессов распределения керамических частиц по объему расплава указанного алюминиевого сплава, затем осуществляют перемешивание и разливку.
Недостатки прототипа (патент RU №2353475 С2, оп. 27.04.2009) заключаются в следующем:
1. Данный способ не позволяет ввести и зафиксировать титан в матричном твердом растворе, который понижает скорость диффузии основных легирующих элементов. Понижение скорости диффузии элементов оказывает положительное влияние на устойчивость к коагуляции наноразмерных частиц Ω-фазы (Al2Cu). Алюминиевые сплавы системы Al-Cu-Mg-Ag являются термоупрочняемыми сплавами, значительное дисперсионное упрочнение которых происходит в результате выделения дисперсных интерметаллидных частиц Ω-фазы (Al2Cu) при искусственном старении. Коагуляция частиц Ω-фазы при повышенной температуре (до 200°С) является основных фактором ухудшающим жаропрочность получаемых изделий из данных сплавов.
2. Способ получения ЛКМ основан на использовании в качестве армирующего компонента дискретных керамических частиц карбида кремния (SiC) с зернистостью 30-50 мкм. Данные достаточно крупные керамические частицы являются концентраторами напряжений при циклическом нагружении, что негативно сказывается на трещиностойкости получаемых изделий, которые невозможно будет использовать для изготовления циклически и термически нагруженных деталей авиационного назначения - лопаток вентилятора и ступеней компрессора низкого давления. Задачей группы изобретений является устранение недостатков прототипа путем разработки способа получения ЛКМ с улучшенными свойствами жаропрочности и трещиностойкости, используемого для изготовления циклически и термически нагруженных деталей авиационного назначения - лопаток вентилятора и ступеней компрессора низкого давления.
Технический результат заключается в том, что предложенный способ получения ЛКМ отличается относительно высокой технологичностью и позволяет ввести и равномерно распределить наноразмерные керамические частицы оксида алюминия в объеме отливки.
Поставленная задача решена следующим образом:
В известный способ, включающий смешивание в размольно-смесительном устройстве порошков матричного компонента и дискретных керамических частиц, брикетирование смеси, введение полученных брикетов в расплав алюминиевого сплава, выдержку в течение для протекания процессов распределения керамических частиц по объему расплава указанного алюминиевого сплава и разливку, введены следующие новые признаки.
1) Крупнозернистый порошок или стружку лигатуры алюминий-титан-бор (Al-Ti-B), выбранной из ряда AlTi3B1, AlTi5B0,2, AlTi5B0,6, AlTi5B1 (ГОСТ Р 53777-2010), исходя из требуемого соотношения объемной доли частиц TiB2 и наночастиц Al2O3 в готовом ЛКМ, подвергают сухой механофрикционной обработке в размольно-смесительном устройстве, благодаря чему происходит измельчение крупных частиц лигатуры.
2) В получаемый мелкодисперсный порошок лигатуры Al-Ti-B вводят дискретные керамические частицы оксида алюминия (Al2O3) с зернистостью 10-100 нм и перемешивают до получения однородной консистенции. Полученную смесь подвергают высокоэнергетической механической обработке, позволяющей провести механическое легирование порошка лигатуры частицами Al2O3. Количество смешиваемых порошков определяют расчетным путем для достижения 0,2-10 об.% армирующего компонента Al2O3, 0,1-0,2 мас.% титана в химическом составе готового ЛКМ.
3) Затем смесь порошков подвергают брикетированию посредством холодного изостатического прессования под давлением 200-400 МПа, что позволяет достичь свыше 60% от теоритической плотности смеси. Наиболее целесообразным видом брикетов являются прутки с диаметром 9,5 мм и длиной 300-500 мм, так как такие размеры брикетов позволяют вводить их в расплав, используя стандартное литейное оборудование.
4) В перегретый до 750-850°С расплав алюминиевого сплава системы Al-Cu-Mg-Ag вводят полученные брикеты модифицированной лигатуры Al-Ti-B, выдерживают при заданной температуре 20-60 мин для протекания процессов распределения дискретных керамических частиц по объему расплава и растворения интерметаллидных частиц титанита алюминия (Al3Ti), содержащихся в лигатуре, проводят разливку со скоростью затвердевания не менее 70 К/сек. Быстрое охлаждение расплава обеспечивает поглощение частиц Al2O3 фронтом кристаллизации. Перед введением брикетов лигатуры возможен их подогрев до температур 100-650°С, что позволяет уменьшить переохлаждение матричного расплава и ускорить усвоение лигатуры. Количество вводимых в расплав брикетов определяют расчетным путем для достижения заданных массовых соотношений армирующих и легирующих компонентов в готовом изделии (см. п.2).
5) Получаемые отливки подвергают окончательной термообработке, включающей гомогенизационный отжиг при 450-500°С в течение 2-24 часов, нагрев до 510-520°С с выдержкой в течение 1-5 часов, закалку в воду и последующее искусственное старение при температурах 190-250°С в течение 2-10 часов до достижения максимальной прочности получаемых изделий. Гомогенизационный отжиг приводит к равномерному распределению основных легирующих элементов матричного Al-Cu-Mg-Ag сплава по объему ЛКМ. Дисперсионное упрочнение за счет выделения частиц Ω-фазы (Al2Cu) в Al-Cu-Mg-Ag сплаве достигается после закалки и последующего искусственного старения на максимальную прочность.
Введение модифицированной лигатуры позволяет получить композиционный материал с более мелкой и однородной структурой, а также улучшенными свойствами жаропрочности (время до разрушения при температуре 230°С и нагрузке 250 МПа более 90 часов) и трещиностойкости (скорость роста усталостной трещины при ΔК=31,6 МПа/√m при комнатной температуре менее 4 мм/цикл). Это достигается введением в ЛКМ титана, который понижает скорость диффузии элементов, оказывая положительное влияние на устойчивость к коагуляции наноразмерных частиц Ω-фазы (Al2Cu). Алюминиевые сплавы системы Al-Cu-Mg-Ag являются термоупрочняемыми сплавами, значительное дисперсионное упрочнение которых происходит в результате выделения дисперсных интерметаллидных частиц Ω-фазы (Al2Cu) при искусственном старении. Коагуляция частиц Ω-фазы при повышенной температуре (до 200°С) является основным известным фактором, ухудшающим жаропрочность получаемых изделий из данных сплавов. К тому же равномерное распределение наноразмерных керамических частиц оксида алюминия в объеме отливки приводит к дополнительному улучшению эксплуатационных свойств получаемых изделий. Частицы диборида титана уменьшают размер зерна алюминиевой матрицы при литье и подавляют зернограничное проскальзывание в готовом изделии, которое неизбежно развивается в данных сплавах при повышенных температурах.

