МАТЕРИАЛЫ С ГПУ-СТРУКТУРОЙ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ, ТИТАНА И ЦИРКОНИЯ И ИЗДЕЛИЯ, ПОЛУЧЕННЫЕ ИЗ НИХ Российский патент 2020 года по МПК C22C14/00 C22C30/00 B22F3/105 B33Y70/00 

[001] Алюминид титана TiAl представляет собой интерметаллическое химическое соединение. Он легкий и устойчивый к окислению и нагреванию, однако у него имеется недостаток в виде низкой пластичности. Плотность гамма-TiAl составляет приблизительно 4,0 г/см³. Он находит применение в нескольких областях применения, в том числе автомобильной и авиационной промышленности. Разработка сплавов на основе TiAl началась приблизительно в 1970 году; однако сплавы начали применять в этих областях применения только с приблизительно 2000 года.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[002] В целом настоящая патентная заявка относится к новым материалам на основе алюминия-титана-циркония («новые материалы»), содержащим однофазную область с гексагональной плотноупакованной (гпу) структурой твердого раствора при температуре, которая непосредственно ниже температуры солидуса материала. Новые материалы могут включать по меньшей мере одну выделившуюся фазу и характеризоваться температурой растворения, составляющей по меньшей мере 1240°C. Температура растворения является показателем прочности материала и термической стойкости при повышенных температурах. Как правило, чем выше температура растворения, тем выше прочность и термическая стойкость при повышенных температурах. Новые материалы могут включать 29,0-42,4 вес. % Al, 41,2-59,9 вес. % Ti и 10,3-24,1 вес. % Zr. В одном варианте осуществления выделение выбрано из группы, состоящей из фазы L1₀, фазы Al₂Zr и их комбинаций. Фаза(-ы) выделения могут быть образованы посредством способа превращения в твердом состоянии. В одном конкретном подходе новые материалы могут включать 32,3-38,5 вес. % Al, 45,8-54,5 вес. % Ti и 11,5-21,9 вес. % Zr, при этом допускаются необязательные второстепенные элементы и неизбежные примеси. Другие аспекты, подходы и варианты осуществления, относящиеся к новым материалам, подробно описаны ниже.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[003] На ФИГ. 1 показано схематическое изображение элементарных ячеек c оцк-, гцк- и гпу-структурой.

[004] На ФИГ. 2 показана тройная диаграмма состава, на которой показаны неограничивающие примеры сплавов по настоящему изобретению в закрашенных кружках.

[005] На ФИГ. 3 показана блок-схема одного варианта осуществления способа получения нового материала.

[006] На ФИГ. 4 показана блок-схема одного варианта осуществления способа получения кованого изделия, характеризующегося гпу-структурой твердого раствора с одним или более выделениями в них.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[007] Как указано выше, настоящая патентная заявка относится к новым материалам на основе алюминия-титана-циркония («новые материалы»), содержащим однофазную область с гексагональной плотноупакованной (гпу) структурой твердого раствора при температуре, которая непосредственно ниже температуры солидуса материала. Как известно специалистам в данной области техники, и как показано на ФИГ. 1, гексагональная плотноупакованная (гпу) элементарная ячейка имеет три слоя атомов, причем первый и третий слои являются идентичными. Первый и третий слои включают атомы в каждом углу гексагональной элементарной ячейки и атом в центре гексагона. Средний слой включает три атома внутри элементарной ячейки. Координационное число элементарной гпу-ячейки составляет 12 и предусматривает 6 атомов на элементарную ячейку.

[008] Благодаря уникальным составам, описанным в данном документе, в новых материалах может быть получена однофазная область с гпу-структурой твердого раствора при температуре, которая непосредственно ниже температуры солидуса материала. Новые материалы также могут характеризоваться высокой температурой ликвидуса и узким равновесным интервалом замораживания (например, для ограничения микросегрегации во время затвердевания), что делает их подходящими для получения слитков посредством традиционной обработки, а также посредством порошковой металлургии, литья, аддитивного производства и их комбинаций (гибридная обработка). Новые материалы могут найти применение в высокотемпературных областях применения.

