МИКРОКОМПОЗИЦИОННЫЙ КОНСТРУКЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ И КОНСТРУКТИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2010 года по МПК G21F9/00 C22C14/00 

Настоящая заявка является частичным продолжением поданной 12 ноября 2004 г. заявки № 10/987887, приоритет которой она испрашивает и весь объем раскрытия которой включен в текст данного описания посредством этой ссылки. Настоящая заявка истребует преимущества поданной 29 декабря 2004 г. предварительной заявки на патент США № 60/640072, весь объем раскрытия которой включен в текст данного описания посредством этой ссылки.

Область техники

Настоящее изобретение относится к изделиям, содержащим металлические композиции на основе титана и, в частности, к изделиям, изготовленным из композиций на основе титана с диспергированными в них частицами борида титана.

Уровень техники

В авиационных газотурбинных двигателях наиболее жесткие требования предъявляются к материалам дисков компрессора и вентилятора (иногда называемых «роторами»), на которые устанавливаются соответствующие лопатки компрессора и лопатки вентилятора. При работе газовой турбины эти диски вращаются со скоростью, составляющей несколько тысяч оборотов в минуту в условиях умеренно повышенной температуры. В таких рабочих условиях они должны иметь требуемые механические свойства.

Некоторые из конструктивных элементов газотурбинного двигателя, такие как, например, некоторые из дисков компрессора и вентилятора, изготавливают из металлических композиций на основе титана. В типичном случае диски изготавливают с помощью способа, включающего в себя обеспечение наличия металлических компонентов выбранной металлической композиции на основе титана, плавление упомянутых компонентов и литье слитка из упомянутой металлической композиции на основе титана. Отлитый слиток затем превращают в заготовку. В дальнейшем эту заготовку подвергают механической обработке, в типичном случае - ковке. После этого обработанную заготовку подвергают штамповке осадкой с последующей механической обработкой на станке с тем, чтобы получить конструктивный элемент газотурбинного двигателя из упомянутой металлической композиции на основе титана.

Достижение требуемых механических свойств при комнатной температуре и вплоть до умеренно повышенных температур, сохранение достаточной стойкости к воздействию условий окружающей среды и предотвращение преждевременного разрушения являются основными требующими решения задачами при выборе материалов конструкции и при производстве изделий. Химический состав и микроструктура металлической композиции должны гарантировать, что механические свойства изделия являются соответствующими требованиям к современным конструктивным элементам из металлических композиций на основе титана в диапазоне рабочих температур, верхняя граница которого достигает, по меньшей мере, примерно 1200°F (~650°С). Задание верхней границы в примерно 1200°F для эксплуатации таких конструктивных элементов обусловлено, главным образом, снижением статической прочности и сопротивления ползучести при более высоких температурах, а также тенденцией титана реагировать с кислородом при повышенных температурах с образованием хрупкого, обогащенного кислородом слоя, который называют альфа-оболочкой (от англ. «alpha case»). Наличие небольших механических или химических дефектов в готовом конструктивном элементе может вызвать его преждевременное разрушение при эксплуатации, поэтому такие дефекты должны быть сведены к минимуму, либо, если они существуют, они должны быть обнаруживаемыми с использованием существующих методов контроля и должны приниматься во внимание. Подобные дефекты, например, могут включать в себя такие механические дефекты, как трещины и пустоты, а также такие химические дефекты, как твердые альфа-включения (иногда называемые включениями с низкой плотностью) и включения с высокой плотностью.

Одним из появившихся в последнее время подходов к улучшению свойств металлических композиций на основе титана, включая прочность при высоких температурах, является введение в эту металлическую композицию бора с целью получения диспергированных в ней частиц борида титана. Введение бора ранее осуществляли с использованием нескольких различных способов, таких как, например, обычная обработка путем литья с последующей деформацией, а также технологий порошковой металлургии, таких как распыление газом, и классический способ перемешивания порошков. Применение первых двух способов затруднено из-за ограниченной растворимости бора в титане. Бор обладает сильной тенденцией к сегрегации, что приводит к образованию относительно больших частиц борида титана, которые оказывают неблагоприятное влияние на пластичность и усталостную прочность. Чтобы избежать проблемы сегрегации, степень добавления бора в металлическую композицию при использовании упомянутых первых двух способов сильно ограничивают, обычно - до его доэвтектической доли на диаграмме состояния, ограничивая потенциально возможные преимущества от добавления бора, либо необходимо использовать очень высокую скорость охлаждения во время затвердевания (кристаллизации). Классический способ перемешивания порошков позволяет добавлять значительно большие количества бора. Однако, так как бор в типичном случае добавляют в виде диборида титана, а фазой, находящейся в термодинамическом равновесии с альфа-фазой титана, является очень стабильный моноборид титана, то для полного превращения диборида титана в моноборид титана требуются продолжительные периоды времени выдержки при повышенных температурах. Необходимые высокие температуры и длительные периоды времени не позволяют получить равномерно распределенную мелкодисперсную фазу из частиц борида титана в металлической композиции. Кроме того, обособленные мелкодисперсные частицы борида или диборида титана имеют тенденцию образовывать скопления, что снижает однородность готового продукта. Результатом использования всех упомянутых способов производства является то, что значительная по объему доля борида титана присутствует в виде больших частиц, наибольший габаритный размер которых в типичном случае составляет 10-100 микрометров. Эти большие частицы оказывают определенное положительное влияние на прочность, но не являются оптимальными с точки зрения пластичности, зарождения трещин, а также статической прочности, сопротивления ползучести и усталостной прочности.

Используя существующие технологии плавления, литья и обработки, ранее можно получить конструктивные элементы из не содержащей бора металлической композиции на основе титана, такие как, например, диски компрессора и вентилятора (тягодутьевого устройства), которые являются полностью работоспособными. Однако желателен и необходим технологический процесс, позволяющий изготовить диски и другие конструктивные элементы с дополнительно улучшенными свойствами, обусловленными наличием частиц борида титана и уменьшением количества дефектов, в результате чего расширяется диапазон условий безопасной работы. Настоящее изобретение удовлетворяет эту потребность в улучшенном технологическом процессе, а также обеспечивает соответствующие преимущества.

Раскрытие изобретения

Преложенный подход обеспечивает получение металлического изделия из композиции на основе титана, которая также содержит бор в количестве, превышающем предел растворимости бора в этой металлической композиции. Внутризеренные частицы борида титана, распределенные в титановой матрице, являются небольшими по размеру, в типичном случае - значительно меньше 1 микрометра по наибольшему габаритному размеру. Данное изделие характеризуется хорошим сочетание механических свойств в температурном диапазоне вплоть до примерно 1300°F (~705°С), удовлетворительным сопротивлением к разрушительному воздействию окружающей среды в результате окисления, а также низкой инцидентностью (т.е. частотой возникновения) дефектов. Наличие частиц борида титана приводит к увеличению модуля упругости материала и повышению износостойкости. Дисперсия борида является более однородной и значительно более тонкой по сравнению с той, которая возникает при использовании других технологий производства. Материал, полученный с использованием предложенного подхода, при тех же рабочих температурах имеет более высокую статическую прочность и сопротивление ползучести по сравнению с обычными металлическими композициями на основе титана, а также обеспечивает возможность его использования при более высоких рабочих температурах, чем те, которые возможны в случае обычных металлических композиций на основе титана.