Claims (2)

1. Литой композиционный материал на основе алюминиевого сплава системы Al-Cu-Mg-Ag, содержащий армирующие дискретные керамические частицы оксида алюминия и диборида титана, характеризующийся тем, что он содержит частицы оксида алюминия зернистостью 10-100 нм в количестве 0,2-10 об.% и диборида титана зернистостью 0,5-1,5 мкм в количестве, при котором содержание титана в сплаве составляет 0,1-0,2 мас.%.
2. Способ получения литого композиционного материала на основе алюминиевого сплава системы Al-Cu-Mg-Ag, содержащего армирующие дискретные керамические частицы оксида алюминия и диборида титана, включающий получение модифицированной лигатуры Al-Ti-B путем сухой механофрикционной обработки в размольно-смесительном устройстве крупнозернистого порошка или стружки лигатуры Al-Ti-B, выбранной из ряда AlTi3B1, AlTi5B0,2, AlTi5B0,6, AlTi5B1, введения в нее в заданном количестве дискретных керамических частиц оксида алюминия зернистостью 10-100 нм, перемешивания до получения однородной консистенции, дальнейшей высокоэнергетической механической обработки полученной смеси, ее брикетирования посредством холодного изостатического прессования под давлением 200-400 МПа для достижения плотности свыше 60% от теоритической, введение полученных брикетов в расплав алюминиевого сплава системы Al-Cu-Mg-Ag, перегретый до 750-850°С, выдержку при заданной температуре в течение 20-60 минут, разливку со скоростью затвердевания не менее 70 К/сек и окончательную термообработку путем проведения гомогенизирующего отжига при 450-500°С в течение 2-24 часов, нагрева до 510-520°С с выдержкой в течение 1-5 часов, закалки в воду и последующего искусственного старения при температуре 190-250°С в течение 2-10 часов.
RU2013142017/02A 2013-09-16 2013-09-16 Литой композиционный материал на основе алюминиевого сплава и способ его получения RU2547988C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013142017/02A RU2547988C1 (ru) 2013-09-16 2013-09-16 Литой композиционный материал на основе алюминиевого сплава и способ его получения

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013142017/02A RU2547988C1 (ru) 2013-09-16 2013-09-16 Литой композиционный материал на основе алюминиевого сплава и способ его получения

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2547988C1 true RU2547988C1 (ru) 2015-04-10
RU2013142017A RU2013142017A (ru) 2015-04-10

Family

ID=53282202

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013142017/02A RU2547988C1 (ru) 2013-09-16 2013-09-16 Литой композиционный материал на основе алюминиевого сплава и способ его получения

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2547988C1 (ru)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2682740C1 (ru) * 2017-12-22 2019-03-21 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е.Алексеева" (НГТУ) Состав композиционного материала на основе алюминиевого сплава
CN115369276A (zh) * 2022-08-15 2022-11-22 哈尔滨工业大学(威海) 一种SiC和TiB2双相增强铝基复合材料及其制备方法
CN116445771A (zh) * 2023-04-20 2023-07-18 上海交通大学 一种多主元合金颗粒增强铝基复合材料及其制备方法

