RO125598A2 - Process for preparing metal matrix composite materials by electrochemical process - Google Patents

Abstract

The invention relates to a process for preparing a metal matrix composite material comprising titanium, or with matrix of other metals or metal alloys based on Zr, Fe, Cu etc. reinforced with carbide, nitride ceramic particles or with ceramic particles of other compounds. According to the invention, the process consists of an electrochemical reduction of metal oxide(s) of the matrices in molten calcium chloride as electrolyte, said oxide(s) having decomposition stresses lower than the decomposition stress of the calcium oxide, using the mixture of powders based on the oxide or oxide mixture of the metal/metals constituting the matrix as solid cathodes, and ceramic particle, and a superdense graphite as anode, the working temperature ranging between 850...950°C with an applied voltage current of 2.7...3.2V, the current intensity ranging between 10...20 A, the distance between the anode and the cathode being from 20 to 40 mm, the anode /cathode surface ratio being from 1.5...2/1.

Description

PROCEDEU DE OBȚINERE PRIN PROCES ELECTROCHIMIC A MATERIALELOR COMPOZITE CU MATRICE METALICAMETHOD OF OBTAINING METALLIC MATRIX COMPOSITES BY ELECTROCHEMICAL PROCESSING

Prezenta invenție se referă la un procedeu de obținere a unor materiale compozite cu matrice metalică din titan sau aliaje de titan, sau cu matrice din alte metale sau aliaje pe bază de zirconiu, fier, cupru etc. ranforsate cu particule ceramice din carburi, nitruri, boruri etc., printr-un proces de reducere electrochimică în electrolit clorură de calciu topită a oxidului sau oxizilor metalici ai matricelor, cu tensiuni de descompunere sub cea a oxidului de calciu.The present invention relates to a process for obtaining composite materials with a metal matrix of titanium or titanium alloys, or with a matrix of other metals or alloys based on zirconium, iron, copper, etc. reinforced with ceramic particles from carbides, nitrides, borons, etc., by a process of electrochemical reduction in electrolyte molten calcium chloride of the metal oxide or oxides of the matrices, with decomposition stresses below that of calcium oxide.

Procedeele cunoscute pentru obținerea materialelor compozite cu matrice din titan sau aliaje de titan și din materiale compozite cu alte matrice metalice cu inserții de particule sunt: procesarea în stare solidă prin metalurgia pulberilor pentru compozite „particulate”, utilizând pulberi de metale sau aliaje și pulberi ceramice de ranforsare, amestecate și prelucrate prin presare, ^xtrudare sau laminare la temperaturi înalte; procesare în stare lichidă prin amestecare — metoda „Vortex”, sau prin co-depunerea prin pulverizare a matricei lichide și a particulelor solide de ranforsare, sau prin infiltrare sub presiune a matricei topite în pre-forma presată, poroasă din material de ranforsare; procesare în stare de vapori prin diferite metode de acoperire a componentelor de ranforsare cu straturi intermediare pentru compatibilizarea îmbinărilor și cu matrice metalice .Known processes for the production of composite materials with titanium or titanium alloy matrices and composite materials with other metal matrices with particle inserts are: solid state powder processing for "particulate" composites, using metal or alloy powders and ceramic powders. reinforcing materials, mixed and processed by pressing, extrusion or rolling at high temperatures; liquid processing by mixing - the “Vortex” method, or by co-deposition by spraying of the liquid matrix and of the solid reinforcing particles, or by infiltration under pressure of the molten matrix in the pressed, porous preform formed of reinforcing material; vapor processing by various methods of coating reinforcing components with intermediate layers for the compatibility of joints and with metal matrices.

