Способ получения композиционных алюмоматричных материалов, содержащих борид титана, методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза
METHOD FOR PRODUCING COMPOSITE ALUMINUM MATRIX MATERIALS CONTAINING TITANIUM CARBIDE BY SELF-PROPAGATING HIGH-TEMPERATURE SYNTHESIS

Изобретение относится к металлургии, а именно к способам получения композиционных материалов на основе алюминия или его сплавов с применением самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС).
Из уровня техники известен способ получения тугоплавких неорганических материалов методом СВС, в том числе борида титана, включающий приготовление реакционных смесей, их прессование и инициирование синтеза (Левашов Е.А., Рогачев А.С., Юхвид В.И., Боровинская И.П. Физико-химические и технологические основы самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. М.: «Издательство БИНОМ», 1991. - 176 с.). Для получения металлокерамических композитов в данной технологии предусмотрено смешивание керамических порошков, в том числе и карбида борида, полученных СВС, с порошками металлов с последующим прессованием и спеканием, что усложняет технологический процесс и снижает применимость способа.
Из уровня техники известен способ получения отливок из железоуглеродистых сплавов с легированным поверхностным слоем, содержащим диборид титана, включающий приготовление легирующей композиции из титана или ферротитана с добавками аморфного бора и клеевого связующего с последующим нанесением лигатуры на поверхность модели из пенополистирола и формообразованием отливки (Патент РФ №2580584 С1, МПК B22D 27/18. 10.04.2016. Бюл. №10). Недостатком данного способа является его узкая область применения, заключающаяся в формировании борида титана на поверхности отливок из железоуглеродистых сплавов, полученных методом литья по газифицируемым моделям.
Наиболее близким по технической сущности является способ получения лигатуры для измельчения зерна алюминиевых сплавов, в состав которой входят алюминий, титан, бор и углерод ((Патент РФ №2031969 С1, МПК С22С 21/00, С22С 35/00. 27.03.1995). В описанном способе лигатуру готовят плавлением в индукционной печи алюминия, содержащего титан и бор под слоем флюса, и дополнительно в расплав вдувают дисперсный углерод в потоке газа. Полученный материал, содержащий диборид и карбид титана, в последующем используют в качестве легирующей добавки при выплавке алюминиевых сплавов. Недостатком прототипа является многостадийность технологического процесса и ограниченная область применения, связанная с необходимостью получения металлического расплава и невозможностью в широких пределах регулировать содержание боридной фазы в сплаве.
Все это снижает универсальность и техническую применимость прототипа.
Предлагаемый способ является более технически применимым и универсальным для получения алюмоматричных композиционных материалов содержащих борид титана, по отношению к прототипу.
Повышение универсальности и технической применимости предлагаемого способа выражается в том, что он позволяет получать компактные алюмоматричные материалы с формированием боридных составляющих титана без применения специального плавильного оборудования. Применение предлагаемого способа также обеспечивает получение материалов, содержание боридной фазы в которых можно регулировать в широких пределах.
Способ осуществляется следующим образом.
На первом этапе путем смешивания готовят реакционную смесь, состоящую из порошкообразных титан- и борсодержащих материалов, при этом отношение массы титана к массе бора в данной смеси находится в пределах от 1 до 6. Второй этап заключается в добавлении к вышеупомянутой реакционной смеси порошкообразного алюминия или сплава на его основе с соблюдением отношения массы алюминия или алюминиевого сплава к массе реакционной смеси от 1 до 100. Полученную порошкообразную смесь, содержащую алюминий или алюминиевый сплав и реакционную смесь из титан- и борсодержащих компонентов перемешивают и подвергают компактированию. В зависимости от технического оснащения способ допускает производить процесс компактирования любым доступным способом - в металлических формах с применением прессов, в изостатах, методами импульсного компактирования и др. После получения спрессованного порошкообразного материала осуществляют инициирование самораспространяющегося высокотемпературного синтеза любым доступным способом - локальным нагревом (сварочной дугой, через запальную смесь и др.) или объемным нагревом (в муфельных и индукционных печах). Применение объемного нагрева, в зависимости от соотношения реакционной смеси и алюминия или алюминиевого сплава, способ допускает проводить при температурах ниже температуры плавления алюминия или алюминиевого сплава. В этом случае основа (алюминий) не будет подвергаться плавлению от внешнего источника тепла, при этом тепловыделение от синтеза должно быть достаточно для спекания алюминия. Применение температур нагрева скомпактированных составов равной либо превышающей температуру плавления алюминия или алюминиевого сплава, позволяет обеспечить протекание СВС даже при использовании незначительного количества реакционной смеси.
