Литой композиционный материал на основе алюминиевого сплава и способ его получения

Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению литого композиционного материала (ЛКМ) на основе алюминиевого сплава для изготовления циклически и термически нагруженных до 230°С деталей авиационного назначения - лопаток вентилятора и ступеней компрессора низкого давления перспективных авиационных двигателей и газоперекачивающих аппаратов. Литой композиционный материал на основе алюминиевого сплава системы Al-Cu-Mg-Ag содержит армирующие дискретные керамические частицы оксида алюминия зернистостью 10-100 нм в количестве 0,2-10 об.% и диборида титана зернистостью 0,5-1,5 мкм в количестве, при котором содержание титана в сплаве составляет 0,1-0,2 мас.%. Способ получения ЛКМ включает получение модифицированной лигатуры Al-Ti-B путем сухой механофрикционной обработки в размольно-смесительном устройстве крупнозернистого порошка или стружки лигатуры Al-Ti-B, выбранной из ряда AlTi₃B₁, AlTi₅B_0,2, AlTi₅B_0,6, AlTi₅B₁, введения в нее в заданном количестве дискретных керамических частиц оксида алюминия зернистостью 10-100 нм, перемешивания до получения однородной консистенции, дальнейшей высокоэнергетической механической обработки полученной смеси, ее брикетирования посредством холодного изостатического прессования под давлением 200-400 МПа для достижения плотности свыше 60% от теоретической, введение полученных брикетов в расплав алюминиевого сплава системы Al-Cu-Mg-Ag, перегретый до 750-850°С, выдержку при заданной температуре в течение 20-60 минут, разливку со скоростью затвердевания не менее 70 К/сек и окончательную термообработку путем проведения гомогенизирующего отжига при 450-500°С в течение 2-24 часов, нагрева до 510-520°С с выдержкой в течение 1-5 часов, закалки в воду и последующего искусственного старения при температуре 190-250°С в течение 2-10 часов. Техническим результатом изобретения является повышение жаропрочности и трещиностойкости ЛКМ за счет равномерного распределения наноразмерных керамических частиц оксида алюминия в объеме отливки. 2 н.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению литого композиционного материала (ЛКМ) на основе алюминиевого сплава для изготовления циклически и термически нагруженных (до 230°С) деталей авиационного назначения - лопаток вентилятора и ступеней компрессора низкого давления перспективных авиационных двигателей и газоперекачивающих аппаратов.

Известен способ получения ЛКМ на основе интерметаллидной матрицы, включающий смешивание порошков матрицеобразующего металла из группы Fe, Ni, Ti или их смеси с армирующими нейтральными частицами, выбранными из группы оксидов, карбидов, боридов; изготовление пористой заготовки; последующую реакционную пропитку алюминиевым расплавом; гомогенизационную выдержку и кристаллизацию слитка (Патент РФ №2212306, МПК⁷ С22С 01/10, 2003 г.).

Известен также способ получения композиционного материала (патент РФ №2202643, оп. 20.04.2003), включающий:

а) высокоэнергетическую механическую обработку стружки металла матричного состава с частицами оксида алюминия размером 8-12 мкм в количестве 10-25 об.%,

б) холодное двустороннее прессование полученной смеси до получения 80% относительной плотности;

в) горячую пропитку расплавом алюминия спрессованных брикетов.

Общим недостатком предложенных изобретений является то, что данные способы изготовления не позволяют получать сложные фасонные изделия, обладающие комплексом механических свойств (жаропрочность, трещиностойкость) для изготовления лопаток вентилятора и ступеней компрессора низкого давления авиационных двигателей и газоперекачивающих аппаратов. Кроме того, данные способы отличаются низкой технологичностью: большая длительность процесса, большие энергозатраты, необходимость применения сложного дорогостоящего оборудования.

Известен способ получения сплава на основе алюминия (патент РФ №2177047, оп. 20.12.2001), который основан на механическом замешивании в расплав порошка из тугоплавких частиц оксидов металлов размером 0,001-0,1 мкм в количестве 1-15 мас.%. Предлагаемый способ механического замешивания отличается низкой технологичностью по причине агломерации частиц, что проявляется в резком повышении вязкости и потери жидкотекучести расплава при введении армирующией добавки, что приводит к неравномерному распределению частиц и анизотропии механических свойств по сечению получаемых изделий.

