RU2814924C1 - Металломатричный композит на основе жаропрочного титанового сплава - Google Patents

Металломатричный композит на основе жаропрочного титанового сплава Download PDF

Info

Publication number
RU2814924C1
RU2814924C1 RU2023123069A RU2023123069A RU2814924C1 RU 2814924 C1 RU2814924 C1 RU 2814924C1 RU 2023123069 A RU2023123069 A RU 2023123069A RU 2023123069 A RU2023123069 A RU 2023123069A RU 2814924 C1 RU2814924 C1 RU 2814924C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
tib
composite
titanium
heat
matrix
Prior art date
Application number
RU2023123069A
Other languages
English (en)
Inventor
Максим Сергеевич Озеров
Виталий Сергеевич Соколовский
Илья Иванович Астахов
Никита Дмитриевич Степанов
Сергей Валерьевич Жеребцов
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет" (НИУ "БелГУ")
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")
Application granted granted Critical
Publication of RU2814924C1 publication Critical patent/RU2814924C1/ru

Links

Abstract

Изобретение относится к металлургии, а именно к металломатричному композиту на основе жаропрочного титанового сплава, и может быть использовано в авиации при изготовлении деталей авиационных двигателей. Металломатричный композит Ti-6,5Al-2Zr-1Mo-1V/TiB2 содержит матрицу из жаропрочного титанового сплава, ат.%: титан 89,5, аллюминий 6,5, цирконий 2,0, молибден 1,0, ванадий 1,0, и армирующий компонент TiB2 в количестве 2-3 вес.%, при этом композит получен путем вакуумно-дугового переплава титана, алюминия, циркония, молибдена, ванадия с добавлением порошка TiB2 со средним размером частиц 4 мкм. Материал характеризуется высокими показателями прочности и пластичности при комнатной и повышенных температурах. 2 ил., 2 табл., 2 пр.

