Способ получения материала на основе легированного интерметаллического соединения

 

Способ предназначен для получения материала на основе интерметаллического соединения (ИС). При осуществлении способа выбирают по меньшей мере два по - разному легированных порошка на основе интерметаллического соединения. Один из порошков содержит преобладающие крупнозернистые частицы, другой порошок - сравнительно мелкозернистые частицы и образован из материала с более низким пределом ползучести и с более высокой пластичностью, чем материал крупнозернистого порошка (КЗП). По меньшей мере два порошка смешивают друг с другом в соотношении, необходимом для получения заданной структуры смеси. Затем смесь порошков подвергают горячему уплотнению и термообработке при образовании материала. Полученный согласно способу материал пригоден для элементов конструкций, которые, как например, лопасти газовых турбин или колеса турбин турбокомпрессов, при высоких температурах подвергаются большим механическим нагрузкам. Доля крупнозернистого порошка в смеси может составлять по меньшей мере 5-кратную или 100-кратную величину доли мелкозернистого порошка в вес. %. В качестве (ИС) могут использовать гамма-алюмид титана, алюмид никеля или железа. Средний размер частиц (КЗП) предпочтительно равен 200-500 мкм, а мелкозернистые частицы предпочтительно выбирают размером менее 150 мкм. 9 з.п.ф-лы, 2 ил.

Сплавы на основе легированных интерметаллических соединений приобретают возрастающее значение в технологии материалов. Это, прежде всего, обусловлено тем, что многочисленные сплавы на основе легированного интерметаллического соединения, в особенности алюминида, несмотря на низкую плотность, отличаются высокой прочностью. Однако, проблематичным является для таких сплавов недостаточная для многочисленных применений пластичность.

Уровень техники Изобретение при этом основывается на уровне техники, который следует, например, из работы Young-Won Kim, High-Temperature Ordered Intermetallic Alloys IY, "Recent Adances in Gamma Titanium Aluminide Alloys", Симпозиум, ноябрь 27 - 30, 1990 г., Бостон, Mass. США (MRS Proc., т. 213, с. 777 - 794) или из заявки DE N 1274802, 40 B 1/04, C 22 C, 1968.

Из уровня техники известно, что критические свойства интерметаллического соединения, применяемого в качестве материала для подвергаемых воздействию температур элементов (деталей) конструкции, определяются в основном структурой и размером (крупностью) зерен. В случае интерметаллического соединения на основе легированного гамма-алюминида титана определяемая строением и размером зерен структура материала прежде всего значительно влияет на растяжение при разрыве при комнатной температуре и на предел ползучести при высоких температурах, которым подвергаются изготовленные из таких материалов элементы конструкции, в особенности лопасти газовых турбин или колеса турбин турбокомпрессоров. Для мелкозернистой дуплексной структуры со средними размерами зерен примерно 20 мкм при комнатной температуре получаются растяжения при разрыве обычно вплоть до 2%. Материалы с такими дуплексными структурами, однако, имеют сравнительно низкий предел ползучести и соответственно этому не особенно пригодны в качестве материала для лопастей газовых турбин. Напротив, крупнозернистые структуры, состоящие из пластин со средними размерами зерен обычно примерно 500 мкм, имеют, правда, очень низкое растяжение при разрыве, обычно примерно 0,4% при комнатной температуре, однако предел ползучести с такой структурой достаточно высок.

Однако, до сих пор еще не смогли получить материалы на основе легированных интерметаллических соединений с оптимальной структурой, которые обладают как пластичностью, так и прочностью, достаточными для применения в качестве лопастей газовых турбин.

При получении материала на основе, например, гамма-алюминида титана в качестве интерметаллического соединения методом литья образуется материал с крупнозернистой структурой и с пластинчатой структурой. Правда, такой материал при высоких температурах имеет очень высокое сопротивление ползучести. Однако, при комнатной температуре он имеет очень низкую пластичность.

Путем ковки и деформирования литого материала получается динамически перекристаллизованная, мелкозернистая дуплексная структура со значительно улучшенной пластичностью, однако, также со значительно пониженными свойствами ползучести. Такая дуплексная структура к тому же зачастую имеет в виде "строчечной" формы неоднородности.

При получении материала на основе гамма-алюминида титана по способу порошковой металлургии после изостатического горячего уплотнения и термообработки получается материал либо с мелкозернистой, либо с крупнозернистой структурой. Такой материал, в зависимости от структуры зерен, имеет очень низкий предел ползучести либо очень низкую пластичность.

Краткое описание изобретения В основу изобретения, как это определено в п. 1 формулы изобретения, положена задача разработки способа получения материала на основе легированного интерметаллического соединения, с помощью которого свойства материала простым способом можно приспособить к заданным условиям.

Предлагаемый согласно изобретению способ отличается прежде всего тем, что крайне простым образом можно получить материал практически с любой структурой и поэтому с целевыми установленными свойствами. Способ можно осуществлять с помощью технологически простых стадий, как смешение порошков, горячее уплотнение (сжатие) и термообработка, и поэтому особенно рентабелен.