Изделие содержит микрокомпозиционный (т.е. композиционный на микроуровне) материал (от англ. «microscale composite material»), имеющий матрицу, содержащую по массе больше титана, чем любого другого химического элемента, и дисперсию частиц борида титана в этой матрице. По меньшей мере примерно 50 объемных процентов, более предпочтительно - по меньшей мере примерно 90 объемных процентов, а наиболее предпочтительно - по меньшей мере примерно 99 объемных процентов внутризеренных частиц борида титана имеют максимальный габаритный размер менее примерно 2 микрометров. В более предпочтительном случае, по меньшей мере примерно 50 объемных процентов, более предпочтительно - по меньшей мере примерно 90 объемных процентов, а наиболее предпочтительно - по меньшей мере примерно 99 объемных процентов внутризеренных частиц борида титана имеют максимальный габаритный размер менее примерно 1 микрометра. В более предпочтительном случае, по меньшей мере примерно 50 объемных процентов, более предпочтительно - по меньшей мере примерно 90 объемных процентов, а наиболее предпочтительно - по меньшей мере примерно 99 объемных процентов внутризеренных частиц борида титана имеют максимальный габаритный размер менее примерно 0,5 микрометра. В еще более предпочтительном случае, по меньшей мере примерно 50 объемных процентов, более предпочтительно - по меньшей мере примерно 90 объемных процентов, а наиболее предпочтительно - по меньшей мере примерно 99 объемных процентов внутризеренных частиц борида титана имеют максимальный габаритный размер менее примерно 0,2 микрометра.

Использованный в настоящем изобретении при описании преложенного подхода термин «борид титана» относится к TiB, TiB₂, Ti₃B₄ или другим соединениям, содержащим титан и бор, состав которых может быть модифицирован легирующими химическими элементами. Термин «на основе титана» охватывает чистый титан, металлические сплавы титана и других химических элементов, а также интерметаллические сплавы на основе титана, при условии, что в них содержится по массе больше титана, чем любого другого химического элемента. Термин «матрица» относится к металлическому материалу на основе титана, в котором распределены и диспергированы частицы борида титана.

Химический элемент бор как компонент предпочтительно присутствует в количестве, не превышающем того, которое требуется для образования примерно 90 процентов по объему борида титана в уплотненном материале. Более предпочтительно, бор присутствует в уплотненном материале в количестве, не превышающем примерно 17 массовых процентов от этого уплотненного материала. Еще более предпочтительно, бор присутствует в уплотненном материале в количестве от примерно 0,05 до примерно 17 массовых процентов от этого уплотненного материала.

Количество содержащегося в материале бора может рассматриваться в двух диапазонах: доэвтектическом диапазоне, который для двойной системы титан-бор составляет от примерно 0,05 до примерно 1,5 процента бора по массе, и заэвтектическом диапазоне, который для двойной системы титан-бор составляет от примерно 1,5 до примерно 17 процентов бора по массе. Сплавы с другими химическими элементами помимо титана и бора могут характеризоваться наличием других фаз и диапазонов, но они по-прежнему находятся в пределах объема предложенного подхода. Предложенный подход позволяет получить материалы, имеющие то же самое содержание бора, которое может быть достигнуто при использовании других технологий, в типичном случае - вплоть до примерно 5 процентов бора по массе, а также получить материалы, имеющие более высокое содержание бора по сравнению с тем, которое легко может быть достигнуто при использовании других технологий, в типичном случае - в диапазоне от примерно 5 до примерно 17 процентов бора по массе. В каждом случае материалы, изготовленные при предложенном подходе, обычно содержат тонкую однородную дисперсию борида титана.

Как указано выше, бор предпочтительно присутствует на уровне, превышающем предел его растворимости в твердом растворе при комнатной температуре в матрице композиции на основе титана, вплоть до уровня, необходимого для образования не более примерно 90 процентов по объему борида титана. При меньших добавляемых количествах сверх предела растворимости в твердом растворе тонкая дисперсия частиц борида титана обеспечивает значительное улучшение статической прочности при высоких температурах и предела ползучести при высоких температурах за счет упрочнения мелкодисперсными частицами. При больших добавляемых количествах сверх предела растворимости в твердом растворе присутствует большая по объему доля мелкодисперсных частиц борида титана, и при этом, кроме упомянутого упрочнения за счет мелкодисперсных частиц, обеспечиваются существенные преимущества упрочнения по правилу смесей. На обоих уровнях добавления бора сверх предела растворимости в твердом растворе прочность, модуль упругости и износостойкость материала значительно улучшаются по сравнению с обычными композициями на основе титана.

Матрица в типичном случае является поликристаллической, предпочтительно - имеет размер зерна менее примерно 10 микрометров, а более предпочтительно - менее примерно 5 микрометров. Частицы борида титана предпочтительно образуются in situ внутри упомянутой матрицы, так что они никогда не представляют собой свободно располагающиеся сыпучие частицы во время приготовления микрокомпозиционного материала. Внутризеренные частицы (т.е. те, которые не располагаются по границам зерен) борида титана предпочтительно имеют кристаллографическую ориентацию относительно матрицы внутри каждого зерна, а более предпочтительно - являются когерентными или частично когерентными с матрицей внутри каждого зерна.

Желательно, микрокомпозиционный материал механически является изотропным с точностью до 20 процентов, более предпочтительно - с точностью до 10 процентов изотропным. То есть данное изделие может быть изготовлено при помощи предпочтительного способа таким образом, что механические свойства могут быть почти одинаковыми при их измерении во всех направлениях. Это состояние контрастирует с анизотропией механических свойств, обычно наблюдаемой у других материалов из титана-борида титана, в которых стержневидные частицы борида титана ориентированы в направлении механической обработки, таком как, например, основная ось выдавливания, что приводит к прочностным свойствам, которые значительно выше в направлении обработки, чем в направлениях, поперечных по отношению к направлению обработки. С другой стороны, если это требуется, в предложенных изделиях можно получить анизотропные свойства.

Внутризеренные частицы борида титана согласно предложенному подходу предпочтительно имеют пластинчатую форму. То есть два габаритных размера, определяющие лицевую поверхность такой пластинки, являются относительно большими (но не обязательно одинаковыми), а один габаритный размер, определяющий толщину этой пластинки, является относительно небольшим. Однако внутризеренные частицы борида титана не обязательно должны быть пластинчатыми, и вместо этого они могут быть равноосными, стержневидными (имеющими один относительно большой габаритный размер и два относительно небольших габаритных размера) либо иметь любую другую форму.

В предложенном материале необязательно может присутствовать оксид образующих стабильный оксид дополнительных химических элементов, включая магний, кальций, скандий, иттрий, лантан, церий, празеодим, неодим, прометий, самарий, европий, гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий, иттербий и лютеций, а также их смеси.