[009] Новые материалы в целом характеризуются кристаллической гпу-структурой и включают 29,0-42,4 вес. % Al, 41,2-59,9 вес. % Ti и 10,3-24,1 вес. % Zr («сплавообразующие элементы»), где материал включает достаточное количество Al, Ti и Zr для получения гпу-структуры твердого раствора. Материал может состоять из Al, Ti и Zr, при этом допускаются второстепенные элементы и неизбежные примеси. Используемый в данном документе термин «второстепенные элементы» включает модификаторы границы зерна, вспомогательные вещества для литья и/или материалы для контроля структуры зерна, такие как углерод, бор и т. п., которые можно применять в сплаве. Например, можно добавлять одно или более из углерода, бора и т. п. в количестве, достаточном для обеспечения модификации границы зерна. Добавляемое количество должно быть ограничено до количества, достаточного для обеспечения модификации границы зерна без нецелесообразно ухудшающихся свойств материала, как например при образовании интерметаллических соединений. В качестве одного неограничивающего примера к материалу можно добавлять не более 0,15 вес. % C и не более 0,15 вес. % B при условии, что добавленное количество не приведет к нецелесообразному ухудшению свойств материала. Различные варианты осуществления в отношении состава новых материалов показаны на ФИГ. 2. Закрашенные кружки представляют собой неограничивающие примеры сплавов по настоящему изобретению. Нижеприведенная таблица 1 соответствует неограничивающим примерам типов сплавов, пригодных в соответствии с настоящей патентной заявкой.

Таблица 1

Сплав Al (ат. %) Ti (ат. %) Zr (ат. %) 1 50 40 10 2 50 45 5 3 55 40 5

Таблица 2. Потенциальные свойства сплава

Температура растворения: 1240-1335°C
Неравновесный интервал замораживания: 75-135°C
Плотность: 3985-3925 кг/м³
Выделение(-я) может(могут) представлять собой фазу L1₀, фазу Al₂Zr или другие.

[0010] В одном подходе новые материалы включают по меньшей мере одну выделившуюся фазу и характеризуются температурой растворения, составляющей по меньшей мере 1240°C. В данном подходе новые материалы могут включать 29,0-42,4 вес. % Al, 41,2-59,9 вес. % Ti и 10,3-24,1 вес. % Zr. В одном варианте осуществления выделение выбрано из группы, состоящей из фазы L1₀, фазы Al₂Zr и их комбинаций. Фаза(-ы) выделения могут быть образованы во время выделения в твердом состоянии. Фаза(-ы) выделения могут быть образованы во время выделения в твердом состоянии. В одном конкретном подходе новые материалы могут включать 32,3-38,5 вес. % Al, 45,8-54,5 вес. % Ti и 11,5-21,9 вес. % Zr.

[0011] В некоторых из этих вариантов осуществления неравновесный диапазон замораживания материала составляет не более 300°С. В одном варианте осуществления неравновесный интервал замораживания материала составляет не более 250°C. В другом варианте осуществления неравновесный интервал замораживания материала составляет не более 200°C. В другом варианте осуществления неравновесный интервал замораживания материала составляет не более 150°C. В другом варианте осуществления неравновесный интервал замораживания материала составляет не более 100°C. В другом варианте осуществления неравновесный интервал замораживания материала составляет не более 80°C. В некоторых из этих вариантов осуществления новые материалы включают по меньшей мере одну выделившуюся фазу и характеризуются температурой растворения, составляющей по меньшей мере 1275°C. В некоторых из этих вариантов осуществления новые материалы включают по меньшей мере одну выделившуюся фазу и характеризуются температурой растворения, составляющей по меньшей мере 1300°C. В одном варианте осуществления новый материал характеризуется температурой растворения, составляющей по меньшей мере 1275°С, и выделение представляет собой по меньшей мере фазу Al₂Zr.

[0012] В одном подходе и со ссылкой на ФИГ. 3 способ получения нового материала включает стадии (100) нагревания смеси, содержащей Al, Ti и Zr, и в пределах вышеописанных составов до температуры, которая выше температуры ликвидуса смеси, с образованием таким образом жидкости; (200) охлаждения смеси от температуры, которая выше температуры ликвидуса, до температуры, которая ниже температуры солидуса, при этом вследствие охлаждения смесь образует твердое изделие, характеризующееся гпу (гексагональной плотноупакованной) структурой твердого раствора (потенциально с другими фазами из-за микросегрегации), и при этом смесь содержит достаточное количество Al, Ti и Zr для получения гпу-структуры твердого раствора; и (300) охлаждения твердого изделия до температуры, которая ниже температуры растворения выделившейся фазы смеси, с образованием таким образом выделившейся фазы в гпу-структуре твердого раствора твердого изделия, при этом смесь содержит достаточное количество Al, Ti и Zr для получения выделившейся фазы с гпу-структурой твердого раствора. В одном варианте осуществления твердый раствор с гпу-структурой представляет собой первую фазу, образующуюся из жидкости.

