RU2388082C2 - Micro composite structural material and gas turbine structural element - Google Patents
Micro composite structural material and gas turbine structural element Download PDFInfo
- Publication number
- RU2388082C2 RU2388082C2 RU2005135111/06A RU2005135111A RU2388082C2 RU 2388082 C2 RU2388082 C2 RU 2388082C2 RU 2005135111/06 A RU2005135111/06 A RU 2005135111/06A RU 2005135111 A RU2005135111 A RU 2005135111A RU 2388082 C2 RU2388082 C2 RU 2388082C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- titanium
- particles
- matrix
- titanium boride
- metal
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Настоящая заявка является частичным продолжением поданной 12 ноября 2004 г. заявки № 10/987887, приоритет которой она испрашивает и весь объем раскрытия которой включен в текст данного описания посредством этой ссылки. Настоящая заявка истребует преимущества поданной 29 декабря 2004 г. предварительной заявки на патент США № 60/640072, весь объем раскрытия которой включен в текст данного описания посредством этой ссылки.This application is a partial continuation of the application filed No. 10/987887 filed on November 12, 2004, the priority of which it claims and the entire scope of the disclosure of which is incorporated into the text of this description by this link. This application claims the benefits of U.S. Patent Application Serial No. 60/640072, filed December 29, 2004, the entire disclosure of which is incorporated herein by reference.
Область техникиTechnical field
Настоящее изобретение относится к изделиям, содержащим металлические композиции на основе титана и, в частности, к изделиям, изготовленным из композиций на основе титана с диспергированными в них частицами борида титана.The present invention relates to articles containing titanium-based metal compositions and, in particular, to articles made from titanium-based compositions with titanium boride particles dispersed therein.
Уровень техникиState of the art
В авиационных газотурбинных двигателях наиболее жесткие требования предъявляются к материалам дисков компрессора и вентилятора (иногда называемых «роторами»), на которые устанавливаются соответствующие лопатки компрессора и лопатки вентилятора. При работе газовой турбины эти диски вращаются со скоростью, составляющей несколько тысяч оборотов в минуту в условиях умеренно повышенной температуры. В таких рабочих условиях они должны иметь требуемые механические свойства.In aviation gas turbine engines, the most stringent requirements are imposed on the materials of the compressor and fan disks (sometimes called “rotors”), on which the respective compressor blades and fan blades are installed. When operating a gas turbine, these disks rotate at a speed of several thousand revolutions per minute under conditions of moderately elevated temperature. Under such operating conditions, they must have the required mechanical properties.
Некоторые из конструктивных элементов газотурбинного двигателя, такие как, например, некоторые из дисков компрессора и вентилятора, изготавливают из металлических композиций на основе титана. В типичном случае диски изготавливают с помощью способа, включающего в себя обеспечение наличия металлических компонентов выбранной металлической композиции на основе титана, плавление упомянутых компонентов и литье слитка из упомянутой металлической композиции на основе титана. Отлитый слиток затем превращают в заготовку. В дальнейшем эту заготовку подвергают механической обработке, в типичном случае - ковке. После этого обработанную заготовку подвергают штамповке осадкой с последующей механической обработкой на станке с тем, чтобы получить конструктивный элемент газотурбинного двигателя из упомянутой металлической композиции на основе титана.Some of the structural elements of a gas turbine engine, such as, for example, some of the disks of the compressor and fan, are made of metal compositions based on titanium. Typically, the disks are made using a method including ensuring the presence of metal components of a selected titanium-based metal composition, melting said components, and casting an ingot from said titanium-based metal composition. The cast ingot is then turned into a billet. This billet is subsequently machined, typically forged. After that, the processed workpiece is subjected to stamping by sludge, followed by machining on a machine in order to obtain a structural element of a gas turbine engine from said titanium-based metal composition.
Достижение требуемых механических свойств при комнатной температуре и вплоть до умеренно повышенных температур, сохранение достаточной стойкости к воздействию условий окружающей среды и предотвращение преждевременного разрушения являются основными требующими решения задачами при выборе материалов конструкции и при производстве изделий. Химический состав и микроструктура металлической композиции должны гарантировать, что механические свойства изделия являются соответствующими требованиям к современным конструктивным элементам из металлических композиций на основе титана в диапазоне рабочих температур, верхняя граница которого достигает, по меньшей мере, примерно 1200°F (~650°С). Задание верхней границы в примерно 1200°F для эксплуатации таких конструктивных элементов обусловлено, главным образом, снижением статической прочности и сопротивления ползучести при более высоких температурах, а также тенденцией титана реагировать с кислородом при повышенных температурах с образованием хрупкого, обогащенного кислородом слоя, который называют альфа-оболочкой (от англ. «alpha case»). Наличие небольших механических или химических дефектов в готовом конструктивном элементе может вызвать его преждевременное разрушение при эксплуатации, поэтому такие дефекты должны быть сведены к минимуму, либо, если они существуют, они должны быть обнаруживаемыми с использованием существующих методов контроля и должны приниматься во внимание. Подобные дефекты, например, могут включать в себя такие механические дефекты, как трещины и пустоты, а также такие химические дефекты, как твердые альфа-включения (иногда называемые включениями с низкой плотностью) и включения с высокой плотностью.Achieving the required mechanical properties at room temperature and even to moderately elevated temperatures, maintaining sufficient resistance to environmental conditions and preventing premature failure are the main tasks to be solved when choosing construction materials and in the manufacture of products. The chemical composition and microstructure of the metal composition must ensure that the mechanical properties of the product are consistent with the requirements for modern structural elements of titanium-based metal compositions in the operating temperature range, the upper limit of which reaches at least about 1200 ° F (~ 650 ° C) . Setting an upper limit of approximately 1200 ° F for the operation of such structural elements is mainly due to a decrease in static strength and creep resistance at higher temperatures, as well as the tendency of titanium to react with oxygen at elevated temperatures to form a brittle, oxygen-enriched layer called alpha -shell (from the English “alpha case”). The presence of small mechanical or chemical defects in the finished structural element can cause its premature destruction during operation, therefore, such defects should be minimized, or, if they exist, they should be detectable using existing control methods and should be taken into account. Such defects, for example, may include mechanical defects such as cracks and voids, as well as chemical defects such as solid alpha inclusions (sometimes called low density inclusions) and high density inclusions.
Одним из появившихся в последнее время подходов к улучшению свойств металлических композиций на основе титана, включая прочность при высоких температурах, является введение в эту металлическую композицию бора с целью получения диспергированных в ней частиц борида титана. Введение бора ранее осуществляли с использованием нескольких различных способов, таких как, например, обычная обработка путем литья с последующей деформацией, а также технологий порошковой металлургии, таких как распыление газом, и классический способ перемешивания порошков. Применение первых двух способов затруднено из-за ограниченной растворимости бора в титане. Бор обладает сильной тенденцией к сегрегации, что приводит к образованию относительно больших частиц борида титана, которые оказывают неблагоприятное влияние на пластичность и усталостную прочность. Чтобы избежать проблемы сегрегации, степень добавления бора в металлическую композицию при использовании упомянутых первых двух способов сильно ограничивают, обычно - до его доэвтектической доли на диаграмме состояния, ограничивая потенциально возможные преимущества от добавления бора, либо необходимо использовать очень высокую скорость охлаждения во время затвердевания (кристаллизации). Классический способ перемешивания порошков позволяет добавлять значительно большие количества бора. Однако, так как бор в типичном случае добавляют в виде диборида титана, а фазой, находящейся в термодинамическом равновесии с альфа-фазой титана, является очень стабильный моноборид титана, то для полного превращения диборида титана в моноборид титана требуются продолжительные периоды времени выдержки при повышенных температурах. Необходимые высокие температуры и длительные периоды времени не позволяют получить равномерно распределенную мелкодисперсную фазу из частиц борида титана в металлической композиции. Кроме того, обособленные мелкодисперсные частицы борида или диборида титана имеют тенденцию образовывать скопления, что снижает однородность готового продукта. Результатом использования всех упомянутых способов производства является то, что значительная по объему доля борида титана присутствует в виде больших частиц, наибольший габаритный размер которых в типичном случае составляет 10-100 микрометров. Эти большие частицы оказывают определенное положительное влияние на прочность, но не являются оптимальными с точки зрения пластичности, зарождения трещин, а также статической прочности, сопротивления ползучести и усталостной прочности.One of the recent approaches to improving the properties of titanium-based metal compositions, including strength at high temperatures, is the introduction of boron in this metal composition in order to obtain titanium boride particles dispersed in it. The introduction of boron was previously carried out using several different methods, such as, for example, conventional casting followed by deformation, as well as powder metallurgy technologies such as gas spraying and the classical method of mixing powders. The application of the first two methods is difficult due to the limited solubility of boron in titanium. Boron has a strong tendency toward segregation, which leads to the formation of relatively large particles of titanium boride, which adversely affect ductility and fatigue strength. To avoid the problem of segregation, the degree of addition of boron to the metal composition when using the aforementioned first two methods is severely limited, usually to its pre-eutectic fraction in the state diagram, limiting the potential benefits of adding boron, or it is necessary to use a very high cooling rate during solidification (crystallization ) The classic way of mixing powders allows you to add significantly larger amounts of boron. However, since boron is typically added in the form of titanium diboride, and the phase that is in thermodynamic equilibrium with the alpha phase of titanium is a very stable titanium monoboride, for the complete conversion of titanium diboride to titanium monoboride, long exposure times at elevated temperatures are required . The necessary high temperatures and long periods of time do not allow to obtain a uniformly distributed finely dispersed phase from titanium boride particles in a metal composition. In addition, separate fine particles of titanium boride or titanium diboride tend to form clusters, which reduces the uniformity of the finished product. The result of using all of the mentioned production methods is that a significant volume fraction of titanium boride is present in the form of large particles, the largest overall size of which is typically 10-100 micrometers. These large particles have a definite positive effect on the strength, but are not optimal in terms of ductility, crack nucleation, as well as static strength, creep resistance and fatigue strength.