Таким образом, упомянутый материал представляет собой матрицу на основе титана, содержащую тонкую дисперсию частиц борида титана, и, необязательно, с диспергированным(и) в ней дополнительным(и) химическим(и) элементом(ами), образующим(и) стабильные оксиды. Необязательный(е) дополнительный(е) химический(е) элемент или элементы, образующий(е) стабильные оксиды, находятся в твердом растворе (либо ниже предела растворимости, либо в пересыщенном состоянии) и/или присутствуют в виде одной или более дискретных дисперсных оксидных фаз. Эти дисперсные фазы могут представлять собой неокисленные дополнительные химические элементы, образующие стабильные оксиды, или уже окисленную дисперсию либо их смесь. Образующие стабильные оксиды дополнительные химические элементы, которые находятся в твердом растворе или в виде неокисленной дискретной дисперсии, доступны для последующего реагирования с кислородом, который может находиться в матрице или диффундирует в металлический материал при последующей обработке или эксплуатации.

Микрокомпозиционный материал может образовывать все изделие полностью или может присутствовать в виде микро- или макроскопической вставки (вкладыша) в другое изделие, которое изготовлено любым путем, включая традиционные литье и деформирующую обработку, литье, либо подход, подобный описанному здесь. В любом из этих вариантов воплощения, когда микрокомпозиционный материал вводится в качестве вставки, окружающее его изделие может иметь тот же самый или отличающийся состав.

Образование дисперсии борида дает несколько важных преимуществ. Во-первых, по существу равномерно распределенная тонкая дисперсия способствует достижению желательных механических свойств, включая статическую прочность, усталостную прочность и сопротивление ползучести, которые остаются неизменными в течение продолжительных периодов воздействия повышенных температур, за счет дисперсионного упрочнения матрицы на основе титана. Упомянутая по существу равномерно распределенная дисперсия также помогает ограничить рост зерен матрицы на основе титана. Во-вторых, значительно увеличивается модуль упругости композиции на основе титана, что позволяет изделию выдерживать существенно более высокие нагрузки при сохранении упругого характера деформации. В-третьих, существенно улучшаются износостойкость и эрозионная стойкость изделия, что позволяет продлить срок службы в заданной области применения. В-четвертых, наличие тонкой дисперсии приводит к улучшению пластичности по сравнению с изделием, изготовленным обычными способами литья и деформации или просто литья либо с помощью используемых в порошковой металлургии технологий газового распыления или классического перемешивания элементов. Дисперсия борида может быть сформирована в матрице любого состава на основе титана, включая альфа-, псевдоальфа-, альфа+бета-, псевдобета- и бета-титановые металлические композиции, а также в любом интерметаллиде на основе титана, включая те, которые основаны на альфа-2-, орторомбических и гамма-алюминидах титана.

Необязательная оксидная дисперсия имеет несколько важных преимуществ. Во-первых, по существу равномерно распределенная дисперсия способствует достижению желательных механических свойств, которые остаются неизменными в течение продолжительных периодов воздействия повышенной температуры, за счет дальнейшего дисперсионного упрочнения матрицы основного металла, а также помогает ограничить рост зерен упомянутой матрицы основного металла. Во-вторых, при воздействии кислорода окружающей среды во время предэксплуатационного окисления или во время эксплуатации кислород, диффундирующий в изделие, обычно будет вызывать образование «альфа-оболочки» вблизи поверхности обычных содержащих альфа-фазу титановых металлических композиций. При предложенном подходе образующие стабильные оксиды дополнительные химические элементы, присутствующие либо в растворе, либо в виде отдельной фазы, поглощают («геттерируют») диффундирующий внутрь кислород из твердого раствора и увеличивают долю оксидной дисперсии, тем самым снижая инцидентность образования альфа-оболочки и связанного с этим поверхностного охрупчивания и возможного преждевременного разрушения. В-третьих, в некоторых случаях оксидные дисперсоиды имеют больший объем, чем дискретные металлические фазы, из которых они образовались. Образование оксидных дисперсоидов приводит к состоянию со сжимающими напряжениями, величина которых является большей вблизи поверхности изделия, чем более глубоко в изделии. Наличие такого напряженного состояния помогает предотвратить преждевременное образование и рост трещин во время эксплуатации. В-четвертых, образовавшаяся на поверхности изделия стабильная оксидная дисперсия действует как барьер, препятствующий диффузии дополнительного кислорода внутрь. В-пятых, удаление находящегося в растворе избыточного кислорода из матрицы позволяет повысить степень легирования такими металлическими элементами-стабилизаторами альфа-фазы, как алюминий и олово, что, в свою очередь, способствует повышению модуля упругости, статической прочности и сопротивления окислению матрицы. В-шестых, присутствие находящегося в растворе избыточного кислорода в некоторых типах титановых металлических композиций, таких как, например, альфа-2-, орторомбический и гамма-алюминиды, уменьшает пластичность титановой металлической композиции. При использовании предложенного подхода происходит поглощение такого кислорода, в результате чего пластичность не изменяется неблагоприятным образом.

Предпочтительный способ производства такого изделия, состоящего из необходимых элементов-компонентов в необходимых для этих элементов-компонентов пропорциях, включает в себя этапы обеспечения наличия (получения) по меньшей мере одного неметаллического соединения-предшественника, при этом все неметаллические соединения-предшественники в совокупности содержат необходимые элементы-компоненты в соответствующих этим элементам-компонентам пропорциях. Упомянутые элементы-компоненты содержат композицию на основе титана и бор, присутствующий на уровне, который превышает его предел растворимости в твердом растворе при комнатной температуре в упомянутой композиции на основе титана. Соединения-предшественники химически восстанавливают с получением материала, содержащего композицию на основе титана с находящимися в ней частицами борида титана, причем без плавления этой композиции на основе титана, которая образует матрицу. Упомянутая композиция на основе титана не имеет микроструктуры, возникающей в результате плавления, а вместо этого она является более однородной и не имеет признаков сегрегации, связанной с плавлением и затвердеванием (кристаллизацией). Упомянутую композицию на основе титана с находящимися в ней частицами борида титана уплотняют с получением уплотненного изделия, причем без плавления этой композиции на основе титана и без плавления уплотненной композиции на основе титана. Отсутствие плавления способствует достижению и сохранению тонкого распределения частиц борида титана по размеру. Различные этапы такой обработки предпочтительно выполняют в каждом случае при как можно более низкой температуре с тем, чтобы избежать укрупнения частиц борида титана и необязательной оксидной дисперсии и/или частиц элемента-образователя устойчивого оксида. Предложенный подход совместим с рассмотренными здесь вариантами воплощения настоящего изобретения и с теми вариантами его воплощения, которые включены в настоящее описание с помощью ссылок.