[0013] В одном варианте осуществления контролируемое охлаждение материала используется для того, чтобы способствовать получению подходящего конечного изделия. Например, способ может включать стадию (400) охлаждения смеси до температуры окружающей среды, и при этом способ может включать осуществление контроля значений скорости охлаждения во время осуществления по меньшей мере стадий охлаждения (300) и (400), так что после завершения стадии (400), т. е. при достижении температуры окружающей среды, получают не содержащий трещин слиток. Контролируемое охлаждение может быть выполнено, например, посредством применения подходящей водоохлаждаемой литейной формы.

[0014] Используемый в данном документе термин «слиток» означает литое изделие любой формы. Термин «слиток» включает заготовку. Используемый в данном документе термин «не содержащий трещин слиток» означает слиток, который в достаточной степени не содержит трещин, так что его можно применять в качестве слитка для обработки. Используемый в данном документе термин «слиток для обработки» означает слиток, подходящий для последующей обработки до конечного изделия. Последующая обработка может включать, например, горячую обработку и/или холодную обработку посредством любого из прокатки, ковки, экструзии, а также снятия напряжения путем сжатия и/или растяжения.

[0015] В одном варианте осуществления не содержащее трещин изделие, такое как не содержащий трещин слиток, при необходимости можно подвергнуть обработке с получением конечного кованого изделия из материала. Например, и со ссылкой на ФИГ. 3-4, вышеописанные стадии (100)-(400) на ФИГ. 3 могут рассматриваться как стадия литья (10), показанная на ФИГ. 4, приводящая к вышеописанному не содержащему трещин слитку. В других вариантах осуществления не содержащее трещин изделие может представлять собой не содержащую трещин заготовку, полученную, например, посредством литья, аддитивного производства или порошковой металлургии. В любом случае не содержащее трещин изделие может быть дополнительно подвергнуто обработке с получением кованого конечного изделия, характеризующегося гпу-структурой твердого раствора, необязательно с одной или более фазами выделений в нем. Эта дополнительная обработка в соответствующих случаях может включать любую комбинацию нижеописанных стадий растворения (20) и обработки (30) с получением формы конечного изделия. Как только получают форму конечного изделия, материал можно подвергать дисперсионному упрочнению (40) для получения упрочняющих выделений. Формой конечного изделия может являться, например, прокатное изделие, экструдированное изделие или кованое изделие.

[0016] Продолжая ссылаться на ФИГ. 4, в результате стадии литья (10) слиток может включать некоторые частицы вторичных фаз. Следовательно, способ может включать одну или более стадий растворения (20), где слиток, форму промежуточного изделия и/или форму конечного изделия нагревают до температуры, которая выше температуры растворения соответствующего(-их) выделения(-й), но ниже температуры солидуса материала, с растворением таким образом некоторых или всех частиц вторичных фаз. Стадия растворения (20) может включать вымачивание материала в течение времени, достаточного для растворения соответствующих частиц вторичных фаз. После вымачивания материал может быть охлажден до температуры окружающей среды для последующей обработки. В качестве альтернативы, после вымачивания материал может быть немедленно подвергнут горячей обработке посредством стадии обработки (30).

[0017] Стадия обработки (30) в целом включает горячую обработку и/или холодную обработку слитка и/или формы промежуточного изделия. Горячая обработка и/или холодная обработка может включать, например, прокатку, экструзию или ковку материала. Обработка (30) может происходить перед и/или после любой стадии растворения (20). Например, после завершения стадии растворения (20) может быть обеспечено охлаждение материала до температуры окружающей среды, а затем повторное нагревание до подходящей температуры для горячей обработки. В качестве альтернативы, материал может быть подвергнут холодной обработке при температуре, примерно соответствующей значениям температуры окружающей среды. В некоторых вариантах осуществления материал может быть подвергнут горячей обработке, охлаждению до температуры окружающей среды, а затем подвергнут холодной обработке. В некоторых других вариантах осуществления горячую обработку можно начинать после вымачивания на стадии растворения (20), так что повторное нагревание изделия не является необходимым для горячей обработки.

[0018] Стадия обработки (30) может привести к выделению частиц вторичных фаз. В связи с этим в соответствующих случаях можно использовать любое число стадий (20) растворения после обработки для растворения некоторых или всех частиц вторичных фаз, которые могли образоваться вследствие стадии обработки (30).

