RU2711699C1 - METHOD OF PRODUCING COMPOSITE MATERIAL Ti/TiB - Google Patents

METHOD OF PRODUCING COMPOSITE MATERIAL Ti/TiB Download PDF

Info

Publication number
RU2711699C1
RU2711699C1 RU2019126383A RU2019126383A RU2711699C1 RU 2711699 C1 RU2711699 C1 RU 2711699C1 RU 2019126383 A RU2019126383 A RU 2019126383A RU 2019126383 A RU2019126383 A RU 2019126383A RU 2711699 C1 RU2711699 C1 RU 2711699C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
titanium
tib
minutes
composite material
composite
Prior art date
Application number
RU2019126383A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Максим Сергеевич Озеров
Виталий Сергеевич Соколовский
Маргарита Викторовна Климова
Никита Дмитриевич Степанов
Сергей Валерьевич Жеребцов
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет" (НИУ "БелГУ")
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 образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет" (НИУ "БелГУ") filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет" (НИУ "БелГУ")
Priority to RU2019126383A priority Critical patent/RU2711699C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2711699C1 publication Critical patent/RU2711699C1/en

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/02Compacting only
    • B22F3/087Compacting only using high energy impulses, e.g. magnetic field impulses
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/12Both compacting and sintering
    • B22F3/14Both compacting and sintering simultaneously
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/18Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces by using pressure rollers
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C29/00Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides
    • C22C29/14Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides based on borides

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)
  • Ceramic Products (AREA)

Abstract

FIELD: technological processes.SUBSTANCE: invention relates to production of Ti/TiB composite material. Method comprises mixing titanium powder with average particle size of 25±10 mcm and titanium diboride powder, average particle size of which is equal to 4±1.5 mcm, in disk vibration mill at rotor rotational speed of 700 rpm for 60 minutes in medium of ethanol with cooling, and subsequent synthesis of composite material by spark plasma sintering at temperature of 1,000 °C, pressure 40 MPa, for 15 minutes. Mixing of titanium and titanium diboride powders is carried out for 30–60 minutes, while stirring during 50–60 minutes, the grinding set is cooled by liquid nitrogen. Received after spark plasma sintering workpiece of synthesized composite material is subject to deformation-thermal treatment by hot sheet rolling at double-rolling mill at accumulated degree of deformation of 50 % with reduction by one pass of 200 mcm at temperature from 900 to 1,000 °C.EFFECT: obtaining Ti/TiB composite material with high strength and wear resistance along with sufficient ductility at room temperature.1 cl, 8 ex, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к получению композиционных материалов с металлической матрицей, упрочненными армирующими компонентами. Данное изобретение может быть использовано в производстве режущего инструмента, в том числе медицинского, работающего в особых условиях, например, в агрессивных средах, в магнитном поле. The invention relates to the field of powder metallurgy, in particular to the production of composite materials with a metal matrix, hardened reinforcing components. This invention can be used in the manufacture of cutting tools, including medical, operating in special conditions, for example, in aggressive environments, in a magnetic field.

Благодаря комплексу привлекательных свойств (высокая удельная прочность, коррозионная стойкость, биосовместимость) титан и титановые сплавы широко востребованы в промышленности и медицине [Leyens, C. Titanium and Titanium Alloys. Fundamentals and Applications / C. Leyens, M. Peters // Wiley-VCH: Weinheim, Germany. 2003. P. 1-499]. Однако применение титана и низколегированных титановых сплавов часто ограничивается их недостаточно высокой абсолютной прочностью, твердостью и износостойкостью. Упрочнение титана может быть достигнуто за счет создания титан-матричных композиционных материалов с использованием в качестве армирующего компонента таких высокотвердых соединений, как TiB2, TiC, TiN [Godfrey, T.M.T. Titanium particulate metal matrix composites-Reinforcement, production methods, and mechanical properties / T.M.T. Godfrey, P.S. Goodwin, C.M. Ward-Close // Adv. Eng. Mater. 2000. V. 2. P. 85-91]. При этом, по сравнению с остальными упрочнителями, TiB2 имеет высокую устойчивость при температурах синтеза, близкую к титану плотность и коэффициент термического расширения, а также обладает хорошим кристаллографическим сопряжением с титановой матрицей, обеспечивая тем самым минимальные остаточные напряжения [Morsi, K. Processing and properties of titanium–titanium boride (TiBw) matrix composites - a review / K. Morsi, V.V. Patel // J. Mater. Sci. 42 (2007) 2037-2047]. В данном случае используется титановая металлическая матрица, в качестве упрочнителя выступает соединение TiB2. На сегодняшний день искровое плазменное спекание (далее ИПС) является одним из самых перспективных методов создания композиционных материалов. ИПС позволяет проводить синтез при относительно низкой по сравнению с литьем температуре и за короткое время, что, с одной стороны обеспечивает высокую производительность метода при достижении практически 100% плотности заготовок, а с другой не ведет к существенному росту структурных элементов, позволяя получать наноструктурное состояние в композите [Ragulya, A.V. Fundamentals of Spark Plasma Sintering, in Encyclopedia of Materials / A.V. Ragulya // Science and Technology (Eds. K. H. Jürgen Buschow et al.). 2010. P. 1-5.]. В ходе искрового плазменного синтеза смеси порошков титана и диборида титана (TiB2) протекает химическая реакция 2Ti+TiB2=Ti+2TiB, в результате чего в титановой матрице образуется прочная нитевидная фаза TiB [Feng, H. Growth Mechanism of In Situ TiB Whiskers in Spark Plasma Sintered TiB/Ti Metal Matrix Composites / H. Feng, Yu Zhou, D. Jia, Q. Meng, and J. Rao // Crystal Growth & Design. 2006. V. 7. P. 1626-1630.]. Due to the complex of attractive properties (high specific strength, corrosion resistance, biocompatibility), titanium and titanium alloys are widely in demand in industry and medicine [Leyens, C. Titanium and Titanium Alloys. Fundamentals and Applications / C. Leyens, M. Peters // Wiley-VCH: Weinheim, Germany. 2003. P. 1-499]. However, the use of titanium and low alloy titanium alloys is often limited by their insufficiently high absolute strength, hardness and wear resistance. Hardening of titanium can be achieved by creating titanium-matrix composite materials using high-hardness compounds such as TiB 2 , TiC, TiN as a reinforcing component [Godfrey, TMT Titanium particulate metal matrix composites-Reinforcement, production methods, and mechanical properties / TMT Godfrey, PS Goodwin, CM Ward-Close // Adv. Eng. Mater. 2000. V. 2. P. 85-91]. Moreover, in comparison with other hardeners, TiB 2 has high stability at synthesis temperatures, density and thermal expansion coefficient close to titanium, and also has good crystallographic conjugation with a titanium matrix, thereby ensuring minimal residual stresses [Morsi, K. Processing and properties of titanium – titanium boride (TiBw) matrix composites - a review / K. Morsi, VV Patel // J. Mater. Sci. 42 (2007) 2037-2047]. In this case, a titanium metal matrix is used; the TiB 2 compound acts as a hardener. To date, spark plasma sintering (hereinafter IPS) is one of the most promising methods for creating composite materials. IPS allows one to synthesize at a relatively low temperature compared to casting and in a short time, which, on the one hand, ensures high productivity of the method when almost 100% density of the workpieces is achieved, and on the other hand, does not lead to a significant increase in structural elements, allowing one to obtain a nanostructured state composite [Ragulya, AV Fundamentals of Spark Plasma Sintering, in Encyclopedia of Materials / AV Ragulya // Science and Technology (Eds. KH Jürgen Buschow et al.). 2010. P. 1-5.]. During spark plasma synthesis of a mixture of powders of titanium and titanium diboride (TiB 2 ), the chemical reaction 2Ti + TiB 2 = Ti + 2TiB takes place, as a result of which a strong TiB phase is formed in the titanium matrix [Feng, H. Growth Mechanism of In Situ TiB Whiskers in Spark Plasma Sintered TiB / Ti Metal Matrix Composites / H. Feng, Yu Zhou, D. Jia, Q. Meng, and J. Rao // Crystal Growth & Design. 2006. V. 7. P. 1626-1630.].