Необязательно, упомянутый этап обеспечения наличия может включать в себя этап обеспечения наличия неметаллического соединения-предшественника образующего стабильный оксид дополнительного химического элемента, который образует стабильный оксид в упомянутой композиции на основе титана. В таком материале по меньшей мере один дополнительный химический элемент присутствует на уровне, превышающем его предел растворимости в твердом растворе при комнатной температуре в этой композиции на основе титана. Упомянутый предпочтительный способ включает в себя, после этапа химического восстановления, дополнительный этап окисления металлической композиции, включая окисление образующего оксид дополнительного химического элемента, при температуре, превышающей комнатную.

Уплотненное изделие может быть подвергнуто механическому формообразованию желательным образом с помощью любой технологии механического формования.

Материал может быть подвергнут термической обработке либо после этапа химического восстановления, после этапа уплотнения (если он используется), после механического формообразования, либо впоследствии.

Этапы согласно предпочтительному подходу, этапы химического восстановления и уплотнения, а также любые другие этапы обработки выполняют при температурах ниже температуры плавления матрицы и частиц борида титана, а предпочтительно - при как можно более низких повышенных температурах и в течение как можно более короткого периода времени при таких повышенных температурах. Чем выше температура и больше период времени, тем крупнее будут частицы борида титана и необязательные оксидные частицы. Этапы способа выбирают с учетом этого ограничения. Например, химическое восстановление в паровой фазе является более предпочтительным по сравнению с химическим восстановлением в твердой фазе, так как химическое восстановление в паровой фазе в типичном случае выполняют при более низкой температуре и/или в течение более короткого периода времени по сравнению с химическим восстановлением в твердой фазе. Такие технологии уплотнения, как экструзия (выдавливание), предпочтительней прессования и спекания по той же самой причине.

Таким образом, предложенный подход обеспечивает изделие на основе титана, содержащее тонкую дисперсию борида титана и обладающее улучшенными свойствами и улучшенной стабильностью. Другие признаки и преимущества настоящего изобретения станут очевидными из приведенного ниже подробного описания предпочтительных вариантов его воплощения при рассмотрении совместно с сопровождающими чертежами, которые в качестве примера иллюстрируют принципы данного изобретения. При этом объем настоящего изобретения никоим образом не ограничивается упомянутыми предпочтительными вариантами его воплощения.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 представляет собой идеализированную микроструктуру металлического изделия.

Фиг.2 представляет собой схематичный вид в перспективе частицы борида титана.

Фиг.3 представляет собой вид в перспективе конструктивного элемента газовой турбины, изготовленного с использованием предложенного подхода и имеющего содержащую титан и бор вставку.

Фиг.4 представляет собой поперечное сечение конструктивного элемента газовой турбины, показанного на Фиг.3, по линии 4-4.

Фиг.5 представляет собой схему технологического процесса согласно подходу к практической реализации изобретения.

Фиг.6-8 представляют собой приведенные для сравнения идеализированные микроструктуры, иллюстрирующие относительный размер частиц борида титана по сравнению с сеткой, отображающей размер зерен матрицы, при этом на Фиг.6 представлена микроструктура материала, полученного с использованием технологии распыления газом, на Фиг.7 представлена микроструктура материала, полученного согласно классическому подходу с перемешиванием порошков, а на Фиг.8 представлена микроструктура материала, полученного согласно предложенному в настоящем изобретении подходу.

Подробное описание изобретения

Фиг.1 представляет собой идеализированную микроструктуру изделия 20, содержащего микрокомпозит 21, образованный поликристаллической матрицей 22 на основе титана, содержащей в себе дисперсию мелких пластинчатых внутризеренных частиц 24 борида титана и расположенных по границам зерен частиц 25 борида титана. Необязательно, имеются также оксидные частицы 26, диспергированные в матрице 22. На Фиг.1 оксидные частицы 26 изображены имеющими меньший размер, чем частицы 24 и 25 борида титана. Однако оксидные частицы 26 могут иметь размер, сравнимый с частицами 24 и 25 борида титана, либо могут быть большими по размеру, чем эти частицы 24 и 25 борида титана. (Эта идеализированная микроструктура, показанная на Фиг.1, не отражает относительные размеры или объемные доли компонентов.)

Элементы-компоненты включают в себя композицию на основе титана, бор и, необязательно, образующий стабильный оксид дополнительный химический элемент. Композиция на основе титана по массе содержит больше титана, чем любого другого химического элемента (при этом содержание титана в атомных долях может и не превышать содержание других химических элементов, как, например, в некоторых гамма-фазных алюминидах титана). Матрица 22 на основе титана может представлять собой чистый титан (например, промышленно чистый титан или химически чистый титан), металлический сплав титана и других химических элементов, либо интерметаллический сплав на основе титана. Особый интерес представляют композиции на основе металлических титановых сплавов, которые включают в себя альфа-бета-фазные титановые металлические композиции и бета-фазные титановые металлические композиции, а также композиции, которые содержат альфа-2 и орторомбическую фазы. Из интерметаллических сплавов на основе титана особый интерес представляет металлическая композиция гамма-алюминида титана. Однако состав матрицы не ограничен упомянутыми композициями.

Матрица 22 имеет поликристаллическую структуру с участками из четырех по-разному ориентированных зерен 30, показанных на фиг.1 и разделенных границами 32 («Зерна» также иногда называют «кристаллитами»). Размер зерен 30 предпочтительно составляет менее 10 микрометров, более предпочтительно - менее 5 микрометров. Внутри каждого зерна 30 матрица 22 имеет кристаллографическую ориентацию, схематично отображенную стрелкой 28. Внутризеренные частицы 24 дисперсоида борида титана (т.е. те частицы дисперсоида борида титана, которые расположены не по границам зерен) предпочтительно кристаллографически ориентированы относительно кристаллографической ориентации 28 матрицы 22 внутри каждого зерна 30. Более предпочтительно, внутризеренные частицы 24 борида титана являются когерентными или частично когерентными с матрицей 22 внутри каждого зерна 30. Когерентная поверхность раздела возникает в том случае, когда плоскости кристаллической решетки, пересекающие эту поверхность раздела, являются непрерывными, хотя возможно и меняют ориентации. Полукогерентная или частично когерентная поверхность раздела почти аналогична малоугловой границе в том, что равномерное рассогласование вводится в области хорошего когерентного согласования, разделенные областями плохого согласования, т.е. дислокациями. Когерентность полностью утрачивается, когда рассогласование настолько велико, что расстояние между дислокациями на поверхности раздела примерно равно периоду кристаллической решетки. Таким образом, некогерентная межфазная граница аналогична высокоугловой границе между зернами и возникает в случае отсутствия простого согласования между решетками двух фаз. Расположенные по границам зерен частицы 25 борида титана отличаются от внутризеренных частиц 24 борида титана с точки зрения предпочтительной ориентации, так как на ориентации этих «пограничных» частиц 25 борида титана могут влиять примыкающие к ним зерна, расположенные на границах зерен дислокационные структуры и т.п.