Procedeele actuale de obținere a Ti-MC și a altor materiale compozite cu matrice metalică — MMC prezintă o serie de dificultăți și dezavantaje, între care: numărul mare de etape tehnologice pentru tratarea ranforsării și consolidarea compozitului; procesarea la temperaturi foarte înalte, cu matrice lichidă; prelucrarea dificilă prin așchiere în faze intermediare ale proceselor; numărul mare de operații și utilaje specifice, cu consumuri mari de energie; prețul crescut al componentelor de matrice sub formă de benzi sau table și a ranforsărilor tratate superficial, etc.The current processes for obtaining Ti-MC and other metal matrix composites - MMC have a number of difficulties and disadvantages, including: the large number of technological steps to treat the reinforcement and consolidation of the composite; processing at very high temperatures, with liquid matrix; difficult machining by cutting in intermediate stages of the processes; large number of specific operations and equipment, with high energy consumption; the high price of matrix components in the form of strips or sheets and surface-treated reinforcements, etc.

în stadiu experimental, de cercetare, se află diverse procedee electrochimice de electro - reducere a oxizilor metalici în electrolit CaCI₂ topit, bazate pe procesul FFC (Fray-Farthing-Chen) Cambridge și pe procesul OS (Ono-Suzuki), cu obținerea titanului și altor metale sub formă spongioasă, pulverulentă; bazate pe aceleași procese, s-au propus procedee de obținere a unor compuși metalici cu carbon, azot, sulf, oxigen. Procedeele electro - chimice cunoscute, de reducere în săruri topite a oxizilor unor metale cu tensiuni de descompunere sub cea a oxidului de calciu, se referă la obținerea de metale, aliaje metalice și compuși și nu la materiale compozite cu matrice metalică.In the experimental, research stage, there are various electrochemical processes of electro-reduction of metal oxides in molten CaCl ₂ electrolyte, based on the Cambridge FFC (Fray-Farthing-Chen) process and the OS (Ono-Suzuki) process, with the production of titanium. and other metals in spongy, powdery form; based on the same processes, methods for obtaining metal compounds with carbon, nitrogen, sulfur, oxygen have been proposed. The known electrochemical processes for the reduction in molten salts of oxides of metals with decomposition stresses below that of calcium oxide, refer to the production of metals, metal alloys and compounds and not to metal matrix composites.

Procedeul propus pentru obținerea unui material compozit material compozit cu matrice metalică și inserții de particule ceramice, printr-un proces de electrochimie utilizând ca electrolit clorura de calciu topită cu adaos de 3 + 5 % oxid de calciu, constă în esență în electro - reducerea amestecului de oxizi ai metalelor care constituie matricea în care se introduc inițial și particulele de ranforsare ceramice, inerte în proces. Se obține un material compozit - precursor sub formă de burete, care este prelucrat ulterior pentru consolidare structurală și realizarea formei finale. De exemplu, pentru obținerea materialului compozit - aliaj TÎ-AI6-V4 / SiC_particuie, se prepară un amestec de pulberi de oxizi de Ti, Al și V și de pulbere de SiC și prin proces electrochimie se reduc oxizii și rezultă un precursor compozit spongios, parțial ^z The proposed process for obtaining a composite material composite material with metal matrix and ceramic particle inserts, through an electrochemical process using as electrolyte molten calcium chloride with the addition of 3 + 5% calcium oxide, consists essentially in electro-reduction of the mixture of metal oxides that constitute the matrix in which the ceramic reinforcement particles are initially introduced, inert in the process. A sponge-like precursor material is obtained, which is further processed for structural consolidation and final shape. For example, in order to obtain the composite material - alloy TÎ-AI6-V4 / SiC _par ticuie, a mixture of Ti, Al and V oxide powders and SiC powder is prepared and by electrochemical process the oxides are reduced and a composite precursor results. spongy, partially ^z

Ο Ο 8 - Ο Ο 8 3 6 28 -10- 2008 sinterizat, alcătuit din metale (aliaj metalic) și particule de ranforsare de SiC. Prin compactare și sinterizare ulterioară se obține produsul compozit în forma finală.Ο Ο 8 - Ο Ο 8 3 6 28 -10- 2008 sintered, made of metals (metal alloy) and SiC reinforcing particles. Subsequent compaction and sintering result in the final composite product.

