РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ

(19) RU (11) 2 848 734 (13) C1 (51) МПК B22F 3/087 (2006.01) C22C 1/10 (2006.01) C22C 32/00 (2006.01) B22F 3/14 (2006.01)

(54) Способ получения высокопрочного композита на основе жаропрочного титанового сплава

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 и пластичности при комнатной температуре.

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.

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). Были разработаны три типа композитов Ti-6,5Al-2Zr-1Mo-1V-0,5Si (TA15 + Si) с TiB с сетевой архитектурой, TA15 + TiB + Si с TiB с однородной архитектурой и TiB/(TA15 + TiB + Si) с TiB с сетевой архитектурой и однородной архитектурой (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 ТА15 и предварительно легированные порошки ТА15 + 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 об.%TiB и ТА15 + 2 об.%TiB. Недостатком данного способа являются недостаточно высокие прочностные свойства - значение предела текучести для всех вариаций композитов не превышает 1000 МПа.

В патенте [RU № 2814924 C1, «Металломатричный композит на основе жаропрочного титанового сплава», Озеров М.С., Соколовский В.С., Астахов И.И., Степанов Н.Д., Жеребцов С.В.] рассмотрен металломатричный композит Ti-6,5Al-2Zr-1Mo-1V/TiB, содержащий матрицу из жаропрочного титанового сплава ВТ20 и армирующий компонент TiB₂, полученный путем вакуумно-дугового переплава титана, алюминия, циркония, молибдена, ванадия с добавлением TiB₂ со средним размером частиц 4 мкм, при этом матричный сплав содержит: 89,5 вес. % титана, 6,5 вес. % алюминия, 2,0 вес. % циркония, 1,0 вес. % молибдена, 1,0 вес. % ванадия, а металломатричный композит содержит 3 вес.% TiB₂. Данный способ выбран за прототип. Значение предела текучести при комнатной температуре составляет 1100 МПа, пластичность 10 %. Недостатком данного способа являются недостаточно высокие прочностные свойства - значение предела текучести композита не превышает 1100 МПа.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей изобретения является создание способа, обеспечивающего получение металломатричного композита на основе титанового сплава ВТ20, содержащего элементы в следующем соотношении вес. %: титана 89,5, алюминия 6,5, циркония 2,0, молибдена 1,0, ванадия 1,0, упрочненного частицами диборида титана TiB₂, с высокими показателями прочности и пластичности при комнатной температуре.

Технический результат изобретения заключается в получении композита Ti-6,5Al-2Zr-1Mo-1V/TiB с высокими показателями предела текучести 1370 МПа и пластичностью 18 % при комнатной температуре.

Задача изобретения решается предложенным способом получения высокопрочного композита Ti-6,5Al-2Zr-1Mo-1V/TiB на основе жаропрочного титанового сплава Ti-6,5Al-2Zr-1Mo-1V, включающим искровое плазменное спекание при температуре 1500°C и давлении 40 МПа в течение 15 минут смеси высокочистого порошка сплава Ti-6,5Al-2Zr-1Mo-1V со средним размером частиц 40 мкм и порошка армирующего компонента TiB2 со средним размером частиц 4 мкм, введенного в количестве 3 вес. % от общей массы порошка сплава Ti-6,5Al-2Zr-1Mo-1V, содержащего элементы в следующем соотношении вес. %: титана 89,5, алюминия 6,5, циркония 2,0, молибдена 1,0, ванадия 1,0.

Отличительной особенностью заявленного способа является то, что неожиданно было установлено, что искровое плазменное спекание при температуре 1500°C и давлении 40 МПа в течение 15 минут смеси порошков сплава Ti-6,5Al-2Zr-1Mo-1V и армирующего компонента TiB_2, введенного в количестве 3 вес. % от общей массы порошка матричного сплава Ti-6,5Al-2Zr-1Mo-1V, значительно повышает прочностные свойства полученного композита при комнатной температуре. Таким образом, заявленное изобретение соответствует условиям новизны и изобретательского уровня.