Наличие предпочтительной ориентации внутризеренных частиц 24 дисперсоида борида титана относительно кристаллографического направления 28 в матрице 22 является отличительной чертой по сравнению с ситуацией, наблюдаемой в случае материалов на основе титана-борида титана, которые изготавливают с использованием других подходов. При использовании таких других подходов ориентация частиц борида титана в типичном случае связана с направлением деформирующей обработки, таким как, например, направление прокатки или направление экструзии, и не связана с кристаллографической ориентацией матрицы. В результате механические свойства подобных других материалов в типичном случае являются сильно анизотропными после деформирующей обработки, при этом самые высокие значения модуля упругости и прочности и самое низкое значение пластичности получают при измерении параллельно направлению ориентации частиц борида титана. Предложенный подход приводит к большей степени изотропии частиц борида титана, что обусловлено повышением степени хаотичности кристаллографической ориентации различных зерен при усреднении по всему микрокомпозиционному материалу, и, следовательно, увеличением степени хаотичности ориентации частиц при усреднении по всему микрокомпозиционному материалу. Желательно, чтобы по меньшей мере одно из механических свойств микрокомпозиционного материала с частицами 24, 25 борида титана в титановой матрице 22 было с точностью до 20 процентов изотропным, что означает, что измеренные значения этого свойства, полученные для всех направлений измерений, отличаются не более чем на 20 процентов от значения, усредненного по всем таким направлениям измерений. Предпочтительно, по меньшей мере одно из механических свойств микрокомпозиционного материала является с точностью до 10 процентов изотропным. Однако если потребуется, свойства микрокомпозиционного материала можно сделать более анизотропными при помощи таких видов технологической обработки, как термическая обработка и/или механическая деформирующая обработка.

Уровень содержания бора изменяется в диапазоне от уровня, превышающего предел растворимости бора в композиции на основе титана при комнатной температуре, до уровня, необходимого для получения не более 90 процентов по объему борида титана. В типичном случае бор присутствует в количестве от 0,05 процента до 17 процентов по массе от общей массы конечного уплотненного материала. Результатом является материал, имеющий по меньшей мере две фазы, включая одну или более металлических фаз, составляющих матрицу 22 на основе титана, частицы 24 и 25 борида титана и, необязательно, стабильные оксидные частицы 26 одного или более типов. В том виде, как он используется при описании настоящего способа, термин «борид титана» относится к TiB, который присутствует в большинстве материалов, изготовленных с использованием предложенного подхода, к TiB₂, который присутствует в том случае, если матрица представляет собой гамма-фазный алюминид титана, к Ti₃B₄ и/или другим боридам титана либо к другим содержащим титан и бор соединениям, возможно модифицированным из-за наличия легирующих химических элементов. Термин «моноборид титана» относится конкретно к TiB, а термин «диборид титана» относится конкретно к TiB₂.

В наиболее предпочтительном варианте количество бора составляет не меньше, чем требуется для получения объемной доли в по меньшей мере 0,25 объемного процента, более предпочтительно - по меньшей мере 0,75 объемного процента, а еще более предпочтительно - по меньшей мере 2 объемных процента частиц борида титана в матрице. Согласно проведенным оценкам, 0,25 объемного процента - это то количество частиц борида титана размером 10 нанометров, которое дает повышение предела прочности материала при сдвиге на 20000 фунтов на квадратный дюйм; 0,75 объемного процента - это то количество частиц борида титана размером 20 нанометров, которое дает повышение предела прочности материала при сдвиге на 20000 фунтов на квадратный дюйм; и 2 объемных процента - это то количество частиц борида титана размером 30 нанометров, которое дает повышение предела текучести материала на 30000 фунтов на квадратный дюйм.

Мелкие внутризеренные частицы 24 дисперсоида борида титана обеспечивают дисперсионное упрочнение (т.е. упрочнение по теории Орована) в результате взаимодействия с дислокациями в матрице 22 композиции на основе титана. Эти мелкие внутризеренные частицы 24 дисперсоида меньше по размеру, чем получаемые с использованием известных из уровня техники способов при изготовлении материалов на основе титана-борида титана. Фиг.6-Фиг.8 представляют собой идеализированные сравнительные микроструктуры, иллюстрирующие относительный размер частиц 70 борида титана по сравнению с сеткой 72, отображающей размер зерен матрицы, при двух известных подходах (Фиг.6 - для технологии газового распыления, а Фиг.7 - для классической технологии перемешивания порошков) и в случае предложенного подхода, соответствующего настоящему изобретению (Фиг.8). При увеличении количества присутствующего бора объемная доля борида титана увеличивается настолько, что он становится более близким к непрерывному на макроскопическом уровне, но на микроскопическом уровне по-прежнему сохраняет отдельное распределение мелкодисперсного, менее 1 микрометра, борида титана.

На Фиг.2 отдельно показана внутризеренная частица 24 дисперсоида борида титана при еще большем увеличении, чем на Фиг.1. Внутризеренная частица 24 в типичном случае имеет пластинчатую форму с двумя относительно большими габаритными размерами, которые определяют лицевую поверхность такой пластинки, и относительно небольшим габаритным размером, который определяет толщину этой пластинки. Максимальный габаритный размер L, относящийся к одному из упомянутых двух относительно больших габаритных размеров лицевой поверхности пластинки, представляет собой максимальный габаритный размер внутризеренной частицы 24 дисперсоида борида титана.

Согласно предложенному подходу, по меньшей мере 50 объемных процентов, более предпочтительно - по меньшей мере 90 объемных процентов, а наиболее предпочтительно - по меньшей мере 99 объемных процентов внутризеренных частиц 24 борида титана имеют максимальный габаритный размер L менее 2 микрометров. Более предпочтительно, по меньшей мере 50 объемных процентов, еще более предпочтительно - по меньшей мере 90 объемных процентов, а наиболее предпочтительно - по меньшей мере 99 объемных процентов внутризеренных частиц 24 борида титана имеют максимальный габаритный размер L менее 1 микрометра. Более предпочтительно, по меньшей мере 50 объемных процентов, еще более предпочтительно - по меньшей мере 90 объемных процентов, а наиболее предпочтительно - по меньшей мере 99 объемных процентов внутризеренных частиц 24 борида титана имеют максимальный габаритный размер L менее 0,5 микрометра. В еще более предпочтительном случае, по меньшей мере 50 объемных процентов, более предпочтительно - по меньшей мере 90 объемных процентов, а наиболее предпочтительно - по меньшей мере 99 объемных процентов внутризеренных частиц 24 борида титана имеют максимальный габаритный размер L менее 0,2 микрометра.

Необязательные оксидные частицы 26 образуются в результате реакции кислорода с одним или более образующих стабильные оксиды дополнительных химических элементов. Химический элемент считается образующим стабильный оксид дополнительным химическим элементом, если он образует стабильный оксид в композиции на основе титана, при этом упомянутая композиция на основе титана либо по существу не содержит кислорода в твердом растворе, либо она содержит небольшое количество кислорода в твердом растворе. Чтобы образующий стабильный оксид дополнительный химический элемент действовал в качестве эффективного образователя стабильного оксида, может потребоваться вплоть до примерно 0,5 массового процента кислорода в твердом растворе. Таким образом, предпочтительно, композиция на основе титана содержит от нуля до примерно 0,5 массового процента кислорода в твердом растворе. Могут присутствовать и большие количества кислорода, но такие большие количества могут оказать неблагоприятное влияние на пластичность. В общем случае кислород может присутствовать в материале либо в твердом растворе, либо в виде дискретной оксидной фазы, такой как, например, оксиды, образованные дополнительными химическими элементами, образующими стабильный оксид при их реакции с кислородом.