Procedeul conform invenției are ca fundament procesele electrochimice de reducerea oxizilor metalelor ce alcătuiesc matricea compozitului exprimate prin reacții caracteristice care sunt prezentate în continuare. Sunt subliniate speciile dizolvate în electrolit.The process according to the invention is based on the electrochemical processes of reducing the oxides of the metals that make up the matrix of the composite expressed by characteristic reactions which are presented below. Species dissolved in the electrolyte are highlighted.

CaO = Ca²⁺ + O²’CaO = Ca ²⁺ + O ² '

2O²' —> O₂ (gaz) +2e vCa²⁺ + Me_xO_y = xM + yCaO Ca²⁺ + 2e’ = Ca yCa + Me_xO_y = xM + yCaO2O ² '-> O ₂ (gas) + 2e vCa ²⁺ + Me _x O _y = xM + yCaO Ca ²⁺ + 2e' = Ca yCa + Me _x O _y = xM + yCaO

Reacțiile electrochimice și chimice sunt posibile în deoarece oxidul de calciu CaO este solubil în electrolitul CaCI₂ până la cca.20% molar la 850 °C, iar calciu metalic Ca este solubil în același electrolit până la cca. 4% molar.Electrochemical and chemical reactions are possible because calcium oxide CaO is soluble in CaCl ₂ electrolyte up to about 20% molar at 850 ° C, and metallic calcium Ca is soluble in the same electrolyte up to approx. 4% molar.

Procedeul conform invenției, înlătură unele din dezavantajele procedeelor cunoscute prin aceea că: este necesar un număr mic de operații până la obținerea materialului compozit precursor, cu consumuri energetice și de manoperă reduse; utilizează ca materii prime pentru matrice oxizi în loc de metale; utilizează ca elemente de ranforsare particule ceramice fără tratamente suplimentare de acoperiri.The process according to the invention eliminates some of the disadvantages of the known processes in that: a small number of operations are required until the precursor composite material is obtained, with reduced energy and labor consumption; uses oxides instead of metals as raw materials for the matrix; uses ceramic particles as reinforcing elements without additional coating treatments.

Materia primă principală este formată din pulberi de oxizi ai elementelor care constituie matricea (oxizi de Ti, Zr, Fe, Cu, etc.), și pulberi de materiale ceramice (carburi, nitruri, boruri,etc.), cu granulații de 0,2 - 500 pm și cu purități de min. 99 %.The main raw material consists of powders of oxides of the elements that make up the matrix (oxides of Ti, Zr, Fe, Cu, etc.), and powders of ceramic materials (carbides, nitrides, borons, etc.), with granules of 0, 2 - 500 pm and with purities of min. 99%.

Electrolitul este format din CaCI₂ anhidră și CaO de puritate tehnică.The electrolyte consists of anhydrous CaCl ₂ and technical purity CaO.

Un catod sub formă de disc se confecționează din amestecul de pulberi din oxidul sau amestecul de oxizi ai metalului / metalelor (aliajului) care constituie matricea și din particulele ceramice, prin următoarele operații: dozarea pulberilor conform calculelor stoechiometrice privind compoziția compozitului, pentru un amestec de 10 + 20 g; omogenizarea amestecului; presarea sub formă de disc cu diametrul de 20 30 mm, înălțimea de 5 + 10 mm și porozitatea de 40 + 60 %; sinterizarea discului catodic, pentru conferirea unei rezistențe mecanice suficiente la manipulări, la temperaturi de ordinul 700 + 1.200 °C, cu durate de 2 - 10 ore.A cathode in the form of a disc is made from a mixture of powders from the oxide or mixture of oxides of metal / metals (alloy) that make up the matrix and from ceramic particles, by the following operations: powder dosing according to stoichiometric calculations on the composition of 10 + 20 g; homogenization of the mixture; disc pressing with a diameter of 20 30 mm, a height of 5 + 10 mm and a porosity of 40 + 60%; sintering of the cathodic disk, to give a sufficient mechanical resistance to handling, at temperatures of the order of 700 + 1,200 ° C, with durations of 2 - 10 hours.