Используя существующие технологии плавления, литья и обработки, ранее можно получить конструктивные элементы из не содержащей бора металлической композиции на основе титана, такие как, например, диски компрессора и вентилятора (тягодутьевого устройства), которые являются полностью работоспособными. Однако желателен и необходим технологический процесс, позволяющий изготовить диски и другие конструктивные элементы с дополнительно улучшенными свойствами, обусловленными наличием частиц борида титана и уменьшением количества дефектов, в результате чего расширяется диапазон условий безопасной работы. Настоящее изобретение удовлетворяет эту потребность в улучшенном технологическом процессе, а также обеспечивает соответствующие преимущества.Using existing melting, casting and processing technologies, previously it is possible to obtain structural elements from a boron-free metal composition based on titanium, such as, for example, compressor disks and a fan (draft device), which are fully functional. However, a technological process is desirable and necessary, which makes it possible to manufacture disks and other structural elements with additionally improved properties due to the presence of titanium boride particles and a decrease in the number of defects, as a result of which the range of conditions for safe operation is expanded. The present invention satisfies this need for an improved process, and also provides corresponding advantages.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Преложенный подход обеспечивает получение металлического изделия из композиции на основе титана, которая также содержит бор в количестве, превышающем предел растворимости бора в этой металлической композиции. Внутризеренные частицы борида титана, распределенные в титановой матрице, являются небольшими по размеру, в типичном случае - значительно меньше 1 микрометра по наибольшему габаритному размеру. Данное изделие характеризуется хорошим сочетание механических свойств в температурном диапазоне вплоть до примерно 1300°F (~705°С), удовлетворительным сопротивлением к разрушительному воздействию окружающей среды в результате окисления, а также низкой инцидентностью (т.е. частотой возникновения) дефектов. Наличие частиц борида титана приводит к увеличению модуля упругости материала и повышению износостойкости. Дисперсия борида является более однородной и значительно более тонкой по сравнению с той, которая возникает при использовании других технологий производства. Материал, полученный с использованием предложенного подхода, при тех же рабочих температурах имеет более высокую статическую прочность и сопротивление ползучести по сравнению с обычными металлическими композициями на основе титана, а также обеспечивает возможность его использования при более высоких рабочих температурах, чем те, которые возможны в случае обычных металлических композиций на основе титана.The proposed approach provides for the production of a metal product from a composition based on titanium, which also contains boron in an amount exceeding the solubility limit of boron in this metal composition. The intragranular particles of titanium boride distributed in the titanium matrix are small in size, typically less than 1 micrometer in the largest overall size. This product is characterized by a good combination of mechanical properties in the temperature range up to about 1300 ° F (~ 705 ° C), satisfactory resistance to the damaging effects of the environment due to oxidation, and low incidence (i.e. frequency of occurrence) of defects. The presence of particles of titanium boride leads to an increase in the modulus of elasticity of the material and increase wear resistance. The dispersion of boride is more uniform and much finer than that which occurs when using other production technologies. The material obtained using the proposed approach, at the same operating temperatures, has a higher static strength and creep resistance compared to conventional metal compositions based on titanium, and also provides the possibility of its use at higher operating temperatures than are possible in the case of conventional metal compositions based on titanium.
Изделие содержит микрокомпозиционный (т.е. композиционный на микроуровне) материал (от англ. «microscale composite material»), имеющий матрицу, содержащую по массе больше титана, чем любого другого химического элемента, и дисперсию частиц борида титана в этой матрице. По меньшей мере примерно 50 объемных процентов, более предпочтительно - по меньшей мере примерно 90 объемных процентов, а наиболее предпочтительно - по меньшей мере примерно 99 объемных процентов внутризеренных частиц борида титана имеют максимальный габаритный размер менее примерно 2 микрометров. В более предпочтительном случае, по меньшей мере примерно 50 объемных процентов, более предпочтительно - по меньшей мере примерно 90 объемных процентов, а наиболее предпочтительно - по меньшей мере примерно 99 объемных процентов внутризеренных частиц борида титана имеют максимальный габаритный размер менее примерно 1 микрометра. В более предпочтительном случае, по меньшей мере примерно 50 объемных процентов, более предпочтительно - по меньшей мере примерно 90 объемных процентов, а наиболее предпочтительно - по меньшей мере примерно 99 объемных процентов внутризеренных частиц борида титана имеют максимальный габаритный размер менее примерно 0,5 микрометра. В еще более предпочтительном случае, по меньшей мере примерно 50 объемных процентов, более предпочтительно - по меньшей мере примерно 90 объемных процентов, а наиболее предпочтительно - по меньшей мере примерно 99 объемных процентов внутризеренных частиц борида титана имеют максимальный габаритный размер менее примерно 0,2 микрометра.The product contains a micro-composite (ie, composite at the micro level) material (from the English "microscale composite material") having a matrix containing more titanium by mass than any other chemical element, and a dispersion of titanium boride particles in this matrix. At least about 50 volume percent, more preferably at least about 90 volume percent, and most preferably at least about 99 volume percent, of intragranular particles of titanium boride have a maximum overall size of less than about 2 micrometers. In a more preferred case, at least about 50 volume percent, more preferably at least about 90 volume percent, and most preferably at least about 99 volume percent, intragranular particles of titanium boride have a maximum overall size of less than about 1 micrometer. In a more preferred case, at least about 50 volume percent, more preferably at least about 90 volume percent, and most preferably at least about 99 volume percent, of the intragranular particles of titanium boride have a maximum overall size of less than about 0.5 micrometers. In an even more preferred case, at least about 50 volume percent, more preferably at least about 90 volume percent, and most preferably at least about 99 volume percent, intragranular particles of titanium boride have a maximum overall size of less than about 0.2 micrometers .
Использованный в настоящем изобретении при описании преложенного подхода термин «борид титана» относится к TiB, TiB2, Ti3B4 или другим соединениям, содержащим титан и бор, состав которых может быть модифицирован легирующими химическими элементами. Термин «на основе титана» охватывает чистый титан, металлические сплавы титана и других химических элементов, а также интерметаллические сплавы на основе титана, при условии, что в них содержится по массе больше титана, чем любого другого химического элемента. Термин «матрица» относится к металлическому материалу на основе титана, в котором распределены и диспергированы частицы борида титана.Used in the present invention to describe the proposed approach, the term "titanium boride" refers to TiB, TiB 2 , Ti 3 B 4 or other compounds containing titanium and boron, the composition of which can be modified with alloying chemical elements. The term “titanium-based” covers pure titanium, metallic alloys of titanium and other chemical elements, as well as titanium-based intermetallic alloys, provided that they contain more titanium by mass than any other chemical element. The term “matrix” refers to a titanium-based metal material in which titanium boride particles are distributed and dispersed.
Химический элемент бор как компонент предпочтительно присутствует в количестве, не превышающем того, которое требуется для образования примерно 90 процентов по объему борида титана в уплотненном материале. Более предпочтительно, бор присутствует в уплотненном материале в количестве, не превышающем примерно 17 массовых процентов от этого уплотненного материала. Еще более предпочтительно, бор присутствует в уплотненном материале в количестве от примерно 0,05 до примерно 17 массовых процентов от этого уплотненного материала.The chemical element boron as a component is preferably present in an amount not exceeding that required for the formation of about 90 percent by volume of titanium boride in the densified material. More preferably, boron is present in the compacted material in an amount not exceeding about 17 weight percent of this compacted material. Even more preferably, boron is present in the compacted material in an amount of from about 0.05 to about 17 weight percent of this compacted material.
Количество содержащегося в материале бора может рассматриваться в двух диапазонах: доэвтектическом диапазоне, который для двойной системы титан-бор составляет от примерно 0,05 до примерно 1,5 процента бора по массе, и заэвтектическом диапазоне, который для двойной системы титан-бор составляет от примерно 1,5 до примерно 17 процентов бора по массе. Сплавы с другими химическими элементами помимо титана и бора могут характеризоваться наличием других фаз и диапазонов, но они по-прежнему находятся в пределах объема предложенного подхода. Предложенный подход позволяет получить материалы, имеющие то же самое содержание бора, которое может быть достигнуто при использовании других технологий, в типичном случае - вплоть до примерно 5 процентов бора по массе, а также получить материалы, имеющие более высокое содержание бора по сравнению с тем, которое легко может быть достигнуто при использовании других технологий, в типичном случае - в диапазоне от примерно 5 до примерно 17 процентов бора по массе. В каждом случае материалы, изготовленные при предложенном подходе, обычно содержат тонкую однородную дисперсию борида титана.The amount of boron contained in the material can be considered in two ranges: the pre-eutectic range, which for the titanium-boron binary system is from about 0.05 to about 1.5 percent boron by weight, and the hypereutectic range, which for the titanium-boron double system is from about 1.5 to about 17 percent boron by weight. Alloys with other chemical elements besides titanium and boron can be characterized by the presence of other phases and ranges, but they are still within the scope of the proposed approach. The proposed approach allows one to obtain materials having the same boron content that can be achieved using other technologies, typically up to about 5 percent by weight of boron, as well as to obtain materials having a higher boron content than which can easily be achieved using other technologies, typically in the range of from about 5 to about 17 percent boron by weight. In each case, the materials manufactured by the proposed approach usually contain a thin, uniform dispersion of titanium boride.
