Способ получения композиционного материала на основе алюминия или его сплава, легированного титаном
METHOD OF OBTAINING A COMPOSITE MATERIAL BASED ON ALUMINIUM OR ITS ALLOY DOPED WITH TITANIUM

Изобретение относится к области специальной металлургии и может быть использовано для производства алюминиевых композиционных сплавов, применяемых в качестве высокопрочных композиционных материалов для использования в авиационной, автомобильной и других отраслях промышленности, использующих изделия из модифицированные деформируемые и литейные алюминиевых сплавов.
о
Известен способ получения сплава системы титан-алюминий, включающий сначала компактирование композиционного порошка, содержащего алюминий и титан, до плотности 93-97% затем нагрев компакта под давлением до 630-650С и выдержку в течение времени, определяемом с учетом скорости образования интерметаллидного соединения. В качестве композиционного порошка берут частицы титана, покрытие алюминием при массовом содержании титана, равном 37-50% и алюминия 50-63%. В результате твердофазной реакции получают сплав, содержащий или чистую фазу триалюминида титана или интерметаллидное соединение в сплаве с титаном (патент RU 2038192; МПК B22F 3/14, C22C 1/04; 1995 г.).
К недостаткам известного способа относятся, во-первых, использование в качестве исходного порошка плакированных алюминием частиц титана, получение которых представляет собой сложный технологический процесс, во-вторых, горячее прессование, обеспечивающее прохождение процесса в твердой фазе, является длительным по времени прохождения.
Известен способ получения слитков из сплавов на основе интерметаллида титана и алюминия, содержащих до 30-70 мас.% алюминия, который включает стадию подготовки исходных материалов  путем расчета необходимого сечения полос титана и алюминия, ковки слитков титана и алюминия на полосовой профиль в соответствии с рассчитанными размерами и механической обработки поверхности полученных полос, а изготовление расходуемого электрода осуществляют путем сборки пакета из двух и более полученных полос титана и алюминия прямоугольного сечения, при этом один из концов полос титана и алюминия обрабатывают под приспособление для крепления пластин между собой и подвески собранного пакета на шток печи, и производят электронно-лучевой переплав полученного расходуемого электрода (патент RU 2697287, МПК с22В 9/20, C22C 47/00, 2019 год).
Недостатками известного способа являются сложность подготовки исходного материала, а также применение электронно-лучевого переплава, повышающего потери алюминия и титана.
3
3
3
Известен получения литейного композиционного материала, содержащего матрицу из алюминия или сплава на его основе, и дисперсные интерметаллидные частицы TiAl, включающий образование в расплаве алюминия интерметаллидных частиц TiAl путем введения в расплав при температуре 700-800°С измельченной титановой губки с размером фракций не более 5 мм с использованием перемешивания расплава импеллером, причем измельченная титановая губка вводится в расплав алюминия в таком количестве, чтобы содержание образованных частиц TiAl не превышало 35 об.% (патент RU 2538246, МПК C22C 1/10, 2015 год)(прототип).
Недостатками способа являются: необходимость предварительного измельчения титановой губки и желательно ее сушка, что усложняет процесс; получение композиционного материала в виде алюминиевой матрицы, легированной алюминидом титана, что обусловливает не достаточно высокие значения твердости.
Таким образом, перед авторами стояла задача разработать способ получения композиционного материала на основе алюминия или его сплава, легированного титаном, обеспечивающим повышенное содержание легирующего компонента, что позволит повысить твердость композиционного материала.
3
-1
Поставленная задача решена в предлагаемом способе получения композиционного материала на основе алюминия или его сплава, легированного титаном,  включающем введение титана в расплав алюминия или его сплава и последующую механическую обработку расплава при температуре плавления алюминия, в котором  вводят порошок титана в количестве 2-5 мас.% от массы расплава путем инжекции  углекислым газом при избыточном давлении не более 0,1 атм со скоростью потока 1-2 ндм∙мин, а механическую обработку осуществляют отстойным центрифугированием при частоте вращения 1000-2500 об/мин в течение 10-12 мин.
В настоящее время не известен способе получения композиционного материала на основе алюминия или его сплава, легированного титаном, в котором в алюминиевый расплав путем инжекции вводят необходимое количество порошка металлического титана, а затем осуществляют отстойное центрифугирование при частоте вращения 1000-3000 об/мин в течение 10-12 мин.
