Металломатричный композит на основе жаропрочного титанового сплава Российский патент 2024 года по МПК C22C32/00 C22C14/00 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к получению композиционных материалов с металлической матрицей, армированными высокопрочными соединениями диборида титана. Предполагается, что такие композиты найдут применение в авиации при изготовлении деталей авиационных двигателей за счет хорошего сочетания прочности при комнатной и повышенной температурах, пластичности и жаростойкости.

Титановые сплавы занимают особое место в авиации и кораблестроении, благодаря высоким значениям удельной прочности, технологической пластичности и коррозионной стойкости. Титановые сплавы могут также использоваться при повышенных температурах, например в компрессорах турбин авиационных двигателей, однако максимальная температура их эксплуатации не превышает 550-600 °С из-за заметного падения прочности при этих температурах [Ильченко В.М., Шарин Р.Е. Титановые сплавы для авиационных газотурбинных двигателей. Титан. (ВИЛС). М.: ВИЛС, 1995. № 1-2 (5-6). С. 25]. Поэтому вопрос повышения высокотемпературной (главным образом до ~ 600 °C) прочности титановых сплавов является актуальным, поскольку это позволило бы значительно расширить область применения этих материалов, частично заместив более тяжелые стали и никелевые сплавы.

Согласно известным представлениям о возможности создания сплавов с повышенной жаропрочностью, в альфа и псевдо-альфа титановых сплавах, помимо твердорастворного упрочнения, может быть реализован перспективный подход, заключающийся в создании композитов посредством введения упрочняющих жаропрочных фаз в пластичную металлическую матрицу. Наилучшим выбором представляется использование в качестве упрочнителя частиц TiB, которые хорошо сопрягаются с титановой матрицей без формирования переходной области и имеют близкий коэффициент термического расширения, а также обладают хорошей термической стабильностью. Ранее выполненные исследования показали положительный эффект упрочняющих частиц борида на высокотемпературные свойства литых титановых сплавов с однофазной альфа структурой [L.J. Huang, L. Geng, H.X. Peng, B. Kaveendran. High temperature tensile properties of in situ TiBw/Ti6Al4V composites with a novel network reinforcement architecture, Materials Science and Engineering A 534 (2012) 688-692]. Поскольку при кристаллизации бориды обычно образуют довольно крупные игольчатые выделения, которые могут приводить к снижению пластичности и трещиностойкости, были также выполнены исследования влияния деформационной обработки на жаропрочность. Полученные результаты однозначно свидетельствуют, что свойства металл-матричных композитов во многом определяются морфологией упрочнителей и их распределением в матрице.

На данный момент известны способы получения композиционных материалов с металлической матрицей, а также известно несколько вариаций композиционных материалов, наиболее близких по химическому составу к заявленному композиту.

Известен способ изготовления композиционного материала с металлической матрицей и наноразмерными упрочняющими частицами [Патент РФ № RU 2574534 С2 от 17.06.2014 «Композиционный материал с металлической матрицей и наноразмерными упрочняющими частицами и способ его изготовления»]. Задачей приведенного технического решения является повышение прочностных свойств композиционного материала при минимизации объемной доли упрочняющих частиц. В композиционном материале с металлической матрицей и наноразмерными упрочняющими частицами в агломерированном состоянии, изготовленном с расплавлением матрицы, содержание наноразмерных упрочняющих частиц в агломерированном состоянии не превышает 5% объемных от всего объема наночастиц, а остальные наноразмерные упрочняющие частицы находятся в неагломерированном состоянии. В данном способе в качестве матрицы выступает алюминий или медь, в качестве упрочнителя - частицы алмаза или карбида кремния. Для выполнения поставленной задачи в данном способе осуществляли подготовку композиционных гранул методом механического легирования исходных смесей металлических частиц и упрочняющих наночастиц, далее нагревали гранулы до полного или частичного расплавления и формовали или деформировали изделия в жидком или полужидком состоянии. Согласно изобретению, подготовленные композиционные гранулы вносят в расплав материала матрицы или ее компонента и перемешивают, при этом температуру расплава поддерживают в интервале температур 1,01-1,3 от температуры плавления материала расплава. Недостаток данного технического решения в том, что не указаны сведения, подтверждающие повышение прочностных свойств полученных композитов.

