CC BY
92
mu г: гшшгг гг:г
4 (68), 2012-
Consider the process of obtaining an addition alloy products from alloys of titanium-aluninum systems, which includes metallutgical and pulse processing of powder materials.
А. Ф. ИЛЬЮЩЕНКО, Г. В. КУПЧЕНКО, А. Р. ЛУЧЕНОК, А. А. ЛУЧЕНОК, Н. В. КИРШИНА,
о. а. пока, а. в. майонов, охп «нии ип с оп» гну «ипм»
УДК 621.74
ЛИТЕЙНО - ИМПУЛЬСНЫЙ МЕТОД ПОЛУЧЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ СПЛАВА НА ОСНОВЕ ТИТАН - АЛЮМИНИЙ
Введение
В промышленности широкое применение находят синтезированные поликомпонентные материалы. К таким материалам, в частности, относятся соединения на основе титана и алюминия, которые обладают рядом особых физико-механических, высокотемпературных и электрических свойств. Они могут быть использованы как конструкционные материалы и материалы покрытий в различных отраслях машиностроения и электротехники.
Однако получение данного класса материалов и изделий из них довольно сложно и сопряжено с большими материальными затратами. При необходимом для литья перегреве расплава происходит испарение, выгорание и окисление компонент материала. Затруднительно введение и точное распределение по объему изделия легирующих добавок.
Применение традиционных методов порошковой металлургии не позволяет получать изделия высокой плотности из порошков данных материалов из-за их высокой твердости и низкой пластичности. При спекании прессовок из смеси порошков титана и алюминия инициируется процесс самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), приводящий к разуплотнению и потере формы прессовки. Этим определяется актуальность разработки новых процессов получения материалов данного класса.
Перспективным для получения поликомпонентных изделий является метод импульсного (удар-новолнового) прессования порошков с использованием энергии бризантных взрывчатых веществ (БВВ). Применение ударноволнового воздействия для получения композиционных поликомпонентных материалов позволяет формировать изделия из порошков практически любого состава при вы-
сокой (до 99 %) плотности прессовок. Метод применим как для изготовления самостоятельных изделий, так и лигатур для последующей металлургической переработки. Химическая чистота получаемых изделий может быть не хуже химической чистоты исходных материалов. Закрытая пористость прессовок снижает вероятность окисления материала в процессе металлургической переработки. Полученные данным методом лигатуры отличаются точным химическим составом и повышенной активностью, обеспеченной ударно-волновым методом получения.
Предложена технологическая цепочка изготовления изделий из сплавов системы титан-алюминий, включающая получение методом импульсного прессования материалов лигатуры из смеси порошков титана и алюминия заданного состава (возможно введение различных добавок), металлургическую переработку (переплав) порошковой лигатуры, размол в порошок синтезированного материала, импульсное прессование изделий из полученного порошка.
Применяемые методы могут быть использованы при создании широкого спектра материалов, получение которых невозможно никаким другим способом.
Изготовление порошковой лигатуры системы алюминий-титан
В качестве модельных материалов для получения лигатуры выбраны порошки титана ПТМ ТУ 48-10-22-85 с размером частиц меньше 100 мкм; алюминия АСД-1 ТУ 48-5-226-87 с размером частиц меньше 100 мкм. Порошки в соотношении 45 ат.% Т + 55 ат.% смешивали в шаровом смесителе со смещенной осью типа «пьяная бочка» в течение 1 ч. Прессование полученной порошковой
/Т1ГТТгГ= г Г,г^ГГГГ7ГГГгГ /101
-4 (68), 2012 I IUI
смеси проводили по плоской схеме с линеиным фронтом детонации [1]. Было использовано взрывчатое вещество аммонит № 6 ЖВ со скоростью детонации порядка 4000 м/с. При этом, по оценочным данным, амплитуда давления составляла 3-7 ГПа, длительность импульса давления - 8-45 мкс.
Максимальная плотность полученных прессовок составила около 99%. Однако из-за сильного разогрева прессуемого материала в процессе импульсного нагружения происходило частичное окисление прессовок с относительной плотностью более 97%.