Титан имеет сильное сродство к кислороду и обладает высокой реакционной способностью по отношению к нему, в результате чего титан растворяет множество оксидов, включая его собственный. Образующие стабильные оксиды дополнительные химические элементы, находящиеся в пределах объема настоящего подхода, образуют стабильный оксид, который не растворяется титановой матрицей металлической композиции во время воздействия типичных температурных условий, связанных с восстановлением, уплотнением, термической обработкой и выдержкой. Примерами образующих стабильные оксиды дополнительных химических элементов являются сильные оксидообразователи, такие как магний, кальций, скандий и иттрий, а также редкоземельные металлы, такие как лантан, церий, празеодим, неодим, прометий, самарий, европий, гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий, иттербий и лютеций, а также их смеси.

Наличие и характер распределения оксидных частиц 26 приводит к нескольким дополнительным важным последствиям. Дисперсия оксидных частиц 26 служит для упрочнения матрицы 22 за счет эффекта дисперсионного упрочнения, а также для улучшения сопротивления матрицы 22 ползучести при повышенных температурах. Кроме того, дисперсия оксидных частиц 26 может «прикалывать» (фиксировать) границы 32 зерен этой матрицы 22, чтобы воспрепятствовать укрупнению зерен 30 во время обработки и/или воздействия повышенных температур. В дополнение к этому, при определенных обстоятельствах оксидные частицы 26 имеют более высокий удельный объем по сравнению с образующими стабильные оксиды дополнительными химическими элементами, из которых они получены. Этот более высокий удельный объем создает сжимающее усилие в матрице 22 у ее поверхности. Такое сжимающее усилие затрудняет образование и рост трещин, когда изделие во время эксплуатации испытывает нагрузки на растяжение или кручение, что является, в высшей степени, положительным результатом.

Одним из важных вариантов использования предложенного подхода является то, что уплотненное изделие может образовывать вставку по отношению к массе из другого материала. В варианте воплощения, показанном на Фиг.3 и Фиг.4, вставку 40 из описанного выше микрокомпозита 21 помещают в не являющийся композитом материал из металлического сплава, который образует остальную часть аэродинамического профиля 42 лопатки 44 газовой турбины. Такая вставка увеличивает прочность и модуль упругости аэродинамического профиля 42, не подвергаясь при этом воздействию газов окружающей среды и не влияя на форму упомянутого аэродинамического профиля 42. Вставки могут быть введены (внедрены) при помощи любого подходящего способа, например, путем изготовления неборидной части при помощи литья по месту, путем литья с последующей деформирующей обработкой, либо с использованием технологии без плавления.

Другими примерами изделий, которые могут быть изготовлены с использованием предложенного подхода, являются конструктивные элементы газотурбинных двигателей, включая: направляющий аппарат, диски, элементы в виде выполненных заодно (монолитных) диска с лопатками (от англ. «blisks», Blade plus Disk fabricated in one piece) и элементы в виде выполненных заодно обода с лопатками (от англ. «blings», Blade integrated ring), валы, кожухи, подвески двигателей, уплотнения и корпуса. Другие изделия включают в себя, например, конструктивные элементы планера (корпуса) летательного аппарата, детали автомобилей и биомедицинские изделия. Однако применение настоящего изобретения данными конкретными изделиями не ограничивается.

На Фиг.5 изображен предпочтительный способ производства металлического изделия, состоящего из необходимых элементов-компонентов в необходимых для этих элементов-компонентов пропорциях. На этапе 50 получают (обеспечивают наличие) по меньшей мере одно неметаллическое соединение-предшественник. Все неметаллические соединения-предшественники в совокупности содержат необходимые элементы-компоненты в соответствующих этим элементам-компонентам пропорциях. Соединения-предшественники могут обеспечивать наличие химических элементов-металлов любым подходящим образом. В предпочтительном варианте имеется ровно одно не являющееся оксидом соединение-предшественник для каждого легирующего элемента-металла, и это одно соединение-предшественник предоставляет весь материал для соответствующего металлического компонента в металлической композиции. Например, для четырехэлементного металлического материала, который представляет собой окончательный результат процесса, первое соединение-предшественник поставляет весь первый химический элемент, второе соединение-предшественник поставляет весь второй химический элемент, третье соединение-предшественник поставляет весь третий химический элемент, а четвертое соединение-предшественник поставляет весь четвертый химический элемент. При этом альтернативные варианты не выходят за пределы предложенного подхода. Например, несколько соединений-предшественников могут вместе поставлять весь один конкретный химический элемент-металл. В другом альтернативном варианте одно соединение-предшественник может поставлять полностью или частично два или более химических элемента-металла. Последние варианты являются менее предпочтительными, так как они затрудняют точное определение соотношений химических элементов в конечном металлическом материале. Конечный металлический материал в типичном случае не является стехиометрическим соединением, содержащим относительные количества металлических компонентов, которые могут быть выражены небольшими целыми числами.

Соединения-предшественники являются неметаллическими и выбираются таким образом, чтобы их можно было использовать в процессе восстановления, в ходе которого они восстанавливаются до металлической формы. В одном из представляющих интерес процессов восстановления, т.е. восстановления в паровой фазе, соединения-предшественники предпочтительно являются галогенидами металлов. В другом представляющем интерес процессе восстановления, т.е. восстановления в твердой фазе, соединения-предшественники предпочтительно являются оксидами металлов. Могут быть использованы смеси из соединений-предшественников различных типов.

Может оказаться затруднительным вводить в металлическую композицию некоторые компоненты, называемые «другими дополнительными компонентами». Какой бы ни была технология восстановления, используемая на этапе 52, и каким бы образом ни вводился упомянутый другой дополнительный компонент, результат представляет собой смесь, содержащую металлическую композицию. Способы введения других дополнительных компонентов могут быть осуществлены применительно к предшественникам перед восстановлением компонента, являющегося базовым металлом, либо применительно к уже восстановленному материалу. Например, бор может добавляться с использованием газообразного борана или иттрий может добавляться в виде хлорида иттрия.

Химический состав первоначальной металлической композиции определяется типами и количествами металлов в смеси неметаллических соединений-предшественников, полученных на этапе 50 или вводимых в ходе обработки. Относительные доли химических элементов-металлов определяются их соответствующими соотношениями в смеси на этапе 50 (не соответствующими соотношениями соединений, а соответствующими соотношениями химических элементов-металлов). Первоначальная металлическая композиция содержит титана больше, чем любого другого химического элемента-металла, который имеется в соединениях-предшественниках, что позволяет получить первоначальную металлическую композицию на основе титана.