Композиты Ti6Al4V (TiBw/Ti64), армированные нитевидными кристаллами TiB, с новой архитектурой сетчатого армирования были разработаны [L.J. Huang, L. Geng, H.X. Peng, B. Kaveendran. High temperature tensile properties of in situ TiBw/Ti6Al4V composites with a novel network reinforcement architecture, Materials Science and Engineering A 534 (2012) 688-692]. Показано, что при 500 °C прочность на разрыв спеченных композитов TiBw/Ti64 с содержанием 5 об.%, 8,5 об.% и 12 об.% увеличилась на 36,9%, 40,5% и 44,8% по сравнению с прочностью монолитного сплава Ti64. При этом удлинение при растяжении составляет около 10% при 500 °С и 20% при 700 °С. Максимальная температура эксплуатации композитов TiBw/Ti64 может быть увеличена до 600 °C при сохранении прочности монолитного сплава Ti64 на уровне 400 °C. Это связано с механизмом усиления границ сети, что выясняется с помощью фрактографического анализа свойств микроструктуры.

В работе [Shuai Wang, JiaYi Jin, WenQi Liu, Qi An, Rui Zhang, LuJun Huang, Jian Xiong, Lin Geng. High temperature performance of TiB/(Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V-0.5Si) composites affected by the TiB architecture, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing Volume 174, November 2023, 107735] в качестве монолитного матричного сплава был выбран широко используемый жаропрочный титановый сплав Ti-6,5Al-2Zr-1Mo-1V (ТА15). Данный источник выбран за прототип. Были разработаны три типа композитов Ti-6,5Al-2Zr-1Mo-1V-0,5Si (ТА15+Si) с TiB, ТА15+TiB+Si c TiB с и TiB/(TA15+TiB+Si) c TiB (TA15 - англоязычная аббревиатура сплава Ti-6,5Al-2Zr-1Mo-1V). В настоящем исследовании использовались волокна TiB как лучшее керамическое армирование в ММК, а распределение и объемная доля TiB регулировались. Кроме того, Si также использовался для улучшения характеристик при высоких температурах. Для индивидуального распределения TiB использовались сферические порошки ТА 15 и предварительно легированные порошки ТА 15+TiB (с различной объемной долей TiB). Сырьем армирования служили частицы TiB2 и частицы Si. Предварительно легированные порошки ТА15+TiB были получены методом плазменного вращающегося электрода. Были приготовлены порошки с различной объемной долей TiB - композиционные порошки ТА15+1 o6.%TiB и ТА15+2 o6.%TiB. Недостатком данного способа являются недостаточно высокие прочностные свойства при комнатной температуре - значение предела текучести не превышает 1000 МПа, а также недостаточно высокие прочностные свойства при повышенных температурах для всех вариаций композитов

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей изобретения является получение металломатричного композита на основе жаропрочного титанового сплава состава Ti-6,5Al-2Zr-1Mo-1V, упрочненного частицами диборида титана (TiB₂), с высокими показателями прочности и пластичности при комнатной и повышенных температурах. Технический результат изобретения заключается в получении композита Ti-6,5Al-2Zr-1Mo-1V/TiB₂ с высокими показателями предела текучести 1020-1100 МПа и пластичностью 10-16% при комнатной температуре в зависимости от содержания армирующего компонента TiB₂ в интервале 2-3 вес.%, а также высокими значениями предела текучести композитов при повышенных температурах.

Задача изобретения решается предложенным металломатричным композитом Ti-6,5Al-2Zr-1Mo-1V/TiB₂, содержащим матрицу из жаропрочного титанового сплава Ti-6,5Al-2Zr-1Mo-1V, и армирующий компонент TiB₂, полученным путем вакуумно-дугового переплава титана, алюминия, циркония, молибдена, ванадия с добавлением TiB₂ со средним размером частиц 4 мкм, при этом матричный сплав содержит, ат.%: титана 89,5, аллюминия 6,5, циркония 2,0 , молибдена 1,0, ванадия 1,0, а металломатричный композит содержит 2-3 масс. % TiB₂.

Отличительной особенностью предложенного композита является его химический состав, который не имеет аналогов. Пластичная матрица с высокими прочностными характеристиками на основе сплава Ti-6,5Al-2Zr-1Mo-1V из высокочистых элементов обеспечивает высокий баланс свойств. Неожиданно было установлено, что введение в состав матрицы высокотвердого армирующего компонента TiB₂ в количестве 2-3 вес.% от массы матрицы значительно повышает прочностные свойства композита при комнатной и повышенных температурах. Новизна и изобретательский уровень предложенного изобретения заключается в легировании уже известной матрицы Ti-6,5Al-2Zr-1Mo-1V армирующим компонентом TiB₂ в количестве 2-3 вес.%. Чистота элементов, используемых при получении заявленного композита Ti-6,5Al-2Zr-1Mo-1V/TiB₂, приведена в таблице 1.

