СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОТЛИВОК СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ ГАММА АЛЮМИНИДА ТИТАНА
METHOD OF GAMMA-ALUMINIDE TITANIUM-BASED ALLOYS PRODUCTION

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способам получения отливок из сплавов на основе гамма алюминида титана (γ-TiAl), и может быть использовано при получении изделий ответственного назначения, работающих при температурах до 700°C, в частности лопаток газотурбинных двигателей.
Литейные сплавы на основе гамма алюминида титана TiAl (далее гамма-сплавы) представляются одними из наиболее перспективных материалов для получения лопаток газотурбинных двигателей нового поколения. Эти сплавы должны обладать не только высокими литейными свойствами, но и комплексом различных механических свойств: прочностью, пластичностью, усталостными свойствами, жаропрочностью и др. [Ильин А.А., Колачев Б.А., Полькин И.С. Титановые сплавы. Состав, структура, свойства. Справочник. М.: ВИЛС-МАТИ, 2009, 520 с.]. Особенностью гамма-сплавов является высокая чувствительность их фазового состава и, как следствие, эксплуатационных свойств даже к небольшим изменениям концентраций легирующих элементов и к параметрам технологического процесса.
Для изготовления фасонных отливок из гамма-сплавов первоначально, как правило, получают заготовки в виде слитков путем их многократного переплава [Appel F., Paul J.D.H., and Oehring M. «Gamma Titanium Aluminide Alloys: Science and Technology)), Wiley-VCH Verlag & Co. KGaA, 2011, 745 р.]. Это трудоемкий и энергозатратный процесс, который приводит к существенному удорожанию конечного изделия. В частности, известен способ получения отливок из гамма-сплавов, раскрытый в патенте US 6174495 (2001). Согласно этому способу расплав на основе титана, содержащий от 31,3 до 32,0 мас.% алюминия, а также другие добавки, заливают в форму (в том числе сложной конфигурации: «precision») и охлаждают с обычной скоростью. Недостатком данного способа является то, что для получения расплава используют заготовку в виде слитка.
Снизить энергозатраты, необходимые для получения заготовки, можно за счет использования метода самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), что рассмотрено в ряде патентов.
Известен способ получения порошковых материалов на основе алюминида никеля или алюминида титана в режиме СВС (http://naT.RU 2354501). Это способ включает приготовление экзотермической смеси перемешиванием порошков алюминия и оксида никеля или титана в количестве, взятом на получение алюминида никеля или титана стехиометрического состава, и, по крайней мере, одной добавки, выбранной из ряда, включающего магний, перхлорат магния, пероксид кальция, хлорид натрия, оксид алюминия, размещение смеси в реакторе СВС, инициирование процесса горения в инертной атмосфере под давлением инертного газа не выше 1 МПа, с последующим выделением целевого продукта путем химической обработки продуктов реакции горения в разбавленном растворе соляной или серной кислоты при температуре 60-80°C и непрерывном перемешивании. Конечным продуктом, получаемым по данному способу, является порошок с размером частиц менее 3 мкм. Для получения готового изделия требуются дополнительные операции (компактирование, прессование, обработка резанием), что является главным недостатком предложенного способа.
Наиболее близким к предложенному является к способ получения литого сплава на основе алюминидов титана в режиме горения, который раскрыт в патенте RU 2320744 (опубл. 27.03.2008). Этот способ включает приготовление реакционной смеси порошков, содержащей оксид титана, оксид ниобия, алюминий, по крайней мере одну энергетическую добавку, выбранную из ряда: пероксид кальция, магния, бария, помещение смеси в тугоплавкую форму, покрытую с внутренней поверхности функциональным защитным слоем из тугоплавкого неорганического соединения, размещение формы на центрифуге, воспламенение смеси и проведение синтеза в режиме горения при центробежном ускорении 200-1000 g с последующим отделением литого сплава от продукта синтеза, при этом осуществляют приготовление определенного исходного состава смеси, масс.%. С использованием данного способа можно получать слиток с равномерной структурой и высокой термостойкостью (до 700°C). Его недостатком является то, что для получения изделий сложной формы требуются дополнительные трудоемкие операции.
Задачей изобретения является создание нового способа получения отливок заданной конфигурации из сплавов на основе гамма алюминида титана с целью достижения высокого уровня механических свойств при повышенных температурах.
-1
-3
Поставленная задача достигается в предложенном способе получения литого сплава на основе гамма алюминида титана, предназначенного для получения фасонных отливок, включающего получение смеси порошков, содержащих титан, алюминий и ниобий, получение брикета, проведение самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), отличающегося тем, что смесь получают из порошков чистых металлов, а СВС проводят при начальной температуре 560-650°C, относительной плотности брикета смеси 50-85%, термовакуумной обработки брикета при температуре 550-650°C в течение 10-40 мин, скорости нагрева 5-40°C/мин и давлении 10-10 Па.
В частном исполнении способ отличается тем, что литой сплав получают из смеси порошков, дополнительно содержащей молибден, при следующем соотношении компонентов, мол.%:
Алюминий
40-44
Ниобий
3-5
Молибден
0,6-1,4
Титан
остальное
Сущность изобретения состоит в том, что заготовка, полученная методом СВС по оптимальному режиму, имеет однородную структуру, что позволяет минимизировать время плавки перед разливкой в форму с заданной конфигурацией. Это позволяет существенно уменьшить время получения конечных литых деталей, обладающих высокими эксплуатационными свойствами, в частности жаропрочностью.