Необязательно, на этапе 51 неметаллические соединения-предшественники могут быть подвергнуты предварительному уплотнению перед проведением химического восстановления с использованием таких технологий, как восстановление в твердой фазе. Предварительное уплотнение приводит к получению в ходе последующей обработки губки, а не частиц. Этап 51 предварительного уплотнения, если он используется, выполняют любым подходящим способом, например прессованием неметаллических соединений-предшественников в предварительно уплотненную массу.

На этапе 52 выполняют химическое восстановление одного единственного неметаллического соединения-предшественника или смеси неметаллических соединений-предшественников с получением металлических частиц или губки, причем без плавления этих соединений-предшественников или этого металла. В том виде, как они здесь используются, термины «без плавления», «при отсутствии плавления» и родственные понятия означают, что материал на макроскопическом уровне или в целом не плавится на продолжительный период времени, в результате чего он переходит в жидкую фазу и утрачивает свою форму. Например, может существовать некоторая незначительная степень локализованного расплавления по мере того, как химические элементы с низкой температурой плавления плавятся и диффузионно легируются химическими элементами с более высокой температурой плавления, которые не плавятся, либо может существовать очень кратковременное плавление, длящееся менее 10 секунд. Даже в таких случаях общая форма материала остается неизменной.

Согласно одному из предпочтительных подходов к восстановлению, называемому восстановлением в паровой фазе из-за того, что неметаллические соединения-предшественники подают в виде паров или газообразных фаз, химическое восстановление может быть осуществлено путем восстановления смесей галогенидов основного металла и легирующих химических элементов-металлов с использованием жидкого щелочного металла или жидкого щелочно-земельного металла. Например, тетрахлорид титана, трихлорид бора и галогениды легирующих химических элементов-металлов подают в виде газов. Смесь этих газов в соответствующих количествах приводят в контакт с расплавленным натрием, в результате чего галогениды металлов восстанавливаются до металлов. Металлическую композицию отделяют от натрия. Такое восстановление выполняют при температурах ниже температуры плавления упомянутой металлической композиции. Такой подход, но без настоящего изобретения, более полно описан в патентах США №№ 5779761 и 5958106 и публикации заявки на патент США № 2004/0123700, весь объем раскрытия которых включен в текст данного описания посредством этой ссылки. Другие газофазные технологии описаны в публикациях заявок на патент США №№2004/0050208 и 2004/0261573, весь объем раскрытия которых включен в текст данного описания посредством этой ссылки.

Предпочтительным является восстановление при более низких температурах, а не при более высоких температурах. Желательно, чтобы восстановление проводилось при температурах 600°С или ниже, а предпочтительно - 500°С или ниже. Для сравнения, при выполнении других известных из уровня техники способов по изготовлению титановых или других металлических композиций часто достигают температур 900°С или выше. Низкотемпературное восстановление является более контролируемым и, кроме того, менее подвержено попаданию в металлическую композицию загрязнений, которые, в свою очередь, могут привести к появлению химических дефектов (неоднородностей). В дополнение к этому, низкие температуры снижают вероятность спекания частиц друг с другом во время этапа восстановления и ограничивают потенциально возможное укрупнение частиц стабильного борида и необязательных оксидных дисперсий.

При другом подходе к восстановлению, называемом восстановлением в твердой фазе из-за того, что неметаллические соединения-предшественники подают в виде твердых веществ, химическое восстановление может быть осуществлено путем электролиза в расплавах солей. Электролиз в расплавах солей является известной технологией, которая описана, например, в опубликованной заявке на патент №WO 99/64638, весь объем раскрытия которой включен в текст данного описания во всей полноте посредством этой ссылки. Если говорить вкратце, в данном варианте электролиза в расплавах солей смесь неметаллических соединений-предшественников, подаваемую в мелко измельченном твердом виде, погружают в электролизер в электролит из расплавленной соли, такой как, например, хлоридная соль, при температуре ниже температуры плавления металлической композиции, которая образуется из упомянутых неметаллических соединений-предшественников. Смесь неметаллических соединений-предшественников является катодом в этом электролизере, имеющим инертный анод. Химические элементы, связанные с металлами в неметаллических соединениях-предшественниках, такие как, например, кислород в являющемся предпочтительным случае оксидных неметаллических соединений-предшественников, частично или полностью удаляют из смеси при химическом восстановлении (т.е. процессе, обратном химическому окислению). Реакцию проводят при повышенной температуре с тем, чтобы ускорить диффузию кислорода или другого газа наружу из катода. Катодным потенциалом управляют таким образом, чтобы гарантировать, что протекает именно восстановление неметаллических соединений-предшественников, а не другие возможные химические реакции, такие как, например, разложение расплавленной соли. Электролит представляет собой соль, предпочтительно - соль, которая является более стабильной, чем эквивалентная соль рафинируемых (очищаемых) металлов, и в идеале является очень стабильной для удаления кислорода или другого газа до требуемого низкого уровня. Предпочтительными являются хлориды и смеси хлоридов бария, кальция, цезия, лития, стронция и иттрия. Химическое восстановление предпочтительно, но не обязательно, проводят до полного завершения, в результате чего неметаллические соединения-предшественники полностью восстанавливаются. Проведение процесса не до полного завершения представляет собой способ управления содержанием кислорода в полученном металле и обеспечения возможности образования впоследствии оксидной дисперсии. Если выполняют этап 51 предварительного уплотнения, то результатом этапа 52 может быть металлическая губка.

При другом подходе к восстановлению, называемом «быстрой плазменной закалкой» (от англ. «rapid plasma quench»), соединение-предшественник, такое как, например, хлорид титана, диссоциирует в плазменной дуге при температуре, превышающей 4500°С. Соединение-предшественник быстро нагревается, диссоциирует и быстро охлаждается («закаливается») в газообразном водороде. В результате получают мелкодисперсные частицы гидрида металла. Любое возможное плавление металлических частиц является очень кратковременным, порядка 10 секунд или менее, и не выходит за пределы сущности понятия «без плавления» и его аналогов в том виде, как они используются здесь. Водород впоследствии удаляют из частиц гидрида металла путем термической обработки в вакууме. Кроме того, может добавляться кислород с тем, чтобы он реагировал с образующими стабильные оксиды дополнительными химическими элементами с образованием дисперсии стабильного оксида. Бор добавляют для его реагирования с титаном с получением борида титана.

Какая бы технология восстановления ни использовалась на этапе 52, результатом является материал металлической композиции на основе титана, борид титана и необязательные частицы стабильного оксида. При некоторых обстоятельствах упомянутый материал может представлять собой свободно текучие (сыпучие) частицы, либо, в других случаях, может иметь губчатую структуру. Губчатую структуру получают при использовании технологии восстановления в твердой фазе, если соединения-предшественники сначала были подвергнуты предварительному совместному прессованию (т.е. был выполнен необязательный этап 51) перед началом фактической реакции химического восстановления. Соединения-предшественники могут быть спрессованы для формирования прессованной массы, которая имеет большие габаритные размеры, чем желательное готовое металлическое изделие.