2
2
С целью регулирования количества боридной фазы в материале в широком диапазоне способ предусматривает добавление к реакционной смеси, состоящей из титан- и борсодержащих компонентов алюминия или алюминиевого сплава при отношении массы алюминия или его сплава к массе реакционной смеси от 1 до 100. Если данное отношение равно 1, то соответственно в материале после синтеза содержание борида титана буде находиться в районе 50% масс. - в пересчете на реакционную смесь титана и бора, взятых в отношении массы титана к массе бора равное 2,2, и без учет других возможных взаимодействий, кроме образования борида титана TiB. Для инициирования СВС при данном соотношении возможно применение локального нагрева, поскольку реакционной смеси (титана и бора) будет достаточно для распространения фронта реакции по всему объему образца. Отношение массы алюминия или алюминиевого сплава к массе реакционной смеси из титан- и борсодержащих компонентов равное 100 позволит получить в образце около 1% борида титана при вышеуказанных соотношениях между компонентами реакционной смеси и допущении получения в ходе синтеза только борида титана TiB. Поскольку данные порошкообразные смеси содержат относительно незначительное количество реакционной смеси, то для получения композита СВС целесообразно инициировать объемным нагревом.
2
Для формирования в материале, наряду с боридом титана, дополнительных структурных составляющих, (интерметаллиды, бориды и др.) способ предусматривает изготовление реакционной смеси из титан- и борсодержащих компонентов при отношении массы титана к массе бора от 1 до 6. Соотношение 1 вызывает в реакционной смеси избыточное содержание борсодержащих материалов по сравнению со стехиометрией образования борида титана TiB, и в процессе синтеза в материале возможно образование других боридных составляющих, кроме борида титана. Соотношение 6 приводит к избыточному количеству титансодержащих компонентов, что в ходе синтеза позволяет формировать в материале, наряду с боридом титана, также интерметаллиды, например системы алюминий - титан.
В качестве титансодержащих материалов в реакционной смеси способ допускает применение титана или ферротитана с содержанием титана не менее 60% масс. Использование ферротитана с меньшим количеством титана может не позволить инициировать синтез борида титана в материале. Железо, входящее в ферротитан, также в ходе синтеза участвует во взаимодействии, в результате чего в материале, наряду с боридом титана, формируются дополнительно составляющие, содержащие железо (интерметаллиды системы алюминий - железо, бориды железа и др.).
В качестве борсодержащих материалов в реакционной смеси способ допускает применение бора (аморфного или кристаллического), карбида бора и ферробора с содержанием бора не менее 7%. Вышеперечисленные материалы имеют различную реакционную способность. Подбирая борсодержащий материал можно проводить регулирование энергетических параметров реакции образования борида титана. Способ допускает применять ферробор с содержанием бора не менее 7%, меньшее содержание может не позволить инициировать синтез в предлагаемых системах.
Для обеспечения большей плотности и повышения физико-механических характеристик полученному в ходе СВС материалу, способ допускает его последующую переплавку. В процессе переплава также можно получить методами литья композиционный алюмоматричный материал сложной формы. Способ также допускает использовать полученный в ходе синтеза алюмоматричный материал в качестве легирующей добавки при выплавке алюминия или сплавов на его основе для легирования последних боридом титана. Полученный материал уже содержит сформированный в ходе СВС борид титана, поэтому при использовании его в качестве лигатуры не приведет к бурному протеканию реакции в расплаве, в отличие от введения порошкообразных смесей системы титан - бор.
Для расширения области применения данного способа он предусматривает дополнительное введение к реакционной смеси, состоящей из титан- и борсодержащих материалов, порошкообразных добавок металлов или сплавов в количестве, не менее 3% от массы реакционной смеси.
Способ осуществляется следующим образом.
К реакционной смеси, состоящей из титан- и борсодсодержащих материалов, при соотношении массы титана к массе бора от 1 до 6, дополнительно вводят порошкообразные добавки металлов или сплавов, в количестве, не менее 3% от массы исходной смеси. В зависимости от реакционной способности добавок металлов или сплавов к компонентами реакционной смеси титан- и борсодержащих материалов, в ходе синтеза возможно образование наряду с боридом титана новых фаз, что приводит к изменению состава, структуры и свойств получаемого материала. Так, относительно инертные добавки, такие как медь, никель или сплавы на их основе в ходе СВС не участвуют в процессах боридообразования, при этом взаимодействуя с алюминием или алюминиевым сплавом, позволяют получать материал, содержащий совместно с боридом титана, дополнительно интерметаллиды системы алюминий - никель, алюминий - медь. Введение к реакционной смеси боридообразующих компонентов, таких как хром позволяет формировать в ходе синтеза в материале дополнительные, наряду с боридом титана, боридные составляющие хрома. Количество добавок металлов или сплавов к реакционной смеси составляет не менее 3% от массы из титан- и борсодержащих компонентов. Меньшее количество добавок не позволяет в широком диапазоне варьировать состав и свойства материала вследствие незначительного количества образующихся в ходе синтеза фаз с участием компонентов добавок. Для формирования в материале боридных составляющих титана способ предусматривает использование в качестве титансодержащих материалов титана и ферротитана с содержанием титана не менее 60%, а в качестве борсодержащих компонентов бор, карбид бора, ферробор с содержанием бора не менее 7% при отношении массы титана к массе бора от 1 до 6. Применение ферротитана с содержанием титана менее 60% может не обеспечить протекание синтеза и, как следствие формирования борида титана вследствие низкой реакционной способности. Применение в качестве борсодержащих компонентов бора позволяет формировать преимущественно бориды, карбида бора - боридные и карбидные составляющие, а ферробор обеспечивает наряду с получением боридов титана, также боридов железа. Способ допускает применять ферробор с содержанием бора не менее 7%, меньшее содержание может не позволить инициировать синтез в предлагаемых системах.
