СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ АМОРФНЫХ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ СИСТЕМЫ TI-ZR-CU Советский патент 1995 года по МПК B22D17/00 

Изобретение относится к металлургии, а именно к производству металлических материалов с аморфной структурой, получаемых из расплава при высоких скоростях охлаждения.

Известны способы получения аморфной структуры в металлических сплавах методами быстрой закалки из жидкого состояния.

Недостатком этих способов является то, что изготовление изделий возможно только в форме ленты, полосы или проволоки с сечением 30-100 мкм и только в отдельных случаях с сечением до 0,5-1,0 мм.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ получения аморфной ленты закалкой расплава на диске, включающий плавление металла при электрическом или индукционном нагреве, выдавливание расплава из сопла тигля под действием газа с последующим затвердеванием его при соприкосновении с внешней поверхностью вращающегося диска (холодильника). Аморфная структура ленты получается в том случае, когда фронт затвердевания расположен в верхней части расплава на холодильнике, т.е. скорость теплоотвода больше скорости движения расплава. При этом количество вытекающего расплава Q рассчитывают по формуле
Q=πa²v, где а радиус сопла тигля (струи);
v скорость истечения расплава.

При получении аморфной ленты толщиной d и шириной W выполняется соотношение
Q WdV_л, где V_л скорость перемещения диска.

Недостатком данного способа и всех существующих методов закалки из жидкого состояния является невозможность получения массивных изделий различной формы с аморфной структурой.

Целью изобретения является получение массивных изделий различной формы и улучшение механических свойств.

Слиток формируют струей металла в замкнутом объеме неподвижного охлаждаемого тела (холодильника), причем скорость заполнения объема формы не меньше скорости движения диска, при которой аморфная лента достигает своей критической толщины. В результате того, что теплоотвод осуществляется от центра слитка в радиальных направлениях через стенки холодильника, толщина аморфного слоя может быть значительно увеличена по сравнению с аморфной лентой, получаемой закалкой расплава на диске при одностороннем контакте с холодильником. Это связано с тем, что целый ряд интерметаллидов отличается сильно выраженной ковалентной связью, которая приводит к наличию сильной зависимости вязкости расплава от температуры одному из условий аморфизации расплава при быстрой закалке. Критическая толщина аморфной ленты для сплавов системы Ti-Zr-Cu может достигать 1,5 мм, что соответствует критической скорости охлаждения расплава, необходимой для получения аморфной структуры, порядка 10²-10⁴к/c.

Плавление металла осуществляется методом индукционного нагрева. В качестве исходных материалов используют сплавы на основе Ti-Zr-Cu. Расплав подают из сопла тигля под давлением в замкнутый объем неподвижного охлаждаемого тела (холодильника), причем струя не касается стенок холодильника, в результате чего заполнение объема расплавом происходит снизу вверх.

В первом приближении максимальная толщина слитка с аморфной структурой (Н_кр.) для конкретного сплава системы Ti-Zr-Cu определяется из соотношения
Н_кр 2d_c, где d_c критическая толщина аморфного сплава, полученная при использовании метода быстрой закалки на диске, т.е. максимальная толщина, когда сплав имеет аморфную структуру.

Количество вытекающего из сопла тигля расплава Q рассчитывают по формуле
Q=πa²v, где а радиус сопла тигля;
v скорость истечения расплава.

Скорость заполнения объема формы расплавом (V_н) определяется из соотношения
Q SV_н, где S площадь сечения, перпендикулярного движению расплава в форме.

Для получения аморфной структуры слитка V_н должна удовлетворить условию
V_н≥V_кр. где V_кр= минимальная скорость перемещения ленты при затвердевании на диске, при которой достигается аморфная структура.

П р и м е р 1. Получение массивных образцов аморфного сплава Ti₁₀Zr₄₀Cu₅₀.

С целью выбора оптимальных композиций сплавов необходимо определить критическую толщину. Для экспериментального исследования взят сплав Ti₁₀Zr₄₀Cu₅₀ тройной интерметаллидсодержащей системы Ti-Cu-Zr. В равновесном кристаллическом состоянии он трехфазный: TiZrCu₄ + Zr₂Cu + +ZrCu_3,6. Для определения критической толщины аморфного сплава Ti₁₀Zr₄₀Cu₅₀ при закалке на диске использована методика торможения закалочного диска. Специальным тормозом в процессе разливки диск останавливают за 1-3 с. В результате получают ленту переменной толщины. За критическую толщину аморфной ленты принята толщина, при которой в оптическом микроскопе при увеличении х 100 на внешней поверхности ленты наблюдаются первые выделения кристаллической фазы. Аморфное состояние ленты контролируют также рентгенографически. В результате установлено, что вся лента является аморфной. Критическая толщина равна 1,5-2 мм.