В настоящее время для изготовления режущих инструментов, работающих в условиях агрессивной среды, например, в морской воде или в хирургии, применяются в основном коррозионностойкие стали. Титановые сплавы обладают конкурентным преимуществом перед сталями в области их применения в особых условиях. К примеру, при работе режущего инструмента из стали в морской воде развивается контактная коррозия, в результате стальной инструмент быстро разрушается. Применение стали в хирургическом инструментарии также изжило себя, т.к. стальные скальпели имеют большой удельный вес, могут вызывать аллергию у пациентов, а также не дают возможности проводить хирургические операции в магнитном поле. Технически чистый титан лишен указанных недостатков, но существует проблема: невысокая твердость не позволяет изготавливать из него режущий инструмент. Следовательно, необходимо решить задачу по созданию композиционного материала на основе металлической матрицы с высокими показателями твердости и износостойкости. Одним из путей решения этой проблемы является упрочнение титана высокопрочными соединениями. Currently, for the manufacture of cutting tools operating in aggressive environments, for example, in sea water or in surgery, corrosion-resistant steels are mainly used. Titanium alloys have a competitive advantage over steels in the field of their application in special conditions. For example, during the operation of a cutting tool made of steel in seawater, contact corrosion develops, as a result, the steel tool quickly collapses. The use of steel in surgical instruments has also become obsolete, as steel scalpels have a large specific weight, can cause allergies in patients, and also make it impossible to carry out surgical operations in a magnetic field. Technically pure titanium is devoid of these drawbacks, but there is a problem: the low hardness does not allow to make a cutting tool out of it. Therefore, it is necessary to solve the problem of creating a composite material based on a metal matrix with high hardness and wear resistance. One way to solve this problem is to strengthen titanium with high-strength compounds.

На данный момент известно несколько способов получения композиционных материалов с металлической матрицей.At the moment, several methods for producing composite materials with a metal matrix are known.

Известен способ изготовления композиционного материала с металлической матрицей и наноразмерными упрочняющими частицами [Патент РФ № RU 2574534 С2 от 17.06.2014 «Композиционный материал с металлической матрицей и наноразмерными упрочняющими частицами и способ его изготовления»]. Задачей приведенного технического решения является повышение прочностных свойств композиционного материала при минимизации объемной доли упрочняющих частиц. В композиционном материале с металлической матрицей и наноразмерными упрочняющими частицами в агломерированном состоянии, изготовленном с расплавлением матрицы, содержание наноразмерных упрочняющих частиц в агломерированном состоянии не превышает 5% объемных от всего объема наночастиц, а остальные наноразмерные упрочняющие частицы находятся в неагломерированном состоянии. В данном способе в качестве матрицы выступает алюминий или медь, в качестве упрочнителя – частицы алмаза или карбида кремния. Для выполнения поставленной задачи в данном способе осуществляли подготовку композиционных гранул методом механического легирования исходных смесей металлических частиц и упрочняющих наночастиц, далее нагревали гранулы до полного или частичного расплавления и формовали или деформировали изделия в жидком или полужидком состоянии. Согласно изобретению, подготовленные композиционные гранулы вносят в расплав материала матрицы или ее компонента и перемешивают, при этом температуру расплава поддерживают в интервале температур 1,01-1,3 от температуры плавления материала расплава. Недостаток данного технического решения в том, что не указаны сведения, подтверждающие повышение прочностных свойств полученных композитов и не описаны их возможности по работе в агрессивных средах и в магнитном поле.A known method of manufacturing a composite material with a metal matrix and nanosized reinforcing particles [RF Patent No. RU 2574534 C2 dated 06/17/2014 "Composite material with a metal matrix and nanosized reinforcing particles and the method of its manufacture"]. The objective of the technical solution is to increase the strength properties of the composite material while minimizing the volume fraction of reinforcing particles. In a composite material with a metal matrix and nanosized reinforcing particles in an agglomerated state made with a molten matrix, the content of nanosized reinforcing particles in the agglomerated state does not exceed 5% of the total volume of the nanoparticles, and the remaining nanosized reinforcing particles are in the non-agglomerated state. In this method, aluminum or copper acts as a matrix, and diamond or silicon carbide particles act as a hardener. To accomplish the task in this method, composite granules were prepared by mechanical alloying of initial mixtures of metal particles and hardening nanoparticles, then the granules were heated to full or partial melting and the products were molded or deformed in a liquid or semi-liquid state. According to the invention, the prepared composite granules are introduced into the melt of the matrix material or its component and mixed, while the temperature of the melt is maintained in the temperature range 1.01-1.3 of the melting temperature of the melt material. The disadvantage of this technical solution is that it does not indicate information confirming the increase in the strength properties of the obtained composites and does not describe their ability to work in aggressive environments and in a magnetic field.

Известен способ получения композиционного материала путем электроимпульсного спекания [Патент РФ № RU 2495732 С1 от 20.09.2012 «Способ получения консолидированных порошковых материалов»]. Данный способ может использоваться для изготовления заготовок с высокими прочностными характеристиками, в том числе и композитов. Техническое решение состоит из двух этапов: предварительной очистки порошка путем нагрева его в вакууме серией низковольтных импульсов постоянного тока и последующей консолидации путем воздействия на порошок давлением 50-500 МПа и пропускания через него высоковольтного импульса тока плотностью 50-500 кА/см2 и длительностью 10-500 мкс. В итоге данный способ позволяет получать порошковые материалы с высокой прочностью и пластичностью при сохранении исходных размеров зерен порошков. Для примера приведен способ получения образца из порошка сплава Э-110 на основе циркония с относительной плотностью, практически совпадающей с теоретически возможной (99,9%). Недостатком данного способа является его высокая энергозатратность, а также отсутствие конкретных примеров по работе в агрессивных средах и в магнитном поле. А также недостаточно высокая прочность полученного композита, что препятствует его использованию в качестве режущих инструментов в медицине. При этом нет данных о возможности использования полученного материала в агрессивной морской среде.A known method of producing a composite material by electropulse sintering [RF Patent No. RU 2495732 C1 of 09/20/2012 "Method for producing consolidated powder materials"]. This method can be used for the manufacture of workpieces with high strength characteristics, including composites. The technical solution consists of two stages: preliminary cleaning of the powder by heating it in a vacuum with a series of low-voltage DC pulses and subsequent consolidation by exposing the powder to a pressure of 50-500 MPa and passing through it a high-voltage current pulse with a density of 50-500 kA / cm 2 and a duration of 10 -500 μs. As a result, this method allows to obtain powder materials with high strength and ductility while maintaining the original grain size of the powders. As an example, a method for producing a sample from a powder of alloy powder E-110 based on zirconium with a relative density that practically coincides with the theoretically possible (99.9%) is given. The disadvantage of this method is its high energy consumption, as well as the absence of specific examples of work in aggressive environments and in a magnetic field. And also the insufficiently high strength of the obtained composite, which prevents its use as cutting tools in medicine. However, there is no data on the possibility of using the obtained material in an aggressive marine environment.

