способ получения изделия из металлического композиционного материала

Формула изобретения

1. Способ получения изделия из металлического композиционного материала, включающий сборку армирующей заготовки в виде объемного жесткого каркаса из соединенных между собой с помощью связующего монокристаллических пластин, выполненных из материала, выбранного из группы, содержащей оксиды, карбиды, силициды и бориды, ее сушку и термообработку, заполнение межпластинчатых зазоров заготовки порошком тугоплавких металлов, выбранных из группы, содержащей Ti, Ni, Co, Mo, Cr, W, Nb или их смесь, пропитку армирующей заготовки расплавом металла, выбранного из группы, содержащей Al, Mg, Cu, Fe, Zn или их смесь, и последующую кристаллизацию с образованием интерметаллидной матрицы, отличающийся тем, что перед сборкой армирующей заготовки на поверхность каждой монокристаллической пластины предварительно наносят слой тугоплавкого металла, выбранного из группы, содержащей Ti, Ni, Co, Mo, Cr, W, Nb или их смесь.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что монокристаллические пластины с нанесенным слоем тугоплавкого металла дополнительно обрабатывают в расплаве металла, выбранного из группы, содержащей Al, Mg, Си, Fe, Zn или их смесь.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области металлургии, в частности к получению изделий на основе интерметаллидной матрицы, армированной жаропрочными наполнителями. Изделия, полученные этим способом, можно использовать в качестве конструкционных элементов в двигателестроении, самолетостроении, судостроении и др.

Перспективы развития высокотемпературных материалов, например, для деталей компрессора и горячего тракта газотурбинных авиационных двигателей связаны, в первую очередь, с необходимостью улучшения их эксплуатационных характеристик, а именно уменьшения веса и одновременного повышения жесткости (модуля упругости), прочности, жаростойкости и жаропрочности изделий при повышенных температурах эксплуатации.

В настоящее время нашли широкое применение сплавы на основе алюминидов титана и никеля. С целью повышения жаропрочности данного класса материалов и, в частности, для повышения показателей высокотемпературной ползучести данные интерметаллидные сплавы подвергались дополнительному легированию тугоплавкими элементами, такими как вольфрам, молибден, ниобий и др. Однако чрезмерное легирование приводило как к увеличению удельного веса изделий, так и к ухудшению некоторых других высокотемпературных показателей материала.

Дальнейшее увеличение высокотемпературных показателей связано с использованием металлических композиционных материалов (МКМ) на основе алюминидов никеля и титана, армированных алюмооксидным наполнителем, например, частицами или волокнами Al₂O₃. Основные проблемы таких материалов - недостаточная связь на границе раздела матрица/упрочнитель и технологическая сложность по обеспечению равномерного распределения упрочнителя в материале матрицы.

Известен способ получения изделия из композиционного материала на основе алюминиевой матрицы, армированной оксидом алюминия, заключающийся в приготовлении преформы требуемой конфигурации из частиц оксида алюминия и последующей пропитке ее расплавом алюминиевого сплава. Для приготовления преформы гранулы или волокна оксида алюминия и порошковое связующее из группы сианолов формуют в штампе, где в результате фрикционного нагрева происходит поликонденсация частиц связующего с образованием полиметилсилоксановых мостиков между частицами оксида алюминия, которые при последующем высокотемпературном нагреве пиролизуются, превращаясь в оксид кремния. Полученную преформу можно подвергать пропитке расплавом матричного металла, получая готовое изделие (патент США №6183876).

Недостатком этого способа является невозможность обеспечения определенного направления армирования изделия, что не позволяет получить высокую прочность изделия, полученного данным способом.

Известен способ получения композиционного материала, содержащего матричный алюминиевый сплав, усы оксида алюминия и интерметаллидную фазу Al-Мо или Al-W, включающий смешивание порошков алюминия и оксида жаропрочного металла, такого как вольфрам или молибден, и последующую обработку смеси при температуре 800-1100°С в течение 1 часа, в результате чего происходит окисление алюминия и образуется композиционный материал, содержащий алюминиевую матрицу, в которой распределены усы оксида алюминия диаметром 2 мкм и длиной 20 мкм и включения интерметаллидной фазы диаметром 20 мкм и длиной 200 мкм (Патент США №5972523).

Недостатком этого способа является то, что данный способ не может гарантированно обеспечить необходимую долю армирования и необходимую ориентацию упрочнителя в объеме матричного материала, так как формирование армирующего наполнителя, состоящего из усов оксида алюминия и включений интерметаллидной фазы, осуществляется непосредственно в процессе температурной обработки смеси компонентов, а процесс окисления алюминия малопредсказуем.

