RU2630157C2 - Способ получения электродов из сплавов на основе алюминида титана - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области специальной металлургии, в частности к получению электродов из сплавов на основе алюминида титана. Способ включает получение литого интерметаллидного полуфабриката методом центробежного СВС-литья с использованием реакционной смеси при следующем соотношении компонентов, вес.%: целевой состав 57,5 - 62,0, энергетическая добавка 35,0-40,0, флюс CaF₂ 2,5-5,0, и последующий вакуумный индукционный переплав полученного полуфабриката в медном водоохлаждаемом тигле с введением в расплав за 1-2 минуты до его разливки в кристаллизатор порошковой лигатуры, состоящей из прессованной смеси алюминия с нанопорошком с удельной поверхностью 5÷30 м²/г, в количестве, обеспечивающем содержание 0,5-7 об.% нанопорошка в расплаве, при этом в качестве целевого используют смесь порошков TiO₂, Ti, Al, Ca, Nb₂O₅ и Cr₂O₃, а в качестве энергетической добавки смесь порошков CaO₂ и Al. Изобретение позволяет разработать интегральную технологию получения электродов из сплавов на основе алюминида титана путем центробежной атомизации материала электродов и получения гранул для аддитивных 3d-технологий спекания сложнопрофильных изделий из жаропрочных металлических материалов. 2 з.п. ф-лы, 10 табл., 3 пр.

Description

Изобретение относится к области специальной металлургии, в частности к получению литых шихтовых заготовок (электродов) из высоколегированных сплавов на основе алюминидов титана, и может быть использовано для центробежной атомизации материала электродов и получения гранул для аддитивных 3d-технологий спекания (сплавления) сложнопрофильных изделий из жаропрочных металлических материалов.

Способ включает получение из реакционной смеси полуфабриката методом центробежного СВС-литья и последующий вакуумный индукционный переплав полуфабриката в медном водоохлаждаемом тигле, обеспечивающий рафинирование сплава от газовых примесей и модифицирование структуры за счет введения в расплав порошковой лигатуры, состоящей из прессованной смеси алюминия с нанопорошком.

Известен способ (RU 2032496, опубл. 10.04.1995) получения алюминидов переходных металлов, преимущественно титана, никеля, тантала, ниобия, железа, включающий приготовление экзотермической смеси порошков переходного металла и алюминия, брикетирование смеси, разогрев брикетов до инициирования реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) и последующее горячее деформирование продуктов синтеза.

Недостатками данного способа являются высокие энергозатраты, высокая стоимость исходных порошков металлов-реагентов, повышенные требования к чистоте исходных порошков по примесям (кислороду, азоту, углероду и др.), что зачастую трудно реализовать на практике.

Известен способ (патент РФ №2523049 опубл. 28.06.2013) получения литого сплава на основе гамма-алюминида титана, предназначенного для получения фасонных отливок, включающий приготовление смеси порошков чистых металлов, содержащих титан, алюминий и ниобий, получение брикета с относительной плотностью 50-85%, проведение термовакуумной обработки брикета при температуре 550-650°C в течение 10-40 мин, скорости нагрева 5-40°C/мин и давлении 10^-1-10^-3 Па, а СВС проводят при начальной температуре 560-650°C.

Недостатками данного способа являются высокая стоимость исходных порошков металлов-реагентов, повышенные требования к чистоте исходных порошков по примесям, невозможность получения длинномерных электродов с высокой термостойкостью.

Известен способ получения литого сплава на основе алюминида титана (патент РФ №2 320 744 опубл. 27.04. 2006), который включает приготовление исходной смеси порошков, содержащей целевой состав из TiO₂, Nb₂O₅, Cr₂O₃ и Al, энергетическую добавку из CaO₂ и Al, а также помещение реакционной смеси в тугоплавкую форму, размещение формы на центрифуге воспламенение смеси и проведение синтеза в режиме горения при центробежном ускорении 200-300 g с последующим отделением литого сплава на основе алюминидов титана, при этом готовят смесь порошков при следующем соотношении компонентов (вес.%):

TiO₂ - 20,2-34,0

Nb₂O₅ - 2,0-10,5

Al - 30,0-43,2

Энергетическая добавка - 24,0-32,0

Недостатком способа является то, что он не позволяет получать длиномерные электроды заданной геометрией из наномодифицированного сплава.