После приготовления реакционной смеси, состоящей из титан- и борсодержащих материалов с добавками порошкообразных металлов или сплавов, к вышеупомянутой смеси добавляют порошкообразный алюминий или сплав на его основе при отношении массы алюминия или его сплава к массе реакционной смеси от 1 до 100. Данное отношение позволяет регулировать количество боридной составляющей в материале в зависимости от требуемого технического результата. Так, отношение равное 1 позволяет получать алюмоматричный материал со значительным, около 50%, содержанием боридной составляющей титана, соотношение 100 обеспечивает формирование в материале около 1% борида титана. Полученную порошкообразную смесь, состоящую из реакционной смеси титан- с борсодержащими материалами и добавками металлов или сплавов, и алюминия или алюминиевого сплава компактируют любым доступным способом, после чего инициируют процесс СВС. Способ допускает инициировать синтез либо локальным, либо объемным нагревом. Последний вариант наиболее целесообразно применять к материалам, содержащим незначительное количество реакционной смеси вследствие их незначительной реакционной способности. Для улучшения физико-механических характеристик способ допускает переплав полученного материала. Для легирования отливок из алюминия или сплавов на его основе способ допускает применение полученного материала в качестве лигатур.
Примеры конкретного исполнения:
3
Пример 1. В качестве реакционной смеси использовали смесь титана и аморфного бора при соотношении массы титана к массе бора, равное 4 (2,0 г титана и 0,5 г бора). Полученную реакционную смесь смешивали с порошком алюминия АСД-1 при отношении массы алюминия к массе смеси 5 (10 г алюминия и 2,0 г смеси) и компактировали. Прессовки помещали в печь и путем постадийного нагрева инициировали СВС, максимальная температура нагрева составляла 950°С, время выдержки 10 мин. Основа полученного материала алюминий, при этом он дополнительно содержал диборид титана в количестве ~9% (мас.) и интерметаллид AlTi ~15% (мас.).
3
Пример 2. То же, что в примере 1, только в качестве титансодержащего материала в реакционной смеси использовали ферротитан (70% Ti), а отношение массы алюминия к массе реакционной смеси составляло 1,4 (10 г алюминия и 7,0 г смеси). Спрессованные составы нагревали в печи до температуры 1200°С, выдержка 10 минут. Полученный материал на основе алюминия дополнительно содержал диборид титана ~35% (масс.) и интерметаллиды FeTi ~4% (масс.) и AlTi ~10% (масс.).
3
Пример 3. В качестве реакционной смеси использовали смесь ферротитана (70% Ti) с аморфным бором при отношении массы титана к массе бора равное 1,5 (избыток бора). При этом к данной смеси дополнительно вводили хром, в количестве 30% (масс.). Полученную смесь смешивали с порошкообразным алюминием при отношении массы алюминия к массе смеси, равное 2,5. Далее смесь компактировали и инициировали СВС путем нагрева в печи до температуры 1200°С.Основа полученного материала алюминий, в качестве дополнительных фаз присутствуют бориды титана ~7% (масс.) и хрома ~5%, а также (масс.) интерметаллиды AlTi, FeTi.
Пример 4. То же, что в примере 1, только в качестве борсодержащего компонента реакционной смеси использовали карбид бора, а отношение массы алюминия к массе реакционной смеси составляло 20. После нагрева скомпактированной смеси материал на основе алюминия дополнительно содержал диборид и карбид титана.
3
2
2
7
Пример 5. В качестве реакционной смеси использовали смесь ферротитана (70% Ti) с аморфным бором при отношении массы титана к массе бора равное 3. При этом к данной смеси дополнительно вводили медь, в количестве 70% (масс.). Полученную смесь смешивали с порошкообразным алюминием при отношении массы алюминия к массе смеси, равное 2,5. Далее смесь компактировали и инициировали СВС путем нагрева в печи до температуры 1200°С. Основа полученного материала алюминий, в качестве дополнительных фаз присутствуют диборид титана ~10% (масс.) и интерметаллиды AlTi, CuTi, FeCuAl.
3
2
2
7
Пример 6. полученный в примере 5 материал использовали в качестве лигатуры при выплавке алюминиевого сплава ВАЛ10, добавка лигатуры составляла 30%. Полученный слиток на основе алюминия дополнительно содержал диборид титана и интерметаллиды AlTi, CuTi, FeCuAl, что указывает на усвоение компонентов лигатуры в алюминиевых сплавах.
Данный способ является практически применимым для получения методом СВС композиционных алюмоматричных материалов, содержащих борид титана.