Как указано выше, бор предпочтительно присутствует на уровне, превышающем предел его растворимости в твердом растворе при комнатной температуре в матрице композиции на основе титана, вплоть до уровня, необходимого для образования не более примерно 90 процентов по объему борида титана. При меньших добавляемых количествах сверх предела растворимости в твердом растворе тонкая дисперсия частиц борида титана обеспечивает значительное улучшение статической прочности при высоких температурах и предела ползучести при высоких температурах за счет упрочнения мелкодисперсными частицами. При больших добавляемых количествах сверх предела растворимости в твердом растворе присутствует большая по объему доля мелкодисперсных частиц борида титана, и при этом, кроме упомянутого упрочнения за счет мелкодисперсных частиц, обеспечиваются существенные преимущества упрочнения по правилу смесей. На обоих уровнях добавления бора сверх предела растворимости в твердом растворе прочность, модуль упругости и износостойкость материала значительно улучшаются по сравнению с обычными композициями на основе титана.As indicated above, boron is preferably present at a level exceeding its solubility limit in solid solution at room temperature in the matrix of the titanium-based composition, up to the level necessary for the formation of not more than about 90 percent by volume of titanium boride. With smaller amounts added above the solubility limit in solid solution, a fine dispersion of titanium boride particles provides a significant improvement in static strength at high temperatures and creep strength at high temperatures due to hardening with fine particles. At large added amounts in excess of the solubility limit, in the solid solution there is a large volume fraction of fine particles of titanium boride, and in addition to the mentioned hardening due to fine particles, there are significant advantages of hardening by the rule of mixtures. At both levels of boron addition above the solubility limit in solid solution, the strength, elastic modulus and wear resistance of the material are significantly improved compared to conventional titanium-based compositions.
Матрица в типичном случае является поликристаллической, предпочтительно - имеет размер зерна менее примерно 10 микрометров, а более предпочтительно - менее примерно 5 микрометров. Частицы борида титана предпочтительно образуются in situ внутри упомянутой матрицы, так что они никогда не представляют собой свободно располагающиеся сыпучие частицы во время приготовления микрокомпозиционного материала. Внутризеренные частицы (т.е. те, которые не располагаются по границам зерен) борида титана предпочтительно имеют кристаллографическую ориентацию относительно матрицы внутри каждого зерна, а более предпочтительно - являются когерентными или частично когерентными с матрицей внутри каждого зерна.The matrix is typically polycrystalline, preferably has a grain size of less than about 10 micrometers, and more preferably less than about 5 micrometers. Particles of titanium boride are preferably formed in situ within the matrix, so that they are never free-flowing bulk particles during the preparation of the micro composite material. The intragrain particles (i.e., those that are not located at the grain boundaries) of titanium boride preferably have a crystallographic orientation relative to the matrix inside each grain, and more preferably are coherent or partially coherent with a matrix inside each grain.
Желательно, микрокомпозиционный материал механически является изотропным с точностью до 20 процентов, более предпочтительно - с точностью до 10 процентов изотропным. То есть данное изделие может быть изготовлено при помощи предпочтительного способа таким образом, что механические свойства могут быть почти одинаковыми при их измерении во всех направлениях. Это состояние контрастирует с анизотропией механических свойств, обычно наблюдаемой у других материалов из титана-борида титана, в которых стержневидные частицы борида титана ориентированы в направлении механической обработки, таком как, например, основная ось выдавливания, что приводит к прочностным свойствам, которые значительно выше в направлении обработки, чем в направлениях, поперечных по отношению к направлению обработки. С другой стороны, если это требуется, в предложенных изделиях можно получить анизотропные свойства.Preferably, the micro-composite material is mechanically isotropic with an accuracy of 20 percent, more preferably with an accuracy of 10 percent. That is, this product can be manufactured using the preferred method in such a way that the mechanical properties can be almost the same when measured in all directions. This state contrasts with the anisotropy of mechanical properties, which is usually observed in other titanium-boride titanium materials, in which the rod-shaped particles of titanium boride are oriented in the direction of machining, such as, for example, the main axis of extrusion, which leads to strength properties that are much higher in direction of processing than in directions transverse to the direction of processing. On the other hand, if it is required, anisotropic properties can be obtained in the proposed products.
Внутризеренные частицы борида титана согласно предложенному подходу предпочтительно имеют пластинчатую форму. То есть два габаритных размера, определяющие лицевую поверхность такой пластинки, являются относительно большими (но не обязательно одинаковыми), а один габаритный размер, определяющий толщину этой пластинки, является относительно небольшим. Однако внутризеренные частицы борида титана не обязательно должны быть пластинчатыми, и вместо этого они могут быть равноосными, стержневидными (имеющими один относительно большой габаритный размер и два относительно небольших габаритных размера) либо иметь любую другую форму.The intragranular particles of titanium boride according to the proposed approach preferably have a lamellar shape. That is, two overall dimensions defining the front surface of such a plate are relatively large (but not necessarily the same), and one overall size determining the thickness of this plate is relatively small. However, the intragranular particles of titanium boride need not be lamellar, and instead they can be equiaxed, rod-shaped (having one relatively large overall size and two relatively small overall dimensions) or have any other shape.
В предложенном материале необязательно может присутствовать оксид образующих стабильный оксид дополнительных химических элементов, включая магний, кальций, скандий, иттрий, лантан, церий, празеодим, неодим, прометий, самарий, европий, гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий, иттербий и лютеций, а также их смеси.The proposed material may optionally contain oxide forming additional stable oxide of chemical elements, including magnesium, calcium, scandium, yttrium, lanthanum, cerium, praseodymium, neodymium, promethium, samarium, europium, gadolinium, terbium, dysprosium, holmium, erbium, thulium, ytterbium and lutetium, as well as mixtures thereof.
Таким образом, упомянутый материал представляет собой матрицу на основе титана, содержащую тонкую дисперсию частиц борида титана, и, необязательно, с диспергированным(и) в ней дополнительным(и) химическим(и) элементом(ами), образующим(и) стабильные оксиды. Необязательный(е) дополнительный(е) химический(е) элемент или элементы, образующий(е) стабильные оксиды, находятся в твердом растворе (либо ниже предела растворимости, либо в пересыщенном состоянии) и/или присутствуют в виде одной или более дискретных дисперсных оксидных фаз. Эти дисперсные фазы могут представлять собой неокисленные дополнительные химические элементы, образующие стабильные оксиды, или уже окисленную дисперсию либо их смесь. Образующие стабильные оксиды дополнительные химические элементы, которые находятся в твердом растворе или в виде неокисленной дискретной дисперсии, доступны для последующего реагирования с кислородом, который может находиться в матрице или диффундирует в металлический материал при последующей обработке или эксплуатации.Thus, said material is a titanium-based matrix containing a fine dispersion of titanium boride particles, and optionally with additional (s) chemical element (s) dispersed therein (s) forming stable oxides. The optional (e) additional (e) chemical (e) element or elements that form (e) stable oxides are in solid solution (either below the solubility limit or in a supersaturated state) and / or are present in the form of one or more discrete dispersed oxide phases. These dispersed phases can be unoxidized additional chemical elements forming stable oxides, or an already oxidized dispersion or a mixture thereof. Additional chemical elements forming stable oxides that are in solid solution or in the form of an unoxidized discrete dispersion are available for subsequent reaction with oxygen, which can be in the matrix or diffuses into the metal material during subsequent processing or operation.
Микрокомпозиционный материал может образовывать все изделие полностью или может присутствовать в виде микро- или макроскопической вставки (вкладыша) в другое изделие, которое изготовлено любым путем, включая традиционные литье и деформирующую обработку, литье, либо подход, подобный описанному здесь. В любом из этих вариантов воплощения, когда микрокомпозиционный материал вводится в качестве вставки, окружающее его изделие может иметь тот же самый или отличающийся состав.The microcomposite material may form the entire product or may be present as a micro- or macroscopic insert (insert) into another product that is manufactured by any means, including traditional molding and deformation processing, molding, or an approach similar to that described here. In any of these embodiments, when the micro-composite material is introduced as an insert, the product surrounding it may have the same or different composition.