Известен способ получения электродов (US 5076858 опубл. 31.12.1991 г. https://www.google.ru/patents/US5076858) из сплава на основе TiAl, модифицированного хромом и ниобием, включающий переплав из кусковых компонентов титана, алюминия и ниобия, хрома, разливку расплава в кристаллизатор, гомогенизирующую термическую обработку отливки при температуре около 1400°C и последующую горячую деформацию.

Недостатками данного способа являются повышенные требования к химической чистоте исходных компонентов сплава (требуемая чистота исходных металлов находится на уровне 99,999%) по примесям, наличие стадии высокотемпературного отжига отливки и горячей деформации, что заметно удорожает процесс и продукт, а также отсутствие возможности получения электродов с наномодифицированной структурой.

Наиболее близким аналогом к заявленному является способ (CN 103773981, опублик. 07.05.2014) получения электродов из сплавов на основе алюминида титана, включающий многостадийный вакуумный дуговой переплав склонных к ликвации компонентов сплава (Ti, Al, Nb, Cr) с получением на первой стадии рафинирования дегазированного слитка, а на последующих стадиях - однородного по химическому составу электрода.

Недостатком данного способа являются высокие энергозатраты, связанные с многостадийностью переплава (число переплавов равно 3), повышенные требования к химической чистоте исходных компонентов сплава (требуемая чистота исходных металлов находится на уровне 99,999%) по примесям, что заметно удорожает процесс и продукт, а также отсутствие возможности получения электродов с наномодифицированной структурой.

Техническим результатом заявленного изобретения является снижение стоимости за счет использования менее дорогостоящего оксидного сырья при одновременном обеспечении химической чистоты получаемого электрода по содержанию примесей, а именно: кислорода менее 0,2%, азота менее 0,1%, углерода менее 0,1%. Кроме того, техническим результатом является повышенная термостойкость электрода за счет уменьшения размера зерна основных фаз TiAl, Ti₃Al путем наномодифицирования данного материала электрода.

Технический результат заявленного изобретения достигается следующем образом.

Способ получения электродов из сплавов на основе алюминида титана включает получение полуфабриката методом центробежного СВС-литья с использованием реакционной смеси при следующем соотношении компонентов, вес.%:

целевой состав - 57,5-62,0

энергетическая добавка - 35,0-40,0

флюс - 2,5-5,0

Затем проводят вакуумный индукционный переплав полуфабриката в медном водоохлаждаемом тигле с рафинированием сплава от газовых примесей и модифицированием структуры за счет введения в расплав порошковой лигатуры, состоящей из прессованной смеси алюминия с нанопорошком с удельной поверхностью 5÷30 м²/г, за 1-2 минуты до его разливки в кристаллизатор в количестве, обеспечивающем содержание 0,5-7 об.% нанопорошка в расплаве. После чего расплав охлаждают до комнатной температуры и извлекают из кристаллизатора.

Центробежное СВС-литье осуществляют путем размещения реакционной смеси в тугоплавкой форме, покрытой с внутренней поверхности функциональным защитным слоем из тугоплавкого неорганического соединения, размещения формы на центрифуге, воспламенения смеси, проведения процесса СВС при центробежном ускорении 250-350 g и отделения синтезированного интерметаллидного литого сплава от шлака.

В качестве целевого состава реакционной смеси используются порошки не менее шести компонентов из ряда TiO₂, и Ti, и Al, и Са, и Nb₂O_5, и Cr₂O₃.

В качестве энергетической добавки в реакционную смесь используется смесь порошков CaO₂ и Al.

В качестве флюса в реакционной смеси используется порошок CaF₂.

В качестве нанопорошка используется Y₂O₃, или HfC, или ТаС, или NbC, или TiC, и/или, TiN.