В не обязательном, но предпочтительном случае на этапе 54 материал уплотняют с тем, чтобы получить уплотненное металлическое изделие, причем без плавления композиции на основе титана и без плавления уплотненной композиции на основе титана. Этап 54 уплотнения может быть выполнен с использованием любой подходящей технологии, примерами которой являются горячее изостатическое прессование, ковка, штамповка, экструзия, прессование и спекание, а также экструзия с непосредственным уплотнением порошка, или прокатка, либо комбинация этих способов.

В не обязательном, но предпочтительном случае на этапе 56 проводят дополнительную обработку уплотненного металлического изделия. В процессе этой обработки изделие не плавится. Такая дополнительная обработка может включать в себя, например, механическое формообразование уплотненного металлического изделия (этап 58) с использованием любой подходящей технологии, и/или термическую обработку уплотненного металлического изделия (этап 60) с использованием любой подходящей технологии, и/или окисление уплотненного металлического изделия (этап 62) с использованием любой подходящей технологии (если присутствуют образующие стабильный оксид химические элементы, которым необходимо дать возможность прореагировать для образования оксидных частиц 26). Эти этапы 58, 60 и/или 62, если они используются, выбирают в соответствии с природой композиции на основе титана. Однако эти этапы 58, 60, 62 предпочтительно осуществляют при как можно более низкой температуре, чтобы избежать чрезмерного укрупнения частиц 24 и 25 борида титана.

Предложенный в настоящем изобретении подход был реализован на практике путем приготовления порошков, имеющих следующие составы: титан - примерно 0,8 массового процента бора - примерно 0,5 массового процента кислорода; и титан - примерно 2 массовых процента бора - примерно 1 массовый процент кислорода, с использованием описанного выше предпочтительного подхода. Некоторые порошки были уплотнены при помощи горячего изостатического прессования (ГИП). Другие порошки были уплотнены при помощи ГИП с последующей экструзией при степени вытяжки примерно 10:1. Некоторые образцы после уплотнения были подвергнуты снятию напряжений.

Образцы были исследованы с использованием дифракции рентгеновских лучей, растровой электронной микроскопии и просвечивающей электронной микроскопии. При анализе методом дифракции рентгеновских лучей было установлено наличие альфа-титана и TiB. Растровая электронная микроскопия и просвечивающая электронная микроскопия указали на наличие равномерного тонкого распределения субмикронных частиц борида титана, максимальный габаритный размер которых изменялся в диапазоне от менее 100 нанометров до нескольких сотен нанометров. Внутризеренные частицы борида титана имели такие граничные поверхности, которые образовывали общие грани с примыкающей матрицей альфа-фазы титана. Главные оси зон частиц TiB совпадали с главными осями зон примыкающей матрицы альфа(α)-фазы титана. В этом материале [11-20]α была параллельна [010] внутризеренного TiB, (0001) α была параллельна (001) внутризеренного TiB, а (-1100) α была параллельна (001) внутризеренного TiB. Однако в других композициях могут быть обнаружены другие соотношения.

Частицы были пластинчатыми по форме и имели форму, размер и ориентацию, подобные материалам как в состоянии после ГИП, так и в состоянии после ГИП с последующей экструзией. Измерения макротвердости были проведены как на материалах в состоянии после ГИП, так и материалах в состоянии после ГИП с последующей экструзией. В обоих состояниях материалы были в основном изотропными, что свидетельствует о том, что экструзия не дала значительной анизотропии такого механического свойства, как твердость.

Кроме того, были изготовлены образцы с частицами борида титана, диспергированными в номинальной матрице Ti-6Al-4V.

Хотя в целях иллюстрации здесь были подробно описаны конкретные варианты воплощения настоящего изобретения, могут быть осуществлены различные модификации и усовершенствования, не выходящие за пределы сущности и объема данного изобретения. Соответственно, данное изобретение не должно рассматриваться как ограниченное чем-либо, кроме как приложенной формулой изобретения.

Перечень номеров позиций

20 Изделие

21 Микрокомпозит

22 Матрица

24 Внутризеренные частицы дисперсоида борида титана

25 Частицы борида титана, расположенные по границам зерен

26 Оксидные частицы

28 Кристаллографическое направление

30 Зерна

32 Границы зерен

40 Вставка

42 Аэродинамический профиль

44 Лопатка турбины

70 Частицы

72 Сетка

Изобретение относится к изделиям, содержащим металлические композиции на основе титана и, в частности, к изделиям, изготовленным из композиции титана с диспергированными в них частицами борида титана. Сущность изобретения: микрокомпозиционный конструкционный материал (21), имеющий матрицу (22), которая содержит больше титана, чем любого другого химического элемента, и дисперсию частиц (24, 25) борида титана в этой матрице (22). По меньшей мере примерно 50 объемных процентов частиц (24, 25) борида титана имеют максимальный габаритный размер менее примерно 2 микрометров.

Техническим результатом изобретения является изготовление конструктивных элементов с улучшенными свойствами, уменьшение количества дефектов, расширение диапазона условий безопасности работы. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Микрокомпозиционный конструкционный материал (21), имеющий матрицу (22), содержащую по массе больше титана, чем любого другого химического элемента, и дисперсию частиц (24, 25) борида титана в этой матрице (22), причем по меньшей мере примерно 50 об.% частиц (24, 25) борида титана имеют максимальный габаритный размер менее примерно 2 мкм.

2. Материал (21) по п.1, который содержит менее примерно 1,5% бора по массе.

3. Материал (21) по п.1, который содержит от примерно 1,5% до примерно 17% бора по массе.

4. Материал (21) по п.1, в котором матрица (22) является поликристаллической и имеет размер зерен менее примерно 10 мкм.

5. Материал (21) по п.1, в котором матрица (22) является поликристаллической, а частицы (24, 25) борида титана включают в себя внутризеренные частицы (24) борида титана, причем эти внутризеренные частицы (24) борида титана имеют предпочтительную кристаллографическую ориентацию относительно матрицы (22) внутри каждого зерна (30).

6. Материал (21) по п.1, в котором матрица (22) является поликристаллической, а частицы (24, 25) борида титана включают в себя внутризеренные частицы (24) борида титана, причем эти внутризеренные частицы (24) борида титана внутри каждого зерна (30) являются когерентными или частично когерентными с матрицей (22) упомянутого зерна (30).

7. Материал (21) по п.1, который является механически изотропным с точностью до 20%.

8. Материал (21) по п.1, в котором частицы (24, 25) борида титана имеют пластинчатую форму.

9. Материал (21) по п.1, который дополнительно содержит дисперсию оксидных частиц (26).

10. Конструктивный элемент газотурбинного двигателя, содержащий микрокомпозиционный конструкционный материал (21) по любому из пп.1-9.

11. Конструктивный элемент по п.10, содержащий упомянутый микрокомпозиционный конструкционный материал (21) в качестве вставки (40) в другой материал (44).