UA133598U

UA133598U - METHOD OF OBTAINING INTERMETALLIC ALLOY

Info

Publication number: UA133598U
Application number: UAU201811820U
Authority: UA
Inventors: Юрій Олександрович Бєлоконь; Каріна Володимирівна Бєлоконь; Олександр Анатольйович Жеребцов
Original assignee: Запорізька Державна Інженерна Академія
Priority date: 2018-11-30
Filing date: 2018-11-30
Publication date: 2019-04-10

Abstract

Спосіб отримання інтерметалідних сплавів, при якому виконують приготування вихідної інтерметалідної суміші порошків, пресування з них заготовки і термічну обробку в інертному середовищі у режимі теплового самозапалювання. Під час теплового вибуху заготовку додатково піддають пластичній деформації у високотемпературній фазовій області сплаву.A method of producing intermetallic alloys, in which the initial intermetallic mixture of powders is prepared, pressing the workpiece from them and heat treatment in an inert environment in the mode of thermal self-ignition. During the heat explosion, the workpiece is further subjected to plastic deformation in the high-temperature phase region of the alloy.

Description

Корисна модель належить до металургії, зокрема до порошкових сплавів на основі у-ТГіАЇ сплавів, які можуть бути використані для виготовлення деталей гарячого тракту газотурбінних двигунів.The useful model belongs to metallurgy, in particular to powder alloys based on y-TGiAI alloys, which can be used to manufacture parts of the hot tract of gas turbine engines.

Відомі різні способи одержання інтерметалідних сплавів, огляд яких дано у роботіDifferent methods of obtaining intermetallic alloys are known, an overview of which is given in the work

ІСовременное состояние исследований и перспективьі развития технологий ичстерметаллидньмхCurrent state of research and development prospects of technologies of Ichstermetallidmkh

У-ТіАЇ сплавов / В.М. Имаєев, Р.М. Имаєев, Т.И. Оленева // Письма о материалах, 2011.- Т.1.- 6. 25-31). Ці методи належать як до галузі металургії, так і до матеріалознавства та обробки металів. Серед них можна виділити виплавку у дугових та індукційних печах, електрошлаковий переплав, алюмотермічне відновлення кисневих і галоїдних сполук, електролітичне виділення кристалів інтерметалідів з розплавів, гідридно-кальцієве відновлення, методи порошкової металургії та обробки металів тиском.U-TiAI splavov / V.M. Imaeev, R.M. Imaeev, T.I. Oleneva // Letters about materials, 2011.- Vol. 1.- 6. 25-31). These methods belong both to the field of metallurgy and to materials science and metal processing. Among them, we can distinguish smelting in arc and induction furnaces, electroslag remelting, aluminothermic reduction of oxygen and halide compounds, electrolytic separation of intermetallic crystals from melts, hydride-calcium reduction, methods of powder metallurgy and pressure treatment of metals.

Відомий спосіб отримання інтерметалідних сплавів на основі алюмінідів титану |(патент ВОThere is a known method of obtaining intermetallic alloys based on titanium aluminides (patent VO

Мо 2576288, 0220 14/00, С22С 1/02, С228 9/20, 2014). Спосіб включає підготовку шихти, що містить як вихідні матеріали титанову губку з легуючими компонентами і лігатуру, виготовлення електрода, що витрачається, його переплав з отриманням зливка інтерметалідного сплаву.Mo 2576288, 0220 14/00, С22С 1/02, С228 9/20, 2014). The method includes the preparation of a charge containing as starting materials a titanium sponge with alloying components and a ligature, the manufacture of a spent electrode, its remelting to obtain an ingot of an intermetallic alloy.