Description

Изобретение относится к области металлургии, в частности к получению композиционных материалов с металлической матрицей, армированными высокопрочными соединениями диборида титана. Предполагается, что такие композиты найдут применение в авиации при изготовлении деталей авиационных двигателей за счет хорошего сочетания прочности при комнатной и повышенной температурах, пластичности и жаростойкости.
Титановые сплавы занимают особое место в авиации и кораблестроении, благодаря высоким значениям удельной прочности, технологической пластичности и коррозионной стойкости. Титановые сплавы могут также использоваться при повышенных температурах, например в компрессорах турбин авиационных двигателей, однако максимальная температура их эксплуатации не превышает 550-600 °С из-за заметного падения прочности при этих температурах [Ильченко В.М., Шарин Р.Е. Титановые сплавы для авиационных газотурбинных двигателей. Титан. (ВИЛС). М.: ВИЛС, 1995. № 1-2 (5-6). С. 25]. Поэтому вопрос повышения высокотемпературной (главным образом до ~ 600 °C) прочности титановых сплавов является актуальным, поскольку это позволило бы значительно расширить область применения этих материалов, частично заместив более тяжелые стали и никелевые сплавы.
Согласно известным представлениям о возможности создания сплавов с повышенной жаропрочностью, в альфа и псевдо-альфа титановых сплавах, помимо твердорастворного упрочнения, может быть реализован перспективный подход, заключающийся в создании композитов посредством введения упрочняющих жаропрочных фаз в пластичную металлическую матрицу. Наилучшим выбором представляется использование в качестве упрочнителя частиц TiB, которые хорошо сопрягаются с титановой матрицей без формирования переходной области и имеют близкий коэффициент термического расширения, а также обладают хорошей термической стабильностью. Ранее выполненные исследования показали положительный эффект упрочняющих частиц борида на высокотемпературные свойства литых титановых сплавов с однофазной альфа структурой [L.J. Huang, L. Geng, H.X. Peng, B. Kaveendran. High temperature tensile properties of in situ TiBw/Ti6Al4V composites with a novel network reinforcement architecture, Materials Science and Engineering A 534 (2012) 688-692]. Поскольку при кристаллизации бориды обычно образуют довольно крупные игольчатые выделения, которые могут приводить к снижению пластичности и трещиностойкости, были также выполнены исследования влияния деформационной обработки на жаропрочность. Полученные результаты однозначно свидетельствуют, что свойства металл-матричных композитов во многом определяются морфологией упрочнителей и их распределением в матрице.
На данный момент известны способы получения композиционных материалов с металлической матрицей, а также известно несколько вариаций композиционных материалов, наиболее близких по химическому составу к заявленному композиту.
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.
Композиты Ti6Al4V (TiBw/Ti64), армированные нитевидными кристаллами TiB, с новой архитектурой сетчатого армирования были разработаны [L.J. Huang, L. Geng, H.X. Peng, B. Kaveendran. High temperature tensile properties of in situ TiBw/Ti6Al4V composites with a novel network reinforcement architecture, Materials Science and Engineering A 534 (2012) 688-692]. Показано, что при 500 °C прочность на разрыв спеченных композитов TiBw/Ti64 с содержанием 5 об.%, 8,5 об.% и 12 об.% увеличилась на 36,9%, 40,5% и 44,8% по сравнению с прочностью монолитного сплава Ti64. При этом удлинение при растяжении составляет около 10% при 500 °С и 20% при 700 °С. Максимальная температура эксплуатации композитов TiBw/Ti64 может быть увеличена до 600 °C при сохранении прочности монолитного сплава Ti64 на уровне 400 °C. Это связано с механизмом усиления границ сети, что выясняется с помощью фрактографического анализа свойств микроструктуры.
В работе [Shuai Wang, JiaYi Jin, WenQi Liu, Qi An, Rui Zhang, LuJun Huang, Jian Xiong, Lin Geng. High temperature performance of TiB/(Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V-0.5Si) composites affected by the TiB architecture, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing Volume 174, November 2023, 107735] в качестве монолитного матричного сплава был выбран широко используемый жаропрочный титановый сплав Ti-6,5Al-2Zr-1Mo-1V (ТА15). Данный источник выбран за прототип. Были разработаны три типа композитов Ti-6,5Al-2Zr-1Mo-1V-0,5Si (ТА15+Si) с TiB, ТА15+TiB+Si c TiB с и TiB/(TA15+TiB+Si) c TiB (TA15 - англоязычная аббревиатура сплава Ti-6,5Al-2Zr-1Mo-1V). В настоящем исследовании использовались волокна TiB как лучшее керамическое армирование в ММК, а распределение и объемная доля TiB регулировались. Кроме того, Si также использовался для улучшения характеристик при высоких температурах. Для индивидуального распределения TiB использовались сферические порошки ТА 15 и предварительно легированные порошки ТА 15+TiB (с различной объемной долей TiB). Сырьем армирования служили частицы TiB2 и частицы Si. Предварительно легированные порошки ТА15+TiB были получены методом плазменного вращающегося электрода. Были приготовлены порошки с различной объемной долей TiB - композиционные порошки ТА15+1 o6.%TiB и ТА15+2 o6.%TiB. Недостатком данного способа являются недостаточно высокие прочностные свойства при комнатной температуре - значение предела текучести не превышает 1000 МПа, а также недостаточно высокие прочностные свойства при повышенных температурах для всех вариаций композитов