Таблица 1 - Чистота элементов, используемых при получении заявленного композита Ti-6,5Al-2Zr-1Mo-1V/TiB₂.

Изобретение иллюстрируется следующими материалами:

Фиг, 1 - Изображение микроструктуры композита Ti-6,5Al-2Zr-1Mo-1V/TiB₂ с добавлением TiB₂ в количестве 3 вес.%, (а) - сканирующая электронная микроскопия, полированная поверхность, (б) - сканирующая электронная микроскопия, травленая поверхность

Фиг. 2 - Кривые напряжение-деформация, полученные при испытаниях композита Ti-6,5Al-2Zr-1Mo-1V/TiB₂ с добавлением TiB₂ в количестве 3 вес.% на сжатие при комнатной и повышенных температурах.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В качестве исходных материалов использовали высокочистые элементы в следующем процентном отношении, ат.%: титана 89,5, алюминия 6,5, циркония 2, молибдена 1, ванадия 1 (таблица 1). Армирующий компонент диборид титана высокой чистоты со средним размером частиц 4 мкм добавляли в уже готовый сплав Ti-6,5Al-2Zr-1Mo-1V в виде порошка в количестве 2-3 вес.% от массы сплава. Далее проводили процесс вакуумнодугового переплава с использованием установки Buehler Arc Melter 200 при рабочей температуре 3500°С в течение 60 минут для получения литого металломатричного композита Ti-6,5Al-2Zr-1Mo-1V/TiB₂. Полученные слитки переплавляли 5 раз для получения однородного распределения химических элементов по объему заготовки. В итоге слитки имели массу 50 г, пор или каких-либо других дефектов в структуре слитков на макроуровне обнаружено не было.

Механические испытания на сжатие при комнатной и повышенных температурах полученных композитов проводили с использованием напольной сервогидравлической испытательной машины Instron 5882. Исследования микроструктуры сплавов проводили с использованием растрового (сканирующего) электронного микроскопа FEI Quanta 600 FEG.

Возможность осуществления изобретения поясняется примерами процесса получения композитов с высокими значениями прочности при комнатной и повышенных температурах.

Пример 1.

Для проведения исследований используют чистые элементы в следующем процентном отношении, ат.%: титан 89,5, алюминий 6,5, цирконий 2,0, молибден 1,0, ванадий 1,0 и дополнительно к готовому сплаву добавляют порошок диборида титана со средним размером частиц 4 мкм в количестве 2 вес.% от массы сплава. Далее проводят процесс вакуумнодугового переплава на установке Buehler Arc Melter 200 в среде чистого аргона при рабочей температуре 3500°С в течение 60 минут.

Значение предела текучести полученного композита Ti-6,5Al-2Zr-1Mo-1V/TiB₂ при комнатной температуре составляет 1020 МПа, пластичность 16%. Значения предела текучести при повышенных температурах деформации составили: 700 МПа для 400°С, 570 МПа для 600°С, 230 МПа для 800°С, 82 МПа для 900°С, 60 МПа для 950°С и представлены в таблице 2.

Пример 2.

Для проведения исследований используют чистые элементы в следующем процентном отношении, ат.%: титан 89,5, алюминий 6,5, цирконий 2,0, молибден 1,0, ванадий 1,0 и дополнительно к готовому сплаву добавляют порошок диборида титана со средним размером частиц 4 мкм в количестве 3 вес.%. Далее проводят процесс вакуумно-дугового переплава на установке Buehler Arc Melter 200 в среде чистого аргона при рабочей температуре 3500°С в течение 60 минут.

Значение предела текучести полученного композита Ti-6,5Al-2Zr-1Mo-1V/TiB₂ при комнатной температуре составляет 1100 МПа, пластичность 10%. Значения предела текучести при повышенных температурах деформации составили: 750 МПа для 400°С, 620 МПа для 600°С, 250 МПа для 800°С, 110 МПа для 900°С, 70 МПа для 950°С и представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Значения предела текучести для композитов при повышенных температурах.

Таким образом, поставленная задача достигнута. Полученный металломатричный композит Ti-6,5Al-2Zr-1Mo-1V/TiB₂ имеет высокие показатели прочности и пластичности при комнатной и повышенных температурах.

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

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