Внаслідок того, що ніобій має більш високу температуру плавлення і щільність в порівнянні з титаном в зливках в процесі вакуумно-дугового переплаву (ВДП) можливе утворення включень зі шматочків, що не розчинюються у шихті, які занурюються на дно ванни рідкого металу і проникають в метал, що кристалізується. Для отримання високої хімічної однорідності зливків використовують потрійний ВДП.Due to the fact that niobium has a higher melting point and density compared to titanium in ingots in the process of vacuum-arc remelting (VDP), it is possible to form inclusions from pieces that do not dissolve in the charge, which sink to the bottom of the liquid metal bath and penetrate into the metal , which crystallizes. To obtain high chemical homogeneity of ingots, triple VDP is used.

Недоліком відомого способу є енергоємність, складність і тривалість процесу для одержання повністю хімічно однорідного матеріалу. Але основною проблемою пічних методів є подрібнення структури зливків у-ТіА! сплавів, оскільки тільки через досягнення однорідної структури з відносно малим розміром зерна в зливку можна розраховувати на поліпшення фізико-механічних властивостей.The disadvantage of the known method is the energy consumption, complexity and duration of the process for obtaining a completely chemically homogeneous material. But the main problem of furnace methods is the grinding of the structure of ingots of TiA! alloys, because only through the achievement of a homogeneous structure with a relatively small grain size in the ingot can one expect to improve the physical and mechanical properties.

Відомий спосіб отримання інтерметалідних сплавів на основі алюмінідів титану (патент О5A known method of obtaining intermetallic alloys based on titanium aluminides (patent O5

Мо 20110277891, С22Е 1/18, 0220 33/02, С22С 14/00, В22Е 1/00, 20111 згідно з яким одержання ведуть методом обробки тиском. Вихідні заготовки сплаву Ті-41-48А1І-4-9МБ-0,1-3,0Мо-0,18 (в ат. 95), після наскрізного нагрівання протягом 60 хв, піддають гарячому ізостатичномуMo 20110277891, С22Е 1/18, 0220 33/02, С22С 14/00, В22Е 1/00, 20111 according to which production is carried out by the pressure treatment method. Initial billets of alloy Ti-41-48A1I-4-9MB-0.1-3.0Mo-0.18 (at. 95), after through heating for 60 minutes, are subjected to hot isostatic

Зо пресуванню зі збільшенням тиску до 150 МПа при температурі 1000 "С. Після цього заготовка міститься в оболонку, нагрівається до температур ужог-фазової області і прокатується зі швидкістю більше 0,4 мм/с і деформацією близько 0,3 з наступним охолодженням до температури 700 С протягом не більше 10 хв. Для коригування необхідних властивостей матеріалу, піддають термообробці в області евтектоїдної температури сплаву протягом від приблизно 30 хв до приблизно 1000 хв з подальшим охолодженням на повітрі, щоб утворити з деформаційної мікроструктури однорідну дрібнозернисту глобулярну мікроструктуру (й - 50 мкм), що складається з фаз у-ТіІАІнос-ТізАІ--Во.From pressing with an increase in pressure to 150 MPa at a temperature of 1000 "C. After that, the workpiece is contained in a shell, heated to the temperatures of the narrow-phase region and rolled at a speed of more than 0.4 mm/s and a deformation of about 0.3, followed by cooling to the temperature 700 C for no more than 10 min. To adjust the necessary properties of the material, the alloy is subjected to heat treatment in the region of the eutectoid temperature for about 30 min to about 1000 min with subsequent cooling in air to form a uniform fine-grained globular microstructure from the deformation microstructure (y - 50 μm ), consisting of phases y-TiIAInos-TizAI--Vo.

Існування властивих прокатці недоліків вносить певні обмеження з використання даного способу. По-перше, високошвидкісна прокатка у у аг - фазовій області веде до формування яскраво вираженої строченої структури через суттєву різницю деформаційних характеристик структурних складових (пластинчастої та рівновісної фази). По-друге, відсутність ізотермічних умов додатково сприяє неоднорідному розподілу фаз і за довжиною заготівлі.The existence of disadvantages inherent in rolling imposes certain restrictions on the use of this method. First, high-speed rolling in the ag phase region leads to the formation of a pronounced striated structure due to a significant difference in the deformation characteristics of the structural components (lamellar and equiaxed phase). Secondly, the absence of isothermal conditions additionally contributes to the heterogeneous distribution of phases and the length of the workpiece.