Известен также способ получения изделия из МКМ, включающий приготовление пористой керамической армирующей заготовки из материала, выбранного из группы, включающей оксиды, бориды, нитриды, карбиды, углерод или их смесь, путем приготовления жидкого шликера, получения из него сырой заготовки и ее обжига, помещение заготовки в контейнер и заполнение ее расплавленным матрицеобразующим металлом, который принудительно направляется в поры заготовки и кристаллизуется, образуя прочный МКМ. Готовое изделие из заготовки получают путем механической обработки (патент США №5511603).

Недостатком этого способа является то, что МКМ, полученный этим способом, не обладает удовлетворительными механическими свойствами, такими как прочность, жаропрочность, модуль упругости, так как в процессе пропитки армирующей заготовки, спеченной из мелкого порошка, расплавленным металлом происходит частичное разрушение армирующих частиц. Кроме того, этим способом невозможно получить изделия со сложной конфигурацией армирования, учитывающего направления действующих на готовое изделие нагрузок.

Наиболее близким по технической сути к предлагаемому изобретению является способ получения изделия из металлического композиционного материала, включающий сборку армирующей заготовки требуемой формы в виде объемного жесткого каркаса из соединенных между собой связующим монокристаллических пластин, выполненных из материала, выбранного из группы, содержащей оксиды, карбиды, силициды и бориды, ее сушку и термообработку с последующей пропиткой полученной заготовки расплавом матрицеобразующего металла, выбранного из группы, включающей Ni, Fe, Ti, Al, Mg, Sn, Cu, Zn или их сплавы, и кристаллизацию полученного изделия. Расположение пластин объемного жесткого каркаса может быть продольным, поперечным или комбинированным, в зависимости от направления нагрузок, которые будут действовать на готовую деталь. Для получения интерметаллидной матрицы дополнительно применяют матрицеобразующие порошковые материалы, выбранные из группы, содержащей Al, Mg, Ti, Ni, Sn, Fe, Cu, Zn, Мо, Cr, W, Nb или их смесь, которые помещают в зазоры между монокристаллическими пластинами исходной заготовки. Перед сборкой в объемный жесткий каркас пластины предварительно обрабатывают механическим путем, либо травлением, либо перфорацией (Патент РФ №2230628).

Этот способ позволяет получать изделия сложной конфигурации из жаропрочного композиционного материала на основе как металлической, так и интерметаллидной матрицы, армированные с учетом условий нагружения конечного изделия. Однако прочностные свойства композиционного материала с интерметаллидной матрицей, полученного данным способом, не могут быть полностью реализованы. В известном способе для улучшения связи между армирующими монокристаллическими пластинами и матрицеобразующим материалом проводят предварительную подготовку поверхности пластин. Однако лазерная перфорация и механическая обработка могут привести к образованию микротрещин в материале упрочнителя, а травление поверхности монокристаллических пластин влияет в большей степени на улучшение процесса смачиваемости расплавом матрицеобразующего металла, чем на улучшение связи на границе раздела упрочнитель/матрица. В обоих случаях снижается прочность полученного изделия либо по причине разупрочнения армирующего наполнителя, либо вследствие недостаточной степени реализации механизма передачи нагрузки от матрицы к упрочнителю. Кроме того, поскольку насыпная плотность помещаемого в зазоры армирующей заготовки порошка ограничена, то в данном способе для получения интерметаллидной матрицы необходимого стехиометрического состава (например, Ti₃Al или Ni₃Al) дополнительно вводят нейтральные керамические частицы, которые в случае получения МКМ для изделий с одноосным нагружением не несут никакой функциональной нагрузки, но при этом негативно сказываются на свойствах матричного материала.

Технической задачей данного изобретения является создание способа получения изделия заданной конфигурации из металлического композиционного материала на основе интерметаллидной матрицы, армированной жаропрочным наполнителем, с учетом распределения нагрузок, действующих на изделие в процессе эксплуатации, с повышенной прочностью, исключающей расслоение материала.

Для решения поставленной задачи предложен способ получения изделия из металлического композиционного материала, включающий сборку армирующей заготовки в виде объемного жесткого каркаса из соединенных между собой с помощью связующего монокристаллических пластин, выполненных из материала, выбранного из группы, содержащей оксиды, карбиды, силициды и бориды, ее сушку и термообработку, заполнение межпластинчатых зазоров заготовки порошком тугоплавких металлов, выбранных из группы, содержащей Ti, Ni, Co, Mo, Cr, W, Nb или их смесь, пропитку армирующей заготовки расплавом металла, выбранного из группы, содержащей Al, Mg, Cu, Fe, Zn или их смесь, и последующую кристаллизацию с образованием интерметаллидной матрицы, отличающийся тем, что перед сборкой армирующей заготовки на поверхность каждой монокристаллической пластины предварительно наносят слой тугоплавкого металла, выбранного из группы, содержащей Ti, Ni, Co, Mo, Cr, W, Nb или их смесь.