В качестве прототипа был выбран ЛКМ на основе алюминиевого сплава Al+3% Mg и способ его получения (патент RU №2353475 С2, оп. 27.04.2009). В качестве армирующих дискретных керамических частиц он содержит карбид кремния (SiC) с зернистостью 30-50 мкм в количестве 3-5 или 15-19 мас.%. Способ получения данного ЛКМ включает смешивание в размольно-смесительном устройстве порошков матричного компонента из алюминиевого сплава Al+3% Mg и армирующих дискретных керамических частиц карбида кремния, брикетирование смеси под давлением 28-35 МПа и введение полученных брикетов в расплав алюминиевого сплава Al+3% Mg при температуре 850±10°С в количестве, необходимом для получения заданной концентрации армирующих дискретных керамических частиц в указанном расплаве, после чего проводят выдержку в течение 20-30 мин для протекания процессов распределения керамических частиц по объему расплава указанного алюминиевого сплава, затем осуществляют перемешивание и разливку.

Недостатки прототипа (патент RU №2353475 С2, оп. 27.04.2009) заключаются в следующем:

1. Данный способ не позволяет ввести и зафиксировать титан в матричном твердом растворе, который понижает скорость диффузии основных легирующих элементов. Понижение скорости диффузии элементов оказывает положительное влияние на устойчивость к коагуляции наноразмерных частиц Ω-фазы (Al₂Cu). Алюминиевые сплавы системы Al-Cu-Mg-Ag являются термоупрочняемыми сплавами, значительное дисперсионное упрочнение которых происходит в результате выделения дисперсных интерметаллидных частиц Ω-фазы (Al₂Cu) при искусственном старении. Коагуляция частиц Ω-фазы при повышенной температуре (до 200°С) является основных фактором ухудшающим жаропрочность получаемых изделий из данных сплавов.

2. Способ получения ЛКМ основан на использовании в качестве армирующего компонента дискретных керамических частиц карбида кремния (SiC) с зернистостью 30-50 мкм. Данные достаточно крупные керамические частицы являются концентраторами напряжений при циклическом нагружении, что негативно сказывается на трещиностойкости получаемых изделий, которые невозможно будет использовать для изготовления циклически и термически нагруженных деталей авиационного назначения - лопаток вентилятора и ступеней компрессора низкого давления. Задачей группы изобретений является устранение недостатков прототипа путем разработки способа получения ЛКМ с улучшенными свойствами жаропрочности и трещиностойкости, используемого для изготовления циклически и термически нагруженных деталей авиационного назначения - лопаток вентилятора и ступеней компрессора низкого давления.

Технический результат заключается в том, что предложенный способ получения ЛКМ отличается относительно высокой технологичностью и позволяет ввести и равномерно распределить наноразмерные керамические частицы оксида алюминия в объеме отливки.

Поставленная задача решена следующим образом:

В известный способ, включающий смешивание в размольно-смесительном устройстве порошков матричного компонента и дискретных керамических частиц, брикетирование смеси, введение полученных брикетов в расплав алюминиевого сплава, выдержку в течение для протекания процессов распределения керамических частиц по объему расплава указанного алюминиевого сплава и разливку, введены следующие новые признаки.

1) Крупнозернистый порошок или стружку лигатуры алюминий-титан-бор (Al-Ti-B), выбранной из ряда AlTi₃B₁, AlTi₅B_0,2, AlTi₅B_0,6, AlTi₅B₁ (ГОСТ Р 53777-2010), исходя из требуемого соотношения объемной доли частиц TiB₂ и наночастиц Al₂O₃ в готовом ЛКМ, подвергают сухой механофрикционной обработке в размольно-смесительном устройстве, благодаря чему происходит измельчение крупных частиц лигатуры.

2) В получаемый мелкодисперсный порошок лигатуры Al-Ti-B вводят дискретные керамические частицы оксида алюминия (Al₂O₃) с зернистостью 10-100 нм и перемешивают до получения однородной консистенции. Полученную смесь подвергают высокоэнергетической механической обработке, позволяющей провести механическое легирование порошка лигатуры частицами Al₂O₃. Количество смешиваемых порошков определяют расчетным путем для достижения 0,2-10 об.% армирующего компонента Al₂O₃, 0,1-0,2 мас.% титана в химическом составе готового ЛКМ.

3) Затем смесь порошков подвергают брикетированию посредством холодного изостатического прессования под давлением 200-400 МПа, что позволяет достичь свыше 60% от теоритической плотности смеси. Наиболее целесообразным видом брикетов являются прутки с диаметром 9,5 мм и длиной 300-500 мм, так как такие размеры брикетов позволяют вводить их в расплав, используя стандартное литейное оборудование.