[0019] После любых подходящих стадий растворения (20) и обработки (30) форму конечного изделия можно подвергать дисперсионному упрочнению (40). Дисперсионное упрочнение (40) может включать нагревание формы конечного изделия до температуры, которая выше температуры растворения соответствующего(-их) выделения(-й), в течение времени, достаточного для растворения по меньшей мере некоторых частиц вторичных фаз, выделившихся вследствие обработки, а затем быстрое охлаждение формы конечного изделия до температуры, которая ниже температуры растворения соответствующего(-их) выделения(-й), с образованием таким образом частиц выделений. Дисперсионное упрочнение (40) будет дополнительно включать выдерживание изделия при целевой температуре в течение времени, достаточного для образования упрочняющих выделений, а затем охлаждение изделия до температуры окружающей среды с получением таким образом конечного состаренного изделия, содержащего упрочняющие выделения в нем. В одном варианте осуществления конечное состаренное изделие содержит ≥0,5 об. % упрочняющих выделений. Упрочняющие выделения предпочтительно расположены в матрице гпу-структуры твердого раствора с приданием таким образом прочности изделию посредством взаимодействий с дислокациями.

[0020] Благодаря структуре и составу новых гпу-материалов в новых материалах можно получить улучшенную комбинацию свойств, такую как улучшенная комбинация по меньшей мере двух, среди прочих, из плотности, пластичности, прочности, трещиностойкости, стойкости к окислению, сопротивления усталости, сопротивления ползучести и устойчивости к воздействию повышенных температур. Таким образом, новые материалы могут найти применение в различных областях применения, таких как, среди прочего, применение в высокотемпературных областях применения, используемых в автомобильной промышленности (пассажирские транспортные средства, грузовые автомобили и любые другие наземные транспортные средства) и аэрокосмической промышленности. Например, новые материалы могут найти применение в качестве компонентов турбины в двигателях или в других высокотемпературных областях применения. Другие компоненты включают лезвия, диски, лопасти, кольца и кожухи для двигателей. В одном варианте осуществления новый материал используется в области применения, требующей работы при температуре от 600°C до 1000°C или выше.

[0021] Новые материалы, описанные выше, также можно применять для получения изделий или заготовок, полученных посредством литья. Изделия, полученные посредством литья, представляют собой такие изделия, которые достигают своей конечной или близкой к конечной формы изделия после процесса литья. Новые материалы могут быть отлиты в любую требуемую форму. В одном варианте осуществления новые материалы отливают в компонент для автомобильной или аэрокосмической промышленности (например, отливают в компонент двигателя). После литья изделие, полученное посредством литья, может быть подвергнуто любым подходящим стадиям растворения (20) или дисперсионного упрочнения (40), как описано выше. В одном варианте осуществления изделие, полученное посредством литья, состоит по сути из Al, Ti и Zr и в пределах вышеописанных составов. В одном варианте осуществления изделие, полученное посредством литья, включает ≥0,5 об. % упрочняющих выделений.

[0022] Хотя данная патентная заявка в целом была описана, как относящаяся к материалам в виде сплавов с гпу-матрицей, содержащим одну или более из вышеуказанных перечисленных выделившихся фаз в них, следует понимать, что другие упрочняющие фазы могут быть применимы к новым материалам в виде сплавов с гпу-матрицей, и все эти упрочняющие фазы (когерентные или некогерентные) могут оказаться полезными в материалах в виде сплавов с гпу-структурой, описанных в данном документе.

Аддитивное производство новых материалов с гпу-структурой

[0023] Вышеописанные новые материалы также можно изготавливать посредством аддитивного производства. Используемый в данном документе термин «аддитивное производство» означает «способ соединения материалов с целью создания объектов из данных 3D модели, обычно послойно, в отличие от методик субтрактивного производства», как определено в документе ASTM F2792-12a под названием «Стандартные термины для аддитивных производственных технологий». Новые материалы могут быть изготовлены посредством любой подходящей методики аддитивного производства, описанной в данном стандарте ASTM, такой как, среди прочих, разбрызгивание связующего, нанесение материала с помощью направленного энергетического воздействия, прессование материала выдавливанием, разбрызгивание материала, расплавление материала в заранее сформированном слое или соединение листовых материалов.

[0024] В одном варианте осуществления способ аддитивного производства включает нанесение последовательных слоев одного или более порошков, а затем выборочное плавление и/или спекание порошков с послойным образованием детали (изделия), изготовленной посредством аддитивного производства. В одном варианте осуществления в способах аддитивного производства используют, среди прочих, одно или более из селективного лазерного спекания (SLS), селективного лазерного плавления (SLM) и электронно-лучевого плавления (EBM). В одном варианте осуществления в способе аддитивного производства используют систему аддитивного производства с помощью прямого лазерного спекания металлов (DMLS) EOSINT M 280 или аналогичную систему, доступную от EOS GmbH (Robert-Stirling-Ring 1, 82152 Крайллинг/Мюнхен, Германия).