Anodul celulei este din grafit superdens, de formă cilindrică cu canale care permit evacuarea ușoară a gazelor anodice (a oxigenului) degajate în timpul procesului de electro - reducere.The anode of the cell is made of super-dense, cylindrical graphite with channels that allow easy evacuation of anodic gases (oxygen) released during the electro-reduction process.

Parametrii principali ai procesului electrochimie sunt: temperatura de lucru 850 - 950 °C; tensiunea aplicată U = 2,7 *· 3,2 V în etapa a doua; intensitatea curentului I = 10 20 A; distanța anod-catod este de 20 - 40 mm. Raportul suprafețelor anod / catod este 1,5 * 2 /1.The main parameters of the electrochemical process are: working temperature 850 - 950 ° C; applied voltage U = 2.7 * · 3.2 V in the second stage; current intensity I = 10 20 A; the anode-cathode distance is 20 - 40 mm. The ratio of anode / cathode surfaces is 1.5 * 2/1.

După procesul electrochimie, discurile catodice, care reprezintă precursori de compozit, sunt sub formă de burete, alcătuit din particule metalice parțial sinterizate de metale ale matricei, și particule ceramice de ranforsare îmbinate în matrice.After the electrochemical process, the cathode discs, which are precursors of composite, are in the form of a sponge, made up of partially sintered metal particles of matrix metals, and ceramic reinforcing particles joined in the matrix.

Pentru consolidarea compozitului sub formă de bară, un număr de precursori de compozit se presează în matriță cu forța de 200 + 300 kN și apoi de sinterizează la temperaturi corespunzătoare metalului sau aliajului de matrice.To strengthen the composite in the form of a bar, a number of composite precursors are pressed into the die with a force of 200 + 300 kN and then sintered at temperatures corresponding to the die metal or alloy.

Celula de electroliză pentru obținerea de materiale compozite cu matrice metalică prin reducere electrochimică are cuva confecționată dintr-un creuzet ceramic (1) rezistent la temperaturi înalte și la acțiunea corozivă a electrolitului topit. Catodul (2) format din amestecul presat - sinterizat de pulberi de oxid (oxizi) metalic(i) și particule de compuși ceramici de ranforsare este fixat de suportul metalic al catodului (4) prin sertizare.The electrolysis cell for obtaining metal matrix composites by electrochemical reduction has a tank made of a ceramic crucible (1) resistant to high temperatures and the corrosive action of the molten electrolyte. The cathode (2) consisting of the pressed-sintered mixture of metal oxide (s) powders and particles of ceramic reinforcing compounds is fixed to the metal support of the cathode (4) by crimping.

Schița celulei de electroliză este prezentată în figura 1. /7 ^'2 008-0083 6 -28 -10- 2008The sketch of the electrolysis cell is shown in Figure 1. / 7 ^ '2 008-0083 6 -28 -10- 2008

Invenția prezintă următoarele avantaje: se utilizează materii prime mai ieftine (oxizi metalici, compuși fără tratamente de acoperiri; procedeul implică un număr mic de operații, cu durate reduse și cu consumuri energetice scăzute; procedeul permite obținerea de materiale compozite cu o distribuție foarte omogenă a particulelor de ranforsare ceramice în matricea metalică; se obține o stabilitate înaltă a îmbinării matrice - armătură datorită procesului „in situ”, premisă a unor caracteristici fizico mecanice înalte.The invention has the following advantages: it uses cheaper raw materials (metal oxides, compounds without coating treatments; the process involves a small number of operations, with short duration and low energy consumption; the process allows to obtain composite materials with a very homogeneous distribution of ceramic reinforcing particles in the metal matrix, a high stability of the matrix-reinforcement joint is obtained due to the "in situ" process, a premise of high physical-mechanical characteristics.