Известен способ получения композита с металлической матрицей на основе титана [Патент РФ № RU 2492256 C1 от 16.05.2012 «Наноструктурный композиционный материал на основе чистого титана и способ его получения]. Данное изобретение может использоваться в медицине для изготовления имплантатов и хирургического инструмента. Композиционный наноструктурный материал содержит матрицу из чистого титана с размером зерна ≤250 нм, дисперсно-упрочненную термически стабильными и химически устойчивыми по отношению к титану наноразмерными частицами карбида, борида или нитрида титана с размером частиц 2-10 нм. Упрочняющие частицы равномерно распределены в объеме материала, а их общая доля составляет 0,05-0,50 об.%. Способ включает получение порошковой смеси, содержащей порошок чистого титана с размером частиц 40-200 мкм и наноразмерные упрочняющие частицы карбида, нитрида или диборида титана, механическое легирование полученной смеси в защитной среде в шаровой планетарной мельнице размольными стаканами и мелющими шарами, выполненными из диоксида циркония, частично стабилизированного иттрием, или оксида алюминия, с образованием смеси композитных частиц, дегазацию, размещение в металлической капсуле, вибрационное уплотнение, вакуумирование, герметизацию и последующее горячее прессование изостатическим методом. Способ обеспечивает повышение прочностных свойств материала за счет роста уровня условного предела текучести, предела прочности на растяжение, сопротивления усталости и биологической совместимости материала. A known method of producing a composite with a metal matrix based on titanium [RF Patent No. RU 2492256 C1 of 05.16.2012 “Nanostructured composite material based on pure titanium and method for its preparation]. This invention can be used in medicine for the manufacture of implants and surgical instruments. Composite nanostructured material contains a matrix of pure titanium with a grain size of ≤250 nm, dispersion hardened by thermally stable and chemically stable nanoscale particles of titanium carbide, boride or nitride with a particle size of 2-10 nm. The reinforcing particles are evenly distributed in the volume of the material, and their total share is 0.05-0.50 vol.%. The method includes obtaining a powder mixture containing pure titanium powder with a particle size of 40-200 μm and nanosized strengthening particles of titanium carbide, nitride or diboride, mechanical alloying of the mixture in a protective medium in a planetary ball mill with grinding cups and grinding balls made of zirconia, partially stabilized with yttrium, or alumina, with the formation of a mixture of composite particles, degassing, placement in a metal capsule, vibration compaction, evacuation, seal isation and subsequent hot pressing by the isostatic method. The method provides an increase in the strength properties of the material due to the increase in the level of the conditional yield strength, tensile strength, fatigue resistance and biological compatibility of the material.

Недостатком данного способа является невысокое содержание армирующего компонента, что не обеспечивает необходимой твердости для производства, к примеру, режущего инструмента, высокая техническая сложность получения исходных материалов с требуемыми размерами в нанодиапазоне.The disadvantage of this method is the low content of the reinforcing component, which does not provide the necessary hardness for the production of, for example, a cutting tool, the high technical complexity of obtaining starting materials with the required dimensions in the nanoscale.

Наиболее близким к изобретению по технологическому процессу получения композита является способ синтеза композита с металлической матрицей на основе титана и армирующим компонентом TiB2 из источника [M. Ozerov, M. Klimova, A. Kolesnikov, N. Stepanov, S. Zherebtsov, Deformation behavior and microstructure evolution of a Ti/TiB metal-matrix composite during high-temperature compression tests, Materials & Design 112 (2016) 17-26]. Данный способ принят за прототип. Согласно способу, описанному в данной статье, порошок титана со средним размером частиц 25±10 мкм и диборида титана, средний размер частиц которого равен 4±1,5 мкм перемешивают в дисковой вибрационной мельнице при частоте вращения ротора 700 об/мин в течение одного часа в среде этилового спирта. При этом осуществляется реакция 2Ti+TiB2=Ti+2TiB. Весовая доля диборида титана в исходной смеси 10%, что обеспечивает 17% TiB в композите после реакции. Для предотвращения нагрева смеси в ходе перемешивания размольный стакан охлаждают жидким азотом при Т= - 196°С. Затем композит Ti/TiB синтезируют посредством искрового плазменного спекания (ИПС) при температуре 1000°C, давлении 40 МПа, время выдержки 15 мин. Микроструктура композита Ti/TiB состоит из нитевидных кристаллов TiB, которые неоднородно распределены в титановой матрице. Диаметр волокон TiB варьируется в широком интервале от дес±35 нм. Также в структуре композита наблюдаются непрореагировавшие частицы TiB2. Их объёмная доля составила 2%. Пористость не превышает 0,5%. Твердость композита составляет 59-60 HRС. Преимуществом прототипа является не только достаточно высокая твердость композиционного материала, но и использование для синтеза композита искрового плазменного спекания (ИПС), когда через порошок пропускается импульсный постоянный ток с высоким значением силы тока и одновременно прикладывается внешнее давление, за счет чего нагрев заготовки происходит изнутри, обеспечивая тем самым высокую равномерность нагрева. А очень высокая скорость нагрева до 1000°С/мин и значительного прикладываемого давления, позволяет осуществлять синтез при существенно более низких температурах и за существенно более короткое время по сравнению с другими способами порошковой металлургии, например, ГИП. [M. Selva Kumar et al. Characterisation of titanium–titanium boride composites processed by powder metallurgy techniques. Mater. Charact. 73 (2012) pp. 43-51.]. Closest to the invention in the manufacturing process of the composite is a method of synthesis of a composite with a metal matrix based on titanium and a reinforcing component TiB 2 from the source [M. Ozerov, M. Klimova, A. Kolesnikov, N. Stepanov, S. Zherebtsov, Deformation behavior and microstructure evolution of a Ti / TiB metal-matrix composite during high temperature compression tests, Materials & Design 112 (2016) 17-26] . This method is adopted as a prototype. According to the method described in this article, titanium powder with an average particle size of 25 ± 10 μm and titanium diboride, the average particle size of which is 4 ± 1.5 μm, is mixed in a disk vibration mill at a rotor speed of 700 rpm for one hour in ethyl alcohol. In this case, the reaction 2Ti + TiB 2 = Ti + 2TiB is carried out. The weight fraction of titanium diboride in the initial mixture is 10%, which provides 17% TiB in the composite after the reaction. To prevent heating of the mixture during mixing, the grinding bowl is cooled with liquid nitrogen at T = - 196 ° C. Then, the Ti / TiB composite is synthesized by spark plasma sintering (IPA) at a temperature of 1000 ° C, a pressure of 40 MPa, and a holding time of 15 min. The microstructure of the Ti / TiB composite consists of TiB whiskers that are not uniformly distributed in the titanium matrix. The diameter of TiB fibers varies in a wide range from des ± 35 nm. Also, unreacted TiB 2 particles are observed in the composite structure. Their volume fraction was 2%. Porosity does not exceed 0.5%. The hardness of the composite is 59-60 HRC. The advantage of the prototype is not only a sufficiently high hardness of the composite material, but also the use of spark plasma sintering (IPS) for the synthesis of the composite, when pulsed direct current with a high current strength is passed through the powder and external pressure is applied at the same time, due to which the workpiece is heated from the inside, thereby ensuring high uniformity of heating. A very high heating rate up to 1000 ° C / min and a significant applied pressure allows synthesis at significantly lower temperatures and in a significantly shorter time compared to other powder metallurgy methods, for example, HIP. [M. Selva Kumar et al. Characterization of titanium – titanium boride composites processed by powder metallurgy techniques. Mater. Charact. 73 (2012) pp. 43-51.].

Недостатком данного способа является низкая пластичность полученного композита Ti/TiB - относительное удлинение при комнатной температуре равно нулю.The disadvantage of this method is the low ductility of the obtained composite Ti / TiB - the elongation at room temperature is zero.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION

Задачей изобретения является возможность получения композиционного материала на основе титана с высокими показателями прочности и износостойкости, наряду с достаточной пластичностью при комнатной температуре, позволяющими изготавливать режущий инструмент для работы в особых условиях, например, в агрессивных средах, в магнитном поле. The objective of the invention is the ability to obtain a composite material based on titanium with high strength and wear resistance, along with sufficient ductility at room temperature, allowing to produce a cutting tool for working in special conditions, for example, in aggressive environments, in a magnetic field.

Технический результат изобретения заключается в получении композиционного материала Ti/TiB с высокими показателями прочности и износостойкости наряду с достаточной пластичностью при комнатной температуре для изготовления режущего инструмента, за счет введения дополнительной деформационно-термической обработки путем горячей прокатки заготовок полученного композиционного материала. The technical result of the invention is to obtain a composite material Ti / TiB with high strength and wear resistance along with sufficient ductility at room temperature for the manufacture of a cutting tool, due to the introduction of additional deformation-heat treatment by hot rolling of the blanks of the obtained composite material.

