способ получения композиционного материала на основе интерметаллида титана и изделие, полученное этим способом

Формула изобретения

1. Способ получения композиционного материала на основе интерметаллида титана, армированного волокном карбида кремния, включающий изготовление пористой заготовки, содержащей армирующие волокна и порошок титана, пропитку пористой заготовки под давлением расплавом алюминия, отличающийся тем, что пористую заготовку получают методом намотки волокон с заданным шагом, армирующие волокна фиксируют перед пропиткой нанесением слоя алюминия или его сплава методом плазменного напыления, а после пропитки проводят термическую обработку при температуре 660-1150^oС до полного растворения титана с образованием интерметаллидной матрицы.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что получают пористую заготовку, содержащую порошок титана с размером частиц не более 100 мкм.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что получают пористую заготовку, содержащую два или более слоев.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что между слоями армирующих волокон в пористой заготовке дополнительно размещают слои титановой фольги толщиной не более 100 мкм.

5. Изделие из композиционного материала на основе интерметаллида титана, армированного волокном карбида кремния, отличающееся тем, что оно получено по любому из пп. 1-4.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области металлургии, в частности к методу получения металлических композиционных материалов на основе интерметаллида титана, армированных высокомодульными волокнами, применяемых в авиационной технике, в частности, для лопаток компрессоров газотурбинных двигателей.

Повышение прочности, рабочих температур и модуля упругости титановых сплавов, используемых для лопаток компрессора авиационных двигателей, представляет собой весьма актуальную, но труднорешаемую задачу. Относительно невысокий модуль упругости всех титановых сплавов (~100 ГПа) не позволяет реализовать их высокую прочность (~1250 ГПа) в деталях конструкций. Кроме того, при температурах выше 500^oС титановые сплавы интенсивно окисляются, что существенно сокращает срок службы деталей.

Единственным и наиболее эффективным способом повышения модуля упругости сплавов является армирование их высокомодульными волокнами, такими как карбидокремниевые, борные, углеродные и др., т.к. другие методы, такие как легирование, термическая или механико-термическая обработка не оказывают заметного влияния на эту характеристику. Использование интерметаллидов титана, в частности интерметаллидов системы Ti-Al, в качестве матрицы позволяет повысить и уровень рабочих температур, поскольку интерметаллиды более жаростойки в сравнении с титановыми сплавами. Поэтому решение задачи одновременного повышения жесткости, т. е. модуля упругости, прочности и жаростойкости материалов изыскивается на пути создания композиционных материалов (КМ) с интерметаллидной (Тi₃Аl, TiAl) матрицей, армированных высокопрочными и высокомодульными волокнами, в частности волокнами карбида кремния (SiC).

Известны способы получения КМ с матрицей из Ti-Al интерметаллида, армированного волокном SiC, в соответствии с которыми заготовка из чередующихся слоев волокон SiC и фольги из Ti-Al матричного сплава подвергается компактированию (диффузионной сварке) при температурах 900-1100^oС в вакууме (Патент Японии 07-209991, МКИ С 22 С 1/09, Патент США 4746374, МКИ C 22 F 1/18).

Недостатком такой технологии является необходимость использования прессов с высокотемпературной вакуумной камерой, а также необходимость изготовления фольги из труднодеформируемых интерметаллидов.

Известен также способ получения КМ с неорганическими волокнами, в том числе и с волокнами карбида кремния, и интерметаллидной матрицей, по которому заготовка из чередующихся слоев основного металла, второго металла, образующего эвтектику с первым, и волокон подвергается горячему изостатическому прессованию при температуре 900-982^oС, в результате чего основной металл полностью или частично переходит в эвтектику, образуя плотную матрицу КМ (Патент США 5425494, МКИ В 23 К 031/02).

Недостатками такого способа являются также необходимость изготовления фольги из основного и второго металла и необходимость использования пресса с вакуумной камерой и с обогреваемыми до 982^oС плитами. Кроме того, в указанных способах не фиксируют волокна с требуемым их распределением в КМ.

Для фиксации волокон используют метод многократного плазменного напыления титана на слои волокон с последующим прессованием многослойной заготовки (В. Randy, N. Ronald "Adv. Mater. And process", 1989, v.136, 2 p.35-40; Патент США 4786566; ЕР 0358804; ЕР 0358799).