Исходя из полученных данных, выбран оптимальный режим прессования. Изготовлены экспериментальные образцы порошковой лигатуры алюминий - титан с содержанием титана 45, 50 и 55% и относительной плотностью порядка 95%.
С учетом поставленной цели известных особенностей получения титановых сплавов и существующих у исполнителя технических возможностей был сделан выбор способа плавки и всех необходимых для его атрибутов - оснастки, тиглей и др. Плавильные работы проведены на вакуумной печи ИСВ 0,004 ПИМ1 для плавки и разливки металлов в вакууме. Плавка сплавов проведена в тигле из диоксида циркония, зафутерованного в гра-фито-шамотный тигель.
В процессе переплава лигатуры происходит экзотермическая реакция. Она сопровождается быст-
Рис. 1. Внешний вид слитков из алюминидов титана
рым (в течение ~ 30 с) повышением температуры, заметным задымлением над тиглем. Причем повышение содержания титана в сплаве вызывает усиление задымления, т. е. интенсификации экзотермической реакции. После расплавления всего объема лигатуры проводится изотермическая выдержка расплава продолжительностью 2 мин, после чего нагрев отключается и проводится заливка расплава в открытую графитовую изложницу. После остывания изложницы до 300 0С ее вынимают из камеры и извлекают из изложницы. Взаимодействие металла с графитом не наблюдалось. На рис. 1 показан внешний вид слитков.
Внешний осмотр показал, что по мере увеличения количества титана в сплаве качество поверхности ухудшается. На слитках с 45 и 50 ат.% тита-
файл - Ti+Al.dsc; Съемка - 05.09.2011 16:36:38; диод-Си;
Г-
t U
2 200 2 000
10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 нач.угол = 10; кон.угал = 120; шаг = 0.1; экслоз. = 6; скорость= 16; макс.чмело имп. = 2287;
A Aluminum Titanium
В Aluminum Titanium
Formula
Al2 Ti
Formula
А1ц Т15
Рис. 2. Гифрактограмма лигатуры алюминий - титан
132/
Р
г^г: г: птштггтг гг:г
4 (68), 2012-
Рис. 3. Микроструктура лигатуры АУЛ (45 ат.% Ti и 55 ат.% А1).
х200
на поверхность гладкая и ровная с небольшими участками пленки оксида титана. Слиток с 55 ат.% титана наиболее хрупкий - он треснул во время извлечения из изложницы. Его поверхность неровная, полностью покрытая рыхлым оксидным налетом. Аналогичный налет наблюдался на стенках камеры.
Исследование фазового состава синтезированного материала (45% Т1) показало, что в исходном материале содержится два интерметаллида: А^Т1 и А1цТ15 (рис. 2). Микроструктурные исследования также показали, что материал имеет двухфазное строение (рис. 3).
После переплава слитки подвергали дроблению в порошок и рассеву на ситах. Получен порошок интерметаллида системы титан - алюминий.
На рис. 4 приведены данные гранулометрического состава порошковой шихты. Как видно из рисунка, в порошковой шихте интерметаллида алюминий - титан, полученной размолом слитка лигатуры, преобладают крупные частицы больше 160 мкм.
Порошок интерметаллида системы титан-алюминий использовали для получения заготовок мишеней для вакуумного распыления. Заготовки мишеней прессовали по плоской схеме с линейным фронтом детонации. Получены изделия, с относительной плотностью порядка 91%.
Однако материал прессовок отличается высокой твердостью более 400 кгс/мм2 и хрупкостью, что приводит к выкрашиванию частиц при последующей механической обработке и не позволяет получить изделия с необходимой для эксплуатации шероховатостью поверхности.
Для улучшения механических свойств материала предложено в состав порошковой шихты перед прессованием вводить определенное количество порошка пластичной компоненты (титана), что позволит улучшить прессуемость и обрабатываемость порошкового материала, а также в ши-
Рис. 4. Массовая доля порошка по размерам
роких пределах корректировать химический состав изделий. Возможно введение в шихту для прессования и других легирующих элементов.
Для проведения исследований полученный порошок интерметаллида системы титан - алюминий смешивали с порошком титана с размером частиц меньше 200 мкм в соотношениях, приведенных в таблице.