Найбільш близьким по сукупності ознак до способу, що заявляється, є спосіб отримання інтерметалідного нікелевого сплаву для каталізаторів (патент України Мо 63411, ВО1У 25/00, 2011). Спосіб отримання інтерметалідного сплаву, що включає приготування вихідної інтерметалідної суміші порошків алюмінію і нікелю, пресування з них заготовки і термічну обробку в інертному середовищі. Обробку ведуть у режимі теплового самозапалювання. Після проходження хвилі горіння проводиться витримка заготівель при температурі 390-460 70 протягом 0,5-1 години. На стадії термічної обробки проводиться пресування отриманого продукту. До переваг даного способу слід також віднести характерну для нього високу однорідність розподілу фаз і в цілому мікроструктури. Все це забезпечує високу оброблюваність порошкового сплаву.The method of obtaining an intermetallic nickel alloy for catalysts is the closest in terms of features to the claimed method (patent of Ukraine Mo 63411, VO1U 25/00, 2011). The method of obtaining an intermetallic alloy, which includes the preparation of the initial intermetallic mixture of aluminum and nickel powders, pressing of blanks from them and heat treatment in an inert environment. Processing is carried out in the mode of thermal self-ignition. After passing the burning wave, the samples are held at a temperature of 390-460 70 for 0.5-1 hour. At the heat treatment stage, the obtained product is pressed. Among the advantages of this method should also be attributed the high homogeneity of phase distribution and overall microstructure. All this ensures high machinability of the powder alloy.

В основу корисної моделі поставлено задачу розробки способу отримання інтерметалідного сплаву, в якому за рахунок синхронізації процесів високотемпературного синтезу і динамічного компактування можливо отримання інтерметалідного сплаву з високодисперсною структурою, розмір зерен, в якому значно менше, ніж у сплавах, отриманих методами лиття, спікання або ударно-хвильової дії.The basis of a useful model is the task of developing a method of obtaining an intermetallic alloy, in which, due to the synchronization of the processes of high-temperature synthesis and dynamic compaction, it is possible to obtain an intermetallic alloy with a highly dispersed structure, the grain size of which is significantly smaller than in alloys obtained by casting, sintering or impact methods -wave action.

Для вирішення поставленої задачі у способі отримання інтерметалідного сплаву, що включає приготування вихідної інтерметалідної суміші порошків, пресування з них заготовки і бо термічну обробку в інертному середовищі у режимі теплового самозапалювання, згідно з корисною моделлю, під час теплового вибуху заготовку додатково піддають пластичній деформації у високотемпературній фазовій області сплаву.To solve the problem in the method of obtaining an intermetallic alloy, which includes the preparation of the initial intermetallic mixture of powders, pressing of them into a blank, and then heat treatment in an inert environment in the mode of thermal self-ignition, according to a useful model, during a thermal explosion, the billet is additionally subjected to plastic deformation in a high-temperature phase region of the alloy.

Для надання інтерметалідному сплаву кінцевих властивостей необхідно піддати його пластичній деформації у високотемпературній фазовій області для отримання пластинчастої структури, оскільки вважається, що саме вона забезпечує оптимальне поєднання високотемпературних властивостей - міцності, опору повзучості, з кімнатними - пластичністю і в'язкістю руйнування. Пластична деформація може бути ефективною не тільки для отримання дрібнозернистих напівпродуктів, а й для управління параметрами пластинчастої структури в сплавах, зокрема, при отриманні пластинчастих мікроструктур з малим розміром колоній і нанокристалічною міжпластинчастою відстанню, що становлять, згідно з літературними даними, найбільший практичний інтерес.To give an intermetallic alloy final properties, it is necessary to subject it to plastic deformation in the high-temperature phase region to obtain a lamellar structure, since it is believed that it provides the optimal combination of high-temperature properties - strength, creep resistance, with room - plasticity and fracture toughness. Plastic deformation can be effective not only for obtaining fine-grained semi-products, but also for controlling the parameters of the lamellar structure in alloys, in particular, when obtaining lamellar microstructures with a small size of colonies and nanocrystalline interlamellar distance, which, according to literature data, are of the greatest practical interest.