Недостатком такого способа фиксации волокон является снижение прочности волокон в результате взаимодействия плазмы с частицами расплава при высоких температурах, а также необходимость специальных высоковакуумных камер для плазменного напыления титана и его интерметаллидов.

По описанным способам могут быть получены только изделия простой геометрической формы (листы, пластины, полосы и пр.). При изготовлении деталей сложной конфигурации, таких как лопатки компрессора, метод горячего прессования не обеспечивает равномерного давления и одинаковой плотности в различных участках детали.

Наиболее близким по технической сущности и назначению к предлагаемому является способ получения композиционного материала с интерметаллидной матрицей системы Ti-Al, упрочненного керамическим волокном, по которому титановый порошок и армирующие керамические волокна смешиваются, образуя пористую заготовку. Затем заготовка помещается в пресс-форму, пропитывается под давлением алюминиевым расплавом и выдерживается под давлением в течение времени, необходимого для полного взаимодействия титанового порошка и алюминиевого расплава с образованием интерметаллидной матрицы (Патент Японии 11-050171 от 23.02.1999, МКИ С 22 С 1/09).

Указанный способ пригоден только для получения КМ с дискретными волокнами, но не обеспечивает регулярного и равномерного распределения волокон в композите, что не позволяет реализовать свойства волокон в композите. Получение описанным способом таких деталей, как, например, лопатки компрессоров, в которых необходима заданная ориентация волокон, невозможно.

Технической задачей изобретения является создание способа получения высокопрочного и высокомодульного КМ на основе матрицы из интерметаллидов титана, упрочненной волокном карбида кремния, а также изделий из этого материала, например лопаток компрессора авиационного двигателя, с заданным регулярным распределением армирующих волокон, простого в технологическом и аппаратурном оформлении, позволяющего повысить прочность и модуль упругости КМ и изделия из него.

Для решения этой задачи предложен способ получения композиционного материала на основе интерметаллида титана, армированного волокном карбида кремния, включающий изготовление пористой заготовки, содержащей армирующие волокна и порошок титана, и пропитку заготовки под давлением расплавом алюминия, отличающийся тем, что пористую заготовку получают методом намотки волокон с фиксированным заданным шагом, перед пропиткой на армирующие волокна наносят слой алюминия или его сплава методом плазменного напыления, а после пропитки проводят термическую обработку при температуре 660-1150^oС до полного растворения титана с образованием интерметаллидной матрицы. Порошок титана имеет размер частиц не более 100 мкм. Для увеличения содержания титана в интерметаллиде между слоями волокон в пористой заготовке дополнительно размещают слои титановой фольги толщиной не более 100 мкм.

Существенным отличием предлагаемого способа от известного является получение пористой заготовки методом намотки волокон с фиксированным шагом с последующим нанесением слоя алюминия плазменным напылением. Соударение частиц расплавленного алюминия, имеющего температуру плавления 660^oС, с волокном не приводит к снижению его прочности, как при плазменном напылении титаном, имеющим температуру плавления 1730^oС, когда происходит взаимодействие расплавленных частиц с поверхностью волокна и снижение его прочности. Возможность фиксации волокон в КМ и в изделии с требуемым их распределением обеспечивает наиболее полную реализацию прочности и модуля упругости волокон в направлении действующих на изделие нагрузок в процессе эксплуатации.

С целью увеличения количества титана, вступающего в реакцию образования интерметаллида, т.е. для получения интерметаллида состава Тi₃Аl вместо TiAl или ТiАl₃, между слоями многослойной заготовки помещают титановую фольгу толщиной 100 мкм. Ограничение размера частиц титанового порошка и толщины титановой фольги обеспечивает их полное растворение при пропитке алюминиевым расплавом и термообработке в интервале температур 660-1150^oС. Нижняя граница температурного интервала термообработки определяется началом плавления алюминия (660^oС), а верхняя (1150^oС) - началом интенсивного взаимодействия волокон с расплавом и снижением их прочности.