Задача изобретения решается способом получения композита Ti/TiB, включающего перемешивание порошков титана со средним размером частиц 25±10 мкм и диборида титана, средний размер частиц которого равен 4±1,5 мкм в дисковой вибрационной мельнице при частоте вращения ротора 700 об/мин в течение 60 минут в среде этилового спирта с охлаждением, последующим синтезом композита путем искрового плазменного спекания (ИПС) при температуре 1000°C, давлении 40 МПа, в течение 15 мин, в который внесены новые признаки:The objective of the invention is solved by the method of producing a Ti / TiB composite, comprising mixing titanium powders with an average particle size of 25 ± 10 μm and titanium diboride, the average particle size of which is 4 ± 1.5 μm in a disk vibration mill at a rotor speed of 700 rpm for 60 minutes in ethanol with cooling, followed by synthesis of the composite by spark plasma sintering (IPA) at a temperature of 1000 ° C, a pressure of 40 MPa, for 15 minutes, which introduced new features:

- перемешивание порошков титана и диборида титана проводят в течение 30-60 минут, причем при перемешивании в течение 50-60 минут дополнительно используют охлаждение размольной гарнитуры жидким азотом;- mixing of powders of titanium and titanium diboride is carried out for 30-60 minutes, and with stirring for 50-60 minutes, cooling of the grinding set is additionally used with liquid nitrogen;

- готовые образцы синтезированного композита подвергают листовой прокатке на двухвалковом прокатном стане на накопленную степень деформации 50%, с обжатием за один проход 200 мкм, при температуре от 900 до 1000°C, что обеспечивает пластичность при комнатной температуре, равную 5%.- finished samples of the synthesized composite are subjected to sheet rolling on a two-roll rolling mill for an accumulated degree of deformation of 50%, with compression in one pass of 200 μm, at a temperature of 900 to 1000 ° C, which provides ductility at room temperature equal to 5%.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Порошки титана со средним размером частиц 25±10 мкм и диборида титана (TiB2), средний размер частиц которого равен 4±1,5 мкм, перемешивают в дисковой вибрационной дисковой мельнице Retsch RS200 при частоте вращения ротора 700 об/мин в течение 30-60 мин в среде этилового спирта. Весовая доля диборида титана в исходной смеси составляет 10%. Масса навески составляет 100 г. Поскольку в ходе перемешивания в мельнице происходит нагрев порошка и ювенилизация поверхности частиц, сопровождаемая его агломерацией и налипанием на стенки размольной гарнитуры, в смесь порошков добавляют этиловый спирт. При перемешивании в течение 50-60 минут дополнительно используют охлаждение размольной гарнитуры жидким азотом. Это позволяет снизить разогрев порошковой смеси и заметно повысить структурную однородность конечной заготовки. Далее осуществляют искровое плазменное спекание порошков Ti и TiB2, при котором протекает реакция 2Ti+TiB2=Ti+2TiB. Искровое спекание проводят при температуре 1000°С с давлением 40 МПа и временем выдержки 15 мин с использованием установки Technology SPS10-3. Получают заготовки диаметром 20-100 мм и высотой 25 мм. С целью повышения механических свойств полученного композита Ti/TiB, главным образом пластичности, образцы подвергают горячей деформации посредством листовой прокатки на двухвалковом прокатном стане Hankook M-TechIndustries на накопленную степень деформации 50% при температуре от 900 до 1000°C. Обжатие за один проход составляет 200 мкм. Перед каждым проходом образец нагревают в муфельной печи фирмы Nabertherm до требуемой температуры, контроль температуры осуществляют инфракрасным пирометром.Titanium powders with an average particle size of 25 ± 10 μm and titanium diboride (TiB 2 ), the average particle size of which is 4 ± 1.5 μm, are mixed in a Retsch RS200 disk vibratory disk mill at a rotor speed of 700 rpm for 30- 60 min in ethyl alcohol. The weight fraction of titanium diboride in the initial mixture is 10%. The weight of the sample is 100 g. Since during the mixing in the mill the powder heats up and the surface of the particles becomes juvenile, accompanied by its agglomeration and sticking to the walls of the grinding set, ethanol is added to the powder mixture. With stirring for 50-60 minutes, cooling of the grinding set with liquid nitrogen is additionally used. This allows to reduce the heating of the powder mixture and significantly increase the structural uniformity of the final workpiece. Next, spark plasma sintering of Ti and TiB 2 powders is carried out, in which the reaction 2Ti + TiB2 = Ti + 2TiB proceeds. Spark sintering is carried out at a temperature of 1000 ° C with a pressure of 40 MPa and a holding time of 15 minutes using the Technology SPS10-3 installation. Get the workpiece with a diameter of 20-100 mm and a height of 25 mm In order to increase the mechanical properties of the obtained Ti / TiB composite, mainly ductility, the samples are subjected to hot deformation by sheet rolling on a Hankook M-TechIndustries twin roll mill to an accumulated degree of deformation of 50% at a temperature of from 900 to 1000 ° C. Compression in one pass is 200 microns. Before each pass, the sample is heated in a Nabertherm muffle furnace to the required temperature; the temperature is controlled by an infrared pyrometer.

Существенное значение имеют условия перемешивания исходной смеси порошков Ti и TiB2. Продолжительность перемешивания немонотонно влияет на качество получаемых заготовок Ti/TiB. Перемешивание в указанных условиях в течение 15 мин не обеспечивает достаточной однородности конечной смеси. Увеличение времени перемешивания в мельнице до 2-4 часов уменьшает долю остаточного диборида в спеченных заготовках, но при этом значительно снижает пластичность композита и ведет к появлению в структуре трещин протяженностью 9±5 мкм. Оптимальная продолжительность перемешивания составляет 30-60 мин, т.к. большее время ведет к частичной механоактивации смеси и последующему охрупчиванию синтезированной заготовки, а уменьшение времени снижает однородность структуры.The mixing conditions of the initial mixture of Ti and TiB 2 powders are essential. The duration of mixing monotonously affects the quality of the resulting Ti / TiB preforms. Stirring under these conditions for 15 minutes does not provide sufficient uniformity of the final mixture. An increase in the mixing time in the mill up to 2-4 hours reduces the fraction of residual diboride in the sintered blanks, but it significantly reduces the ductility of the composite and leads to the appearance of cracks with a length of 9 ± 5 μm. The optimal duration of mixing is 30-60 minutes, because more time leads to partial mechanical activation of the mixture and subsequent embrittlement of the synthesized preform, and a decrease in time reduces the uniformity of the structure.

Оптимальное содержание TiB2 в исходной смеси составляет 10(вес)%, что соответствует 17(об.)% TiB в структуре композита Ti/TiB после синтеза [Huang, L.J. Effects of volume fraction on the microstructure and tensile properties of in situ TiBw/Ti6Al4V composites with novel network microstructure / L.J. Huang, L. Geng, B. Wang, L.Z. Wu // Mater. Design. 2013. V. 45. P. 532–538]. Выбранное количество армирующего компонента обеспечивает упрочняющий эффект, близкий к максимальному, дальнейшее же увеличение его количества не дает заметного прироста твердости, но приводит к резкому падению пластичности [Morsi, K. Processing and properties of titanium–titanium boride (TiBw) matrix composites — a review / K. Morsi, V.V. Patel // J. Mater. Sci. 42 (2007) 2037–2047].The optimal TiB 2 content in the initial mixture is 10 (weight)%, which corresponds to 17 (vol.)% TiB in the structure of the Ti / TiB composite after synthesis [Huang, LJ Effects of volume fraction on the microstructure and tensile properties of in situ TiBw / Ti6Al4V composites with novel network microstructure / LJ Huang, L. Geng, B. Wang, LZ Wu // Mater. Design 2013. V. 45. P. 532-538]. The selected amount of the reinforcing component provides a strengthening effect close to the maximum, while a further increase in its amount does not give a noticeable increase in hardness, but leads to a sharp decrease in ductility [Morsi, K. Processing and properties of titanium – titanium boride (TiBw) matrix composites - a review / K. Morsi, VV Patel // J. Mater. Sci. 42 (2007) 2037-2047].