При изготовлении ответственных деталей, работающих в условиях определенных нагрузок, для улучшения связи на границе раздела упрочнитель/матрица монокристаллические пластины с нанесенным слоем из тугоплавкого металла дополнительно обрабатывают в расплаве пропитывающего металла, выбранного из группы, содержащей Al, Mg, Cu, Fe, Zn или их смесь.

Существенным отличием предлагаемого способа от известного является то, что наряду с возможностью получения готовых изделий сложной конфигурации с одновременным расположением армирующих элементов каркаса в соответствии с условиями нагружения в процессе эксплуатации МКМ, данный способ позволяет повысить прочностные характеристики композиционного материала за счет значительного улучшения связи на границе раздела упрочнитель/матрица, так как при нанесении на поверхность монокристаллических пластин упрочнителя слоя тугоплавкого металла создается возможность обеспечения оптимальных условий формирования граничного слоя, которых нет при пропитке. В результате на поверхности упрочнителя образуется граничный слой с хорошими связями на границе раздела фаз.

В случае же последующего погружения пластин в расплав металла, образующего интерметаллидную пару с ранее нанесенным покрытием, интерметаллид на поверхности пластин образуется уже на предварительной стадии, т.е. до пропитки, что также способствует усилению связей на границе упрочнитель/матрица и способствует повышению прочности получаемого изделия.

Кроме того, благодаря предварительно нанесенному слою тугоплавкого металла определенной толщины, которую рассчитывают заранее, исходя из необходимого стехиометрического состава МКМ и объемной доли армирующего наполнителя, нет необходимости введения нейтральных керамических частиц. Поэтому предлагаемый способ позволяет не только повысить прочность изделия и исключить расслоение под воздействием нагрузок, но и упростить технологический процесс за счет исключения дополнительной операции введения нейтральных керамических частиц.

Примеры осуществления

Пример 1

Получение МКМ с матрицей из алюминида титана (TiAl) и армирующей заготовкой из монокристаллических пластин оксида алюминия. Объемная доля армирующего каркаса - 30%.

Подготовили монокристаллические пластины оксида алюминия нужного размера для сборки объемного жесткого каркаса. На поверхность монокристаллических пластин нанесли слой титана методом плазменного напыления. Толщину напыляемого слоя определяли с учетом стехиометрического состава интерметаллида (1:1) и объемной доли армирующего наполнителя (30%). При толщине монокристаллической пластины 120 мкм и высоте межпластинчатого зазора армирующей заготовки 280 мкм расчетная толщина наносимого слоя титана составляла 53 мкм.

После нанесения слоя титана пластины скрепили боросиликатным связующим, армирующую заготовку сушили при температуре 70°С в течение 3 часов и термообрабатывали в течение 1 часа при температуре 900°С. Затем в зазоры армирующей заготовки произвели засыпку порошка титана и осуществили пропитку засыпанного порошка и каркаса из монокристаллических пластин с покрытием из титана расплавом алюминиевого сплава с последующей кристаллизацией готового МКМ. Во время пропитки расплавленный алюминий вступил в реакцию с порошком титана и титановым покрытием, образовав интерметаллид (алюминид титана), как внутри зазоров, так и непосредственно на границе раздела упрочнитель/матрица. Полученное изделие состояло из МКМ с интерметаллидной матрицей из алюминида титана, армированной монокристаллическими пластинами из оксида алюминия.

Образцы, вырезанные из данного изделия, испытывали на прочность и длительную прочность при повышенных температурах. Данные испытаний представлены в таблице

Пример 2

Получение МКМ с матрицей из алюминида никеля (Ni ₃Al) и армирующей заготовкой из монокристаллических пластин оксида алюминия. Объемная доля армирующего каркаса - 50%.

Подготовку монокристаллических пластин проводили по примеру 1. Затем на поверхность монокристаллических пластин наносили слой никеля методом плазменного напыления. При соотношении Ni и Al 3:1, высоте монокристаллической пластины 120 мкм и 50% доле армирующего наполнителя высота межпластинчатого зазора составляла 120 мкм, а расчетная толщина наносимого слоя никеля - 28,6 мкм.

Пластины скрепляли боросиликатным связующим, полученный армирующий каркас сушили при температуре 70°С в течение 3 часов и термообрабатывали в течение 1 часа при температуре 900°С. Затем в зазоры армирующей заготовки производили засыпку порошка никеля и осуществляли пропитку засыпанного порошка никеля и каркаса из монокристаллических пластин с покрытием из никеля расплавом алюминия с последующей кристаллизацией готового МКМ. Во время пропитки расплавленный алюминий вступил в реакцию с порошком никеля и никелевым покрытием, образовав интерметаллид (алюминид никеля), как внутри зазоров, так и непосредственно на границе раздела упрочнитель/матрица.