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 и на фиг. 2 изображен внешний вид полуфабрикатов на основе TiAl, синтезированных в заявленных оптимальных условиях, на фиг. 3 и фиг. 4 показана микроструктура полуфабрикатов, синтезированных в оптимальных условиях, на фиг. 5 изображен внешний вид слитка полуфабриката, синтезированного в неоптимальных условиях, на фиг. 6 и на фиг. 7 приведены микроструктуры сплава, синтезированного вне заданных параметров, на фиг. 8 изображен внешний вид центробежной установки с размещенном на роторе снаряженной тугоплавкой формы, на фиг. 9 показан внешний вид конечных продуктов синтеза после извлечения из формы, на фиг. 10 изображен внешний вид отлитого электрода из наномодифицированного жаропрочного сплава на основе алюминида титана.

Изобретение осуществляется следующим образом.

Стадию синтеза литого полуфабриката методами центробежного СВС-литья проводят путем приготовления реакционной смеси из целевого состава, энергетической добавки и флюса. Загружают смесь в тугоплавкую форму, покрытую с внутренней поверхности функциональным защитным слоем из тугоплавкого неорганического соединения, размещают форму на роторе центрифуги, воспламеняют смесь и проводят синтез в режиме горения при центробежном ускорении 250-350 g. При этом реакционную смесь готовят при следующем соотношении компонентов, вес.%: целевой состав - 57,5-62,0; энергетическая добавка - 35,0-40,0; флюс- 2,5-5,0. В качестве целевого состава используются не менее шести компонентов из ряда TiO₂, и Ti, и Al, и Са, и Nb₂O₅, и Cr₂O₃, в качестве энергетической добавки - СаО₂ и Al, а в качестве флюса - CaF₂.

Последующая стадия переработки полуфабриката включает индукционный переплав полуфабриката в медном водоохлаждаемом тигле, обеспечивающий рафинирование сплава от газовых примесей и модифицирование структуры за счет введения в расплав порошковой лигатуры, состоящей из прессованной смеси алюминия с нанопорошком с удельной поверхностью 5÷30 м²/г, за 1-2 минуты до его разливки в кристаллизатор в количестве, обеспечивающем содержание 0,5-7 об.% нанопорошка в расплаве. После этого расплав охлаждают до комнатной температуры и извлекают из кристаллизатора.

Снижение стоимости за счет уменьшения числа переплавов и использования менее дорогостоящего оксидного сырья при одновременном обеспечении химической чистоты получаемого электрода по содержанию примесей (кислорода менее 0,2%, азота менее 0,01%, углерода менее 0,1 вес. %) достигается за счет применения энергосберегающей технологии СВС-литья, позволяющей синтезировать в режиме горения высокочистый по примесям полуфабрикат с безликвационной структурой, из которого в дальнейшем возможно получить за 1 переплав электрод с требуемой структурой и чистотой. Повышение термостойкости электрода достигается путем введения оптимального количества наночастиц Y₂O₃, или HfC, или ТаС, или NbC, или TiC, или TiN, значительно (в 2-3 раза) измельчающих зерна основных фаз TiAl, Ti₃Al.

Техническая задача решается за счет выбора целевого состава реакционной смеси, включающей не менее шести компонентов из ряда TiO₂ и Ti и Al и Са и Nb₂O₅ и Cr₂O₃, введения в смесь энергетической добавки CaO₂ и Al для увеличения экзотермичности процесса СВС (увеличения температуры горения) и флюса CaF₂ для снижения вязкости шлаковой фазы, установления центробежного ускорения 250-350 g, что позволяет получать высоколегированные сплавы на основе алюминидов титана с безликвационной структурой. Последующий переплав позволяет снизить содержание газовых примесей до значений менее 0,31%, провести наномодифицирование сплава путем введения в расплав лигатуры с наноразмерными частицами, сформировать электроды путем разливки сплава в кристаллизатор заданной геометрии.

Целевой состав содержит все необходимые компоненты для получения целевого продукта - полуфабриката из сплава Ti-Al-Nb-Cr. Дополнительное введение Са в целевой состав позволяет достичь полного восстановления оксида титана и исключить следы оксида в составе полуфабриката в процессе охлаждения. Введение энергетического состава в реакционную смесь позволяет повысить температуру горения и получить жаропрочный материал в литом виде.

При содержании компонентов смеси в заявленном интервале и значении перегрузки 250-350 g формируются беспористые слитки (фиг. 1 и фиг. 2) с равномерно распределенными по объему структурными компонентами (фиг. 3 и фиг. 4).