[0025] В качестве одного примера исходное сырье, такое как порошок или проволока, содержащие сплавообразующие элементы и любые необязательные второстепенные элементы (или по сути состоящие из них) и в пределах вышеописанных составов можно применять в устройстве для аддитивного производства с получением детали, изготовленной посредством аддитивного производства, содержащей гпу-структуру твердого раствора, необязательно с выделившейся(-имися) фазой(-ами) в ней. В некоторых вариантах осуществления деталь, изготовленная посредством аддитивного производства, представляет собой не содержащую трещин заготовку. Порошки могут быть выборочно нагреты до температуры, которая выше температуры ликвидуса материала, с образованием таким образом ванны расплава, содержащей сплавообразующие элементы и любые необязательные второстепенные элементы, с последующим быстрым отверждением ванны расплава.

[0026] Как указано выше, аддитивное производство можно применять для послойного получения металлического изделия (например, изделия из сплава), например, с помощью слоя металлического порошка. В одном варианте осуществления слой металлического порошка применяют для получения изделия (например, изделия из сплава с заданными физическими свойствами). Используемый в данном документе термин «слой металлического порошка» и т. п. означает слой, содержащий металлический порошок. Во ходе аддитивного производства частицы с одинаковыми или разными составами могут плавиться (например, быстро плавиться), а затем затвердевать (например, в отсутствие гомогенного смешивания). Таким образом, можно получать изделия, характеризующиеся гомогенной или негомогенной микроструктурой. Один вариант осуществления способа получения детали, изготовленной посредством аддитивного производства, может включать (a) диспергирование порошка, содержащего сплавообразующие элементы и любые необязательные второстепенные элементы; (b) выборочное нагревание части порошка (например, посредством лазера) до температуры, которая выше температуры ликвидуса конкретной детали, подлежащей образованию; (c) образование ванны расплава, содержащей сплавообразующие элементы и любые необязательные второстепенные элементы; и (d) охлаждение ванны расплава со скоростью охлаждения, составляющей по меньшей мере 1000°C в секунду. В одном варианте осуществления скорость охлаждения составляет по меньшей мере 10000°C в секунду. В другом варианте осуществления скорость охлаждения составляет по меньшей мере 100000°C в секунду. В другом варианте осуществления скорость охлаждения составляет по меньшей мере 1000000°C в секунду. При необходимости стадии (a)-(d) могут повторяться до тех пор, пока не будет получена деталь, т. е. до тех пор, пока не будет образована/получена конечная деталь, изготовленная посредством аддитивного производства. Конечная деталь, изготовленная посредством аддитивного производства, содержащая гпу-структуру твердого раствора, необязательно с выделившейся(-имися) фазой(-ами) в ней, может иметь сложную геометрию или может иметь простую геометрию (например, в виде листа или пластины). После получения или в ходе него, изделие, изготовленное посредством аддитивного производства, можно деформировать (например, посредством одного или более из прокатки, экструзии, ковки, растяжения, сжатия).

[0027] Порошки, применяемые для аддитивного производства нового материала, можно получить посредством тонкого распыления материала (например, слитка или расплава) для нового материала с образованием порошков с подходящими размерами относительно способа аддитивного производства, подлежащего применению. Используемый в данном документе термин «порошок» означает материал, содержащий множество частиц. Порошки могут применяться в слое порошка для получения изделия из сплава с заданными физическими свойствами посредством аддитивного производства. В одном варианте осуществления один и тот же основной порошок применяют в ходе всего процесса аддитивного производства для получения металлического изделия. Например, конечное металлическое изделие с заданными физическими свойствами может содержать одну область/матрицу, полученную посредством использования в основном одного и того же металлического порошка в ходе процесса аддитивного производства. В качестве альтернативы, конечное металлическое изделие с заданными физическими свойствами может содержать по меньшей мере две отдельно полученные различающиеся области. В одном варианте осуществления можно применять разные типы слоев металлического порошка для получения металлического изделия. Например, первый слой металлического порошка может содержать первый металлический порошок, и второй слой металлического порошка может содержать второй металлический порошок, отличный от первого металлического порошка. Первый слой металлического порошка можно применять для получения первого слоя или части изделия из сплава, и второй слой металлического порошка можно применять для получения второго слоя или части изделия из сплава. Используемый в данном документе термин «частица» означает мельчайший фрагмент вещества, характеризующийся размером, подходящим для применения в порошке для слоя порошка (например, размером от 5 микрон до 100 микрон). Частицы можно получить, например, посредством тонкого распыления.