Было установлено, что в ходе искрового спекания борид титана формируется в виде нитевидных кристаллов – волокон, прорастающих с границы между титаном и диборидом титана в зерна титана. Объемная доля TiB в структуре полученного композита по данным рентгеноструктурного анализа составляет 17,1%, а TiB2 - 2,9% в случае содержания в исходной смеси TiB2 10(вес) %. Пористость синтезированной заготовки в данном состоянии не превышает 1%. Достаточно полное преобразование диборида в борид титана зависит от содержания TiB2 в смеси и температуры спекания. Например, при 850°С содержание TiB2 более 10(вес)%. приводит к формированию ярко выраженной прослойки остаточного TiB2 между зернами титана, что негативно сказывается на механических свойствах композита, т.к. TiB2 не имеет хорошей связи с титановой матрицей, в отличие от образовавшегося в ходе синтеза TiB, и приводит к охрупчиванию композита. При повышении температуры синтеза до 900°С, наличие прослойки непрореагировавшего TiB2 наблюдается только в случае доли TiB2 в смеси 20% вес. При спекании при температурах 830 и 850°С, т.е. ниже температуры полиморфного превращения титана, равной 882°С, в структуре композита наблюдаются отдельные трещины длиной около 10 мкм и увеличение количества остаточного диборида титана до 5-15%, в зависимости от количества диборида в исходной смеси. Последний факт может увеличивать пористость до нескольких процентов из-за плохого сопряжения границ Ti/TiB и наличия пор по границам TiB2 и альфа титана. В ходе исследований определена оптимальная температура спекания, которая составляет от 900 до 1000°С. Самые высокие значения микротвердости композита показывает состояние после спекания при 1000°С. Увеличение времени синтеза до 30 мин позволяет обеспечить более полное прохождение реакции 2Ti+TiB2=Ti+2TiB и увеличивает количество прореагировавшего TiB2 примерно на 5%. Однако увеличение времени спекания приводит к росту зерен титановой матрицы. Более длительное время выдержки от 30 мин до 1 часа приводит к появлению трещин и огрублению структуры, а меньше 15 минут к недостаточно полному протеканию реакции. Использование давления больше 40 МПа в ходе искрового плазменного спекания аналогично повышению температуры синтеза, но позволяет использовать меньшее время выдержки и предотвратить укрупнение структуры. В то же время большие рабочие давления существенно сокращают время работы дорогостоящей графитовой оснастки. В результате оптимальными параметрами для проведения синтеза являются давление 40МПа, температура 1000°С и время выдержки при ИПС 15 мин.It was found that during spark sintering, titanium boride is formed in the form of whiskers - fibers, sprouting from the boundary between titanium and titanium diboride into titanium grains. The volume fraction of TiB in the structure of the obtained composite according to x-ray diffraction analysis is 17.1%, and TiB 2 is 2.9% if the initial mixture contains TiB 2 10 (weight)%. The porosity of the synthesized preform in this state does not exceed 1%. A sufficiently complete conversion of diboride to titanium boride depends on the TiB 2 content in the mixture and sintering temperature. For example, at 850 ° C the TiB 2 content is more than 10 (weight)%. leads to the formation of a pronounced layer of residual TiB 2 between the grains of titanium, which negatively affects the mechanical properties of the composite, because TiB 2 does not have a good bond with the titanium matrix, in contrast to that formed during the synthesis of TiB, and leads to embrittlement of the composite. With an increase in the synthesis temperature to 900 ° C, the presence of a layer of unreacted TiB 2 is observed only in the case of a proportion of TiB 2 in the mixture of 20 wt%. When sintering at temperatures of 830 and 850 ° C, i.e. below the temperature of the polymorphic transformation of titanium equal to 882 ° C, in the structure of the composite, individual cracks with a length of about 10 μm and an increase in the amount of residual titanium diboride up to 5-15%, depending on the amount of diboride in the initial mixture, are observed. The latter fact can increase porosity to several percent due to poor conjugation of the Ti / TiB boundaries and the presence of pores along the boundaries of TiB 2 and alpha titanium. In the course of research, the optimum sintering temperature was determined, which ranges from 900 to 1000 ° C. The highest values of the microhardness of the composite are shown by the state after sintering at 1000 ° C. An increase in the synthesis time to 30 min allows for a more complete reaction 2Ti + TiB 2 = Ti + 2TiB and increases the amount of reacted TiB 2 by about 5%. However, an increase in sintering time leads to the growth of grains of the titanium matrix. A longer exposure time from 30 minutes to 1 hour leads to cracking and coarsening of the structure, and less than 15 minutes to an insufficiently complete reaction. The use of a pressure of more than 40 MPa during spark plasma sintering is similar to an increase in the synthesis temperature, but it allows the use of a shorter holding time and to prevent coarsening of the structure. At the same time, large working pressures significantly reduce the operating time of expensive graphite tooling. As a result, the optimal parameters for the synthesis are a pressure of 40 MPa, a temperature of 1000 ° C, and a holding time of 15 minutes for IPS.

Оценка механических свойств образцов композита Ti/TiB после ИПС показывает во всех состояниях чрезвычайно низкую пластичность, не позволяющую оценить основные механические характеристики в ходе испытаний на растяжение. Образцы хрупко разрушаются, не достигая напряжения течения, т.е. пластическая деформация не более 0,1%. Измерение значений микротвердости показывает ее повышение с увеличением содержания TiB в образцах, синтезированных при температуре 1000°С и, наоборот, снижение микротвердости с увеличением TiB в образцах, полученных ниже температуры полиморфного превращения. Наиболее высокие значения микротвердости 686±39 HV или 59-60 HRC показывает состояние после ИПС при 1000°C. Также в этом случае в структуре обнаружено минимальное содержание остаточного TiB2.Evaluation of the mechanical properties of samples of the Ti / TiB composite after IPA shows in all states an extremely low ductility, which does not allow us to evaluate the basic mechanical characteristics during tensile tests. The samples are brittlely destroyed, not reaching the flow stress, i.e. plastic deformation of not more than 0.1%. Measurement of microhardness values shows its increase with increasing TiB content in samples synthesized at a temperature of 1000 ° C and, conversely, a decrease in microhardness with increasing TiB in samples obtained below the polymorphic transformation temperature. The highest microhardness values of 686 ± 39 HV or 59-60 HRC show the state after IPA at 1000 ° C. Also in this case, the minimum residual TiB 2 content was found in the structure.

Деформационно-термическая обработка образцов композита Ti/TiB путем листовой горячей прокатки на двухвалковом прокатном стане на накопленную степень деформации 50% при температурах от 900 до 1000°C с обжатием за один проход 200 мкм позволяет увеличить пластичность композиционного материала примерно до 5% при комнатной температуре. Это подтверждается проведенным исследованием механических свойств образцов композита, для чего после деформации вырезают плоский образец в направлении прокатки для испытаний на одноосное растяжение при повышенных температурах и прямоугольные образцы размером 4×4×6 мм для испытаний на одноосное сжатие при комнатной температуре. После испытаний на растяжение при 400°С образец композита в исходном состоянии показывает нулевую пластичность, тогда как образцы, прокатанные при температуре 900°С и 1000°С показывают 20 и 22% пластичности соответственно. После испытаний на сжатие при комнатной температуре пластичность образцов, подвергнутых прокатке при температуре 900 и 1000°С, достигает примерно 5%, тогда как в исходном, не подвергнутом деормации, состоянии образец композита разрушается в упругой области.The deformation-heat treatment of samples of the Ti / TiB composite by hot rolling on a two-roll rolling mill to an accumulated degree of deformation of 50% at temperatures from 900 to 1000 ° C with compression in one pass of 200 μm allows to increase the ductility of the composite material to about 5% at room temperature . This is confirmed by a study of the mechanical properties of composite samples, for which, after deformation, a flat sample is cut in the direction of rolling for uniaxial tensile tests at elevated temperatures and rectangular samples 4 × 4 × 6 mm in size are used for uniaxial compression tests at room temperature. After tensile tests at 400 ° C, the composite sample in the initial state shows zero ductility, while samples rolled at a temperature of 900 ° C and 1000 ° C show 20 and 22% ductility, respectively. After compression tests at room temperature, the ductility of the samples subjected to rolling at a temperature of 900 and 1000 ° C reaches about 5%, while in the initial, not subjected to deormation state, the composite sample is destroyed in the elastic region.