Выбор центробежного ускорения 250-350 g обусловлен оптимизацией процесса синтеза, направленного на максимально возможное увеличение массы синтезируемого слитка. Интервал значений перегрузки обусловлен суммарным эффектом, направленным на получение максимально возможного объема сжигания (с учетом характеристик центробежной установки) и максимального выхода (глубины фазоразделения) целевой фазы (металлической) в слиток. Введение флюса CaF₂ снижает вязкость шлаковой фазы и увеличивает полноту фазоразделения.

В случае отклонения от заданных интервалов соотношения целевого состава (57,5-62,0) и энергетической добавки (35,0-40,0), флюса (2,5-5,0), а также воздействия перегрузки ниже 250 g химический состав полуфабриката выходит за пределы заданных интервалов, выход целевого продукта существенно меньше расчетного, в синтезированных слитках формируются несплошности, наблюдаемые как на макро- (фиг. 5), так и на микроуровнях (фиг. 6 и фиг. 7). При перегрузке более 350 g выход целевого продукта практически не возрастает.

При введении лигатуры, состоящей из прессованный смеси алюминия с нанопорошком, за время менее 1 мин до разливки расплава в кристаллизатор наночастицы не успевают равномерно распределиться по объему расплава, что приводит к структурной неоднородности слитка и большому разбросу зерен по размерам. При увеличении времени нахождения наночастиц в расплаве более 2 мин до разливки в кристаллизатор происходит их растворение в случае HfC, ТаС, NbC, TiC, TiN или агломерирование в случае Y₂O₃, что также не дает требуемого эффекта наномодифицирования структуры сплава.

При концентрации нанопорошка в расплаве менее 0,5 об.% не происходит заметного модифицирования структуры слитка, а увеличение концентрации нанопорошка более 7 об.% не целесообразно, т.к. возрастает вязкость расплава, ухудшается его текучесть, а дальнейшего измельчения зерен структурных составляющих не происходит.

Экспериментально обоснован также интервал значений удельной поверхности нанопорошка 5-30 м²/г. При удельной поверхности менее 5 м²/г порошки субмикронного размера не оказывают заметного модифицирующего влияния на структуру слитка. Выбор нанодисперсного порошка с удельной поверхностью более 30 м²/г приводит к отрицательному результату по ряду причин: агломерирование наночастиц в случае оксидных соединений, либо растворение наночастиц в расплаве в случае карбидных или нитридных соединений.

Вакуумный индукционный переплав полуфабриката в медном водоохлаждаемом тигле обеспечивает рафинирование сплава от газовых примесей.

Детальное описание примеров осуществления способа получения электродов из сплава на основе алюминидов титана, легированных ниобием и хромом методом центробежного СВС-литья, приведено ниже.

Все примеры сведены в таблицах 2-10. Основные характеристики реагентов приведены в таблице 1.

Пример 1 (таблица 2, пример 1).

Для получения литого полуфабриката берутся порошки: оксид титана, титан, алюминий, кальций, оксид ниобия, оксид хрома, пероксид кальция, фторид кальция.

Исходная смесь готовится в соответствии с таблицей 2, пример 1 при следующем соотношении компонентов, вес.%: оксид титана - 5,4; титан - 29,3; алюминий - 17,6; кальций - 1,0; оксид ниобия - 3,9; оксид хрома - 2,8; энергетическая добавка - 35,0; флюс 5,0. В качестве энергетической добавки используется смесь порошков пероксида кальция с алюминием при соотношении 80 на 20 вес.%. В качестве флюса используется порошок фторида кальция.

Готовая смесь помещается в графитовую форму, покрытую с внутренней поверхности функциональным защитным слоем из тугоплавкого неорганического соединения на основе корунда. Форма размещается на роторе центрифуги, смесь локально воспламеняется с помощью вольфрамовой спирали и осуществляется синтез в режиме горения при центробежном ускорении 250 g. Внешний вид центрифуги в снаряженном состоянии представлен на фиг. 8.