[0028] Деталь, изготовленную посредством аддитивного производства, можно подвергать любым подходящим стадиям растворения (20), обработки (30) и/или дисперсионного упрочнения (40), как описано выше. В случае использования стадии растворения (20) и/или обработки (30) могут быть осуществлены в отношении промежуточной формы детали, изготовленной посредством аддитивного производства, и/или могут быть осуществлены в отношении конечной формы детали, изготовленной посредством аддитивного производства. В случае использования стадию (40) дисперсионного упрочнения в целом осуществляют в отношении конечной формы детали, изготовленной посредством аддитивного производства. В одном варианте осуществления деталь, изготовленная посредством аддитивного производства, состоит по сути из сплавообразующих элементов и любых второстепенных элементов и примесей, таких как любые вышеописанные составы материала, необязательно с ≥0,5 об. % выделившейся(-ихся) фазы(фаз) в них.

[0029] В другом варианте осуществления новый материал представляет собой заготовку для последующей обработки. Заготовка может представлять собой слиток, изделие, изготовленное посредством литья, изделие, изготовленное посредством аддитивного производства, или изделие, изготовленное посредством порошковой металлургии. В одном варианте осуществления заготовка характеризуется формой, которая является близкой к конечной требуемой форме конечного изделия, однако заготовка рассчитана на последующую обработку с достижением конечной формы изделия. Таким образом, заготовку можно подвергать обработке (30), например, посредством ковки, прокатки или экструзии, с получением промежуточного изделия или конечного изделия, причем промежуточное или конечное изделие можно подвергать любым дополнительным подходящим стадиям растворения (20), обработки (30) и/или дисперсионного упрочнения (40), описанным выше, с получением конечного изделия. В одном варианте осуществления обработка предусматривает горячее изостатическое прессование (ГИП) для сжатия детали. В одном варианте осуществления заготовку из сплава можно сжимать и можно уменьшать ее пористость. В одном варианте осуществления температуру проведения ГИП поддерживают ниже начальной температуры плавления заготовки из сплава. В одном варианте осуществления заготовка может представлять собой изделие с формой, близкой к заданной.

[0030] В одном подходе используются электронно-лучевые (EB) или плазменно-дуговые методики с получением по меньшей мере части детали, изготовленной посредством аддитивного производства. Электронно-лучевые методики могут способствовать получению более крупных деталей по сравнению с легко полученными с помощью методик аддитивного производства посредством лазера. В одном варианте осуществления способ включает подачу проволоки небольшого диаметра (например, диаметром ≤2,54 мм) в участок механизма для подачи проволоки электроннолучевой пушки. Проволока может характеризоваться составами, описанными выше. Электронный луч (EB) нагревает проволоку до температуры, которая выше точки ликвидуса детали, подлежащей образованию, с последующим быстрым отверждением (например, по меньшей мере 100°C в секунду) ванны расплава с образованием отложившегося материала. Проволока может быть изготовлена посредством традиционного способа отливки или посредством способа уплотнения порошка. При необходимости эти стадии можно повторять до тех пор, пока не будет получено конечное изделие. Подачу проволоки при применении плазменной дуги можно подобным образом применять со сплавами, раскрытыми в данном документе. В одном не проиллюстрированном варианте осуществления в электронно-лучевом (EB) или плазменно-дуговом устройстве для аддитивного производства может использоваться несколько разных проволок с соответствующими несколькими разными источниками излучения, причем каждое из проволок и источников подлежит подаче и активации, при необходимости, с получением изделия, которое содержит металлическую матрицу, содержащую сплавообразующие элементы и любые необязательные второстепенные элементы.

[0031] В другом подходе способ может включать (a) выборочное распыление одного или более металлических порошков по направлению к подложке для наращивания или на нее; (b) нагревание посредством источника излучения металлических порошков и необязательно подложки для наращивания до температуры, которая выше температуры ликвидуса изделия, подлежащего образованию, с образованием таким образом ванны расплава; (c) охлаждение ванны расплава с образованием таким образом твердой части металлического изделия, где охлаждение представляет собой охлаждение при скорости охлаждения, составляющей по меньшей мере 100°C в секунду. В одном варианте осуществления скорость охлаждения составляет по меньшей мере 1000°C в секунду. В другом варианте осуществления скорость охлаждения составляет по меньшей мере 10000°C в секунду. Стадию охлаждения (c) можно осуществлять путем перемещения источника излучения в сторону от ванны расплава и/или путем перемещения подложки для наращивания с ванной расплава в сторону от источника излучения. При необходимости стадии (a)-(c) можно повторять до тех пор, пока не будет получено металлическое изделие. Стадию (a) распыления можно осуществлять посредством одного или более сопел, и при необходимости состав металлических порошков можно изменять с получением конечного металлического изделия с заданными физическими свойствами, содержащего металлическую матрицу, при этом металлическая матрица содержит сплавообразующие элементы и любые необязательные второстепенные элементы. Состав металлического порошка, подлежащего нагреванию, в любой момент времени можно изменять в режиме реального времени посредством использования разных порошков в разных соплах и/или посредством изменения состава(-ов) порошка(-ов), подаваемого(-ых) в любое сопло в режиме реального времени. Деталь может представлять собой любую подходящую подложку. В одном варианте осуществления подложка для наращивания сама по себе является металлическим изделием (например, изделием из сплава).