Полученное изделие состояло из МКМ с интерметаллидной матрицей из алюминида никеля (Ni₃Al), армированной монокристаллическими пластинами из оксида алюминия.

Образцы, вырезанные из данного изделия, испытывали на прочность и длительную прочность при повышенных температурах. Данные испытаний представлены в таблице.

Пример 3

Получение МКМ с матрицей из алюминида никеля (NiAl) и армирующей заготовкой из монокристаллических пластин диоксида циркония. Объемная доля армирующего каркаса - 30%.

На поверхность подготовленных монокристаллических пластин наносили слой Ni методом плазменного напыления. После раскроя покрытые слоем никеля монокристаллические пластины погружали в расплав алюминиевого сплава при температуре 720°С для образования на поверхности пластин интерметаллидного сплава - алюминида никеля в результате экзотермической реакции взаимодействия алюминия и никеля.

С учетом необходимого направления армирования произвели сборку объемного жесткого каркаса из данных пластин с чередованием пластин и перемычек между ними. Толщина одного слоя монокристаллических пластин и высота зазора между ними составляла по 120 мкм. Сборку армирующей заготовки, ее термообработку, засыпку порошков в зазоры объемного жесткого каркаса и пропитку расплавом алюминиевого сплава проводили по примеру 1.

В отличие от способа получения МКМ в примере 1, в данном случае граничный интерметаллидный слой образуется уже на стадии предварительной обработки монокристаллических пластин. В результате, несмотря на усложнение технологического процесса (за счет введения дополнительной операции по обработке поверхности упрочнителя), достигается значительное упрощение процесса реакционной пропитки, так как не требуется согласования временного режима по образованию алюминида на границе раздела и в зазорах между монокристаллическими пластинами.

Полученное изделие состояло из МКМ с интерметаллидной матрицей из алюминида никеля (NiAl), армированной монокристаллическими пластинами из диоксида циркония.

Образцы, вырезанные из данного изделия, испытывали на прочность и длительную прочность при повышенных температурах. Данные испытаний также представлены в таблице.

Пример 4 (по прототипу)

Получение МКМ с матрицей из алюминида титана (TiAl) и армирующей заготовкой из монокристаллических пластин оксида алюминия. Объемная доля армирующего каркаса - 30%.

После раскроя монокристаллических пластин их скрепляли боросиликатным связующим таким образом, чтобы толщина одного слоя монокристаллических пластин составляла 120 мкм, а толщина зазора между ними 240 мкм. Данную сборку сушили при температуре 70°С в течение 3 часов и термообрабатывали в течение 1 часа при температуре 900°С. Затем в зазоры армирующей заготовки производили засыпку титанового порошка, после чего осуществляли пропитку данной сборки расплавом алюминиевого сплава с последующей кристаллизацией готового МКМ. В результате получили изделие из МКМ с интерметаллидной матрицей из алюминида титана, армированной монокристаллическими пластинами из оксида алюминия.

Пример 5 (по прототипу)

Получение МКМ с матрицей из алюминида никеля (Ni₃Al), армированного монокристаллическими пластинами оксида алюминия. Объемная доля армирующего наполнителя - 50%.

После раскроя монокристаллических пластин толщиной 120 мкм собрали армирующую заготовку с высотой межпластинчатого зазора 120 мкм. Последующую обработку проводили по примеру 4, только в межпластинчатые зазоры производили засыпку порошка никеля. В результате получили готовое изделие из МКМ с интерметаллидной матрицей из алюминида никеля, армированной монокристаллическими пластинами из оксида алюминия.

Результаты испытаний материалов, полученных по примерам 1, 2, 3, а также материалов, полученных по способу-прототипу (примеры 4 и 5), приведены в таблице.

Таблица
№ примера	B, МПа	B T, МПа При 600°С и 100 час	B T, МПа При 1100°С и 100 час	Состав МКМ
1	900	500	-	TiAl+30% Al 2O3
2	900	-	200	Ni3Al+50% Al 2O3
3	850	-	200	NiAl+30% ZrO2
4 (прототип)	800	400	-	TiAl+30% Al2О3
5 (прототип)	800	-	150	Ni3Al+50% Al2O 3

Из таблицы видно, что предварительное нанесение слоя тугоплавкого матрицеобразующего металла на поверхность армирующего наполнителя перед пропиткой позволило повысить прочностные свойства получаемого композиционного материала по сравнению с прототипом.

Таким образом, предложенный способ позволяет получать изделия различной конфигурации из металлических композиционных материалов на основе интерметаллидных сплавов, армированных керамическими упрочнителями. Применение предлагаемого способа позволит повысить прочностные характеристики МКМ за счет улучшения связи на границе раздела упрочнитель/матрица. Кроме того, данный способ не требует применения специального оборудования, высоких давлений и температур.