После завершения процесса СВС продукт охлаждается и извлекается из формы. Продукт представляет собой двухслойный слиток (фиг. 9): верхний слой - оксидный раствор на основе корунда (шлак), нижний слой - целевой продукт, представляющий собой жаропрочный сплав на основе алюминидов титана. Выход целевого продукта составляет 95% от расчетного значения. Синтезированный сплав содержит в своем составе, вес.%: титан - 60,0; алюминий - 32,3; ниобий - 4,7; хром - 2,8. Содержание примесей составляет: кислород - 0,5%, азот - 0,08%, углерод - 0,4 вес.%.

Для переработки полуфабриката и его рафинировки проводится вакуумный переплав в индукционной печи, оснащенной медным водоохлаждаемым тиглем для исключения взаимодействия материала расплава с материалом тигля в результате образования гарнисажа на внутренней части тигля. Переплав полуфабриката осуществляется при температуре 1600-1650°C и при остаточном давлении в камере индукционной печи 10^-5 Па. Скорость нагрева полуфабриката составляет порядка 150±30°C/мин. За 1 мин до разливки в расплав через вакуумный затвор в камере печи добавляется лигатура в количестве, обеспечивающем 1 об.% нанопорошка Y₂O₃ в составе сплава.

Получение порошковой лигатуры осуществляется в планетарной шаровой мельнице с гравитационным фактором не менее 90 g путем смешивания алюминия марки ПА4 с наноразмерными частицами Y₂O₃ с удельной поверхностью 15 м²/г в соотношении 3:1 по массе, диаметр размольных тел 3-5 мм, соотношение масс шары/материал = 10/1, время обработки 5 мин. Компактная порошковая лигатура получается холодным прессованием в стальной пресс-форме диаметром 20-50 мм при нагрузке 3-5 т/см², что обеспечивает относительную плотность на уровне 0,7-0,9.

С целью гомогенизации полученный расплав выдерживается при температуре 1600-1650°C в течение 2 мин, что обеспечивает равномерное распределение наномодификатора по объему сплава. Разливка полученного расплава проводится при включенном индукторе в стальную изложницу диаметром 60-70 мм, предварительно нагретую до 700°C. Охлаждение полученного электрода осуществляется в камере индукционной печи в вакууме в течение 5 ч. После охлаждения электрод извлекается из изложницы, поверхность зачищается, а прибыльная часть отрезается. Внешний вид электрода представлен на фиг. 10.

Полученный электрод содержит в своем составе, вес.%: титан - 59,6; алюминий - 31,8; ниобий - 4,6; хром - 2,8; нанофаза (Y₂O₃) - 1,2. Содержание примесей составляет, вес.%: кислород - 0,12; азот - 0,04; углерод - 0,05. Размер зерна основной фазы TiAl=40-55 мкм, остаточная пористость = 0,5%, термостойкость 29 циклов, раковины и расслоение не обнаружены.

Пример 2 (таблица 2, пример 3)

Для получения литого полуфабриката берутся порошки: оксид титана, титан, алюминий, кальций, оксид ниобия, оксид хрома, пероксид кальция, фторид кальция.

Реакционная смесь готовится в соответствии с таблицей 2, пример 3 при следующем соотношении компонентов, вес.%: оксид титана - 23,0; титан - 4,1; алюминий - 7,6; кальций - 24,0; оксид ниобия - 1,9; оксид хрома - 1,4; энергетическая добавка - 35,5; флюс 2,8. В качестве энергетической добавки используется смесь порошков пероксида кальция с алюминием при соотношении 80 на 20 вес.%. В качестве флюса используется порошок фторида кальция.

Готовая смесь помещается в графитовую форму, покрытую с внутренней поверхности функциональным защитным слоем из тугоплавкого неорганического соединения на основе корунда. Форма размещается на роторе центрифуги, смесь локально воспламеняется с помощью вольфрамовой спирали и осуществляется синтез в режиме горения при центробежном ускорении 300 g. После завершения процесса СВС продукт охлаждается и извлекается из формы. Продукт представляет собой двухслойный слиток: верхний слой - оксидный раствор на основе корунда (шлак), нижний слой - целевой продукт, представляющий собой жаропрочный сплав на основе алюминидов титана. Выход целевого продукта составляет 98% от расчетного значения. Синтезированный сплав содержит в своем составе, вес.%: титан - 60,2; алюминий - 32,3; ниобий - 4,7; хром - 2,8. Содержание примесей составляет: кислород - 0,3, азот - 0,05, углерод - 0,2 вес. %.