Экспериментальные образцы из лигатуры на основе Al-Ti с различной концентрацией титана
Номер образца Сплав
1 А13Т1 + 15% Т1
2 А13Т1 + 25% Т1
3 А13Т1 + 35% Т1
4 А13Т1 + 50% Т1
Количество пластичного порошка титана было выбрано исходя из соображений получения шихтового материала, приблизительно соответствующего по общему составу ряду интерметаллидов Т1А^; Т1А1; Т12А13; Т13А1.
Полученная шихта прессовалась зарядом взрывчатого вещества аммонит № 6ЖВ. Подрыв проводили по схеме с линейным фронтом детонации. Были изготовлены прессовки с относительной плотностью 90-92%.
На рис. 5 приведена зависимость относительной плотности прессовок от содержания пластич-
Рис. 5. Зависимость плотности прессовок из порошковой шихты А13Т1 + Т1 от содержания титана: 1 - плотность образцов до спекания; 2 - плотность образцов после спекания
лггтгг^ г: ктшгггг
' 4 (68),
2 012 / 133
Рис. 6. Микроструктура образцов на основе А13Т1 +Т1 в - сплав А13Т1 + 35% Т1; г
ной компоненты (титана). Из рисунка видно, что увеличение содержания порошка пластичной компоненты приводит к монотонному повышению плотности прессовки от 90,2 до 92 % при идентичных условиях прессования.
Прессовки спекали в вакуумной электропечи СНВ 1.3,1/20-И1 в вакууме 510-4 мм рт. ст. при температуре 1250 °С. Выдержка на режиме 1 ч, охлаждение вместе с печью.
Как видно из рисунка, добавки до 15 вес.% титана не оказывают существенного влияния на изменение относительной плотности прессовок в процессе спекания при данной температуре и времени выдержки.
При повышении концентрации титана в шихте до 25-35% происходит снижение плотности прессовок до 89,5%, обусловленное, очевидно, появлением диффузионной пористости. При увеличении концентрации титана до 50% плотность спеченных образцов повышается до 92%.
В отличие от спекания однокомпонентных систем, где диффузионные процессы, как правило, способствуют уплотнению, гетеродиффузия в многокомпонентных системах может приводить к торможению процесса усадки [2]. Но в данном случае с ростом содержания титана диффузионные процессы начинают
: а - сплав А13Т1 без добавок; б - сплав А13Т1 + 25% Т1; - сплав А13Т1 + 50% Т1. х50
преобладать над гетеродиффузионными, что сопровождается увеличением плотности.
Микроструктурные исследования (рис. 6) показали уменьшение пористости образцов пропорционально увеличению содержания титана в области концентрации до 50% по сравнению с образцом № 1 (без добавок титана). Очевидно, пластичная компонента (титан) предотвращает выкрашивание хрупкой компоненты в процессе получения микрошлифа, что позволяет сделать предположение об
Рис. 7. Микроструктура прессовки из шихты А13Т1 + 50 % Т1 после спекания: 1 - А13Т1; 2 - граница зоны диффузии; 3 -зерно титана. *200
ггттгп г: гл^гтллтгггггт
I 4 (68), 2012-
улучшении обрабатываемости полученного материала уже в области концентрации титана 15-25%.
Анализ микроструктуры спеченного образца (рис. 7) показал наличие областей частичного взаимодействия между титаном и интерметаллидом фазы ^А13, сформированных в процессе спекания, отсутствие областей диффузионной пористости.
Проведенные исследования позволяют сделать вывод о возможности использования порошковой лигатуры системы титан-алюминий для выплавки сплавов, а затем с добавками пластичной компоненты для получения мишеней для вакуумного распыления и других изделий широкого диапазона составов.
Литература
1. К р у п и н, А. В. Обработка металлов взрывом / А. В. Крупин, В. Я. Соловьев, М. Р. Крэстев. М.: Металлургия, 1991.
2. А н ц и ф е р о в, В. И. Порошковая металлургия и напыленные покрытия / В. И. Анциферов, Г. В. Бобров, Л. К. Дружинин, С. С. Кипарисов: М.: Металлургия, 1987.