Таким образом, горячая прокатка оказывает значительное влияние на механические свойства композита Ti/TiB. Увеличение пластичности в результате прокатки также проявляется в смещении температуры хрупко-вязкого перехода композита Ti/TiB с ~500°C до ~300°C. Thus, hot rolling has a significant effect on the mechanical properties of the Ti / TiB composite. The increase in ductility as a result of rolling also manifests itself in a shift in the temperature of the brittle-viscous transition of the Ti / TiB composite from ~ 500 ° C to ~ 300 ° C.

Изобретение иллюстрируется следующими материалами:The invention is illustrated by the following materials:

Фиг. 1 – Изображения порошка титана (а) и порошка диборида титана (б), полученные посредством сканирующей электронной микроскопии (СЭМ).FIG. 1 - Images of titanium powder (a) and titanium diboride powder (b) obtained by scanning electron microscopy (SEM).

Фиг. 2 - Изображения микроструктуры композита Ti/TiB (а – сканирующая электронная микроскопия (СЭМ), б – просвечивающая электронная микроскопия ПЭМ.FIG. 2 - Images of the microstructure of the Ti / TiB composite (a - scanning electron microscopy (SEM), b - transmission electron microscopy TEM.

Фиг. 3 - Кривые напряжение-деформация, полученные при испытаниях на одноосную осадку при комнатной температуре образцов композита Ti/TiB в исходном состоянии и после прокатки.FIG. 3 - Stress-strain curves obtained during uniaxial precipitation tests at room temperature of Ti / TiB composite samples in the initial state and after rolling.

Возможность осуществления изобретения поясняется примерами, позволяющими оценить влияние различных параметров технологического процесса получения композита на структуру и свойства образцов Ti/TiB. The possibility of carrying out the invention is illustrated by examples to evaluate the influence of various parameters of the technological process of producing a composite on the structure and properties of Ti / TiB samples.

Пример 1.Example 1

Для проведения исследований используют порошок титана со средним размером частиц 25±10 мкм и диборида титана, средний размер частиц которого равен 4±1,5 мкм. Весовая доля диборида титана в исходной смеси составляет 5%. Масса навески составляет 100 г. Перемешивание порошков осуществляют в дисковой вибрационной мельнице при частоте вращения ротора 700 об/мин в течение 30 мин в среде этилового спирта. Синтез композита Ti/TiB осуществляют технологией искрового плазменного спекания (ИПС) на установке Thermal Technology SPS10-3 при температуре 850°C с давлением 40 МПа и временем выдержки 5 мин.For research using titanium powder with an average particle size of 25 ± 10 μm and titanium diboride, the average particle size of which is 4 ± 1.5 μm. The weight fraction of titanium diboride in the initial mixture is 5%. The weight of the sample is 100 g. The mixing of the powders is carried out in a disk vibration mill at a rotor speed of 700 rpm for 30 minutes in ethanol. The Ti / TiB composite is synthesized by spark plasma sintering (IPS) technology at the Thermal Technology SPS10-3 unit at a temperature of 850 ° C with a pressure of 40 MPa and a holding time of 5 min.

Значение микротвердости 510±30 HV.The microhardness value is 510 ± 30 HV.

Пример 2.Example 2

Для проведения исследований используют порошок титана со средним размером частиц 25±10 мкм и диборида титана, средний размер частиц которого равен 4±1,5 мкм. Весовая доля диборида титана в исходной смеси составляет 10%. Масса навески составляет 100 г. Перемешивание порошков осуществляют в дисковой вибрационной мельнице при частоте вращения ротора 700 об/мин в течение 40 мин в среде этилового спирта. Синтез композита Ti/TiB осуществляют технологией искрового плазменного спекания (ИПС) на установке Thermal Technology SPS10-3 при температуре 850°C с давлением 40 МПа и временем выдержки 5 мин.For research using titanium powder with an average particle size of 25 ± 10 μm and titanium diboride, the average particle size of which is 4 ± 1.5 μm. The weight fraction of titanium diboride in the initial mixture is 10%. The weight of the sample is 100 g. The mixing of the powders is carried out in a disk vibration mill at a rotor speed of 700 rpm for 40 minutes in ethanol. The Ti / TiB composite is synthesized using spark plasma sintering (IPS) technology at the Thermal Technology SPS10-3 unit at a temperature of 850 ° C with a pressure of 40 MPa and a holding time of 5 min.

Значение микротвердости 580±30 HV. Данный пример показывает, что увеличение содержания в смеси TiB2 до 10% позволяет получить прирост микротвердости на 15% по сравнению с содержанием TiB2 5%.The microhardness value is 580 ± 30 HV. This example shows that an increase in the content of TiB 2 in the mixture to 10% allows to obtain an increase in microhardness by 15% compared with the content of TiB 2 5%.

Пример 3.Example 3

Для проведения исследований используют порошок титана со средним размером частиц 25±10 мкм и диборида титана, средний размер частиц которого равен 4±1,5 мкм. Весовая доля диборида титана в исходной смеси составляет 10%. Масса навески составляет 100 г. Перемешивание порошков осуществляют в дисковой вибрационной мельнице при частоте вращения ротора 700 об/мин в течение 50 мин в среде этилового спирта. Для предотвращения нагрева смеси в ходе перемешивания размольный стакан охлаждают жидким азотом (Т=-196°С). Синтез композита Ti/TiB осуществляют технологией искрового плазменного спекания (ИПС) на установке Thermal Technology SPS10-3 при температуре 1000°C с давлением 40 МПа и временем выдержки 5 мин.For research using titanium powder with an average particle size of 25 ± 10 μm and titanium diboride, the average particle size of which is 4 ± 1.5 μm. The weight fraction of titanium diboride in the initial mixture is 10%. The weight of the sample is 100 g. The mixing of the powders is carried out in a disk vibratory mill at a rotor speed of 700 rpm for 50 min in ethanol. To prevent heating of the mixture during mixing, the grinding bowl is cooled with liquid nitrogen (T = -196 ° C). The Ti / TiB composite is synthesized using spark plasma sintering (IPS) technology at the Thermal Technology SPS10-3 unit at a temperature of 1000 ° C with a pressure of 40 MPa and a holding time of 5 min.

Значение микротвердости 640±30 HV. Данный пример показывает, что увеличение температуры синтеза до 1000°C позволяет получить прирост микротвердости на 10% по сравнению с состоянием после проведения ИПС при 850°C.The microhardness value is 640 ± 30 HV. This example shows that an increase in the synthesis temperature to 1000 ° C allows one to obtain an increase in microhardness by 10% compared with the state after IPA at 850 ° C.

Пример 4.Example 4

Для проведения исследований используют порошок титана со средним размером частиц 25±10 мкм и диборида титана, средний размер частиц которого равен 4±1,5 мкм. Весовая доля диборида титана в исходной смеси составляет 10%. Масса навески составляет 100 г. Перемешивание порошков осуществляют в дисковой вибрационной мельнице при частоте вращения ротора 700 об/мин в течение 60 мин в среде этилового спирта. Для предотвращения нагрева смеси в ходе перемешивания размольный стакан охлаждают жидким азотом (Т=-196°С). Синтез композита Ti/TiB осуществляют технологией искрового плазменного спекания (ИПС) на установке Thermal Technology SPS10-3 при температуре 1000°C с давлением 40 МПа и временем выдержки 15 мин.For research using titanium powder with an average particle size of 25 ± 10 μm and titanium diboride, the average particle size of which is 4 ± 1.5 μm. The weight fraction of titanium diboride in the initial mixture is 10%. The weight of the sample is 100 g. The mixing of the powders is carried out in a disk vibration mill at a rotor speed of 700 rpm for 60 minutes in ethanol. To prevent heating of the mixture during mixing, the grinding bowl is cooled with liquid nitrogen (T = -196 ° C). The Ti / TiB composite is synthesized by spark plasma sintering (IPS) technology on a Thermal Technology SPS10-3 unit at a temperature of 1000 ° C with a pressure of 40 MPa and a holding time of 15 min.