Для переработки полуфабриката проводится вакуумный переплав в индукционной печи, оснащенной медным водоохлаждаемым тиглем для исключения взаимодействия материала расплава с материалом тигля. Переплав полуфабриката осуществляется при температуре 1600-1650°C и при остаточном давлении в камере индукционной печи 10^-5 Па. Скорость нагрева полуфабриката составляет порядка 150±30°C/мин.

За 2 мин до разливки в расплав через вакуумный затвор в камере печи добавляется лигатура в количестве, обеспечивающем 3 об.% нанопорошка HfC в составе сплава.

Получение смеси для лигатуры осуществляется в планетарной шаровой мельнице с гравитационным фактором не менее 90 g путем смешивания порошка алюминия марки ПА4 с наноразмерными частицами HfC с удельной поверхностью 8 м²/г в соотношении 3:1 по массе, диаметр размольных тел 3-5 мм, соотношение масс шары : материал = 10:1, время обработки 5 минут. Компактная порошковая лигатура получается холодным прессованием в стальной пресс-форме диаметром 20-50 мм при нагрузке 3-5 т/см², что обеспечивает относительную плотность на уровне 0,7-0,9.

С целью гомогенизации полученный расплав выдерживается при температуре 1600-1650°C в течение 2 мин, что обеспечивает равномерное распределение наномодификатора по объему сплава. Разливка полученного расплава проводится при включенном индукторе в стальную изложницу диаметром 60-70 мм, предварительно нагретую до 700°C. Охлаждение полученного электрода осуществляется в камере индукционной печи в вакууме в течение 3-5 ч. После охлаждения электрод извлекается из изложницы, поверхность зачищается, а прибыльная часть отрезается.

Полученный электрод содержит в своем составе, вес.%: титан - 55,1; алюминий - 29,6; ниобий - 4,3; хром - 2,3; нанофаза (HfC) – 3 об.%. Содержание примесей составляет, вес. %: кислород - 0,15; азот - 0,07; углерод - 0,08. Размер зерна основной фазы TiAl=45-60 мкм, остаточная пористость = 0,5%, термостойкость 37 циклов, раковины и расслоение не обнаружены.

Пример 3 (таблица 2, пример 5)

Для получения литого полуфабриката берутся порошки: оксид титана, титан, алюминий, кальций, оксид ниобия, оксид хрома, пероксид кальция, фторид кальция.

Реакционная смесь готовится в соответствии с таблицей 2, пример 5 при следующем соотношении компонентов, вес.%: оксид титана - 23,2; титан - 0; алюминий - 8,6; кальций - 23,1; оксид ниобия - 1,7; оксид хрома - 0,9; энергетическая добавка - 40; флюс 2,5. В качестве энергетической добавки используется смесь порошков пероксида кальция с алюминием при соотношении 80 на 20 вес.%. В качестве флюса используется порошок фторида кальция.

Готовая смесь помещается в графитовую форму, покрытую с внутренней поверхности функциональным защитным слоем из тугоплавкого неорганического соединения на основе корунда. Форма размещается на роторе центрифуги, смесь локально воспламеняется с помощью вольфрамовой спирали и осуществляется синтез в режиме горения при центробежном ускорении 350 g. После завершения процесса СВС продукт охлаждается и извлекается из формы. Продукт представляет собой двухслойный слиток: верхний слой - оксидный раствор на основе корунда (шлак), нижний слой - целевой продукт, представляющий собой жаропрочный сплав на основе алюминидов титана. Выход целевого продукта составляет 97% от расчетного значения. Синтезированный сплав содержит в своем составе, вес.%: титан - 60,1; алюминий - 32,4; ниобий - 4,9; хром - 2,6. Содержание примесей составляет: кислород - 0,4, азот - 0,06, углерод - 0,4 вес.%.

Для переработки полуфабриката проводится вакуумный переплав в индукционной печи, оснащенной медным водоохлаждаемым тиглем для исключения взаимодействия материала расплава с материалом тигля. Переплав полуфабриката осуществляется при температуре 1600-1650°C и при остаточном давлении в камере индукционной печи 10^-5 Па. Скорость нагрева полуфабриката составляет порядка 150±30°C/мин.