Для осуществления способа необходимы лишь два по разному легированных и с разным размером частиц исходных порошка на основе интерметаллического соединения, как, в особенности, например, гамма-алюминид титана. Тогда, в зависимости от размера частиц и рода обоих порошков можно получить материалы со смешанной структурой, почти с любыми долями крупных и мелких зерен и поэтому с желательными свойствами. При образовании исходного порошка нужно обращать внимание лишь на то, чтобы для крупнозернистой части структуры готовили крупнозернистый материал и соответственно для мелкозернистой части структуры - мелкозернистый материал. Мелкозернистый материал обладает большей пластичностью, чем крупнозернистый. Поэтому, если крупнозернистый материал имеет высокую прочность и устойчивость к ползучести при одновременно повышенной хрупкости, то тогда можно достичь у изготавливаемого материала высокую прочность и хороший предел ползучести при одновременно хорошей пластичности, если мелкозернистый порошок формирует матрицу структуры и служит для приема крупнозернистого, повышающего прочность материала. Путем примешивания других, смотря по обстоятельствам, по-другому легированных порошков на основе интерметаллического соединения дополнительно можно влиять на структуру изготовленного материала и таким образом на его свойства.

Краткое описание чертежей Примеры осуществления изобретения подробнее поясняются ниже со ссылками на чертежи. При этом изображена на: Фиг. 1 диаграмма, на которой представлены прочность на растяжение Rm и 0,2-предел растяжения Rp_0,2 материала, полученного из порошков Ti48A13Cr и Ti48A12Cr2Nb согласно предлагаемому в изобретении способу в зависимости от доли порошка Ti48A12Cr2Nb; и Фиг. 2 диаграмма, на которой представлено растяжение при разрыве упомянутого на фиг. 1 материала в зависимости от доли порошка Ti48Al2Cr2Nb.

Варианты осуществления изобретения В вакуумной печи расплавляют два сплава нижеуказанных составов: Сплав Ti48Al3Cr: 48 вес.% алюминия, 3 вес.% хрома, остальное - неизбежные примеси и титан; Сплав Ti48Al2Cr2Nb: 48 вес.% алюминия, 2 вес.% хрома, 2 вес.% ниобия, остальное - неизбежные примеси и титан.

Кристаллический с мелкозернистой, пластинчатой структурой и обладающий хорошей прочностью, а также хорошей ползучестью при высоких температурах, например, при 800^oC, сплав Ti48Al3Cr путем распыливания добавляют к порошку со средним размером частиц примерно 500 мкм. В зависимости от требования, предъявляемого к изготовляемому материалу, средний размер частиц может составлять от 100 до 1000 мкм, однако, предпочтительный размер частиц от 200 до 500 мкм.

Кристаллический с мелкозернистой дуплексной структурой и обладающий по сравнению со сплавом Ti48Al3Cr, сравнительно хорошей пластичностью сплав Ti48Al2Cr2Nb был добавлен путем распыления к порошку со средним размером частиц от 100 мкм. В зависимости от требования, предъявляемого к изготовляемому материалу, средний размер частиц может составлять примерно 20 - 250 мкм, однако, предпочтительный размер частиц - менее 150 мкм.

Оба порошка интенсивно смешивают друг с другом в течение примерно 30 мин. При этом соблюдают следующие соотношения компонентов в смеси в вес.%: доля сплава Ti48Al2Cr2Nb 3; 10; 20, доля сплава Ti48Al3Cr остальное.

Смесь порошков, а также порошок сплава Ti48Al3Cr были подвергнуты изостатическому горячему сжатию под давлением от 100 до 300 МПа (предпочтительно 200 МПа) и при температуре от 1000 до 1150^oC (предпочтительно 1080^oC). Далее уплотненный материал был подвергнут двухстадийной температуре. На первой стадии термообработки подвергнутый горячему уплотнению материал в течение промежутка времени 1 - 5 ч (обычно 2 ч) был подвергнут воздействию температур сначала 1250 - 1450^oC (обычно 1350^oC), а во второй стадии в течение промежутка времени 2 - 10 ч (обычно 6 ч) - 900 - 1100^oC (предпочтительно 1000^oC).

Из полученного материала затем изготовляют шлифы для исследований структуры и стержнеобразные образцы для механических испытаний материала. Испытуемые образцы имеют длину стержня, соответствующую примерно ее 5-кратному диаметру.

Из рисунка среза шлифа можно увидеть, что в зависимости от соотношения в смеси обоих порошков получается смешанная структура с различными долями крупнозернистой (Ti48Al3Cr) и мелкозернистой (Ti48Аl2Cr2Nb) структур. Полученный из сплава Ti48Al3Cr материал имеет, как ожидалось, крупнозернистую структуру.