3
3
3
3
3
3
о
Исследования, проведенные авторами, позволили установить, что оптимальным способом  введения металлического титана в алюминиевый расплав является  инжекция порошка титана инертным газом, в частности углекислым газом, поскольку  титан, являясь активным металлом при соприкосновении с кислородом воздуха при высоких температурах интенсивно окисляется и переходит в шлак, а непосредственное внесение титанового порошка инжекцией устраняет этот недостаток и позволяет качественно ввести и смочить частицы титанового порошка алюминиевым сплавом. Как известно, при взаимодействии в расплаве  Al – Ti образуются крупные частицы алюминида титана AlTi, которые резко увеличивают вязкость расплава алюминия до пастообразного состояния, что в конечном результате препятствует получению повышенного содержания легирующего компонента в композиционном материале. Исследования, проведенные авторами, позволили выявить преимущества использования отстойного центрифугирования, основанного на различных плотностях обрабатываемых материалов. В расплаве в  процессе смачивания и частичного растворения титана идет формирование интерметаллического соединения (AlTi), которое также как и сам металлический титан имеет повышенную относительно матричного алюминия плотность, которая, однако, значительно ниже плотности титана (плотность AlTi – 3,5 г/см, плотность титана – 4,5 г/см). Условия отстойного центрифугирования  при  температуре 780±20С позволяют осуществить концентрирование в донном осадке частиц титана и получить после формирования и кристаллизации композиционный сплав, состоящий из вкраплений металлического титана с небольшим содержанием интерметаллического соединения AlTi, в основном образованного на границе Ti-Al, окруженных матричным алюминиевым сплавом. При этом существенное влияние на содержание титана в донном осадке оказывает общее количество введенного титанового порошка и условия проведения центрифугирования. Введение титана более 5 мас.% от массы расплава резко увеличивает вязкость расплава, превращая его в пасту, а менее 2 мас.% повышает его растворимость и снижает объем донного осадка – композиционного сплава, который является конечным продуктом. Также при проведении центрифугирования с частотой вращения менее 1000 об/мин в течение менее 10 мин выделение металлических включений титана в область осадка происходит недостаточно быстро и жидкого состояния недостаточно для оседания частиц. Проведение центрифугирования с частотой вращения более 2500 об/мин в течение более 12 мин также нецелесообразно, поскольку уже произошло формирование композиционного материала.
Предлагаемый способ может быть осуществлен следующим образом.
о
3
-1
В расплав алюминия или сплава на его основе при температуре 760-800С путем  инжекции углекислым газом при избыточном давлении не более 1 атм со скоростью потока 1 – 2 ндм∙мин вводят металлический титан в виде порошка в количестве 2-5 мас.% от массы расплава , после выдерживают в течение 5-10 мин для восстановления температуры осуществляют отстойное центрифугирование при частоте вращения 1000-2500 об/мин в течение 10-12 мин. Затем после охлаждения и кристаллизации следует отделение донного осадка – композиционного материала Al(Al-сплав)-Ti.
На фиг.1 изображена микроструктура границы алюминиевой матрицы и донного осадка Al-Ti (увеличение х28,6).
Предлагаемый способ иллюстрируется следующими примерами.
о
3
-1
о
Пример 1. Берут сплав марки 01421(Al-Mg-Li-Sc-Zr) в количестве 250 г и расплавляют в муфельной печи, по достижении температуры 760С вводят 5 г порошка металлического титана, что составляет  2 мас.% от массы расплава путем инжекции в расплавленный алюминиевый сплав углекислым газом при избыточном давлении 0,1 атм. со скоростью потока  1 ндм∙мин. После восстановления температуры 760С выдерживают расплав в течение 5 минут, далее тигель с расплавом помещают в отстойную центрифугу (ОС-6М) и центрифугируют при частоте вращения ротора ω=1000 об/мин в течение 10 минут. После кристаллизации, охлаждения и удаления из тигля по внешней границе (осадок темнее) отделяют донный осадок. Характеристики полученного композиционного материала в таблице.
о
3
-1
о
Пример 2. Берут сплав марки 01570(Al-Mg-Sc-Zr) в количестве 250 г и расплавляют в муфельной печи, по достижении температуры 780С вводят 7 г порошка металлического титана, что составляет 3 мас.% от массы расплава, который путем инжекции в расплавленный алюминиевый сплав углекислым газом при избыточном давлении 0,1 атм. со скоростью потока  1 ндм∙мин. После восстановления температуры 780С выдерживают расплав в течение 8 минут, далее тигель с расплавом помещают в отстойную центрифугу (ОС-6М) и центрифугируют при частоте вращения ротора ω=1600 об/мин в течение 12 минут. После кристаллизации, охлаждения и удаления из тигля по внешней границе (осадок темнее) отделяют донный осадок. Характеристики полученного композиционного материала в таблице.
о
3
-1
о
Пример 3. Берут алюминий марки А85 в количестве 250 г и расплавляют в муфельной печи, по достижении температуры 800С вводят 12,5 г порошка металлического титана, что составляет 5 мас.% от массы расплава путем инжекции в расплавленный алюминий углекислым газом при избыточном давлении 0,1 атм. со скоростью потока 2 ндм∙мин. После восстановления температуры 800С выдерживают расплав в течение 10 минут, далее тигель с расплавом помещают в отстойную центрифугу (ОС-6М) и центрифугируют при частоте вращения ротора ω=2500 об/мин в течение 12 минут. После кристаллизации, охлаждения и удаления из тигля по внешней границе (осадок темнее) отделяют донный осадок. Характеристики полученного композиционного материала в таблице.
Таблица
№п/п
Исходные компоненты
Микротвердость, HV, ГПа (исходный сплав)
Композиционный материал на основе алюминия, легированный титаном
Содержание Ti, мас.%
Микротвердость, HV, ГПа.
1
Сплав марки 01421 + 2 мас% Ti(пример 1)
1,33 (Сплав марки 01421)
3,2
1,71
2
Сплав марки 01570 + 3 мас.% Ti (пример 2)
1,03 (Сплав марки 01570)
6,4
2,60
3
Al марки A85 + 5 мас.% Ti(пример 3)
0,39 (Al марки А85)
14,8
2,10
Таким образом, авторы предлагают  способ получения композиционного материала на основе алюминия или его сплава, легированного титаном, обеспечивающий повышенное содержание легирующего компонента, что позволило повысить твердость композиционного материала.