За 2 мин до разливки в расплав через вакуумный затвор в камере печи добавляется лигатура в количестве, обеспечивающем 5 об.% нанопорошка TiC в составе сплава.

Получение смеси для лигатуры осуществляется в планетарной шаровой мельнице с гравитационным фактором не менее 90 g путем смешивания порошка алюминия марки ПА4 с наноразмерными частицами TiC с удельной поверхностью 25 м²/г в соотношении 3:1 по массе, диаметр размольных тел 3-5 мм, соотношение масс шары : материал = 10:1, время обработки 5 мин. Компактная порошковая лигатура получается холодным прессованием в стальной пресс-форме диаметром 20-50 мм при нагрузке 3-5 т/см², что обеспечивает относительную плотность на уровне 0,7-0,9.

С целью гомогенизации полученный расплав выдерживается при температуре 1600-1650°C в течение 2 мин, что обеспечивает равномерное распределение наномодификатора по объему сплава. Разливка полученного расплава проводится при включенном индукторе в стальную изложницу диаметром 60-70 мм, предварительно нагретую до 700°C. Охлаждение полученного электрода осуществляется в камере индукционной печи в вакууме в течение 3-5 ч. После охлаждения электрод извлекается из изложницы, поверхность зачищается, а прибыльная часть отрезается.

Полученный электрод содержит в своем составе, вес.%: титан - 62,3; алюминий - 30,4; ниобий - 4,3; хром - 2,4; Содержание примесей составляет, вес.%: кислород - 0,14; азот - 0,09; углерод - 0,09. Размер зерна основной фазы TiAl=55-65 мкм, остаточная пористость = 0,5%, термостойкость 18 циклов, раковины и расслоение не обнаружены.

В таблице 4 приведены составы и свойства электродов, полученных путем переплава СВС-полуфабриката по примеру 3 таблицы 3, при использовании для приготовления лигатуры нанопорошка Y₂O₃ с удельной поверхностью 15 м²/г, времени до разливки 1 мин, при варьировании концентрации оксида иттрия.

В таблице 5 приведены составы и свойства электродов, полученных путем переплава СВС-полуфабриката по примеру 3 таблицы 3, при использовании для приготовления лигатуры нанопорошка HfC с удельной поверхностью 8 м²/г, время до разливки 2 мин, при варьировании концентрации карбида гафния.

В таблице 6 приведены составы и свойства электродов, полученных путем переплава СВС-полуфабриката по примеру 3 таблицы 3, при использовании для приготовления лигатуры нанопорошка TiC с удельной поверхностью 25 м²/г, время до разливки 2 мин, при варьировании концентрации карбида титана.

В таблицах 7-8 приведены составы и свойства электродов, полученных путем переплава СВС-полуфабриката по примеру 3 таблицы 3, при использовании для приготовления лигатуры нанопорошка Y₂O₃ с удельной поверхностью 15 м²/г (таблица 7) и нанопорошка HfC с удельной поверхностью 8 м²/г (таблица 8) при варьировании времени введения в расплав порошковой лигатуры до разливки расплава к кристаллизатор.

В таблицах 9-10 приведены составы и свойства электродов, полученных путем переплава СВС-полуфабриката по примеру 3 таблицы 3, при времени до разливки расплава в кристаллизатор 1.5 мин, при использовании для приготовления лигатуры нанопорошка Y₂O₃ (таблица 9) и нанопорошка HfC (таблица 10) с различной удельной поверхностью.

Таким образом, заявленная в формуле совокупность признаков позволяет получать литые электроды из высоколегированных наномодифицированных сплавов на основе алюминидов титана, которые могут быть использованы для центробежной атомизации гранул и последующего применения их в аддитивных 3d-технологиях производства сложнопрофильных изделий из жаропрочных металлических материалов.

Пример получения электрода на основе алюминида титана известным способом по прототипу (патент CN 103773981, опубл. 07.05.2014) путем трехстадийного вакуумного дугового переплава склонных к ликвации компонентов сплава (Ti, Al, Nb, Cr) с получением на первой стадии рафинирования дегазированного слитка, а на последующих стадиях - однородного по химическому составу электрода.