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112877558B (zh) * 2020-12-28 2022-05-20 湖南文昌新材科技股份有限公司 加压均匀分散陶瓷颗粒制备复合材料的装置及方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5856025A (en) * 1987-05-13 1999-01-05 Lanxide Technology Company, L.P. Metal matrix composites
RU2159823C2 (ru) * 1995-03-31 2000-11-27 Мерк Патент Гмбх Металлические композиционные материалы на основе алюминиевых сплавов, армированных керамическими частицами tib2
RU2177047C1 (ru) * 2000-07-18 2001-12-20 Открытое акционерное общество "КОРПОРАЦИЯ "КОМПОМАШ" Способ получения сплава на основе алюминия
RU2353475C2 (ru) * 2007-03-20 2009-04-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ульяновский государственный технический университет" Литой композиционный материал на основе алюминиевого сплава и способ его получения
US8017072B2 (en) * 2008-04-18 2011-09-13 United Technologies Corporation Dispersion strengthened L12 aluminum alloys

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5856025A (en) * 1987-05-13 1999-01-05 Lanxide Technology Company, L.P. Metal matrix composites
RU2159823C2 (ru) * 1995-03-31 2000-11-27 Мерк Патент Гмбх Металлические композиционные материалы на основе алюминиевых сплавов, армированных керамическими частицами tib2
RU2177047C1 (ru) * 2000-07-18 2001-12-20 Открытое акционерное общество "КОРПОРАЦИЯ "КОМПОМАШ" Способ получения сплава на основе алюминия
RU2353475C2 (ru) * 2007-03-20 2009-04-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ульяновский государственный технический университет" Литой композиционный материал на основе алюминиевого сплава и способ его получения
US8017072B2 (en) * 2008-04-18 2011-09-13 United Technologies Corporation Dispersion strengthened L12 aluminum alloys

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2682740C1 (ru) * 2017-12-22 2019-03-21 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е.Алексеева" (НГТУ) Состав композиционного материала на основе алюминиевого сплава
CN115369276A (zh) * 2022-08-15 2022-11-22 哈尔滨工业大学(威海) 一种SiC和TiB2双相增强铝基复合材料及其制备方法
CN115369276B (zh) * 2022-08-15 2023-06-06 哈尔滨工业大学(威海) 一种SiC和TiB2双相增强铝基复合材料及其制备方法
CN116445771A (zh) * 2023-04-20 2023-07-18 上海交通大学 一种多主元合金颗粒增强铝基复合材料及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
RU2013142017A (ru) 2015-04-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108080644B (zh) 一种高强韧化金属基复合材料的粉末冶金制备方法
WO2011023059A1 (zh) 多元高强耐热铝合金材料及其制备方法
CN104004942B (zh) 一种TiC颗粒增强镍基复合材料及其制备方法
RU2547988C1 (ru) Литой композиционный материал на основе алюминиевого сплава и способ его получения
CN105861904B (zh) 一种B4C/Al复合材料的制备方法
CN108421985A (zh) 一种制备氧化物弥散强化中熵合金的方法
CN103205585B (zh) 一种细化高硅铝硅合金组织中初晶硅的方法
CN114921735B (zh) 改善铸造用高Nb-TiAl合金力学性能的热调控方法
CN116441531A (zh) 一种纳米陶瓷增强中熵合金复合材料及其制备方法
CN103981391B (zh) 硼酸镁晶须与碳化硅粒子增强铝基复合材料及制备方法
CN109261971A (zh) 一种用于改善纳米CuAl2/Al2O3增强铝基复合材料均匀性的变速球磨混粉方法
CN109536775A (zh) 一种高温钛合金及其制备方法
CN117230341A (zh) 改善镁稀土基复合材料中微米级AlN颗粒团聚的方法
CN112662918A (zh) Al2O3-TiC颗粒增强铝基复合材料及其制备方法
RU2323991C1 (ru) Литой композиционный материал на основе алюминиевого сплава и способ его получения
Sheng et al. Effect of solution treatment on the texture and tensile properties of Mg2B2O5W/2024Al composite
CN108165780B (zh) 一种Ni-Cr-Al-Fe系高温合金的制备方法
CN114277297A (zh) 一种耐热性能提高的镁基复合材料及其制备方法
CN115927935B (zh) 一种Al-Cu-Mg-Ag-Si-Sc高耐热性铝合金及其制备方法
CN118957346A (zh) 一种实现强韧协同提升的纳米AlN颗粒增强镁基复合材料及其制备方法
CN110229977A (zh) 一种颗粒增强高铝硅基复合材料的制备方法
CN101235453B (zh) 一种自强化高锌耐热镁合金
RU2177047C1 (ru) Способ получения сплава на основе алюминия
WO2011032435A1 (zh) 以C变质的Cr-RE高强耐热铝合金材料及其制备方法
CN108018453B (zh) 一种w/b4c多相复合材料及熔炼制备方法