Образование дисперсии борида дает несколько важных преимуществ. Во-первых, по существу равномерно распределенная тонкая дисперсия способствует достижению желательных механических свойств, включая статическую прочность, усталостную прочность и сопротивление ползучести, которые остаются неизменными в течение продолжительных периодов воздействия повышенных температур, за счет дисперсионного упрочнения матрицы на основе титана. Упомянутая по существу равномерно распределенная дисперсия также помогает ограничить рост зерен матрицы на основе титана. Во-вторых, значительно увеличивается модуль упругости композиции на основе титана, что позволяет изделию выдерживать существенно более высокие нагрузки при сохранении упругого характера деформации. В-третьих, существенно улучшаются износостойкость и эрозионная стойкость изделия, что позволяет продлить срок службы в заданной области применения. В-четвертых, наличие тонкой дисперсии приводит к улучшению пластичности по сравнению с изделием, изготовленным обычными способами литья и деформации или просто литья либо с помощью используемых в порошковой металлургии технологий газового распыления или классического перемешивания элементов. Дисперсия борида может быть сформирована в матрице любого состава на основе титана, включая альфа-, псевдоальфа-, альфа+бета-, псевдобета- и бета-титановые металлические композиции, а также в любом интерметаллиде на основе титана, включая те, которые основаны на альфа-2-, орторомбических и гамма-алюминидах титана.The formation of a boride dispersion provides several important advantages. First, a substantially uniformly distributed fine dispersion helps to achieve the desired mechanical properties, including static strength, fatigue strength and creep resistance, which remain unchanged for extended periods of exposure to elevated temperatures due to the dispersion hardening of the titanium-based matrix. Mentioned essentially uniformly distributed dispersion also helps to limit the grain growth of the matrix based on titanium. Secondly, the elastic modulus of the titanium-based composition is significantly increased, which allows the product to withstand significantly higher loads while maintaining the elastic nature of the deformation. Thirdly, the wear resistance and erosion resistance of the product are significantly improved, which allows to extend the service life in a given area of application. Fourth, the presence of a fine dispersion leads to an improvement in ductility compared to a product made by conventional methods of casting and deformation, or just casting, or using gas spraying techniques or classical mixing of elements used in powder metallurgy. Boride dispersion can be formed in a matrix of any composition based on titanium, including alpha, pseudo-alpha, alpha + beta, pseudo-beta and beta-titanium metal compositions, as well as in any titanium-based intermetallic compound, including those based on alpha -2-, orthorhombic and gamma-aluminides of titanium.
Необязательная оксидная дисперсия имеет несколько важных преимуществ. Во-первых, по существу равномерно распределенная дисперсия способствует достижению желательных механических свойств, которые остаются неизменными в течение продолжительных периодов воздействия повышенной температуры, за счет дальнейшего дисперсионного упрочнения матрицы основного металла, а также помогает ограничить рост зерен упомянутой матрицы основного металла. Во-вторых, при воздействии кислорода окружающей среды во время предэксплуатационного окисления или во время эксплуатации кислород, диффундирующий в изделие, обычно будет вызывать образование «альфа-оболочки» вблизи поверхности обычных содержащих альфа-фазу титановых металлических композиций. При предложенном подходе образующие стабильные оксиды дополнительные химические элементы, присутствующие либо в растворе, либо в виде отдельной фазы, поглощают («геттерируют») диффундирующий внутрь кислород из твердого раствора и увеличивают долю оксидной дисперсии, тем самым снижая инцидентность образования альфа-оболочки и связанного с этим поверхностного охрупчивания и возможного преждевременного разрушения. В-третьих, в некоторых случаях оксидные дисперсоиды имеют больший объем, чем дискретные металлические фазы, из которых они образовались. Образование оксидных дисперсоидов приводит к состоянию со сжимающими напряжениями, величина которых является большей вблизи поверхности изделия, чем более глубоко в изделии. Наличие такого напряженного состояния помогает предотвратить преждевременное образование и рост трещин во время эксплуатации. В-четвертых, образовавшаяся на поверхности изделия стабильная оксидная дисперсия действует как барьер, препятствующий диффузии дополнительного кислорода внутрь. В-пятых, удаление находящегося в растворе избыточного кислорода из матрицы позволяет повысить степень легирования такими металлическими элементами-стабилизаторами альфа-фазы, как алюминий и олово, что, в свою очередь, способствует повышению модуля упругости, статической прочности и сопротивления окислению матрицы. В-шестых, присутствие находящегося в растворе избыточного кислорода в некоторых типах титановых металлических композиций, таких как, например, альфа-2-, орторомбический и гамма-алюминиды, уменьшает пластичность титановой металлической композиции. При использовании предложенного подхода происходит поглощение такого кислорода, в результате чего пластичность не изменяется неблагоприятным образом.The optional oxide dispersion has several important advantages. Firstly, a substantially uniformly dispersed dispersion helps to achieve the desired mechanical properties, which remain unchanged for extended periods of exposure to elevated temperature, due to further dispersion hardening of the matrix of the base metal, and also helps to limit grain growth of the matrix of the base metal. Secondly, when exposed to ambient oxygen during pre-operational oxidation or during operation, oxygen diffusing into the product will usually cause an “alpha shell” to form near the surface of conventional alpha-phase titanium metal compositions. In the proposed approach, additional chemical elements forming stable oxides present either in solution or as a separate phase absorb (“getter”) oxygen diffusing inward from the solid solution and increase the fraction of oxide dispersion, thereby reducing the incidence of alpha-shell formation and the associated this surface embrittlement and possible premature destruction. Thirdly, in some cases, oxide dispersoids have a larger volume than the discrete metal phases from which they formed. The formation of oxide dispersoids leads to a state with compressive stresses, the magnitude of which is greater near the surface of the product than deeper in the product. The presence of such a stress state helps prevent premature crack formation and growth during operation. Fourth, a stable oxide dispersion formed on the surface of the product acts as a barrier preventing the diffusion of additional oxygen inward. Fifthly, the removal of excess oxygen in the solution from the matrix allows one to increase the degree of alloying with metal stabilizing elements of the alpha phase, such as aluminum and tin, which, in turn, increases the modulus of elasticity, static strength and oxidation resistance of the matrix. Sixth, the presence of excess oxygen in solution in some types of titanium metal compositions, such as, for example, alpha-2-, orthorhombic and gamma aluminides, reduces the ductility of the titanium metal composition. When using the proposed approach, the absorption of such oxygen occurs, as a result of which the ductility does not change unfavorably.
Предпочтительный способ производства такого изделия, состоящего из необходимых элементов-компонентов в необходимых для этих элементов-компонентов пропорциях, включает в себя этапы обеспечения наличия (получения) по меньшей мере одного неметаллического соединения-предшественника, при этом все неметаллические соединения-предшественники в совокупности содержат необходимые элементы-компоненты в соответствующих этим элементам-компонентам пропорциях. Упомянутые элементы-компоненты содержат композицию на основе титана и бор, присутствующий на уровне, который превышает его предел растворимости в твердом растворе при комнатной температуре в упомянутой композиции на основе титана. Соединения-предшественники химически восстанавливают с получением материала, содержащего композицию на основе титана с находящимися в ней частицами борида титана, причем без плавления этой композиции на основе титана, которая образует матрицу. Упомянутая композиция на основе титана не имеет микроструктуры, возникающей в результате плавления, а вместо этого она является более однородной и не имеет признаков сегрегации, связанной с плавлением и затвердеванием (кристаллизацией). Упомянутую композицию на основе титана с находящимися в ней частицами борида титана уплотняют с получением уплотненного изделия, причем без плавления этой композиции на основе титана и без плавления уплотненной композиции на основе титана. Отсутствие плавления способствует достижению и сохранению тонкого распределения частиц борида титана по размеру. Различные этапы такой обработки предпочтительно выполняют в каждом случае при как можно более низкой температуре с тем, чтобы избежать укрупнения частиц борида титана и необязательной оксидной дисперсии и/или частиц элемента-образователя устойчивого оксида. Предложенный подход совместим с рассмотренными здесь вариантами воплощения настоящего изобретения и с теми вариантами его воплощения, которые включены в настоящее описание с помощью ссылок.A preferred method for manufacturing such an article, consisting of the necessary component elements in the proportions required for these component elements, includes the steps of ensuring the presence (production) of at least one non-metallic precursor compound, all non-metallic precursor compounds in total containing the necessary component elements in the proportions corresponding to these component elements. Said component elements comprise a titanium-based composition and boron present at a level that exceeds its solubility limit in solid solution at room temperature in said titanium-based composition. Precursor compounds are chemically reduced to produce a material containing a titanium-based composition with titanium boride particles contained therein, without melting the titanium-based composition that forms the matrix. The titanium-based composition mentioned does not have a microstructure resulting from melting, but instead is more homogeneous and has no signs of segregation associated with melting and solidification (crystallization). Said titanium-based composition with the titanium boride particles contained therein is compacted to obtain a densified article, without melting the titanium-based composition and without melting the densified titanium-based composition. The absence of melting helps to achieve and maintain a fine particle size distribution of titanium boride. The various steps of such processing are preferably carried out in each case at the lowest possible temperature in order to avoid coarsening of titanium boride particles and optional oxide dispersion and / or particles of a stable oxide forming element. The proposed approach is compatible with the embodiments of the present invention discussed herein and with those embodiments that are incorporated herein by reference.
Необязательно, упомянутый этап обеспечения наличия может включать в себя этап обеспечения наличия неметаллического соединения-предшественника образующего стабильный оксид дополнительного химического элемента, который образует стабильный оксид в упомянутой композиции на основе титана. В таком материале по меньшей мере один дополнительный химический элемент присутствует на уровне, превышающем его предел растворимости в твердом растворе при комнатной температуре в этой композиции на основе титана. Упомянутый предпочтительный способ включает в себя, после этапа химического восстановления, дополнительный этап окисления металлической композиции, включая окисление образующего оксид дополнительного химического элемента, при температуре, превышающей комнатную.Optionally, said provisioning step may include the step of ensuring the presence of a nonmetallic precursor compound forming a stable oxide of an additional chemical element that forms a stable oxide in said titanium-based composition. In such a material, at least one additional chemical element is present at a level exceeding its solubility limit in solid solution at room temperature in this titanium-based composition. Said preferred method includes, after a chemical reduction step, an additional oxidation step of the metal composition, including oxidation of the oxide-forming additional chemical element at a temperature above room temperature.