Готовится шихта из компонентов титанониобиевого сплава, титановой губки, алюминия и хрома в соотношении из расчета получения жаропрочного материала следующего состава (вес.%): 60,2% Ti, 32,3% Al, 4,7% Nb, 2,8% Cr. Полученная смесь прессуется в заготовку массой 10 кг и затем используется в роли расходуемого электрода при вакуумном дуговом переплаве.

Затем проводится первый переплав в вакуумной дуговой печи с расходуемым электродом в медный тигель диаметром 140 мм. Условия плавки: сила тока 2,9 кА, напряжение 26-28кВ, давление 2,4×10^-2-0,8×10^-1 Па. Охлаждение полученного слитка осуществляется в камере вакуумной дуговой печи в течение 3-5 ч.

Второй переплав проводится в вакуумной дуговой печи с расходуемым электродом в медный тигель диаметром 190 мм при следующих условиях плавки: сила тока 2,9 кА, напряжение 25-27 кВ, давление 1,1×10^-2-0,8×10^-1 Па. Охлаждение полученного слитка осуществляется в камере вакуумной дуговой печи в течение 3-5 ч.

Третий переплав аналогично проводится в вакуумной дуговой печи с расходуемым электродом в медный тигель диаметром 190 мм при следующих условиях плавки: сила тока 2,8 кА, напряжение 25-27 кВ, давление 2,4×10^-2-1,2×10^-1 Па. Охлаждение полученного слитка осуществляется в камере вакуумной дуговой печи в течение 3-5 ч.

Полученный сплавленный электрод содержит в своем составе заданное количество элементов: Ti - 60,2%, Al - 32,3%, Nb - 4,7%, Cr - 2,8%. Содержание примесей, вес.%: кислород - 0,13, азот - 0,07, углерод - 0,07, остаточная пористость = 0,4%, раковины и расслои не обнаружены. Способ-прототип обеспечивает высокую химическую чистоту и однородность электрода. Однако размер зерна основной структурной составляющей TiAl/Ti₃Al достигает 90-140 мкм и термостойкость составляет 6 циклов.

В сравнении с предложенным способом наличие трех стадий переплава повышает в 2,5 раза энергозатраты, а использование для зашихтовки чистых компонентов увеличивает себестоимость электрода более чем в 1,6 раза. При этом электрод из крупнозернистого сплава обладает меньшей термостойкостью и в процессе центробежной атомизации путем распыления имеется высокая вероятность его разрушения.

Таким образом, заявляемая в формуле совокупность признаков позволяет получать литые электроды из высоколегированных наномодифицированных сплавов на основе алюминида титана, которые могут быть использованы для центробежной атомиации и последующего применения в аддитивных 3d-технологиях сложнопрофильных изделий из жаропрочных металлических материалов.

Claims (5)

1. Способ получения электродов из сплавов на основе алюминида титана, включающий получение литого интерметаллидного полуфабриката методом центробежного СВС-литья с использованием реакционной смеси при следующем соотношении компонентов, вес.%:

целевой состав 57,5 - 62,0 энергетическая добавка 35,0-40,0 флюс CaF₂ 2,5-5,0,

и последующий вакуумный индукционный переплав полученного полуфабриката в медном водоохлаждаемом тигле с введением в расплав за 1-2 мин до его разливки в кристаллизатор порошковой лигатуры, состоящей из прессованной смеси алюминия с нанопорошком с удельной поверхностью 5÷30 м²/г, в количестве, обеспечивающем содержание 0,5-7 об.% нанопорошка в расплаве, при этом в качестве целевого состава используют смесь порошков TiO₂, Ti, Al, Ca, Nb₂O₅ и Cr₂O₃, а в качестве энергетической добавки - смесь порошков CaO₂ и Al.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что центробежное СВС-литье осуществляют путем размещения реакционной смеси в тугоплавкой форме, покрытой с внутренней поверхности функциональным защитным слоем из тугоплавкого неорганического соединения, размещения формы на центрифуге, воспламенения смеси, проведения процесса СВС при центробежном ускорении 250-350 g и отделения синтезированного интерметаллидного литого сплава от шлака.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве нанопорошка используют порошок Y₂O_3, или HfC, или ТаС, или NbC ,или TiC, или TiN.

Images