Изобретение иллюстрируется следующими материалами:

Фиг. 1 - Изображение микроструктуры композита Ti-6,5Al-2Zr-1Mo-1V/TiB (а) - сканирующая электронная микроскопия, полированная поверхность, (б) - сканирующая электронная микроскопия, травленая поверхность.

Фиг. 2 - Кривая напряжение-деформация, полученная при испытаниях композита Ti-6,5Al-2Zr-1Mo-1V/TiB на сжатие при комнатной температуре.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В качестве исходных материалов используют высокочистый порошок сплава ВТ20 со средним размером частиц 40 мкм, содержащего титана 89,5 вес. %, алюминия 6,5 вес. %, циркония 2 вес. %, молибдена 1 вес. %, ванадия 1 вес. % и порошок диборида титана TiB₂ со средним размером частиц 4 мкм. При этом, армирующий компонент порошок диборида титана TiB₂ добавляют в высокочистый порошок сплава Ti-6,5Al-2Zr-1Mo-1V в количестве 3 вес.% от массы сплава. Далее проводят процесс искрового плазменного спекания при температуре 1500°C и давлении 40 МПа в течение 15 минут, в процессе которого в результате in situ реакции TiB₂+Ti=2TiB частицы TiB₂ реагируют с матрицей титана и превращаются в бориды титана TiB с получением в итоге литого металломатричного композита Ti-6,5Al-2Zr-1Mo-1V/TiB.

Возможность осуществления изобретения поясняется примерами процесса получения композита Ti-6,5Al-2Zr-1Mo-1V/TiB с высокими значениями прочности при комнатной температуре.

Пример 1

Для получения композита используют высокочистый порошок со средним размером частиц 40 мкм сплава ВТ20, содержащего в вес.%: титан 89,5, алюминий 6,5, цирконий 2,0, молибден 1,0, ванадий 1,0 и порошок диборида титана со средним размером частиц 4 мкм, взятым в количестве 3 вес.%. от массы сплава ВТ20. Далее проводят процесс искрового плазменного спекания смеси порошков на установке Thermal Technology SPS 10-3 при температуре 1500°C и давлении 40 МПа в течение 15 минут с получением литого металломатричного композита Ti-6,5Al-2Zr-1Mo-1V/TiB.

Исследования микроструктуры полученного композита проводили с использованием растрового сканирующего электронного микроскопа FEI Quanta 600 FEG, полученные изображения представлены на Фиг.1.

Механические испытания полученного композита на сжатие при комнатной температуре проводили с использованием напольной сервогидравлической испытательной машины Instron 5882. В результате испытаний значение предела текучести полученного композита при комнатной температуре составляет 1370 МПа, пластичность 18 % (Фиг.2).

Таким образом, поставленная задача достигнута. Синтезированный методом искрового плазменного спекания металломатричный композит Ti-6,5Al-2Zr-1Mo-1V/TiB имеет высокие прочностные показатели при комнатной температуре. В структуре полученных заготовок композита пор или каких-либо других дефектов на макроуровне и микроуровне обнаружено не было.

Формула изобретения

Способ получения высокопрочного композита Ti-6,5Al-2Zr-1Mo-1V/TiB на основе жаропрочного титанового сплава Ti-6,5Al-2Zr-1Mo-1V, включающий искровое плазменное спекание при температуре 1500°C и давлении 40 МПа в течение 15 минут смеси высокочистого порошка сплава Ti-6,5Al-2Zr-1Mo-1V со средним размером частиц 40 мкм и порошка армирующего компонента TiB₂ со средним размером частиц 4 мкм, введенного в количестве 3 вес. % от общей массы порошка сплава Ti-6,5Al-2Zr-1Mo-1V, содержащего элементы в следующем соотношении вес. %: титана 89,5, алюминия 6,5, циркония 2,0, молибдена 1,0, ванадия 1,0.