Уплотненное изделие может быть подвергнуто механическому формообразованию желательным образом с помощью любой технологии механического формования.The densified article may be mechanically molded in the desired manner using any mechanical molding technique.
Материал может быть подвергнут термической обработке либо после этапа химического восстановления, после этапа уплотнения (если он используется), после механического формообразования, либо впоследствии.The material can be subjected to heat treatment either after the stage of chemical reduction, after the stage of compaction (if used), after mechanical shaping, or subsequently.
Этапы согласно предпочтительному подходу, этапы химического восстановления и уплотнения, а также любые другие этапы обработки выполняют при температурах ниже температуры плавления матрицы и частиц борида титана, а предпочтительно - при как можно более низких повышенных температурах и в течение как можно более короткого периода времени при таких повышенных температурах. Чем выше температура и больше период времени, тем крупнее будут частицы борида титана и необязательные оксидные частицы. Этапы способа выбирают с учетом этого ограничения. Например, химическое восстановление в паровой фазе является более предпочтительным по сравнению с химическим восстановлением в твердой фазе, так как химическое восстановление в паровой фазе в типичном случае выполняют при более низкой температуре и/или в течение более короткого периода времени по сравнению с химическим восстановлением в твердой фазе. Такие технологии уплотнения, как экструзия (выдавливание), предпочтительней прессования и спекания по той же самой причине.The steps according to the preferred approach, the steps of chemical reduction and compaction, as well as any other processing steps, are carried out at temperatures below the melting temperature of the matrix and particles of titanium boride, and preferably at the lowest possible elevated temperatures and for the shortest possible period of time at such elevated temperatures. The higher the temperature and the longer the period of time, the larger will be the particles of titanium boride and optional oxide particles. The steps of the method are chosen taking into account this limitation. For example, chemical vapor reduction is preferable to chemical reduction in the solid phase, since chemical vapor reduction is typically performed at a lower temperature and / or for a shorter period of time compared to chemical reduction in solid phase. Compaction techniques such as extrusion are preferred to pressing and sintering for the same reason.
Таким образом, предложенный подход обеспечивает изделие на основе титана, содержащее тонкую дисперсию борида титана и обладающее улучшенными свойствами и улучшенной стабильностью. Другие признаки и преимущества настоящего изобретения станут очевидными из приведенного ниже подробного описания предпочтительных вариантов его воплощения при рассмотрении совместно с сопровождающими чертежами, которые в качестве примера иллюстрируют принципы данного изобретения. При этом объем настоящего изобретения никоим образом не ограничивается упомянутыми предпочтительными вариантами его воплощения.Thus, the proposed approach provides a titanium-based product containing a fine dispersion of titanium boride and having improved properties and improved stability. Other features and advantages of the present invention will become apparent from the following detailed description of preferred embodiments when considered in conjunction with the accompanying drawings, which, by way of example, illustrate the principles of the present invention. However, the scope of the present invention is in no way limited to these preferred embodiments.
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
Фиг.1 представляет собой идеализированную микроструктуру металлического изделия.Figure 1 is an idealized microstructure of a metal product.
Фиг.2 представляет собой схематичный вид в перспективе частицы борида титана.Figure 2 is a schematic perspective view of a titanium boride particle.
Фиг.3 представляет собой вид в перспективе конструктивного элемента газовой турбины, изготовленного с использованием предложенного подхода и имеющего содержащую титан и бор вставку.Figure 3 is a perspective view of a structural element of a gas turbine manufactured using the proposed approach and having an insert containing titanium and boron.
Фиг.4 представляет собой поперечное сечение конструктивного элемента газовой турбины, показанного на Фиг.3, по линии 4-4.Figure 4 is a cross section of a structural element of the gas turbine shown in Figure 3, along line 4-4.
Фиг.5 представляет собой схему технологического процесса согласно подходу к практической реализации изобретения.Figure 5 is a flowchart according to an approach to the practical implementation of the invention.
Фиг.6-8 представляют собой приведенные для сравнения идеализированные микроструктуры, иллюстрирующие относительный размер частиц борида титана по сравнению с сеткой, отображающей размер зерен матрицы, при этом на Фиг.6 представлена микроструктура материала, полученного с использованием технологии распыления газом, на Фиг.7 представлена микроструктура материала, полученного согласно классическому подходу с перемешиванием порошков, а на Фиг.8 представлена микроструктура материала, полученного согласно предложенному в настоящем изобретении подходу.FIGS. 6-8 are idealized microstructures for comparison illustrating the relative particle size of titanium boride compared to a grid displaying the grain size of the matrix, and FIG. 6 shows the microstructure of the material obtained using gas atomization technology, FIG. 7 presents the microstructure of the material obtained according to the classical approach with mixing powders, and Fig.8 shows the microstructure of the material obtained according to the proposed in the present invention approach.
Подробное описание изобретенияDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Фиг.1 представляет собой идеализированную микроструктуру изделия 20, содержащего микрокомпозит 21, образованный поликристаллической матрицей 22 на основе титана, содержащей в себе дисперсию мелких пластинчатых внутризеренных частиц 24 борида титана и расположенных по границам зерен частиц 25 борида титана. Необязательно, имеются также оксидные частицы 26, диспергированные в матрице 22. На Фиг.1 оксидные частицы 26 изображены имеющими меньший размер, чем частицы 24 и 25 борида титана. Однако оксидные частицы 26 могут иметь размер, сравнимый с частицами 24 и 25 борида титана, либо могут быть большими по размеру, чем эти частицы 24 и 25 борида титана. (Эта идеализированная микроструктура, показанная на Фиг.1, не отражает относительные размеры или объемные доли компонентов.)Figure 1 is an idealized microstructure of an
Элементы-компоненты включают в себя композицию на основе титана, бор и, необязательно, образующий стабильный оксид дополнительный химический элемент. Композиция на основе титана по массе содержит больше титана, чем любого другого химического элемента (при этом содержание титана в атомных долях может и не превышать содержание других химических элементов, как, например, в некоторых гамма-фазных алюминидах титана). Матрица 22 на основе титана может представлять собой чистый титан (например, промышленно чистый титан или химически чистый титан), металлический сплав титана и других химических элементов, либо интерметаллический сплав на основе титана. Особый интерес представляют композиции на основе металлических титановых сплавов, которые включают в себя альфа-бета-фазные титановые металлические композиции и бета-фазные титановые металлические композиции, а также композиции, которые содержат альфа-2 и орторомбическую фазы. Из интерметаллических сплавов на основе титана особый интерес представляет металлическая композиция гамма-алюминида титана. Однако состав матрицы не ограничен упомянутыми композициями.The component elements include a composition based on titanium, boron and, optionally, forming a stable oxide additional chemical element. A titanium-based composition by mass contains more titanium than any other chemical element (in this case, the titanium content in atomic fractions may not exceed the content of other chemical elements, as, for example, in some gamma-phase titanium aluminides). The titanium-based
Матрица 22 имеет поликристаллическую структуру с участками из четырех по-разному ориентированных зерен 30, показанных на фиг.1 и разделенных границами 32 («Зерна» также иногда называют «кристаллитами»). Размер зерен 30 предпочтительно составляет менее 10 микрометров, более предпочтительно - менее 5 микрометров. Внутри каждого зерна 30 матрица 22 имеет кристаллографическую ориентацию, схематично отображенную стрелкой 28. Внутризеренные частицы 24 дисперсоида борида титана (т.е. те частицы дисперсоида борида титана, которые расположены не по границам зерен) предпочтительно кристаллографически ориентированы относительно кристаллографической ориентации 28 матрицы 22 внутри каждого зерна 30. Более предпочтительно, внутризеренные частицы 24 борида титана являются когерентными или частично когерентными с матрицей 22 внутри каждого зерна 30. Когерентная поверхность раздела возникает в том случае, когда плоскости кристаллической решетки, пересекающие эту поверхность раздела, являются непрерывными, хотя возможно и меняют ориентации. Полукогерентная или частично когерентная поверхность раздела почти аналогична малоугловой границе в том, что равномерное рассогласование вводится в области хорошего когерентного согласования, разделенные областями плохого согласования, т.е. дислокациями. Когерентность полностью утрачивается, когда рассогласование настолько велико, что расстояние между дислокациями на поверхности раздела примерно равно периоду кристаллической решетки. Таким образом, некогерентная межфазная граница аналогична высокоугловой границе между зернами и возникает в случае отсутствия простого согласования между решетками двух фаз. Расположенные по границам зерен частицы 25 борида титана отличаются от внутризеренных частиц 24 борида титана с точки зрения предпочтительной ориентации, так как на ориентации этих «пограничных» частиц 25 борида титана могут влиять примыкающие к ним зерна, расположенные на границах зерен дислокационные структуры и т.п.