Таким образом, данный способ позволяет значительно повысить качество материала за счет возможности регулирования состава матричного компонента, обеспечения заданной ориентации и распределения волокон в КМ и в изделии, а также за счет сохранения исходной прочности волокон в процессах плазменного напыления, пропитки и термической обработки. Кроме того, данный способ позволяет значительно упростить технологию и его аппаратурное оформление.

Примеры осуществления.

Пример 1.

Монослойную ленту-препрег, полученную предварительно путем намотки волокон с шагом 0,18 мм и напылением порошка алюминия до общей толщины монослоя 0,15-0,18 мм, нарезали на карточки размером 40х250 мм и укладывали на дно пресс-формы. В качестве армирующих волокон использовали волокна карбида кремния диаметром 140 мкм со средней прочностью 3800 МПа (от 3500 до 4100 МПа) и модулем упругости 420 ГПа. Намотку осуществляли на намоточном станке, обеспечивающем заданный шаг и натяжение. Для фиксации волокон использовали тонкий слой алюминия, наносимый с помощью установки плазменного напыления типа УПУ-3М.

После намотки одного слоя и плазменного напыления полученную ленту-препрег снимали с барабана и нарезали на карточки требуемого размера; затем на эти карточки со стороны напыленного слоя наносили титановый порошок. Повторяя многократно эту процедуру, набирали заготовку из 12 слоев, после чего полученный пакет подвергали сушке при температуре 150^oС в течение 30 минут, затем пресс-форму переносили в автоклав и проводили пропитку алюминиевым расплавом. Алюминиевый расплав перед пропиткой нагревали до 660^oС, пропитку осуществляли давлением азота 40 атм на зеркало металла в течение 10 минут, после чего давление снимали и проводили термообработку при этой же температуре. Пропитанную заготовку извлекали из пресс-формы и разрезали с помощью алмазного диска на образцы для испытаний.

Пример 2.

Сборку заготовки, сушку и пропитку осуществляли в таком же порядке и таком же режиме, что и в примере 1, но после пропитки заготовки ее подвергали термической обработке в печи, в ванне из алюминиевого расплава, при температуре 900^oС, после чего заготовку извлекали из пресс-формы и вырезали из нее образцы.

Пример 3.

Монослойную ленту-препрег, такую же, как и в примере 1, укладывали в пресс-форму, сверху наносили из суспензии слой титанового порошка, а затем устанавливали слой титановой фольги ВТ1-0 толщиной 0,1 мм. Повторяя многократно эту процедуру, набирали заготовку из 8 слоев. Последующие операции сушки и пропитки осуществляли по тем же режимам, что в примере 1. Термообработку проводили при температуре 1150^oС. Из полученных пластин вырезали образцы для испытаний.

Далее у полученных образцов определялись:

- прочность на растяжение (определяли растяжением плоских образцов по методике СТП ВИАМ);

- модуль упругости при растяжении (определяли растяжением плоских образцов по методике СТП ВИАМ);

- плотность (определяли методом гидростатического взвешивания);

- фазовый состав матрицы, характеризующий полноту прохождения реакции образования интерметаллидов (определяли путем сопоставления микроструктуры и результатов локального рентгеноспектрального анализа отдельных фаз по элементам - титану и алюминию).

Результаты испытаний в лабораторных условиях, проведенные на образцах, изготовленных по предлагаемому способу, свойства КМ, полученного способом-прототипом, приведены в таблице.

Как видно из результатов испытаний, КМ, полученный по предлагаемому способу, обеспечивает более высокие характеристики прочности и жесткости (модуля упругости) за счет более совершенной структуры (ориентации волокон) и более полной реализации свойств волокон в КМ. Предлагаемый способ не требует взрывоопасного процесса плазменного напыления титана для фиксации волокон, не требует изготовления фольги из труднодеформируемого интерметаллида титана, не требует прессов с высоковакуумной камерой и обогреваемыми до 1100^oС плитами.

Таким образом, данный способ позволяет значительно повысить качество материала за счет возможности регулирования состава матричного компонента, обеспечения заданной ориентации и распределения волокон в КМ и в изделии, а также за счет сохранения исходной прочности волокон в процессах плазменного напыления, пропитки и термической обработки. Кроме того, данный способ позволяет значительно упростить технологию и его аппаратурное оформление.