Значение микротвердости 686±39 HV ИЛИ 59-60 HRC. Данный пример показывает, что увеличение времени выдержки в ходе ИПС до 15 мин. обеспечивает твердость, которая позволяет подвергать материал заточке и производить режущий инструмент. Также в структуре данного состояния обнаружено минимальное содержание остаточного TiB2, который не имеет хорошей связи с титановой матрицей, и приводит к охрупчиванию композита.The microhardness value is 686 ± 39 HV OR 59-60 HRC. This example shows that the increase in exposure time during the IPA to 15 minutes provides hardness that allows you to sharpen the material and produce a cutting tool. Also in the structure of this state, the minimum content of residual TiB 2 was found , which does not have a good bond with the titanium matrix, and leads to embrittlement of the composite.

Пример 5.Example 5

Для проведения исследований используют порошок титана со средним размером частиц 25±10 мкм и диборида титана, средний размер частиц которого равен 4±1,5 мкм. Весовая доля диборида титана в исходной смеси составляет 10%. Масса навески составляет 100 г. Перемешивание порошков осуществляют в дисковой вибрационной мельнице при частоте вращения ротора 700 об/мин в течение 2-х часов в среде этилового спирта. Для предотвращения нагрева смеси в ходе перемешивания размольный стакан охлаждают жидким азотом (Т=-196°С). Синтез композита Ti/TiB осуществляют технологией искрового плазменного спекания (ИПС) на установке Thermal Technology SPS10-3 при температуре 1000°C с давлением 40 МПа и временем выдержки 15 мин.For research using titanium powder with an average particle size of 25 ± 10 μm and titanium diboride, the average particle size of which is 4 ± 1.5 μm. The weight fraction of titanium diboride in the initial mixture is 10%. The weight of the sample is 100 g. The mixing of the powders is carried out in a disk vibratory mill at a rotor speed of 700 rpm for 2 hours in ethanol. To prevent heating of the mixture during mixing, the grinding bowl is cooled with liquid nitrogen (T = -196 ° C). The Ti / TiB composite is synthesized by spark plasma sintering (IPS) technology on a Thermal Technology SPS10-3 unit at a temperature of 1000 ° C with a pressure of 40 MPa and a holding time of 15 min.

Значение микротвердости 696±39 HV (61-62 HRC). Установлено, что повышение времени перемешивания приводит к охрупчиванию композита и появлению трещин.The microhardness value is 696 ± 39 HV (61-62 HRC). It was found that increasing the mixing time leads to embrittlement of the composite and the appearance of cracks.

Пример 6.Example 6

Для проведения исследований используют порошок титана со средним размером частиц 25±10 мкм и диборида титана, средний размер частиц которого равен 4±1,5 мкм. Весовая доля диборида титана в исходной смеси составляет 10%. Масса навески составляет 100 г. Перемешивание порошков осуществляют в дисковой вибрационной мельнице при частоте вращения ротора 700 об/мин в течение 30 мин в среде этилового спирта. Синтез композита Ti/TiB осуществляют технологией искрового плазменного спекания (ИПС) на установке Thermal Technology SPS10-3 при температуре 1000°C с давлением 40 МПа и временем выдержки 15 мин.For research using titanium powder with an average particle size of 25 ± 10 μm and titanium diboride, the average particle size of which is 4 ± 1.5 μm. The weight fraction of titanium diboride in the initial mixture is 10%. The weight of the sample is 100 g. The mixing of the powders is carried out in a disk vibration mill at a rotor speed of 700 rpm for 30 minutes in ethanol. The Ti / TiB composite is synthesized by spark plasma sintering (IPS) technology on a Thermal Technology SPS10-3 unit at a temperature of 1000 ° C with a pressure of 40 MPa and a holding time of 15 min.

Значение микротвердости 686±39 HV или 59-60 HRC. Полученное значение микротвердости композита эквивалентно твердости примерно 60 HRC, что, в свою очередь, близко к твердости закаленной стали (55-60 HRC), используемой для изготовления режущего инструмента. The microhardness value is 686 ± 39 HV or 59-60 HRC. The obtained microhardness of the composite is equivalent to a hardness of about 60 HRC, which, in turn, is close to the hardness of hardened steel (55-60 HRC) used to make the cutting tool.

Пример 7.Example 7

Далее образцы, полученные по примеру 4, подвергают листовой прокатке на двухвалковом прокатном стане Hankook M-TechIndustries на накопленную степень деформации 50% при температуре 900°C с обжатием на один проход 200 мкм. Перед каждым проходом образец нагревают в муфельной печи фирмы Nabertherm до требуемой температуры, контроль температуры осуществляют инфракрасным пирометром. Для исследования механических свойств композита после прокатки вырезают плоский образец в направлении прокатки для испытаний на одноосное растяжение при повышенных температурах. Значение микротвердости составляет 680±40 HV или 60±2 HRC. Увеличение пластичности в результате прокатки проявляется в смещении температуры хрупко-вязкого перехода композита Ti/TiB с 500°C до 300°C. Также после испытаний на сжатие при комнатной температуре пластичность образцов, подвергнутых прокатке при 900°С достигает ~5%, тогда как в исходном состоянии образец композита разрушается в упругой области.Next, the samples obtained in example 4, are subjected to sheet rolling on a two-roll mill Hankook M-TechIndustries for the accumulated degree of deformation of 50% at a temperature of 900 ° C with compression in one pass of 200 microns. Before each pass, the sample is heated in a Nabertherm muffle furnace to the required temperature; the temperature is controlled by an infrared pyrometer. To study the mechanical properties of the composite, a flat sample is cut out after rolling in the direction of rolling for uniaxial tensile testing at elevated temperatures. The microhardness value is 680 ± 40 HV or 60 ± 2 HRC. The increase in ductility as a result of rolling manifests itself in a shift in the temperature of the brittle-viscous transition of the Ti / TiB composite from 500 ° C to 300 ° C. Also, after compression tests at room temperature, the plasticity of the samples subjected to rolling at 900 ° C reaches ~ 5%, while in the initial state, the composite sample is destroyed in the elastic region.

Пример 8.Example 8

Далее образцы, полученные по примеру 6, подвергают листовой прокатке на двухвалковом прокатном стане Hankook M-TechIndustries на накопленную степень деформации 50% при температуре 1000°C с обжатием на один проход 200 мкм. Перед каждым проходом образец нагревают в муфельной печи фирмы Nabertherm до требуемой температуры, контроль температуры осуществляют инфракрасным пирометром. Для исследования механических свойств композита после прокатки вырезают плоский образец в направлении прокатки для испытаний на одноосное растяжение при повышенных температурах. Значение микротвердости составляет 680±40 HV или 60±2 HRC. Увеличение пластичности в результате прокатки проявляется в смещении температуры хрупко-вязкого перехода композита Ti/TiB с 500°C до 300°C. Также после испытаний на сжатие при комнатной температуре пластичность образцов, подвергнутых прокатке при 1000°С достигает ~5%, тогда как в исходном состоянии образец композита разрушается в упругой области.Next, the samples obtained in example 6, are subjected to sheet rolling on a two-roll mill Hankook M-TechIndustries for the accumulated degree of deformation of 50% at a temperature of 1000 ° C with compression in one pass of 200 microns. Before each pass, the sample is heated in a Nabertherm muffle furnace to the required temperature; the temperature is controlled by an infrared pyrometer. To study the mechanical properties of the composite, a flat sample is cut out after rolling in the direction of rolling for uniaxial tensile testing at elevated temperatures. The microhardness value is 680 ± 40 HV or 60 ± 2 HRC. The increase in ductility as a result of rolling manifests itself in a shift in the temperature of the brittle-viscous transition of the Ti / TiB composite from 500 ° C to 300 ° C. Also, after compression tests at room temperature, the plasticity of the samples subjected to rolling at 1000 ° C reaches ~ 5%, whereas in the initial state, the composite sample is destroyed in the elastic region.

Из этого следует, что композит Ti/TiB может рассматриваться как перспективный материал для производства режущего инструмента, в том числе медицинского назначения, работающего в особых условиях, например, в агрессивных средах, в магнитном поле.From this it follows that the Ti / TiB composite can be considered as a promising material for the production of cutting tools, including medical supplies, operating under special conditions, for example, in aggressive environments, in a magnetic field.