Проведение СВС при начальной температуре ниже 560°C не позволяет реализовать стационарный режим горения, что существенно ухудшает качество синтезируемой заготовки.
Проведение СВС при начальной температуре выше 650°C приводит к реализации горения в режиме теплового взрыва в исходном брикете, что также ухудшает качество синтезируемой заготовки.
Относительная плотность брикета смеси менее 50% не обеспечивает достаточную прочность исходного брикета, снижает скорость горения, что приводит к повышенной остаточности пористости заготовки.
Относительная плотность брикета смеси более 85% приводит к образованию закрытой пористости в исходном брикете, что препятствует наиболее полной дегазации при проведении термовакуумной обработки и приводит к образованию расслойных трещин в синтезируемой заготовке.
-1
Проведение термовакуумной обработки брикета при температуре ниже 550°C, в течение менее 10 минут, при давлении более 10 Па, со скоростью выше 40°C/мин не обеспечивает полноту протекания процесса дегазации, что повышает остаточную пористость синтезируемых заготовок, а следовательно, увеличивает содержание примесей в конечном продукте.
Проведение термовакуумной обработки брикета при температуре выше 650°C приводит к самовоспламенению исходного брикета и преждевременному протеканию СВС-реакции непосредственно в камере вакуумной печи.
-3
Проведение термовакуумной обработки брикета в течение более 40 мин при давлении менее 10 Па и скорости нагрева менее 5°C/мин не целесообразно, т.к. это не приводит к дальнейшему увеличению степени дегазации исходного брикета и не повышает качество заготовки.
ПРИМЕР 1
Рассматривали 5 вариантов получения заготовки из смеси металлических порошков следующего состава, мол.%: алюминий - 42, ниобий - 4, молибден - 1, титан - остальное. Режимы СВС приведены в табл.1.
0,2
После получения заготовки (Фигура 1), проводили ее переплав в вакуумной индукционной печи при температуре 650°C, а затем расплав заливали в формы с заданной конфигурацией, получая фасонную отливку (Фигура 2). После ГИП обработки отливок при температуре 1250°C и давлении 100 МПа в течение 3 часов из них вырезали образцы для проведения испытаний на сжатие при 700°C. Определяли предел текучести (σ) и относительное укорочение (ε).
Результаты, приведенные в табл.1, показывают, что только по режимам СВС 2-4, отвечающим заявленному способу, достигается высокая прочность. При этом не происходит разрушения образцов (при укорочении до 10% включительно), что свидетельствует о достаточно высокой пластичности испытываемых материалов. Режимы 1 и 5 приводят к снижению прочности и пластичности, поскольку в процессе проведения СВС формируются тугоплавкие конгломераты, которые отрицательно сказываются на конечной структуре отливок.
Таблица 1
Параметры получения заготовок из гамма-сплава методом СВС и механические свойства отливок, полученных из заготовок
№
Параметры режимов<sup>1</sup>
Механические свойства на сжатие
F, %
T<sub>1</sub>, °C
t, мин
V, °C/мин
P, Па
Т<sub>0</sub>, °C
σ<sub>0,2</sub>, МПа
ε, %
1
30
500
5
2
10
480
450<sup>2</sup>
0
2
50
550
10
5
10<sup>-1</sup>
560
720
>10
3
72
600
25
22
10<sup>-2</sup>
640
755
>10
4
85
650
40
40
10<sup>-3</sup>
720
715
>10
5
90
800
60
60
10<sup>-4</sup>
790
320<sup>2</sup>
0
<sup>1</sup>F - относительная плотность смеси, T<sub>1</sub> и t - температура и время термовакуумной обработки смеси, V - скорость нагрева, P - давление, T<sub>0</sub> - начальная температура проведения СВС;
<sup>2</sup>Хрупкое разрушение (предел текучести не достигается)
ПРИМЕР 2
По режиму получения заготовки 3 (см. табл.1) были приготовлены 5 вариантов смесей (табл.2). Из этих смесей были получены фасонные отливки в условиях, аналогичных Примеру 1.
0,2
Результаты, приведенные в табл.2, показывают, что только составы 2-4 позволяют достигнуть высоких значений σ и ε. При этом не происходит разрушения образцов (при укорочении до 10% включительно), что свидетельствует о достаточно высокой пластичности испытываемых материалов.
Состав 1 обладает пониженной прочностью, что связано с меньшими концентрациями ниобия и молибдена. Состав 5 обладает пониженной прочностью и пластичностью, что связано с повышенными концентрациями ниобия и молибдена.
Таблица 2
Составы смесей для получения заготовок гамма сплава методом СВС и механические свойства отливок, полученных из этих заготовок
№
Концентрация, мол. %
Механические свойства на сжатие
Al
Nb
Mo
Ti
σ<sub>0,2</sub>, МПа
ε, %
1
38
2
0,3
Остальное
650
>10
2
40
3
0,6
Остальное
730
>10
3
42
4
1,0
Остальное
745
>10
4
44
5
1.4
Остальное
725
>10
5
46
6
1,7
Остальное
715
5