4) В перегретый до 750-850°С расплав алюминиевого сплава системы Al-Cu-Mg-Ag вводят полученные брикеты модифицированной лигатуры Al-Ti-B, выдерживают при заданной температуре 20-60 мин для протекания процессов распределения дискретных керамических частиц по объему расплава и растворения интерметаллидных частиц титанита алюминия (Al₃Ti), содержащихся в лигатуре, проводят разливку со скоростью затвердевания не менее 70 К/сек. Быстрое охлаждение расплава обеспечивает поглощение частиц Al₂O₃ фронтом кристаллизации. Перед введением брикетов лигатуры возможен их подогрев до температур 100-650°С, что позволяет уменьшить переохлаждение матричного расплава и ускорить усвоение лигатуры. Количество вводимых в расплав брикетов определяют расчетным путем для достижения заданных массовых соотношений армирующих и легирующих компонентов в готовом изделии (см. п.2).

5) Получаемые отливки подвергают окончательной термообработке, включающей гомогенизационный отжиг при 450-500°С в течение 2-24 часов, нагрев до 510-520°С с выдержкой в течение 1-5 часов, закалку в воду и последующее искусственное старение при температурах 190-250°С в течение 2-10 часов до достижения максимальной прочности получаемых изделий. Гомогенизационный отжиг приводит к равномерному распределению основных легирующих элементов матричного Al-Cu-Mg-Ag сплава по объему ЛКМ. Дисперсионное упрочнение за счет выделения частиц Ω-фазы (Al₂Cu) в Al-Cu-Mg-Ag сплаве достигается после закалки и последующего искусственного старения на максимальную прочность.

Введение модифицированной лигатуры позволяет получить композиционный материал с более мелкой и однородной структурой, а также улучшенными свойствами жаропрочности (время до разрушения при температуре 230°С и нагрузке 250 МПа более 90 часов) и трещиностойкости (скорость роста усталостной трещины при ΔК=31,6 МПа/√m при комнатной температуре менее 4 мм/цикл). Это достигается введением в ЛКМ титана, который понижает скорость диффузии элементов, оказывая положительное влияние на устойчивость к коагуляции наноразмерных частиц Ω-фазы (Al₂Cu). Алюминиевые сплавы системы Al-Cu-Mg-Ag являются термоупрочняемыми сплавами, значительное дисперсионное упрочнение которых происходит в результате выделения дисперсных интерметаллидных частиц Ω-фазы (Al₂Cu) при искусственном старении. Коагуляция частиц Ω-фазы при повышенной температуре (до 200°С) является основным известным фактором, ухудшающим жаропрочность получаемых изделий из данных сплавов. К тому же равномерное распределение наноразмерных керамических частиц оксида алюминия в объеме отливки приводит к дополнительному улучшению эксплуатационных свойств получаемых изделий. Частицы диборида титана уменьшают размер зерна алюминиевой матрицы при литье и подавляют зернограничное проскальзывание в готовом изделии, которое неизбежно развивается в данных сплавах при повышенных температурах.

1. Литой композиционный материал на основе алюминиевого сплава системы Al-Cu-Mg-Ag, содержащий армирующие дискретные керамические частицы оксида алюминия и диборида титана, характеризующийся тем, что он содержит частицы оксида алюминия зернистостью 10-100 нм в количестве 0,2-10 об.% и диборида титана зернистостью 0,5-1,5 мкм в количестве, при котором содержание титана в сплаве составляет 0,1-0,2 мас.%.

2. Способ получения литого композиционного материала на основе алюминиевого сплава системы Al-Cu-Mg-Ag, содержащего армирующие дискретные керамические частицы оксида алюминия и диборида титана, включающий получение модифицированной лигатуры Al-Ti-B путем сухой механофрикционной обработки в размольно-смесительном устройстве крупнозернистого порошка или стружки лигатуры Al-Ti-B, выбранной из ряда AlTi₃B₁, AlTi₅B_0,2, AlTi₅B_0,6, AlTi₅B₁, введения в нее в заданном количестве дискретных керамических частиц оксида алюминия зернистостью 10-100 нм, перемешивания до получения однородной консистенции, дальнейшей высокоэнергетической механической обработки полученной смеси, ее брикетирования посредством холодного изостатического прессования под давлением 200-400 МПа для достижения плотности свыше 60% от теоритической, введение полученных брикетов в расплав алюминиевого сплава системы Al-Cu-Mg-Ag, перегретый до 750-850°С, выдержку при заданной температуре в течение 20-60 минут, разливку со скоростью затвердевания не менее 70 К/сек и окончательную термообработку путем проведения гомогенизирующего отжига при 450-500°С в течение 2-24 часов, нагрева до 510-520°С с выдержкой в течение 1-5 часов, закалки в воду и последующего искусственного старения при температуре 190-250°С в течение 2-10 часов.