Спосіб здійснюється таким чином. Підготовляють вихідну інтерметалідну суміш із порошків, пресують заготівлю з відносною щільністю 0,6-0,85. Відносна щільність помітно впливає на розмір зерна і умови протікання високотемпературного синтезу і має екстремальний характер.The method is carried out as follows. The initial intermetallic mixture of powders is prepared, the workpiece is pressed with a relative density of 0.6-0.85. The relative density significantly affects the grain size and conditions of high-temperature synthesis and has an extreme character.

Зменшення щільності призводить до фронтального режиму горіння і зменшення інтенсивності екзотермічної реакції. Більш висока щільність приводить до закупорення газів, що виділяються з адсорбованого та розчиненного стану. Таке закупорення перешкоджає ефективному ущільненню матеріалу, збільшує його залишкову пористість та змінює його хімічний склад.A decrease in density leads to a frontal mode of combustion and a decrease in the intensity of the exothermic reaction. A higher density leads to blockage of gases released from the adsorbed and dissolved state. Such clogging prevents effective compaction of the material, increases its residual porosity and changes its chemical composition.

Отриману заготовку поміщають у реакційну прес-форму в інертне порошкове середовище сипкого теплоіїзолятора, заповнюють інертним газовим середовищем, де рівномірно нагрівають.The resulting workpiece is placed in a reaction mold in an inert powder medium of a loose heat insulator, filled with an inert gas medium, where it is heated evenly.

Наявність теплоізолятора обов'язкова для малогабаритних заготівок, які мають малий час охолодження продуктів синтезу після закінчення горіння. Без теплоізоляції такі заготівки охолоджуються за рахунок тепловідводу в сталеву прес-форму швидше, ніж відбувається процес ущільнення продуктів синтезу за рахунок компактування. Далі при рівномірному нагріванні йде саморозігрів заготівлі. Через експонентну залежність швидкості реакції від температури, підйом температури в об'ємі заготівлі йде із прогресивним самоприскоренням і закінчується різким стрибком температури, ініціюється процес самозапалювання, у результаті якого в суміші починається саморозповсюджувальний високотемпературний синтез. При тепловому самозапалюванні за рахунок саморозігріву практично одночасно в повному об'єміThe presence of a heat insulator is mandatory for small-sized blanks that have a short cooling time of synthesis products after the end of combustion. Without thermal insulation, such blanks are cooled due to heat dissipation into the steel mold faster than the process of compaction of synthesis products occurs due to compaction. Further, with uniform heating, the workpiece self-heats. Due to the exponential dependence of the reaction rate on the temperature, the temperature rise in the volume of the workpiece proceeds with a progressive self-acceleration and ends with a sharp temperature jump, the self-ignition process is initiated, as a result of which self-propagating high-temperature synthesis begins in the mixture. With thermal self-ignition due to self-heating, almost simultaneously in full volume