Claims (1)

Способ получения композиционного материала Ti/TiB, включающий перемешивание порошка титана со средним размером частиц 25±10 мкм и порошка диборида титана, средний размер частиц которого равен 4±1,5 мкм, в дисковой вибрационной мельнице при частоте вращения ротора 700 об/мин в течение 60 минут в среде этилового спирта с охлаждением, и последующий синтез композиционного материала путем искрового плазменного спекания при температуре 1000°C, давлении 40 МПа, в течение 15 мин, отличающийся тем, что перемешивание порошков титана и диборида титана проводят в течение 30-60 минут, при этом при перемешивании в течение 50-60 минут размольную гарнитуру охлаждают жидким азотом, причем полученные после искрового плазменного спекания заготовки синтезированного композиционного материала подвергают деформационно-термической обработке путем горячей листовой прокатки на двухвалковом прокатном стане на накопленную степень деформации 50% с обжатием на один проход 200 мкм при температуре от 900 до 1000°C. A method of obtaining a composite material Ti / TiB, comprising mixing titanium powder with an average particle size of 25 ± 10 μm and titanium diboride powder, the average particle size of which is 4 ± 1.5 μm, in a disk vibratory mill at a rotor speed of 700 rpm for 60 minutes in ethanol with cooling, and subsequent synthesis of the composite material by spark plasma sintering at a temperature of 1000 ° C, a pressure of 40 MPa, for 15 minutes, characterized in that the mixing of titanium powders and titanium diboride is carried out for 30-60 minutes, while stirring for 50-60 minutes, the grinding set is cooled with liquid nitrogen, and the obtained after synthesized plasma sintering of the synthesized composite material blanks is subjected to heat-deformation processing by hot sheet rolling on a two-roll rolling mill for the accumulated degree of deformation 50% with compression in one pass of 200 microns at a temperature of from 900 to 1000 ° C.
RU2019126383A 2019-08-21 2019-08-21 METHOD OF PRODUCING COMPOSITE MATERIAL Ti/TiB RU2711699C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019126383A RU2711699C1 (en) 2019-08-21 2019-08-21 METHOD OF PRODUCING COMPOSITE MATERIAL Ti/TiB

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019126383A RU2711699C1 (en) 2019-08-21 2019-08-21 METHOD OF PRODUCING COMPOSITE MATERIAL Ti/TiB

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2711699C1 true RU2711699C1 (en) 2020-01-21

Family

ID=69184047

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019126383A RU2711699C1 (en) 2019-08-21 2019-08-21 METHOD OF PRODUCING COMPOSITE MATERIAL Ti/TiB

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2711699C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2733775C1 (en) * 2020-04-30 2020-10-06 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет" (НИУ "БелГУ") Method of producing composite material ti-15mo/tib with improved plastic characteristics
RU2791259C1 (en) * 2021-12-14 2023-03-06 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов "Прометей" имени И.В. Горынина Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" (НИЦ "Курчатовский институт" - ЦНИИ КМ "Прометей") METHOD FOR GAS-THERMAL SPRAYING OF WEAR-RESISTANT COATINGS BASED ON Ti/TiB2 SYSTEM

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2228238C1 (en) * 2003-03-24 2004-05-10 Томский научный центр СО РАН Method for making composite products on base of borides and carbides of metals of iv-vi, viii groups
US20100040500A1 (en) * 2007-12-13 2010-02-18 Gm Global Technology Operations, Inc. METHOD OF MAKING TITANIUM ALLOY BASED AND TiB REINFORCED COMPOSITE PARTS BY POWDER METALLURGY PROCESS
US20110293461A1 (en) * 2007-08-07 2011-12-01 Adma Products, Inc. High-strength discontinuosly-reinforced titanium matrix composites and method for manufacturing the same
RU2492256C9 (en) * 2012-05-16 2013-12-10 Сергей Валерьевич Панин Pure titanium-based nanostructured composite and method of its production
CN107460369A (en) * 2016-06-02 2017-12-12 钏机科技有限公司 Titanium matrix composite and its manufacture method

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2228238C1 (en) * 2003-03-24 2004-05-10 Томский научный центр СО РАН Method for making composite products on base of borides and carbides of metals of iv-vi, viii groups
US20110293461A1 (en) * 2007-08-07 2011-12-01 Adma Products, Inc. High-strength discontinuosly-reinforced titanium matrix composites and method for manufacturing the same
US20100040500A1 (en) * 2007-12-13 2010-02-18 Gm Global Technology Operations, Inc. METHOD OF MAKING TITANIUM ALLOY BASED AND TiB REINFORCED COMPOSITE PARTS BY POWDER METALLURGY PROCESS
RU2492256C9 (en) * 2012-05-16 2013-12-10 Сергей Валерьевич Панин Pure titanium-based nanostructured composite and method of its production
CN107460369A (en) * 2016-06-02 2017-12-12 钏机科技有限公司 Titanium matrix composite and its manufacture method

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
OZEROV M. и др. Deformation behavior and microstructure evolution of a Ti/TiB metal-matrix composite during high-temperature compression tests, Materials & Design, v. 112, 2016, p.17-26. *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2733775C1 (en) * 2020-04-30 2020-10-06 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет" (НИУ "БелГУ") Method of producing composite material ti-15mo/tib with improved plastic characteristics
RU2791259C1 (en) * 2021-12-14 2023-03-06 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов "Прометей" имени И.В. Горынина Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" (НИЦ "Курчатовский институт" - ЦНИИ КМ "Прометей") METHOD FOR GAS-THERMAL SPRAYING OF WEAR-RESISTANT COATINGS BASED ON Ti/TiB2 SYSTEM

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Feng et al. Microstructure and mechanical properties of in situ TiB reinforced titanium matrix composites based on Ti–FeMo–B prepared by spark plasma sintering
JP3709200B2 (en) High-density fine refractory metal or solid solution (mixed metal) carbide ceramic
US5271749A (en) Synthesis of polycrystalline cubic boron nitride
US7501081B2 (en) Nanostructured titanium monoboride monolithic material and associated methods
Feng et al. Spark plasma sintering reaction synthesized TiB reinforced titanium matrix composites
AU2009237260A1 (en) Super-hard enhanced hard-metals
Chaudhari et al. Microstructure and mechanical properties of titanium processed by spark plasma sintering (SPS)
JPS61250123A (en) Compressed article prepared from heat-treated amorphous lumpy parts
Dong et al. Cost-affordable, high-performance Ti–TiB composite for selective laser melting additive manufacturing
US20040079191A1 (en) Hard alloy and W-based composite carbide powder used as starting material
Chaudhari et al. Reaction mechanism, microstructure and properties of Ti–TiB insitu composite processed by spark plasma sintering
WO2012124661A1 (en) Titanium-magnesium material having high strength and low elasticity
Wang et al. Tailoring bimodal structure for high strength and ductility in pure titanium manufactured via laser powder bed fusion
JP2539712B2 (en) Nitride powder
RU2711699C1 (en) METHOD OF PRODUCING COMPOSITE MATERIAL Ti/TiB
RU2492256C9 (en) Pure titanium-based nanostructured composite and method of its production
XU et al. Microstructure and mechanical properties of Ti–43Al–9V alloy fabricated by spark plasma sintering
RU2733775C1 (en) Method of producing composite material ti-15mo/tib with improved plastic characteristics
Oke et al. Effect of ZrO2 addition on densification and properties of Spark plasma sintered Ti6Al4V-Ni
JP2004142993A (en) Hexagonal composite carbide, and production method therefor
Akinwamide et al. Microstructural and corrosion resistance study of sintered Al-tin in sodium chloride solution
JP2007261830A (en) Tic base ti-si-c-based composite ceramic and method of manufacturing the same
JPWO2017170964A1 (en) Medical calcium-based metallic glass alloy molded body and method for producing the same
JP2006089351A (en) WC-SiC-BASED COMPOSITE WITH HIGH HARDNESS, HIGH YOUNG'S MODULUS AND HIGH FRACTURE TOUGHNESS VALUE, AND ITS MANUFACTURING METHOD
JP3793813B2 (en) High strength titanium alloy and method for producing the same