Наличие предпочтительной ориентации внутризеренных частиц 24 дисперсоида борида титана относительно кристаллографического направления 28 в матрице 22 является отличительной чертой по сравнению с ситуацией, наблюдаемой в случае материалов на основе титана-борида титана, которые изготавливают с использованием других подходов. При использовании таких других подходов ориентация частиц борида титана в типичном случае связана с направлением деформирующей обработки, таким как, например, направление прокатки или направление экструзии, и не связана с кристаллографической ориентацией матрицы. В результате механические свойства подобных других материалов в типичном случае являются сильно анизотропными после деформирующей обработки, при этом самые высокие значения модуля упругости и прочности и самое низкое значение пластичности получают при измерении параллельно направлению ориентации частиц борида титана. Предложенный подход приводит к большей степени изотропии частиц борида титана, что обусловлено повышением степени хаотичности кристаллографической ориентации различных зерен при усреднении по всему микрокомпозиционному материалу, и, следовательно, увеличением степени хаотичности ориентации частиц при усреднении по всему микрокомпозиционному материалу. Желательно, чтобы по меньшей мере одно из механических свойств микрокомпозиционного материала с частицами 24, 25 борида титана в титановой матрице 22 было с точностью до 20 процентов изотропным, что означает, что измеренные значения этого свойства, полученные для всех направлений измерений, отличаются не более чем на 20 процентов от значения, усредненного по всем таким направлениям измерений. Предпочтительно, по меньшей мере одно из механических свойств микрокомпозиционного материала является с точностью до 10 процентов изотропным. Однако если потребуется, свойства микрокомпозиционного материала можно сделать более анизотропными при помощи таких видов технологической обработки, как термическая обработка и/или механическая деформирующая обработка.The preferred orientation of the
Уровень содержания бора изменяется в диапазоне от уровня, превышающего предел растворимости бора в композиции на основе титана при комнатной температуре, до уровня, необходимого для получения не более 90 процентов по объему борида титана. В типичном случае бор присутствует в количестве от 0,05 процента до 17 процентов по массе от общей массы конечного уплотненного материала. Результатом является материал, имеющий по меньшей мере две фазы, включая одну или более металлических фаз, составляющих матрицу 22 на основе титана, частицы 24 и 25 борида титана и, необязательно, стабильные оксидные частицы 26 одного или более типов. В том виде, как он используется при описании настоящего способа, термин «борид титана» относится к TiB, который присутствует в большинстве материалов, изготовленных с использованием предложенного подхода, к TiB2, который присутствует в том случае, если матрица представляет собой гамма-фазный алюминид титана, к Ti3B4 и/или другим боридам титана либо к другим содержащим титан и бор соединениям, возможно модифицированным из-за наличия легирующих химических элементов. Термин «моноборид титана» относится конкретно к TiB, а термин «диборид титана» относится конкретно к TiB2.The level of boron varies in the range from the level exceeding the solubility limit of boron in the composition based on titanium at room temperature, to the level necessary to obtain no more than 90 percent by volume of titanium boride. Typically, boron is present in an amount of from 0.05 percent to 17 percent by weight of the total weight of the final compacted material. The result is a material having at least two phases, including one or more metal phases constituting a matrix based on titanium,
В наиболее предпочтительном варианте количество бора составляет не меньше, чем требуется для получения объемной доли в по меньшей мере 0,25 объемного процента, более предпочтительно - по меньшей мере 0,75 объемного процента, а еще более предпочтительно - по меньшей мере 2 объемных процента частиц борида титана в матрице. Согласно проведенным оценкам, 0,25 объемного процента - это то количество частиц борида титана размером 10 нанометров, которое дает повышение предела прочности материала при сдвиге на 20000 фунтов на квадратный дюйм; 0,75 объемного процента - это то количество частиц борида титана размером 20 нанометров, которое дает повышение предела прочности материала при сдвиге на 20000 фунтов на квадратный дюйм; и 2 объемных процента - это то количество частиц борида титана размером 30 нанометров, которое дает повышение предела текучести материала на 30000 фунтов на квадратный дюйм.In a most preferred embodiment, the amount of boron is not less than that required to obtain a volume fraction of at least 0.25 volume percent, more preferably at least 0.75 volume percent, and even more preferably at least 2 volume percent of particles titanium boride in the matrix. According to estimates, 0.25 volume percent is the number of particles of titanium boride with a size of 10 nanometers, which gives an increase in the tensile strength of the material at a shear of 20,000 pounds per square inch; 0.75 volume percent is that number of particles of titanium boride with a size of 20 nanometers, which gives an increase in the tensile strength of the material at a shift of 20,000 pounds per square inch; and 2 volume percent is that number of particles of titanium boride with a size of 30 nanometers, which gives an increase in yield strength of the material by 30,000 pounds per square inch.
Мелкие внутризеренные частицы 24 дисперсоида борида титана обеспечивают дисперсионное упрочнение (т.е. упрочнение по теории Орована) в результате взаимодействия с дислокациями в матрице 22 композиции на основе титана. Эти мелкие внутризеренные частицы 24 дисперсоида меньше по размеру, чем получаемые с использованием известных из уровня техники способов при изготовлении материалов на основе титана-борида титана. Фиг.6-Фиг.8 представляют собой идеализированные сравнительные микроструктуры, иллюстрирующие относительный размер частиц 70 борида титана по сравнению с сеткой 72, отображающей размер зерен матрицы, при двух известных подходах (Фиг.6 - для технологии газового распыления, а Фиг.7 - для классической технологии перемешивания порошков) и в случае предложенного подхода, соответствующего настоящему изобретению (Фиг.8). При увеличении количества присутствующего бора объемная доля борида титана увеличивается настолько, что он становится более близким к непрерывному на макроскопическом уровне, но на микроскопическом уровне по-прежнему сохраняет отдельное распределение мелкодисперсного, менее 1 микрометра, борида титана.Small
На Фиг.2 отдельно показана внутризеренная частица 24 дисперсоида борида титана при еще большем увеличении, чем на Фиг.1. Внутризеренная частица 24 в типичном случае имеет пластинчатую форму с двумя относительно большими габаритными размерами, которые определяют лицевую поверхность такой пластинки, и относительно небольшим габаритным размером, который определяет толщину этой пластинки. Максимальный габаритный размер L, относящийся к одному из упомянутых двух относительно больших габаритных размеров лицевой поверхности пластинки, представляет собой максимальный габаритный размер внутризеренной частицы 24 дисперсоида борида титана.Figure 2 separately shows the
Согласно предложенному подходу, по меньшей мере 50 объемных процентов, более предпочтительно - по меньшей мере 90 объемных процентов, а наиболее предпочтительно - по меньшей мере 99 объемных процентов внутризеренных частиц 24 борида титана имеют максимальный габаритный размер L менее 2 микрометров. Более предпочтительно, по меньшей мере 50 объемных процентов, еще более предпочтительно - по меньшей мере 90 объемных процентов, а наиболее предпочтительно - по меньшей мере 99 объемных процентов внутризеренных частиц 24 борида титана имеют максимальный габаритный размер L менее 1 микрометра. Более предпочтительно, по меньшей мере 50 объемных процентов, еще более предпочтительно - по меньшей мере 90 объемных процентов, а наиболее предпочтительно - по меньшей мере 99 объемных процентов внутризеренных частиц 24 борида титана имеют максимальный габаритный размер L менее 0,5 микрометра. В еще более предпочтительном случае, по меньшей мере 50 объемных процентов, более предпочтительно - по меньшей мере 90 объемных процентов, а наиболее предпочтительно - по меньшей мере 99 объемных процентов внутризеренных частиц 24 борида титана имеют максимальный габаритный размер L менее 0,2 микрометра.According to the proposed approach, at least 50 volume percent, more preferably at least 90 volume percent, and most preferably at least 99 volume percent of
Необязательные оксидные частицы 26 образуются в результате реакции кислорода с одним или более образующих стабильные оксиды дополнительных химических элементов. Химический элемент считается образующим стабильный оксид дополнительным химическим элементом, если он образует стабильный оксид в композиции на основе титана, при этом упомянутая композиция на основе титана либо по существу не содержит кислорода в твердом растворе, либо она содержит небольшое количество кислорода в твердом растворе. Чтобы образующий стабильный оксид дополнительный химический элемент действовал в качестве эффективного образователя стабильного оксида, может потребоваться вплоть до примерно 0,5 массового процента кислорода в твердом растворе. Таким образом, предпочтительно, композиция на основе титана содержит от нуля до примерно 0,5 массового процента кислорода в твердом растворе. Могут присутствовать и большие количества кислорода, но такие большие количества могут оказать неблагоприятное влияние на пластичность. В общем случае кислород может присутствовать в материале либо в твердом растворе, либо в виде дискретной оксидной фазы, такой как, например, оксиды, образованные дополнительными химическими элементами, образующими стабильный оксид при их реакции с кислородом.
Титан имеет сильное сродство к кислороду и обладает высокой реакционной способностью по отношению к нему, в результате чего титан растворяет множество оксидов, включая его собственный. Образующие стабильные оксиды дополнительные химические элементы, находящиеся в пределах объема настоящего подхода, образуют стабильный оксид, который не растворяется титановой матрицей металлической композиции во время воздействия типичных температурных условий, связанных с восстановлением, уплотнением, термической обработкой и выдержкой. Примерами образующих стабильные оксиды дополнительных химических элементов являются сильные оксидообразователи, такие как магний, кальций, скандий и иттрий, а также редкоземельные металлы, такие как лантан, церий, празеодим, неодим, прометий, самарий, европий, гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий, иттербий и лютеций, а также их смеси.Titanium has a strong affinity for oxygen and has a high reactivity with respect to it, as a result of which titanium dissolves many oxides, including its own. Additional chemical elements forming stable oxides that are within the scope of this approach form a stable oxide that is not dissolved by the titanium matrix of the metal composition during exposure to typical temperature conditions associated with reduction, compaction, heat treatment, and aging. Examples of additional oxides forming stable oxides are strong oxidizing agents such as magnesium, calcium, scandium and yttrium, as well as rare-earth metals such as lanthanum, cerium, praseodymium, neodymium, promethium, samarium, europium, gadolinium, terbium, dysprosium, holmium, erbium, thulium, ytterbium and lutetium, as well as mixtures thereof.