Зо заготовки досягаються високі температури зразка, при яких швидко завершується синтез продукту. Після проходження хвилі горіння проводиться пластична деформація продукту синтезу у високотемпературній області при ступені деформації 20-30 95 і часі витримки під тиском 3-5 с. Величина деформації є ефективним інструментом управління параметрами пластинчастої структури інтерметалідних сплавів. Проте при перевищенні критичного значення ступеня деформації відбувається перехід матеріалу в область крихкого руйнування і відбувається розстріскування заготівки. По закінченню деформації проводиться ізотермічна витримка при температурі 0,6-0,7 від температури плавлення інтерметаліду протягом 1,5-2 годин для регулювання співвідношенням структурних складових інтерметалідного сплаву.From the workpiece, high sample temperatures are reached, at which the synthesis of the product is quickly completed. After the passage of the combustion wave, plastic deformation of the synthesis product is carried out in the high-temperature region at a degree of deformation of 20-30 95 and a holding time under pressure of 3-5 s. The amount of deformation is an effective tool for controlling the parameters of the lamellar structure of intermetallic alloys. However, when the critical value of the degree of deformation is exceeded, the material transitions to the region of brittle fracture and the workpiece cracks. At the end of the deformation, isothermal aging is carried out at a temperature of 0.6-0.7 from the melting temperature of the intermetallic for 1.5-2 hours to adjust the ratio of the structural components of the intermetallic alloy.

Спосіб отримання інтерметалідного у - ТіІАІ! сплаву був випробуваний у лабораторних умовах. Як вихідні компоненти використовували чисті порошки титану (57-63 мас. 95), алюмінію (30-35 мас. 95) і ніобію (7-8 мас. 95). Дисперсність порошків становила 50-100 мкм. Схема приготування шихти включала дозування, змішування, заповнення форми і пресування прямокутної заготівки діаметром 20 мм і висотою 20 мм з відносною щільністю 0,65. Реакційна прес-форма пристосована під двостороннє пресування. Встановлювався нижній пуансон.The method of obtaining intermetallic y - TiIAI! alloy was tested in laboratory conditions. Pure powders of titanium (57-63 wt. 95), aluminum (30-35 wt. 95) and niobium (7-8 wt. 95) were used as starting components. The dispersion of the powders was 50-100 μm. The batch preparation scheme included dosing, mixing, filling the mold and pressing a rectangular blank with a diameter of 20 mm and a height of 20 mm with a relative density of 0.65. The reaction mold is adapted for two-sided pressing. The lower punch was installed.

Засипався висотою 30-40 мм порошок електрокорунду. Встановлювалася заготовка у вертикальному проложені. Засипалася зверху порошком електрокорунду. Встановлювався верхній пуансон та проводилося первинне ущільнення на пресі при питомому тиску 10 МПа.Electrocorundum powder was poured to a height of 30-40 mm. The workpiece was installed in a vertical layout. I fell asleep on top with electrocorundum powder. The upper punch was installed and primary compaction was carried out on a press at a specific pressure of 10 MPa.

Підготовлену прес-форму встановлювали у вертикальну піч з робочим діаметром на 5-15 мм більше діаметру прес-форми. Піч разом з прес-формою встановлювали на гідравлічний прес П- 250. Включалася піч і піднімалася температура зі швидкістю 30-50 "С/хв. Температура піднімалася до початку процесу високотемпературного синтезу. Під час синтезу шихти проводилось скидання газів, що виділяються, коли їх тиск досягав 0,15 МПа. Після того, як відбулося теплове самозаймання проводилася пластична деформація заготовки з обтиском 27,8 95 на задану щільність та витримка при температурі 1100 "С протягом 1,5 години при тиску 16 МПа. По закінченню витримки реактор вакуумували протягом 15 хв до 0,2 мм.рт.ст. та охолоджувався протягом 2 годин.The prepared mold was installed in a vertical furnace with a working diameter 5-15 mm larger than the diameter of the mold. The furnace together with the mold was installed on a P-250 hydraulic press. The furnace was turned on and the temperature rose at a rate of 30-50 "C/min. The temperature rose until the start of the high-temperature synthesis process. During the synthesis of the charge, the gases released when they were the pressure reached 0.15 MPa. After the thermal self-ignition took place, plastic deformation of the blank was carried out with crimping 27.8 95 to the given density and exposure at a temperature of 1100 "C for 1.5 hours at a pressure of 16 MPa. At the end of the exposure, the reactor was evacuated for 15 minutes to 0.2 mm Hg. and cooled for 2 hours.