Se dă în continuare un exemplu de aplicare a procedeului.An example of the application of the procedure is given below.

Materialul compozit care urmează a fi realizat este de tipul aliaj de titan TÎ-AI6V4 cu 10 % greutate inserții de particule de ranforsare de SiC.The composite material to be made is of the titanium alloy type TI-AI6V4 with 10% weight SiC reinforcement particle inserts.

Pentru obținerea unui disc de material precursor de compozit cu greutatea de cca. 7,5 g, sub formă de disc spongios alcătuit din particule metalice de Ti, Al, V (aliaj) și particule de SiC, conform invenției, se efectuează operațiile descrise în continuare. Se cântăresc cantitățile de pulberi 8 g TiO₂, 0,6 g AI₂O₃, 0,4 g V₂O₅ și 1,0 g SiC, cu granulații de 5 * 10 pm, care se omogenizează timp de 30 + 60 min, și apoi se presează în matriță la presiunea de 6 * 10 kN. Catodul presat - sinterizat, sub formă de disc cu dimensiunile diametrul cca. 30 x 5 mm și având porozitatea de 40 * 60 % se montează în celula de electroliză. Se introduce electrolitul pulbere din CaCI₂ anhidră, în cantitate de cca. 300 g în celulă. Procesul de electro - reducere a oxizilor metalici se desfășoară în atmosferă de argon, cu următorii parametri: temperatura de lucru 850 °C; distanța anod - catod 20 mm; tensiunea de 3,0 + 3,2 V cu durata de 6 -5- 9 ore. Catodul redus, este sub formă de disc spongios, alcătuit din particule metalice parțial sinterizate de Ti, Al, V care înglobează particule de SiC; după extragere din suportul catodului și după spălare cu apă, pentru îndepărtarea clorurii de calciu reziduale infiltrată în pori, discul precursor de compozit are greutatea de cca. 7,5 g.To obtain a disc of composite precursor material weighing approx. 7.5 g, in the form of a spongy disk composed of metal particles of Ti, Al, V (alloy) and SiC particles, according to the invention, the operations described below are carried out. Weigh out the amounts of powder 8 g TiO ₂ , 0.6 g AI ₂ O ₃ , 0.4 g V ₂ O ₅ and 1.0 g SiC, with granules of 5 * 10 pm, which are homogenized for 30 + 60 min, and then pressed into the mold at a pressure of 6 * 10 kN. Pressed - sintered cathode, in the form of a disc with dimensions of approx. 30 x 5 mm and with a porosity of 40 * 60% is mounted in the electrolysis cell. The anhydrous CaCl ₂ powder electrolyte is introduced in an amount of approx. 300 g in the cell. The electro-reduction process of metal oxides takes place in an argon atmosphere, with the following parameters: working temperature 850 ° C; anode-cathode distance 20 mm; voltage of 3.0 + 3.2 V with a duration of 6 -5- 9 hours. The reduced cathode is in the form of a spongy disk, made up of partially sintered metallic particles of Ti, Al, V which incorporate SiC particles; after extraction from the cathode support and after washing with water, to remove residual calcium chloride infiltrated in the pores, the composite precursor disk weighs approx. 7.5 g.

Pentru obținerea materialului compozit TÎ-AI6-V4 /10 % SiC_particuie, sub formă de bară (disc) cu greutatea de cca. 15 g, diametrul de cca. 30 mm și grosimea de 5 + 6 mm, două discuri de material precursor se presează în matriță, cu o forță de cca. 250 kN. Ulterior, compozitul se sinterizează în atmosferă de argon, la 1.100°C cu o durată a tratamentului de 12 + 15 ore.To obtain the composite material TÎ-AI6-V4 / 10% SiC _part icuie, in the form of a bar (disc) with a weight of approx. 15 g, diameter approx. 30 mm and a thickness of 5 + 6 mm, two discs of precursor material are pressed into the mold, with a force of approx. 250 kN. Subsequently, the composite is sintered in an argon atmosphere at 1,100 ° C with a treatment duration of 12 + 15 hours.