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей изобретения является получение металломатричного композита на основе жаропрочного титанового сплава состава Ti-6,5Al-2Zr-1Mo-1V, упрочненного частицами диборида титана (TiB2), с высокими показателями прочности и пластичности при комнатной и повышенных температурах. Технический результат изобретения заключается в получении композита Ti-6,5Al-2Zr-1Mo-1V/TiB2 с высокими показателями предела текучести 1020-1100 МПа и пластичностью 10-16% при комнатной температуре в зависимости от содержания армирующего компонента TiB2 в интервале 2-3 вес.%, а также высокими значениями предела текучести композитов при повышенных температурах.
Задача изобретения решается предложенным металломатричным композитом Ti-6,5Al-2Zr-1Mo-1V/TiB2, содержащим матрицу из жаропрочного титанового сплава Ti-6,5Al-2Zr-1Mo-1V, и армирующий компонент TiB2, полученным путем вакуумно-дугового переплава титана, алюминия, циркония, молибдена, ванадия с добавлением TiB2 со средним размером частиц 4 мкм, при этом матричный сплав содержит, ат.%: титана 89,5, аллюминия 6,5, циркония 2,0 , молибдена 1,0, ванадия 1,0, а металломатричный композит содержит 2-3 масс. % TiB2.
Отличительной особенностью предложенного композита является его химический состав, который не имеет аналогов. Пластичная матрица с высокими прочностными характеристиками на основе сплава Ti-6,5Al-2Zr-1Mo-1V из высокочистых элементов обеспечивает высокий баланс свойств. Неожиданно было установлено, что введение в состав матрицы высокотвердого армирующего компонента TiB2 в количестве 2-3 вес.% от массы матрицы значительно повышает прочностные свойства композита при комнатной и повышенных температурах. Новизна и изобретательский уровень предложенного изобретения заключается в легировании уже известной матрицы Ti-6,5Al-2Zr-1Mo-1V армирующим компонентом TiB2 в количестве 2-3 вес.%. Чистота элементов, используемых при получении заявленного композита Ti-6,5Al-2Zr-1Mo-1V/TiB2, приведена в таблице 1.
Таблица 1 - Чистота элементов, используемых при получении заявленного композита Ti-6,5Al-2Zr-1Mo-1V/TiB2.
Изобретение иллюстрируется следующими материалами:
Фиг, 1 - Изображение микроструктуры композита Ti-6,5Al-2Zr-1Mo-1V/TiB2 с добавлением TiB2 в количестве 3 вес.%, (а) - сканирующая электронная микроскопия, полированная поверхность, (б) - сканирующая электронная микроскопия, травленая поверхность
Фиг. 2 - Кривые напряжение-деформация, полученные при испытаниях композита Ti-6,5Al-2Zr-1Mo-1V/TiB2 с добавлением TiB2 в количестве 3 вес.% на сжатие при комнатной и повышенных температурах.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В качестве исходных материалов использовали высокочистые элементы в следующем процентном отношении, ат.%: титана 89,5, алюминия 6,5, циркония 2, молибдена 1, ванадия 1 (таблица 1). Армирующий компонент диборид титана высокой чистоты со средним размером частиц 4 мкм добавляли в уже готовый сплав Ti-6,5Al-2Zr-1Mo-1V в виде порошка в количестве 2-3 вес.% от массы сплава. Далее проводили процесс вакуумнодугового переплава с использованием установки Buehler Arc Melter 200 при рабочей температуре 3500°С в течение 60 минут для получения литого металломатричного композита Ti-6,5Al-2Zr-1Mo-1V/TiB2. Полученные слитки переплавляли 5 раз для получения однородного распределения химических элементов по объему заготовки. В итоге слитки имели массу 50 г, пор или каких-либо других дефектов в структуре слитков на макроуровне обнаружено не было.
Механические испытания на сжатие при комнатной и повышенных температурах полученных композитов проводили с использованием напольной сервогидравлической испытательной машины Instron 5882. Исследования микроструктуры сплавов проводили с использованием растрового (сканирующего) электронного микроскопа FEI Quanta 600 FEG.
Возможность осуществления изобретения поясняется примерами процесса получения композитов с высокими значениями прочности при комнатной и повышенных температурах.
Пример 1.
Для проведения исследований используют чистые элементы в следующем процентном отношении, ат.%: титан 89,5, алюминий 6,5, цирконий 2,0, молибден 1,0, ванадий 1,0 и дополнительно к готовому сплаву добавляют порошок диборида титана со средним размером частиц 4 мкм в количестве 2 вес.% от массы сплава. Далее проводят процесс вакуумнодугового переплава на установке Buehler Arc Melter 200 в среде чистого аргона при рабочей температуре 3500°С в течение 60 минут.
Значение предела текучести полученного композита Ti-6,5Al-2Zr-1Mo-1V/TiB2 при комнатной температуре составляет 1020 МПа, пластичность 16%. Значения предела текучести при повышенных температурах деформации составили: 700 МПа для 400°С, 570 МПа для 600°С, 230 МПа для 800°С, 82 МПа для 900°С, 60 МПа для 950°С и представлены в таблице 2.
Пример 2.
Для проведения исследований используют чистые элементы в следующем процентном отношении, ат.%: титан 89,5, алюминий 6,5, цирконий 2,0, молибден 1,0, ванадий 1,0 и дополнительно к готовому сплаву добавляют порошок диборида титана со средним размером частиц 4 мкм в количестве 3 вес.%. Далее проводят процесс вакуумно-дугового переплава на установке Buehler Arc Melter 200 в среде чистого аргона при рабочей температуре 3500°С в течение 60 минут.
Значение предела текучести полученного композита Ti-6,5Al-2Zr-1Mo-1V/TiB2 при комнатной температуре составляет 1100 МПа, пластичность 10%. Значения предела текучести при повышенных температурах деформации составили: 750 МПа для 400°С, 620 МПа для 600°С, 250 МПа для 800°С, 110 МПа для 900°С, 70 МПа для 950°С и представлены в таблице 2.
Таблица 2 - Значения предела текучести для композитов при повышенных температурах.
Таким образом, поставленная задача достигнута. Полученный металломатричный композит Ti-6,5Al-2Zr-1Mo-1V/TiB2 имеет высокие показатели прочности и пластичности при комнатной и повышенных температурах.

