СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НЕЙТРОННО-ПОГЛОЩАЮЩЕГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ, СОДЕРЖАЩЕГО СЛОИ С ДИБОРИДОМ ТИТАНА
METHOD OF PRODUCING ALUMINUM-BASED NEUTRON-ABSORBING MATERIAL CONTAINING LAYERS WITH TITANIUM DIBORIDE

Изобретение относится к металлургии, а именно к получению слоистого материала на основе алюминия и его сплавов, содержащего слои с диборидом титана, и может использоваться в качестве конструкционных материалов в авиации и в атомной промышленности, которые сочетают низкую удельную массу с эффективным поглощением нейтронного излучения.
Известен способ получения упрочненных сплавов на основе алюминия, включающий введение в расплав алюминиевой основы лигатуры в виде стержней из смеси порошков алюминия и модифицирующей добавки диборида титана, причем содержание порошка диборида титана с размером частиц 1-5 мкм в лигатуре составляет 5 мас. %, а полученные стержни вводят в расплав алюминия, разогретый до 720°С, при одновременном воздействии на расплав ультразвукового поля. Известный способ позволяет повысить прочность сплава и обеспечивает равномерность распределения диборида титана в объеме алюминиевой матрицы.
(RU 2542044, С22С 1/03, С22С 1/06, опубликовано 20.02.2015)
Недостатком известного способа является трудность получения крупных заготовок, предназначенных для прокатки, в том числе получение слоистого материала, позволяющего повысить общее содержание нейтронно-поглощающего бора в изделии.
Известен способ получения тонколистового нейтронно-поглощающего проката из слитков борсодержащего алюминиевого сплава, включающий приготовление алюминиевого расплава, введение бора в количестве от 2 до 2,8 мас. % в виде боридных частиц, получение слитка путем кристаллизации расплава, горячую прокатку, промежуточный отжиг, холодную прокатку, причем в алюминиевый расплав также вводят от 1,8 до 2,5 мас. % меди и от 1,4 до 2,2 мас. % марганца, слиток подвергают горячей прокатке при температуре 400-450°С, а после холодной прокатки проводят отжиг при температуре 360-400°С.
(RU 2630185, C22F 1/04; С22С 21/12, опубликовано 05.09.2017)
Недостатком известного способа является низкая концентрация борсодержащих частиц в алюминиевой матрице.
Известен способ изготовления композиционного материала на основе алюминиевого сплава, армированного керамикой, включающий объединение расплава алюминиевого сплава с расплавом фторидного флюса в инертной атмосфере, причем флюс предварительно смешивают с керамической фазой - диборидом титана и проводят плавление смеси в инертной атмосфере совместно с алюминиевым сплавом для диспергирования в нем диборида титана. Известный способ позволяет получить дисперсию титан-боридной керамической фазы в сплаве с размером от микрона до нанометра и в количестве до 60 об.%.
(RU 2159823, С22С 21/10, С22С 21/06, опубликовано 27.11.2000)
Недостатком известного способа является высокая трудоемкость и невозможность получения нейтронно-поглощающего материала, содержащего слои с диборидом титана.
Наиболее близким является способ получения нейтронно-поглощающего материала на основе сплава алюминия, содержащего слои с различной концентрацией борсодержащих частиц (карбида бора), включающий изготовление плоского композита из сплава на основе алюминия и кремния, содержащего частицы карбида бора с размером зерен 10-30 мкм в концентрации 10-55 мас. %, нагрев композита выше температуры ликвидус, выдержку расплава в защитной атмосфере при давлении газа 1100-1300 бар и воздействии вибрации, охлаждение, закалку и многократную горячую прокатку, или ковку, или экструзию. При воздействии вибрации в расплаве происходит всплывание частиц карбида бора и обогащение им до 65-85 мас. % верхнего слоя расплава с формированием слоев с различным содержанием карбида бора.
(DE 102011120988, С22С 21/02, опубликовано 13.06.2013)
Недостатком известного способа является невозможность его использования для получения нейтронно-поглощающего материала в виде крупных полых цилиндрических заготовок, а также невозможность получения нескольких слоев с равномерным распределением частиц диборида титана по их сечению.
Задачей и техническим результатом изобретения является получение крупных полых цилиндрических заготовок нейтронно-поглощающего материала на основе сплава алюминия, содержащего слои металла с частицами диборида титана, равномерно распределенным по их толщине.
Технический результат достигают тем, что способ получения нейтронно-поглощающего материала на основе алюминия, содержащего слои с диборидом титана, включает получение расплава алюминия с температурой выше температуры ликвидус с борсодержащими частицами, при этом получают расплав с температурой на 150-200°С выше температуры ликвидус, содержащий в качестве борсодержащих частиц 30-40 об. % частиц диборида титана с размером 1-40 мкм, а также расплав алюминия без частиц диборида титана с температурой на 150-200°С выше температуры ликвидус, который первым заливают в подогреваемую горизонтальную изложницу центробежного литья, вращающуюся с коэффициентом гравитации 70-140, с формированием первого слоя металла на поверхности изложницы, затем заливают в изложницу расплав защитного флюса, и формируют следующие слои металла, последовательно заливая на расплав флюса расплав сплава алюминия, содержащего частицы диборида титана, затем расплав сплава алюминия без частиц диборида титана, затем расплав алюминия, содержащего частицы диборида титана, и затем расплав алюминия без частиц диборида титана, причем заливку расплава последующих слоев металла на расплав флюса начинают после охлаждения предыдущего слоя металла до температуры солидус.