Claims (3)

^-2008-00836-2 8 -10- 2008^ -2008-00836-2 8 -10- 2008 REVENDICĂRIdemand 1. Procedeu de obținere a unor materiale compozite cu matrice metalică din titan sau aliaje de titan, sau cu matrice din alte metale sau aliaje pe bază de zirconiu, fier, cupru etc. ranforsate cu particule ceramice din carburi, nitruri, boruri etc., printr-un proces, desfășurat în atmosferă de argon, de reducere electrochimică în electrolit clorură de calciu topită a oxidului sau oxizilor metalici ai matricelor, cu tensiuni de descompunere sub cea a oxidului de calciu, utilizând drept catod solid amestecul de pulberi din oxidul sau amestecul de oxizi ai metalului / metalelor (aliajului) care constituie matricea și din particulele ceramice și un anod de grafit superdens, caracterizat prin aceea că, temperatura de lucru este 850 - 950 °C, tensiunea aplicată 2,7 + 3,2 V, intensitatea curentului 10 + 20 A, distanța anodcatod 20 + 40 mm, și raportul suprafețelor anod / catod 1,5 + 2/1.1. Process for the production of composite materials with a metal matrix of titanium or titanium alloys, or with a matrix of other metals or alloys based on zirconium, iron, copper, etc. reinforced with ceramic particles of carbides, nitrides, borons, etc., by a process, carried out in an argon atmosphere, of electrochemical reduction in electrolyte molten calcium chloride of the metal oxide or oxides of the matrices, with decomposition stresses below that of the oxide of calcium, using as solid cathode the powder mixture of the oxide or oxide mixture of the metal / metals (alloy) which constitutes the matrix and of the ceramic particles and a super-dense graphite anode, characterized in that the working temperature is 850 - 950 ° C , the applied voltage 2.7 + 3.2 V, the current intensity 10 + 20 A, the anode-cathode distance 20 + 40 mm, and the anode / cathode surface ratio 1.5 + 2/1. 2. Un procedeu conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că, catodul celulei de electro - reducere este sub formă de disc presat sinterizat din amestec de pulberi din oxidul sau amestecul de oxizi ai metalului / metalelor (aliajului) care constituie matricea și din particulele ceramice cu greutatea de 10 + 20 g, diametrul de 30 mm, înălțimea de 5 + 10 mm, și porozitatea 40 + 60 %, fixat de suportul metalic al catodului prin sertizare. Catodul se confecționează prin presare în matriță cu forța de 10 + 70 kN și se sinterizează la 700 + 1.200 °C, cu durate de 2 +10 ore.A method according to claim 1, characterized in that the cathode of the electro-reduction cell is in the form of a sintered pressed disk of a mixture of powders from the oxide or mixture of oxides of the metal / metals (alloy) constituting the matrix and of the ceramic particles. with a weight of 10 + 20 g, a diameter of 30 mm, a height of 5 + 10 mm, and a porosity of 40 + 60%, fixed to the metal support of the cathode by crimping. The cathode is made by pressing in a mold with a force of 10 + 70 kN and sintered at 700 + 1,200 ° C, with durations of 2 +10 hours. 3. Un proces conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că, pentru consolidarea compozitului sub formă de bară, un număr catozi după reducere, care constituie precursori de compozit, se presează în matriță cu forța de 200 + 300 kN și apoi de sinterizează la 0,7 + 0,9 din temperatura de topire a metalului sau aliajului de matrice.A process according to claim 1, characterized in that, in order to strengthen the composite in the form of a bar, a number of cathodes after reduction, which constitute precursors of composite, are pressed into the mold with a force of 200 + 300 kN and then sintered at 0 , 7 + 0.9 of the melting temperature of the matrix metal or alloy.