Значения, полученные при испытании образцов, представлены в виде диаграмм согласно фиг. 1 и 2.

Из фиг. 1 видно, что предел прочности на растяжение Rm, соответственно 0,2-предел растяжения Rp_0,2, полученного согласно способу изобретения материала с большей долей мелкозернистого сплава Ti48Al2Cr2Nb сначала резко увеличивается и лишь при содержании доли мелкозернистого материала выше примерно 10 - 15 вес.% в обоих исходных порошках снижается соответственно в материале. Отсюда следует, что полученный по предлагаемому способу материал наверняка обладает лучшей прочностью, чем соответственно полученный, однако, без смешения с мелкозернистым порошком (сплавом Ti48Al2Cr2Nb) материал на основе крупнозернистого порошка (сплав Ti48Al3Cr), когда доля крупнозернистого порошка составляет по меньшей мере 5-кратную величину и самое большее 100-кратную величину от доли мелкозернистого порошка в вес.%. Особенно высокая прочность получается тогда, когда доля крупнозернистого порошка примерно в 7 - 20 (предпочтительно в 10) раз больше доли мелкозернистого порошка в вес.%. Соответственно хорошие значения для предела ползучести были получены при температурах от 700 до 800^oC.

Из фиг. 2 видно, что с увеличением доли мелкозернистого порошка (Ti48Al2Cr2Nb) растяжение при разрыве и также пластичность увеличиваются. Если доля крупнозернистого порошка примерно в 10 раз больше доли мелкозернистого порошка, то полученный по предлагаемому способу материал имеет более, чем вдвое, увеличенное растяжение при разрыве, чем соответствующий, но полученный без порошковой смеси материал на основе сплава Ti48Al3Cr.

Крупнозернистый порошок не может быть ограничен только сплавом Ti48Al3Cr. Хороших результатов также можно достичь с помощью сплавов следующего состава, вес.%: Алюминий - 46 - 54
Хром - 1 - 4
Титан и примеси - остальное
Мелкозернистый порошок, наряду со сплавом Ti48Al2Cr2Nb, может представлять собой преимущественно сплавы следующего состава, вес.%:
Алюминий - 46 - 54
Хром - 1 - 4
Ниобий - 1 - 5
Титан и примеси - остальное.

В качестве легирующих веществ для гамма-алюминида титана, наряду с хромом и ниобием, можно также применять другие элементы, как, например, бор, углерод, кобальт, германий, марганец, платина, кремний, тантал, ваннадий или вольфрам, гафний. Вместо легированного гамма-алюминида титана может быть использовано также другое интерметаллическое соединение, например, алюминид никеля или железа.

Формула изобретения

1. Способ получения материала на основе легированного интерметаллического соединения, включающий горячее уплотнение порошка на основе легированного интерметаллического соединения и его последующую термообработку, отличающийся тем, что используют по крайней мере два по-разному легированных порошка на основе интерметаллического соединения, один из которых содержит преобладающие крупнозернистые частицы, а другой - сравнительно мелкозернистые частицы и образован из материала, имеющего более низкий предел текучести и более высокую пластичность, чем материал крупнозернистого порошка, при этом перед горячим уплотнением оба порошка смешивают в соотношении, необходимом для получения заданной структуры смеси.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что доля крупнозернистого порошка в смеси составляет в вес.% по меньшей мере 5-ратную величину доли мелкозернистого порошка.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что доля крупнозернистого порошка в смеси составляет по меньшей мере 100-кратную величину, преимущественно 10-кратную величину доли мелкозернистого порошка в вес.%.

4. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что используют крупнозернистый порошок со средним размером частиц, составляющим более 100 мкм и менее 1000 мкм, предпочтительно 200-500 мкм, а средний размер частиц мелкозернистого порошка составляет менее 250 мкм, предпочтительно менее 150 мкм.

5. Способ по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что в качестве интерметаллического соединения используют гаммаалюминид титана.

6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что используют крупнозернистый порошок следующего состава, вес.%:
Алюминий - 46-54
Хром - 1-4
Титан и примеси - Остальное
7. Способ по любому из пп. 4 или 6, отличающийся тем, что используют мелкозернистый порошок следующего состава, вес.%:
Алюминий - 46-54
Хром - 1-4
Ниобий - 1-5
Титан и примеси - Остальное
8. Способ по любому из пп. 5-7, отличающийся тем, что горячее уплотнение осуществляют путем изостатического горячего сжатия смеси порошков под давлением 100-300 МПа при температуре 1000-1150^oC.

9. Способ по любому из пп. 5-8, отличающийся тем, что термообработку осуществляют двухстадийно, причем на первой стадии термообработку подвергнуто горячему уплотнению материала проводят в течение 1-5 ч. при 1250-1450^oC, а на второй стадии термообработку проводят в течение 2-10 ч. при 900-1100^oC.

10. Способ по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что в качестве инетрметаллического соединения используют алюминид никеля или железа.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2