Наличие и характер распределения оксидных частиц 26 приводит к нескольким дополнительным важным последствиям. Дисперсия оксидных частиц 26 служит для упрочнения матрицы 22 за счет эффекта дисперсионного упрочнения, а также для улучшения сопротивления матрицы 22 ползучести при повышенных температурах. Кроме того, дисперсия оксидных частиц 26 может «прикалывать» (фиксировать) границы 32 зерен этой матрицы 22, чтобы воспрепятствовать укрупнению зерен 30 во время обработки и/или воздействия повышенных температур. В дополнение к этому, при определенных обстоятельствах оксидные частицы 26 имеют более высокий удельный объем по сравнению с образующими стабильные оксиды дополнительными химическими элементами, из которых они получены. Этот более высокий удельный объем создает сжимающее усилие в матрице 22 у ее поверхности. Такое сжимающее усилие затрудняет образование и рост трещин, когда изделие во время эксплуатации испытывает нагрузки на растяжение или кручение, что является, в высшей степени, положительным результатом.The presence and nature of the distribution of
Одним из важных вариантов использования предложенного подхода является то, что уплотненное изделие может образовывать вставку по отношению к массе из другого материала. В варианте воплощения, показанном на Фиг.3 и Фиг.4, вставку 40 из описанного выше микрокомпозита 21 помещают в не являющийся композитом материал из металлического сплава, который образует остальную часть аэродинамического профиля 42 лопатки 44 газовой турбины. Такая вставка увеличивает прочность и модуль упругости аэродинамического профиля 42, не подвергаясь при этом воздействию газов окружающей среды и не влияя на форму упомянутого аэродинамического профиля 42. Вставки могут быть введены (внедрены) при помощи любого подходящего способа, например, путем изготовления неборидной части при помощи литья по месту, путем литья с последующей деформирующей обработкой, либо с использованием технологии без плавления.One important use case for the proposed approach is that the densified product may form an insert with respect to the mass of another material. In the embodiment shown in FIGS. 3 and 4, the
Другими примерами изделий, которые могут быть изготовлены с использованием предложенного подхода, являются конструктивные элементы газотурбинных двигателей, включая: направляющий аппарат, диски, элементы в виде выполненных заодно (монолитных) диска с лопатками (от англ. «blisks», Blade plus Disk fabricated in one piece) и элементы в виде выполненных заодно обода с лопатками (от англ. «blings», Blade integrated ring), валы, кожухи, подвески двигателей, уплотнения и корпуса. Другие изделия включают в себя, например, конструктивные элементы планера (корпуса) летательного аппарата, детали автомобилей и биомедицинские изделия. Однако применение настоящего изобретения данными конкретными изделиями не ограничивается.Other examples of products that can be manufactured using the proposed approach are structural elements of gas turbine engines, including: a guide apparatus, disks, elements in the form of integral (monolithic) disk with blades (from the English "blisks", Blade plus Disk fabricated in one piece) and elements in the form of a rim with blades made at the same time (from the English “blings”, Blade integrated ring), shafts, casings, engine mounts, seals and housings. Other products include, for example, structural elements of an airframe (body) of an aircraft, automobile parts, and biomedical products. However, the use of the present invention is not limited to these specific products.
На Фиг.5 изображен предпочтительный способ производства металлического изделия, состоящего из необходимых элементов-компонентов в необходимых для этих элементов-компонентов пропорциях. На этапе 50 получают (обеспечивают наличие) по меньшей мере одно неметаллическое соединение-предшественник. Все неметаллические соединения-предшественники в совокупности содержат необходимые элементы-компоненты в соответствующих этим элементам-компонентам пропорциях. Соединения-предшественники могут обеспечивать наличие химических элементов-металлов любым подходящим образом. В предпочтительном варианте имеется ровно одно не являющееся оксидом соединение-предшественник для каждого легирующего элемента-металла, и это одно соединение-предшественник предоставляет весь материал для соответствующего металлического компонента в металлической композиции. Например, для четырехэлементного металлического материала, который представляет собой окончательный результат процесса, первое соединение-предшественник поставляет весь первый химический элемент, второе соединение-предшественник поставляет весь второй химический элемент, третье соединение-предшественник поставляет весь третий химический элемент, а четвертое соединение-предшественник поставляет весь четвертый химический элемент. При этом альтернативные варианты не выходят за пределы предложенного подхода. Например, несколько соединений-предшественников могут вместе поставлять весь один конкретный химический элемент-металл. В другом альтернативном варианте одно соединение-предшественник может поставлять полностью или частично два или более химических элемента-металла. Последние варианты являются менее предпочтительными, так как они затрудняют точное определение соотношений химических элементов в конечном металлическом материале. Конечный металлический материал в типичном случае не является стехиометрическим соединением, содержащим относительные количества металлических компонентов, которые могут быть выражены небольшими целыми числами.Figure 5 shows a preferred method of manufacturing a metal product consisting of the necessary component elements in the proportions necessary for these component elements. At
Соединения-предшественники являются неметаллическими и выбираются таким образом, чтобы их можно было использовать в процессе восстановления, в ходе которого они восстанавливаются до металлической формы. В одном из представляющих интерес процессов восстановления, т.е. восстановления в паровой фазе, соединения-предшественники предпочтительно являются галогенидами металлов. В другом представляющем интерес процессе восстановления, т.е. восстановления в твердой фазе, соединения-предшественники предпочтительно являются оксидами металлов. Могут быть использованы смеси из соединений-предшественников различных типов.The precursor compounds are non-metallic and are selected so that they can be used in the reduction process, during which they are reduced to metallic form. In one of the recovery processes of interest, i.e. reduction in the vapor phase, the precursor compounds are preferably metal halides. In another recovery process of interest, i.e. solid phase reduction, the precursor compounds are preferably metal oxides. Mixtures of various types of precursor compounds may be used.
Может оказаться затруднительным вводить в металлическую композицию некоторые компоненты, называемые «другими дополнительными компонентами». Какой бы ни была технология восстановления, используемая на этапе 52, и каким бы образом ни вводился упомянутый другой дополнительный компонент, результат представляет собой смесь, содержащую металлическую композицию. Способы введения других дополнительных компонентов могут быть осуществлены применительно к предшественникам перед восстановлением компонента, являющегося базовым металлом, либо применительно к уже восстановленному материалу. Например, бор может добавляться с использованием газообразного борана или иттрий может добавляться в виде хлорида иттрия.It may be difficult to incorporate some components into the metal composition, called “other optional components”. Whatever the reduction technology used in
Химический состав первоначальной металлической композиции определяется типами и количествами металлов в смеси неметаллических соединений-предшественников, полученных на этапе 50 или вводимых в ходе обработки. Относительные доли химических элементов-металлов определяются их соответствующими соотношениями в смеси на этапе 50 (не соответствующими соотношениями соединений, а соответствующими соотношениями химических элементов-металлов). Первоначальная металлическая композиция содержит титана больше, чем любого другого химического элемента-металла, который имеется в соединениях-предшественниках, что позволяет получить первоначальную металлическую композицию на основе титана.The chemical composition of the initial metal composition is determined by the types and quantities of metals in the mixture of nonmetallic precursor compounds obtained in
Необязательно, на этапе 51 неметаллические соединения-предшественники могут быть подвергнуты предварительному уплотнению перед проведением химического восстановления с использованием таких технологий, как восстановление в твердой фазе. Предварительное уплотнение приводит к получению в ходе последующей обработки губки, а не частиц. Этап 51 предварительного уплотнения, если он используется, выполняют любым подходящим способом, например прессованием неметаллических соединений-предшественников в предварительно уплотненную массу.Optionally, in step 51, non-metallic precursor compounds can be pre-densified prior to chemical reduction using techniques such as solid phase reduction. Pre-compaction results in a sponge rather than particles during subsequent processing. The pre-compaction step 51, if used, is carried out in any suitable manner, for example, by pressing non-metallic precursor compounds into a pre-compacted mass.