[0032] Как указано выше, для получения металлических изделий (например, для получения изделий из сплава) можно применять сварку. В одном варианте осуществления изделие получают посредством операции плавления, применяемой в отношении материалов-предшественников в виде множества металлических компонентов разного состава. Материалы-предшественники могут быть представлены в соприкосновении относительно друг друга для обеспечения одновременного плавления и смешивания. В одном примере плавление происходит в процессе электродуговой сварки. В другом примере в ходе аддитивного производства можно осуществлять плавление с помощью лазера или электронного луча. Операция плавления приводит к тому, что множество металлических компонентов смешивается в расплавленном состоянии и образует металлическое изделие, например, в виде сплава. Материалы-предшественники могут быть представлены в виде множества физически отдельных форм, таких как множество удлиненных нитей или волокон металлов или сплавов металлов разного состава, или удлиненной нити или трубы первого состава и смежного порошка второго состава, например, содержащихся в трубе или нити с одним или более слоями оболочки. Материалы-предшественники могут быть сформированы в структуру, например, скрученного или плетеного кабеля, или проволоки с множеством нитей, или волокон, или трубы с наружной оболочкой и порошком, содержащимся в ее полости. Затем структуру можно обработать с подверганием ее части, например конца, операции плавления, например, посредством использования ее в качестве сварочного электрода или в качестве исходного материала для аддитивного производства. При таком использовании, структура и ее компоненты материалов-предшественников могут быть расплавлены, например, при непрерывном или дискретном процессе с образованием сварного шва, или линии, или точек материала, нанесенного для аддитивного производства.

[0033] В одном варианте осуществления металлическое изделие представляет собой полученную посредством сварки деталь или вставку, расположенные между материалом или материалом, подлежащим сварке, и соединенные с ним, например, две детали из одного или разных материалов или деталь из одного материала с отверстием, которое по меньшей мере частично заполняет вставка. В другом варианте осуществления во вставке появляется переходная зона изменяющегося состава относительно материала, к которому ее приваривают, так что полученную комбинацию можно рассматривать как изделие из сплава.

Новые материалы с гпу-структурой, состоящие по сути из гпу-структуры твердого раствора

[0034] Хотя в вышеприведенном раскрытии в целом описан способ получения новых материалов с гпу-структурой, содержащих выделившуюся(-иеся) фазу(-ы) в них, также возможно получить материал, состоящий по сути из гпу-структуры твердого раствора. Например, после получения слитка, кованой детали, изделия, изготовленного посредством литья, или детали, изготовленной посредством аддитивного производства, как описано выше, материал можно подвергать гомогенизации, например, способом, описанным выше относительно стадии растворения (20). При подходящем быстром охлаждении выделение любых частиц вторичных фаз может быть ингибировано/ограничено с получением таким образом материала с гпу-структурой твердого раствора по сути без любых частиц вторичных фаз, т. е. материала, состоящего по сути из гпу-структуры твердого раствора.

[0035] Хотя различные варианты осуществления новой технологии, описанной в данном документе, были подробно описаны, очевидно, что модификации и адаптации этих вариантов осуществления будут очевидны специалистам в данной области техники. Однако следует четко понимать, что эти модификации и адаптации находятся в пределах сущности и объема раскрытой в данном документе технологии.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к алюминий-титан-циркониевым сплавам, и может быть использовано при изготовлении компонентов турбины в двигателях или в других высокотемпературных областях применения. Заявлен алюминий-титан-циркониевый сплав, деталь, выполненная из него, и способ изготовления детали. Алюминий-титан-циркониевый сплав содержит, вес.%: Al 29,0-42,4; Ti 41,2-59,9; Zr 10,3-24,1; второстепенные элементы-модификаторы: C до 0,15 вес.%, B до 0,15 вес.%. Способ изготовления детали включает подачу заготовки из алюминий-титан-циркониевого сплава в устройство для аддитивного производства и послойное формирование детали из алюминий-титан-циркониевого сплава. Сплав характеризуется высокими значениями прочности, трещиностойкости, стойкости к окислению, сопротивлению усталости, ползучести, а также высокой устойчивостью к воздействию высоких температур. 3 н. и 22 з.п. ф-лы, 4 ил., 2 табл.