Claims (1)

  1. Металломатричный композит Ti-6,5Al-2Zr-1Mo-1V/TiB2, содержащий матрицу из жаропрочного титанового сплава, ат.%: титан 89,5, аллюминий 6,5, цирконий 2,0, молибден 1,0, ванадий 1,0, и армирующий компонент TiB2 в количестве 2-3 вес.%, при этом композит получен путем вакуумно-дугового переплава титана, алюминия, циркония, молибдена, ванадия с добавлением порошка TiB2 со средним размером частиц 4 мкм.
RU2023123069A 2023-09-05 Металломатричный композит на основе жаропрочного титанового сплава RU2814924C1 (ru)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2814924C1 true RU2814924C1 (ru) 2024-03-06

Family

ID=

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1998024575A1 (en) * 1996-12-06 1998-06-11 Dynamet Technology P/m titanium composite casting
CN101333607B (zh) * 2008-07-31 2010-06-23 哈尔滨工业大学 TiBw/Ti合金基复合材料的制备方法
RU2492256C9 (ru) * 2012-05-16 2013-12-10 Сергей Валерьевич Панин Наноструктурный композиционный материал на основе чистого титана и способ его получения
CN102925737B (zh) * 2012-10-25 2014-11-26 北京航空航天大学 一种纳米TiB2颗粒增强金属基复合材料及其制备方法
CN109338159B (zh) * 2018-12-28 2020-10-02 哈尔滨工业大学(威海) 一种高塑性钛基复合材料制备方法
RU2793620C1 (ru) * 2022-07-11 2023-04-04 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет" (НИУ "БелГУ") Металломатричный композит на основе высокоэнтропийного сплава

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1998024575A1 (en) * 1996-12-06 1998-06-11 Dynamet Technology P/m titanium composite casting
CN101333607B (zh) * 2008-07-31 2010-06-23 哈尔滨工业大学 TiBw/Ti合金基复合材料的制备方法
RU2492256C9 (ru) * 2012-05-16 2013-12-10 Сергей Валерьевич Панин Наноструктурный композиционный материал на основе чистого титана и способ его получения
CN102925737B (zh) * 2012-10-25 2014-11-26 北京航空航天大学 一种纳米TiB2颗粒增强金属基复合材料及其制备方法
CN109338159B (zh) * 2018-12-28 2020-10-02 哈尔滨工业大学(威海) 一种高塑性钛基复合材料制备方法
RU2793620C1 (ru) * 2022-07-11 2023-04-04 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет" (НИУ "БелГУ") Металломатричный композит на основе высокоэнтропийного сплава

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
WANG Shuai et al., High temperature performance of TiB/(Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V-0.5Si) composites affected by the TiB architecture. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing Volume 174, 09.08.2023, 107735. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Tjong et al. Processing-structure-property aspects of particulate-and whisker-reinforced titanium matrix composites
Reddy et al. Silicon carbide reinforced aluminium metal matrix nano composites-a review
Stalin et al. Investigations on microstructure and mechanical properties of Mg-5wt.% Cu-TiB2 composites produced via powder metallurgy route
Fan et al. The Young's moduli of in situ Ti/TiB composites obtained by rapid solidification processing
Kumar et al. Fabrication and characterizations of mechanical properties of Al-4.5% Cu/10TiC composite by in-situ method
Dai et al. Effect of holding time on microstructure and mechanical properties of SiC/SiC joints brazed by Ag-Cu-Ti+ B4C composite filler
Chen et al. Microstructure and properties of in situ Al/TiB 2 composite fabricated by in-melt reaction method
Sekaran et al. Mechanical and physical characterization studies of nano ceramic reinforced Al–Mg hybrid nanocomposites
Zhou et al. Al alloy/Ti3SiC2 composites fabricated by pressureless infiltration with melt-spun Al alloy ribbons
Jeje et al. Spark plasma sintering of titanium matrix composite—a review
CN113073232A (zh) 一种三元微纳颗粒复合增强耐热钛基复合材料及其制备方法
EP1715070A1 (en) Method of producing titnium composite parts by means of casting and parts thus obtained
Dong et al. Microstructures and mechanical properties of Al 2519 matrix composites reinforced with Ti-coated SiC particles
Vidyasagar et al. Improvement of mechanical properties of 2024 AA by reinforcing yttrium and processing through spark plasma sintering
Jun et al. Mechanical and thermo-physical properties of rapidly solidified Al− 50Si− Cu (Mg) alloys for thermal management application
Abdizadeh et al. Optimized Parameters for Enhanced Properties in Al–B _ 4 4 C Composite
Li et al. Microstructure and mechanical properties of an AlN/Mg–Al composite synthesized by Al–AlN master alloy
CN113817933B (zh) 陶瓷增强钛基复合材料、其制备方法及应用
Hamid et al. Synthesis and characterization of titanium carbide and/or alumina nanoparticle reinforced copper matrix composites by spark plasma sintering
RU2814924C1 (ru) Металломатричный композит на основе жаропрочного титанового сплава
FAN et al. Interface structure and properties of spray-forming (SiCp+ β-LiAlSiO4)/6092Al matrix composites
Choudhury et al. Sintering sensitivity of aluminium metal matrix composites developed through powder metallurgy proposed technique-a review
Dash et al. Studies on synthesis of magnesium based metal matrix composites (MMCs)
Vijayan et al. A Review on Manufacturing of Aluminium Alloy Based Metal Matrix Composites through Stir Casting Route
CN112342419B (zh) 一种基于交联改性的烧结氢化钛制备TiC增强钛基复合材料的方法