3
Технический результат также достигают тем, что заливку расплава ведут в защитной атмосфере аргона, который подают в изложницу с расходом 0,3-0,7 м/ч, в качестве расплава алюминия используют расплавы технического алюминия, а также его литейные сплавы с кремнием, дополнительно содержащие 0,4-0,5 мас. % титана, 0,08-0,12 мас. % бора, 0,03-0,05 мас. % бериллия, и каждый слой металла легированного алюминия и алюминия с диборидом титана заливают толщиной не менее Змм, а расплав флюса не менее 3-4 мм.
Достижение поставленного технического результата можно проиллюстрировать следующим примером.
Известными способами получают расплав литейного легированного сплава алюминия с кремнием с температурой 900-950°С (на 150-200°С выше температуры ликвидус), в который вводят лигатуру AlTiB 5/1, обеспечивающую содержание с расплаве титана 0,45 мас. % и бора 0,10 мас. %, а также лигатуру AlBe5, обеспечивающую содержание бериллия 0,03-0,05 мас. %). Введение лигатуры AlBe5 уменьшает окисление расплава, а введение лигатуры AlTiB 5/1 эффективно измельчает зерна алюминиевых сплавов, что способствует улучшению механических свойств и уменьшению газовой пористости.
Также готовят расплав технического алюминия с температурой 1000°С (на 250°С выше температуры ликвидус), содержащий 30-40 об. % частиц диборида титана с размером 1-40 мкм. Оптимальным является получения расплава алюминия с добавкой диборида титана непосредственно перед введением в изложницу, например, путем расплавления предварительно полученного методом порошковой металлургии полуфабриката, содержащего частицы диборида титана.
При осуществлении способа по изобретению используют известные составы флюсов для защиты зеркала расплава алюминия, например, на основе фторида кальция.
Расплав литейного сплава алюминия, легированного титаном, бором и бериллием, заливают в подогреваемую центробежную машину с горизонтальной осью вращения.
Рабочую поверхность используемой подогреваемой до температуры более 200°С горизонтальной изложницы центробежного литья длиной 3 м и внутренним диаметром 300 мм предварительно покрывают противопригарным покрытием.
3
Первый слой нейтронно-поглощающего материала по изобретению толщиной 3,0 мм формируют путем заливки во вращающуюся горизонтальную изложницу расплава легированного литейного алюминиевого сплава без частиц диборида титана с температурой 900 °С, что на 200°С выше температуры ликвидус. Заливку расплавов металла ведут в защитной атмосфере аргона, который подают в изложницу с расходом 0,3-0,7 м/ч.
Число оборотов изложницы п определяют по известной формуле:
где: n - число оборотов в сек;
K - коэффициент гравитации;
D - диаметр изложницы, м.
Для K=100 и D=0,1 м число оборотов изложницы n=22,3 об/с.
После заливки первого слоя металла, в изложницу заливают расплав защитного флюса, который формирует на поверхности первого слоя металла равномерный защитный слой толщиной ≈3 мм.
После охлаждения металла первого слоя до температуры солидус (≈750°С) в изложницу на расплавленный флюс заливают подготовленный расплав алюминия, содержащий частицы диборида титана, для формирования второго нейтронно-поглощающего слоя металла толщиной 3 мм.
После формирования слоя защитного флюса на поверхности второго слоя металла и охлаждения металла до температуры солидус в изложницу заливают расплав легированного сплава алюминия без частиц бора, а затем последовательно после формирования слоя защитного флюса на поверхности сформированного слоя металла и его охлаждения до температуры солидус заливают расплав алюминия, содержащего частицы диборида титана, и расплав легированного алюминиевого сплава без частиц диборида титана.
Выбранные температурные режимы осуществления способа по изобретению в сочетании с режимом вращения изложницы обеспечивают формирование слоев металла одинаковой толщины, их направленную кристаллизацию и равномерное распределение диборида титана по сечению слоя металла и длине изложницы.
Результатом осуществления способа по изобретению был получен нейтронно-поглощающий материал на основе алюминия и диборида титана в виде крупной полой цилиндрической заготовки, содержащей слои с диборидом титана.
Для получения листов полученную заготовку разрезают по средней линии, разгибают, выпрямляют и прокатывают на лист необходимой толщины при температуре 400-450°С на лист необходимой толщины. Допускается холодная прокатка с последующим отпуском при 360-400°С. Полученный лист может быть использован в конструкциях защиты от нейтронного излучения и в качестве конструкционного материала в авиации и других областях машиностроения, где требуется материал с низким удельным весом и высокой прочностью.