1. Алюминий-титан-циркониевый сплав, содержащий, вес. %:

Al 29,0-42,4;

Ti 41,2-59,9;

Zr 10,3-24,1;

второстепенные элементы-модификаторы: C до 0,15 вес. %, B до 0,15 вес. %.

2. Сплав по п. 1, отличающийся тем, что он содержит Al, в вес. %: 32,3-38,5, Ti 45,8-54,5, Zr 11,5-21,9.

3. Деталь, выполненная из алюминий-титан-циркониевого сплава, отличающаяся тем, что она выполнена из сплава по п.1 или 2.

4. Деталь по п. 3, отличающаяся тем, что она представляет собой деталь для аэрокосмической или автомобильной промышленности.

5. Деталь по п.4, отличающаяся тем, что она представляет собой деталь турбины в виде лопатки, диска, лопасти статора, кольца или кожуха.

6. Деталь по п.3, отличающаяся тем, что она получена прокаткой.

7. Деталь по п. 3, отличающаяся тем, что она получена штамповкой.

8. Деталь по п. 3, отличающаяся тем, что она получена ковкой.

9. Деталь по п. 3, отличающаяся тем, что она получена литьем.

10. Деталь по п. 3, отличающаяся тем, что она выполнена аддитивным производством.

11. Способ изготовления детали из алюминий-титан-циркониевого сплава, включающий:

(a) подачу заготовки из алюминий-титан-циркониевого сплава в устройство для аддитивного производства, причем заготовка из алюминий-титан-циркониевого сплава содержит, вес. %:

Al 29,0-42,4;

Ti 41,2-59,9;

Zr 10,3-24,1;

второстепенные элементы-модификаторы: C до 0,15 вес. %, B до 0,15 вес. %, и

(b) послойное формирование детали из алюминий-титан-циркониевого сплава.

12. Способ по п. 11, отличающийся тем, что заготовка представляет собой порошковую заготовку, причем:

(a) подаваемую в устройство для аддитивного производства порошковую заготовку из алюминий-титан-циркониевого сплава диспергируют и распыляют в направлении подложки или на подложку с получением на ней слоя;

(b) осуществляют селективное нагревание части слоя до температуры выше температуры ликвидуса сплава с формированием ванны расплава;

(c) проводят охлаждение ванны расплава со скоростью по меньшей мере 100°С/с с формированием части детали; и

(d) повторяют стадии (a)-(c).

13. Способ по п. 11, отличающийся тем, что селективное нагревание части слоя осуществляют источником излучения, а последующее охлаждение проводят со скоростью охлаждения по меньшей мере 1000°С/с.

14. Способ по п. 11, отличающийся тем, что заготовка представляет собой проволоку, причем

(a) подаваемую проволоку алюминий-титан-циркониевого сплава нагревают источником излучения до температуры выше температуры ликвидуса сплава с формированием ванны расплава;

(b) проводят охлаждение ванны расплава со скоростью охлаждения по меньшей мере 1000°С/с;

(c) повторяют стадии (а)-(b).

15. Способ по любому из пп. 11-14, отличающийся тем, что скорость охлаждения обеспечивает формирование по меньшей мере одной выделившейся фазы.

16. Способ по п. 1, отличающийся тем, что по меньшей мере одна выделившаяся фаза представляет собой фазу L1₀- или Al₂Zr-фазу.

17. Способ по п. 15, отличающийся тем, что деталь имеет структуру, содержащую по меньшей мере 0,5 об. % выделившейся фазы.

18. Способ по п. 17, отличающийся тем, что используют устройство для аддитивного производства, снабженное устройством для разбрызгивания связующего вещества.

19. Способ по п. 12, отличающийся тем, что используют устройство для аддитивного производства в виде устройства для осаждения с направленным излучением энергии.

20. Способ по п. 19, отличающийся тем, что устройство для осаждения с направленным излучением энергии выполнено в виде электронно-лучевого или плазменно-дугового устройства.

21. Способ по п. 12, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют обработку полученной детали.

22. Способ по п. 21, отличающийся тем, что сначала осуществляют формирование первой части изделия, затем второй части изделия и проводят обработку после изготовления первой и/или второй части изделия.

23. Способ по п. 22, отличающийся тем, что проводят обработку после изготовления первой части детали.

24. Способ по любому из пп. 21-23, отличающийся тем, что обработку проводят путем изостатического прессования.

25. Способ по любому из пп. 21-23, отличающийся тем, что обработку проводят путем прокатки, ковки или экструзии.