Аналіз мікроструктури отриманих синтезованих алюмінідів титану показав, що особливістю формування більш тонких структур при високотемпературному синтезі композицій на основі Ті-Analysis of the microstructure of the obtained synthesized titanium aluminides showed that the peculiarity of the formation of finer structures during the high-temperature synthesis of compounds based on Ti-

АІ1-МОБ Є оламельна мікроструктура з малим розміром колоній і нанокристалічною бо міжпластинчастою відстанню (фігура Та). В результаті формується тонка композитна текстура,AI1-MOB is a lamellar microstructure with a small size of colonies and a nanocrystalline interlamellar distance (figure Тa). As a result, a thin composite texture is formed,

що складається з паралельних ламелей, які чергуються, двох різних кристалічних фаз: тетрагональної у-фази (ТіАІ)Й і гексагональної са2-фази (ТізАЇ). Таким чином, утворюється дворівнева структура: кожне полікристалічне а-зерно формує обмежену ламельну колонію, яка складається з тонких ламелей з міжламельною відстанню А - 500-550 нм (фігура 16).consisting of alternating parallel lamellae of two different crystal phases: the tetragonal y-phase (TiAI)Y and the hexagonal са2-phase (TiАЙ). Thus, a two-level structure is formed: each polycrystalline α-grain forms a limited lamellar colony, which consists of thin lamellae with an interlamella distance A of 500-550 nm (Figure 16).

Збільшення ступеня деформації синтезованого під тиском інтерметалідного продукту дозволив на порядок знизити розмір зерна в кінцевому продукті (до 4-10-12 мкм).An increase in the degree of deformation of the intermetallic product synthesized under pressure made it possible to reduce the grain size in the final product by an order of magnitude (up to 4-10-12 μm).

Використання пропонованого способу для одержання інтерметалідних сплавів в порівнянні з існуючим способами показав, що в умовах взаємодії процесів синтезу та пластичного деформування продукту синтезу можливе отримання компактного інтерметалідного сплаву з високодисперсною структурою, розмір зерен в якій значно менше, ніж у сплавах, отриманих методами лиття (розмір зерна а-100-150 мкм), спікання (й х 50-75 мкм) або ударно-хвильової дії (а - 20-35 мкм). Спосіб забезпечує можливість отримання інтерметалідних сплавів більш складного характеру і безвідходність виробництва.The use of the proposed method for obtaining intermetallic alloys in comparison with existing methods showed that under the conditions of interaction of synthesis processes and plastic deformation of the synthesis product, it is possible to obtain a compact intermetallic alloy with a highly dispersed structure, the grain size of which is significantly smaller than in alloys obtained by casting methods (size grain a-100-150 microns), sintering (y x 50-75 microns) or shock-wave action (a - 20-35 microns). The method provides the possibility of obtaining intermetallic alloys of a more complex nature and waste-free production.

Claims

USEFUL MODEL FORMULA The method of obtaining intermetallic alloys, in which the initial intermetallic mixture of powders is prepared, the blanks are pressed from them and heat treated in an inert environment in the mode of thermal self-ignition, which is characterized by the fact that during a thermal explosion, the blank is additionally subjected to plastic deformation in the high-temperature phase region alloy 0 Bo Y shfdoo00 o OO i shi NN Z B BOM xZ s still o. SK B o PYZHYNYNYKEO IN o Z OK nn s ZHE KAH Z s Ve i a PO Pt vya B OK ZOZ o SHIK SPBO u ek o ny . . s i she y y y sho y o 0Oo shi is yin. Sh -«- . oh . eh ay h.. D(-

: . . what in with . EE ba g det ' 4 ne ZO nt Yu rt

Fig. 1a Fig. 16