Предлагаемый исходный сплав весом 15 г помещают в кварцевый тигель, расположенный над неподвижным охлаждаемым телом (холодильником). Диаметр сопла тигля 0,8 мм. В качестве холодильника используют массивную форму, изготовленную из меди, что обеспечивает высокую скорость теплоотвода. Внутренние объемы, заполняемые расплавом, имеют форму цилиндров высотой 50 мм, с поперечным сечением диаметром до 5 мм и 2 х 2, 2 х 3 мм. Расстояние между соплом тигля и холодильником 3 мм. Слиток расплавляют с помощью высокочастотного индуктора. Расплав под действием газа выдавливают через сопло тигля и струей заполняют объем формы. Процесс проводят с выполнением условия М_н ≥ V_кр. Следует учесть, что образец с диаметром поперечного сечения 4 мм имеет площадь этого сечения, приблизительно в 3 раза большую площади поперечного сечения аморфной ленты толщиной 2 мм и шириной 2 мм. Скорость истечения расплава из сопла тигля зависит от давления газа (Р), и в первом приближении эту зависимость можно представить как прямо пропорциональную: P ≈V. Поэтому для получения массивных образцов с аморфной структурой давление газа увеличено в 3 раза по сравнению с величиной Р, реализуемой при закалке данного сплава на диске, и составляет 0,6 атм. Процесс проводят в инертной атмосфере гелия. В результате получают массивные образцы, имеющие форму стержней длиной 50 мм с поперечным сечением 2 х 2 мм, 2 х 3 мм и диаметром до 4 мм, с аморфной структурой.

На фиг.1 показан массивный образец аморфного сплава Ti₁₀Zr₄₀Cu₅₀ c диаметром поперечного сечения 4 мм; на фиг.2 дифрактограммы, полученные в результате рентгеноструктурного анализа массивных образцов сплава Ti₁₀Zr₄₀Cu₅₀, проведенного на дифрактометре ДРОН-2 на Cu K-излучении. Подтверждением аморфной структуры полученных образцов является наличие на дифрактограммах гало в области углов 30-50^о, характерного для аморфного состояния.

Подтверждением аморфной структуры массивных образцов быстрозакаленного сплава Ti₁₀Zr₄₀Cu₅₀ является наличие экзотермических эффектов, сопровождающих кристаллизацию аморфной фазы при нагреве, на термограммах массивных образцов, полученных методом дифференциального термического анализа (фиг.3).

Исследованы механические свойства массивных образцов аморфного сплава Ti₁₀Zr₄₀Cu₅₀. Предел прочности при изгибе 1600 МПа, при растяжении 800 МПа (удлинение 2-4%), что в 1,5 раза выше, чем для их кристаллических аналогов. Модуль упругости Е 78 ГПа, модуль сдвига ϕ 26 ГПа, коэффициент Пуассона μ 0,5.

П р и м е р 2. При тех же параметрах процесса, что и в примере 1, из сплава Ti₁₀Zr₄₀Cu₄₀ получены быстрозакаленные образцы длиной 50 мм с диаметром поперечного сечения 5 мм. Рентгеноструктурным анализом установлено, что эти образцы являются аморфно-кристаллическими; на дифрактограммах имеются пики, которые идентифицируются как кристаллическая структура с о.ц.к. решеткой (а 3,23 ) (фиг.4). Для массивных образцов диаметром 5 мм не выполняется условие: H_кр≅2d_c. B результате при затвердевании из расплава образуется метастабильная кристаллическая фаза с о.ц.к структурой.

П р и м е р 3. Образцы быстрозакаленного сплава Ti₁₀Zr₄₀Cu₅₀ длиной 50 мм с диаметром поперечного сечения 2; 3; 4 мм, получены на установке для плавки во взвешенном состоянии. Слитки массой 10-15 г расплавляют с помощью высокочастотного индуктора во взвешенном состоянии. При отключении индуктора расплав падает под тяжестью собственного веса и заполняет формы. Рентгеноструктурным анализом установлено, что все образцы являются кристаллическими. Дифрактограммы, снятые с внутренней части этих слитков, характеризуются наличием пиков, которые идентифицируются как кристаллическая структура с о. ц. к. решеткой с параметром а 3,23 А. Данный способ не позволяет получить аморфную структуру даже в тех образцах, для которых выполняется условие Н_кр ≅ 2d_c.

Предлагаемый способ позволяет получать изделия с аморфной структурой различной формы и может быть реализован на установках для быстрой закалки из расплава при замене охлаждающих тел медных дисков на холодильники с различными формами. Возможно получение полуфабрикатов, близких по форме к готовым изделиям, что значительно сокращает расходы на дополнительную обработку материалов. Процесс является менее энергоемким, так как не требует затрат электроэнергии на вращение диска, в отличие от метода закалки на быстровращающемся диске, при сокращении операции получения аморфных сплавов.

Использование: металлургия, производство металлических материалов с аморфной структурой, получаемых из расплава при высоких скоростях охлаждения. Цель: получение массивных изделий различной формы и улучшение механических свойств. Сущность изобретения: дополнительно определяют максимальную критическую толщину аморфизации и соответствующую минимальную скорость перемещения ленты при закалке на диске, а изделие формируют в замкнутом объеме, максимальная толщина которого не превышает двукратной критической толщины аморфизации, причем скорость заполнения объема должна быть не меньше минимальной скорости перемещения ленты при закалке на диске. 4 ил.

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ АМОРФНЫХ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ СИСТЕМЫ Ti-Zr-Cu, включающий плавление и выдавливание расплава из сопла тигля под давлением на диск с последующим охлаждением, отличающийся тем, что, с целью получения массивных изделий различной формы и улучшения механических свойств, дополнительно определяют максимальную критическую толщину аморфизации и соответствующую минимальную скорость перемещения ленты на диске, а при охлаждении изделие формируют в замкнутом объеме, максимальная толщина которого не превышает двукратной критической толщины аморфизации, причем скорость заполнения объема должна быть не меньше минимальной скорости перемещения ленты при закалке на диск.