СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЛИСТОВОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА СИСТЕМЫ ТИТАН-АЛЮМИНИЙ Российский патент 2017 года по МПК B23K20/04 B23K103/18 B32B15/01 

Изобретение относится к области металлургии легких сплавов и может быть использовано при получении материала для изготовления деталей летательных аппаратов, в том числе подвергаемых повышенным тепловым нагрузкам.

Известны способы получения металлических листовых материалов, включающие сборку многослойного пакета из пластин Ti и Al и последующее их соединение между собой посредством сварки взрывом. Полученный многослойный материал подвергают отжигу и производят его обжатие (Патент Российской Федерации №2463140, МПК В23К 20/08, В32В 7/04, В32В 15/01, 2012 г.; Патент Российской Федерации №2255849, МПК В23К 20/08, 2005 г.).

Недостатки известных способов состоят в сложности их реализации и низкой тепловой устойчивости получаемых изделий из легких сплавов.

Наиболее близким аналогом к предлагаемому изобретению является способ получения листового композиционного материала из легких сплавов, согласно которому осуществляют формирование пакета из титановой фольги, на верхнюю и нижнюю сторону каждого слоя которой предварительно наносят покрытие из порошка Al методом холодного газодинамического напыления, и осуществляют деформирование пакета при температуре и давлении, необходимых для получения интерметаллидного соединения (Патент Российской Федерации №2394665, МПК B22F 7/04, 2010 г.).

Недостаток известного способа состоит в том, что порошковый слой после завершения обработки сохраняет пористость, что снижает функциональные и технологические свойства листового композиционного материала и изделий из него.

Технический результат, решаемый изобретением, состоит в повышении механических и функциональных свойства листового композиционного материала.

Для решения поставленной технической задачи в известном способе получения листового композиционного материала системы титан-алюминий, включающем получение слоистой заготовки в виде пакета и последующую ее прокатку, согласно предложению слоистую заготовку получают сваркой в твердой фазе пакета, составленного из листов титана и алюминия, путем прокатки в газозащитной среде при температуре 420-470°C с относительным обжатием 20-30%, затем заготовку подвергают многопроходной холодной прокатке до заданной толщины при относительном обжатии за проход 10-15% и с промежуточными отжигами при температуре не выше 500°C после достижении суммарной степени деформации более 35%. После чего проводят заключительную термическую обработку при температуре 500-800°C с выдержкой 1-4 ч.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в следующем. Материалы для несущих деталей летательных аппаратов должны сочетать низкую плотность, высокую механическую прочность и жаропрочность. Условиям низкой плотности в наиболее полной мере удовлетворяют легкие сплавы - композиционные слоистые материалы на основе титана и алюминия, приобретающие при термопластической обработке уникальный комплекс прочностных свойств. По этой причине сваренные в твердой фазе за счет взаимной диффузии и экзотермической реакции слои пластин из Al и Ti образуют материал с предельно высоким сочетанием низкой плотности и высокой прочности.

Экспериментально установлено, что наиболее высокий комплекс функциональных свойств достигается при получении слоистой заготовки при сварке в твердой фазе пакета в газозащитной среде путем прокатки при температуре 420-470°C с относительным обжатием 20-30%. При температуре ниже 420°C или относительном обжатии менее 20% прочность соединения слоев Ti и Al недостаточна, что ведет к расслоению заготовки при последующей холодной прокатке. При температуре выше 470°C или относительном обжатии более 30% имеет место снижение пластических свойств слоистой заготовки в результате образования интерметаллидов в объеме заготовки и, естественно, дефектов в виде разрывов, что недопустимо.

Холодная прокатка слоистой заготовки с обжатием за проход менее 10% нерациональна, т.к. увеличивает требуемое число проходов, затраты на производство и снижает функциональные свойства композиционного материала. Повышение относительного обжатия за проход более 15% не исключает образование дефектов в виде разрывов, что недопустимо.

Экспериментально установлено, что после достижении суммарной степени деформации более 35% снижаются пластические свойства заготовки, что приводит к ухудшению функциональных свойств и выхода годного. Для восстановления технологической пластичности слоистого материала Ti-Al в процессе его холодной прокатки без образования дефектов в виде трещин и разрывов, как показал опыт, необходимы промежуточные отжиги. Но при этом, если температура промежуточного отжига будет выше 500°C, то в слоистом материале системы Ti-Al на границах слоев произойдет образование низкопластичных интерметаллических соединений. Это приведет к снижению выхода годного и ухудшению функциональных свойств композиционного материала.

Заключительная термическая обработка холоднокатаного листового композиционного материала конечной толщины системы Ti-Al при температуре 500-800°C с выдержкой 1-4 ч обеспечивает повышение его прочности и жаропрочности за счет формирования интерметаллических соединений.

При этом экспериментально установлено, что если температура заключительной термической обработки будет ниже 500°C или время выдержки составит менее 1 ч, то количества образующихся интерметаллидных соединений не достаточно для повышения функциональных свойств. В то же время, повышение температуры заключительной термообработки выше 800°C, как и выдержки более 4 ч, приводит к снижению пластических и вязкостных свойств композиционного материала, что недопустимо.

Примеры реализации способа

Для получения слоистого композита исходными материалами были выбраны технически чистые титан марки ВТ1-0 и алюминиевый сплав марки АД1. Для обеспечения стехиометрического состава γ-Ti-Al при высокотемпературной обработке слоистого материала были приняты различные соотношения толщин слоев алюминия и титана, а именно 1:1, 2:1, 1:2. Пакеты собирали из пластин размерами 0,1×40×120 мм по 30 слоев каждого материала.

Температурный режим прокатки пакетов был выбран из условий, с одной стороны, недопущения образования прочных и хрупких интерметаллидов на границе контакта слоев, резко снижающих деформируемость материала, и, с другой стороны, сохранения пластичности составляющих пакета. Такими температурными условиями, как показали эксперименты, является интервал температур прокатки t_пр=450-500°C.

Для обеспечения сварки в твердой фазе титана и алюминия при выбранном температурном интервале экспериментально определенно относительное обжатие ε=25-30% за проход. Прокатку проводили на вакуумном прокатном стане дуо 170.

Сваренный в вакууме пакет прокатывали на воздухе при температуре 450-500°C с относительным обжатием за проход ε=8-10% до конечной толщины 0,35 мм. Затем полосы разрезали на пластины длиной 120 мм и вновь собирали в пакеты, которые прокатали вначале в вакууме, а затем в воздушной атмосфере. В результате повторения таких циклов в конечном итоге получили полосы толщиной 0,35 мм, состоящие из 4800 слоев. При этом толщина титановых слоев составляла 100-120 нм, а алюминиевых 80-90 нм.

Для образования интерметаллидов образцы полученных слоистых композиционных материалов подвергали нагреву до температур T_то равных 510, 590 и 810°C. В результате экзотермической реакции на границе раздела «титан-алюминий» образовались интерметаллические фазы. Рентгеноструктурный анализ показал, что при всех температурно-временных условиях образовались химические соединения типа Ti₃Al, TiAl и TiAl₂.

Варианты реализации предложенного способа и показатели их эффективности приведены в таблице.

Как следует из данных, представленных в таблице, при реализации предложенного способа (варианты №2-4) достигается повышение механических и функциональных свойств изделий из слоистого листового композиционного материала системы Ti-Al. При запредельных значениях заявленных параметров (варианты №1 и №4) механические и функциональные свойства слоистого материала ухудшаются. Также более низкие механические и функциональные свойства имели место при реализации известного способа (Патент Российской Федерации №2394665, МПК B22F 7/04, 2010 г.).

Технико-экономические преимущества предложенного способа получения листового композиционного материала системы титан-алюминий заключаются в том, что сварка в твердой фазе пакета в газозащитной среде прокаткой при температуре 420-470°C с суммарным относительным обжатием 20-30% обеспечивает формирование прочного бездефектного соединения. Это повышает технологическую пластичность слоистого материала при его дальнейшей холодной прокатке при обжатии за проход 10-15%.

Промежуточные отжиги при температуре не выше 500°C после достижения суммарной степени деформации более 35% снимают деформационный наклеп и восстанавливают высокую пластичность слоистого материала. Заключительная термическая обработка холоднокатаного слоистого материала при температуре 500-800°C со временем выдержки 1-4 ч приводит к образованию интерметаллических соединений различной морфологии, что повышает функциональные свойства и существенно повышает жаропрочность композиционного материала.

В качестве базового объекта принят известный способ (Патент РФ №2394665, МПК B22F 7/04, 2010). Использование предложенного способа обеспечивает возможность создания легких конструкций для полетов с высокими скоростями в плотных слоях атмосферы.

Изобретение может быть использовано при получении листового композиционного материала системы титан-алюминий для изготовления деталей летательных аппаратов, в том числе подвергаемых повышенным тепловым нагрузкам. Способ включает получение слоистой заготовки в виде пакета и последующую ее прокатку. Слоистую заготовку получают сваркой пакета в твердой фазе в газозащитной среде путем прокатки при температуре 420-470°C с относительным обжатием 20-30%. Затем заготовку подвергают многопроходной холодной прокатке до заданной толщины при относительном обжатии за проход 10-15% и с промежуточными отжигами при температуре не выше 500°C после достижении суммарной степени деформации более 35%. После чего проводят заключительную термическую обработку при температуре 500-800°C с выдержкой 1-4 ч. Технический результат состоит в повышении механических и функциональных свойств листового композиционного материала. 1 табл.

Способ получения листового композиционного материала системы титан-алюминий, включающий получение слоистой заготовки в виде пакета и последующую ее прокатку, отличающийся тем, что слоистую заготовку получают сваркой в твердой фазе пакета в газозащитной среде путем прокатки при температуре 420-470°С с относительным обжатием 20-30%, затем заготовку подвергают многопроходной холодной прокатке до заданной толщины при относительном обжатии за проход 10-15% и с промежуточными отжигами при температуре не выше 500°С после достижении суммарной степени деформации более 35%, после чего проводят заключительную термическую обработку при температуре 500-800°С с выдержкой 1-4 ч.