На этапе 52 выполняют химическое восстановление одного единственного неметаллического соединения-предшественника или смеси неметаллических соединений-предшественников с получением металлических частиц или губки, причем без плавления этих соединений-предшественников или этого металла. В том виде, как они здесь используются, термины «без плавления», «при отсутствии плавления» и родственные понятия означают, что материал на макроскопическом уровне или в целом не плавится на продолжительный период времени, в результате чего он переходит в жидкую фазу и утрачивает свою форму. Например, может существовать некоторая незначительная степень локализованного расплавления по мере того, как химические элементы с низкой температурой плавления плавятся и диффузионно легируются химическими элементами с более высокой температурой плавления, которые не плавятся, либо может существовать очень кратковременное плавление, длящееся менее 10 секунд. Даже в таких случаях общая форма материала остается неизменной.At
Согласно одному из предпочтительных подходов к восстановлению, называемому восстановлением в паровой фазе из-за того, что неметаллические соединения-предшественники подают в виде паров или газообразных фаз, химическое восстановление может быть осуществлено путем восстановления смесей галогенидов основного металла и легирующих химических элементов-металлов с использованием жидкого щелочного металла или жидкого щелочно-земельного металла. Например, тетрахлорид титана, трихлорид бора и галогениды легирующих химических элементов-металлов подают в виде газов. Смесь этих газов в соответствующих количествах приводят в контакт с расплавленным натрием, в результате чего галогениды металлов восстанавливаются до металлов. Металлическую композицию отделяют от натрия. Такое восстановление выполняют при температурах ниже температуры плавления упомянутой металлической композиции. Такой подход, но без настоящего изобретения, более полно описан в патентах США №№ 5779761 и 5958106 и публикации заявки на патент США № 2004/0123700, весь объем раскрытия которых включен в текст данного описания посредством этой ссылки. Другие газофазные технологии описаны в публикациях заявок на патент США №№2004/0050208 и 2004/0261573, весь объем раскрытия которых включен в текст данного описания посредством этой ссылки.According to one preferred reduction approach, called vapor phase reduction because non-metallic precursor compounds are supplied in the form of vapors or gaseous phases, chemical reduction can be carried out by reducing mixtures of base metal halides and metal alloying chemical elements using liquid alkali metal or liquid alkaline earth metal. For example, titanium tetrachloride, boron trichloride and halides of metal alloying chemical elements are supplied in the form of gases. A mixture of these gases in appropriate quantities is brought into contact with molten sodium, as a result of which metal halides are reduced to metals. The metal composition is separated from sodium. Such a reduction is carried out at temperatures below the melting point of said metal composition. This approach, but without the present invention, is more fully described in US patent No. 5779761 and 5958106 and publication of patent application US No. 2004/0123700, the entire scope of the disclosure of which is incorporated into the text of this description by this link. Other gas phase technologies are described in US Patent Application Publication Nos. 2004/0050208 and 2004/0261573, the entire disclosure of which is incorporated herein by reference.
Предпочтительным является восстановление при более низких температурах, а не при более высоких температурах. Желательно, чтобы восстановление проводилось при температурах 600°С или ниже, а предпочтительно - 500°С или ниже. Для сравнения, при выполнении других известных из уровня техники способов по изготовлению титановых или других металлических композиций часто достигают температур 900°С или выше. Низкотемпературное восстановление является более контролируемым и, кроме того, менее подвержено попаданию в металлическую композицию загрязнений, которые, в свою очередь, могут привести к появлению химических дефектов (неоднородностей). В дополнение к этому, низкие температуры снижают вероятность спекания частиц друг с другом во время этапа восстановления и ограничивают потенциально возможное укрупнение частиц стабильного борида и необязательных оксидных дисперсий.It is preferable to restore at lower temperatures, and not at higher temperatures. Desirably, the reduction is carried out at temperatures of 600 ° C. or lower, and preferably 500 ° C. or lower. For comparison, when performing other known from the prior art methods for the manufacture of titanium or other metal compositions often reach temperatures of 900 ° C or higher. Low-temperature reduction is more controlled and, in addition, less prone to contaminants entering the metal composition, which, in turn, can lead to the appearance of chemical defects (inhomogeneities). In addition, low temperatures reduce the likelihood of particles sintering with each other during the reduction step and limit the potential coarsening of stable boride particles and optional oxide dispersions.
При другом подходе к восстановлению, называемом восстановлением в твердой фазе из-за того, что неметаллические соединения-предшественники подают в виде твердых веществ, химическое восстановление может быть осуществлено путем электролиза в расплавах солей. Электролиз в расплавах солей является известной технологией, которая описана, например, в опубликованной заявке на патент №WO 99/64638, весь объем раскрытия которой включен в текст данного описания во всей полноте посредством этой ссылки. Если говорить вкратце, в данном варианте электролиза в расплавах солей смесь неметаллических соединений-предшественников, подаваемую в мелко измельченном твердом виде, погружают в электролизер в электролит из расплавленной соли, такой как, например, хлоридная соль, при температуре ниже температуры плавления металлической композиции, которая образуется из упомянутых неметаллических соединений-предшественников. Смесь неметаллических соединений-предшественников является катодом в этом электролизере, имеющим инертный анод. Химические элементы, связанные с металлами в неметаллических соединениях-предшественниках, такие как, например, кислород в являющемся предпочтительным случае оксидных неметаллических соединений-предшественников, частично или полностью удаляют из смеси при химическом восстановлении (т.е. процессе, обратном химическому окислению). Реакцию проводят при повышенной температуре с тем, чтобы ускорить диффузию кислорода или другого газа наружу из катода. Катодным потенциалом управляют таким образом, чтобы гарантировать, что протекает именно восстановление неметаллических соединений-предшественников, а не другие возможные химические реакции, такие как, например, разложение расплавленной соли. Электролит представляет собой соль, предпочтительно - соль, которая является более стабильной, чем эквивалентная соль рафинируемых (очищаемых) металлов, и в идеале является очень стабильной для удаления кислорода или другого газа до требуемого низкого уровня. Предпочтительными являются хлориды и смеси хлоридов бария, кальция, цезия, лития, стронция и иттрия. Химическое восстановление предпочтительно, но не обязательно, проводят до полного завершения, в результате чего неметаллические соединения-предшественники полностью восстанавливаются. Проведение процесса не до полного завершения представляет собой способ управления содержанием кислорода в полученном металле и обеспечения возможности образования впоследствии оксидной дисперсии. Если выполняют этап 51 предварительного уплотнения, то результатом этапа 52 может быть металлическая губка.In another approach to reduction, called reduction in the solid phase due to the fact that non-metallic precursor compounds are supplied in the form of solids, chemical reduction can be carried out by electrolysis in molten salts. Electrolysis in molten salts is a known technology, which is described, for example, in published patent application No. WO 99/64638, the entire scope of the disclosure of which is incorporated into the text of this description in its entirety by this reference. Briefly, in this embodiment of electrolysis in molten salts, a mixture of nonmetallic precursor compounds, supplied in finely divided solid form, is immersed in an electrolyzer in an electrolyte from a molten salt, such as, for example, chloride salt, at a temperature below the melting temperature of the metal composition, which formed from said non-metallic precursor compounds. A mixture of non-metallic precursor compounds is the cathode in this cell having an inert anode. Chemical elements associated with metals in non-metallic precursor compounds, such as, for example, oxygen in the preferred case of oxide non-metallic precursor compounds, are partially or completely removed from the mixture by chemical reduction (i.e., reverse chemical oxidation process). The reaction is carried out at elevated temperature in order to accelerate the diffusion of oxygen or other gas outward from the cathode. The cathodic potential is controlled in such a way as to ensure that it is the reduction of nonmetallic precursor compounds that occurs, and not other possible chemical reactions, such as, for example, the decomposition of molten salt. The electrolyte is a salt, preferably a salt that is more stable than the equivalent salt of refined (purified) metals, and ideally is very stable to remove oxygen or other gas to the desired low level. Chlorides and mixtures of barium, calcium, cesium, lithium, strontium and yttrium chlorides are preferred. Chemical reduction is preferably, but not necessarily, carried out to completion, whereby non-metallic precursor compounds are completely reduced. The process is not until complete completion is a way to control the oxygen content in the obtained metal and to ensure the formation of subsequently oxide dispersion. If the pre-compaction step 51 is performed, the result of
При другом подходе к восстановлению, называемом «быстрой плазменной закалкой» (от англ. «rapid plasma quench»), соединение-предшественник, такое как, например, хлорид титана, диссоциирует в плазменной дуге при температуре, превышающей 4500°С. Соединение-предшественник быстро нагревается, диссоциирует и быстро охлаждается («закаливается») в газообразном водороде. В результате получают мелкодисперсные частицы гидрида металла. Любое возможное плавление металлических частиц является очень кратковременным, порядка 10 секунд или менее, и не выходит за пределы сущности понятия «без плавления» и его аналогов в том виде, как они используются здесь. Водород впоследствии удаляют из частиц гидрида металла путем термической обработки в вакууме. Кроме того, может добавляться кислород с тем, чтобы он реагировал с образующими стабильные оксиды дополнительными химическими элементами с образованием дисперсии стабильного оксида. Бор добавляют для его реагирования с титаном с получением борида титана.In another approach to recovery, called "rapid plasma quenching" (from the English. "Rapid plasma quench"), a precursor compound, such as, for example, titanium chloride, dissociates in a plasma arc at a temperature exceeding 4500 ° C. The precursor compound is rapidly heated, dissociated, and rapidly cooled (“quenched”) in hydrogen gas. The result is fine particles of metal hydride. Any possible melting of metal particles is very short-term, of the order of 10 seconds or less, and does not go beyond the essence of the concept of “no melting” and its analogues in the form as they are used here. Hydrogen is subsequently removed from the metal hydride particles by heat treatment in vacuo. In addition, oxygen may be added so that it reacts with the additional chemical elements forming stable oxides to form a stable oxide dispersion. Boron is added to react with titanium to produce titanium boride.
Какая бы технология восстановления ни использовалась на этапе 52, результатом является материал металлической композиции на основе титана, борид титана и необязательные частицы стабильного оксида. При некоторых обстоятельствах упомянутый материал может представлять собой свободно текучие (сыпучие) частицы, либо, в других случаях, может иметь губчатую структуру. Губчатую структуру получают при использовании технологии восстановления в твердой фазе, если соединения-предшественники сначала были подвергнуты предварительному совместному прессованию (т.е. был выполнен необязательный этап 51) перед началом фактической реакции химического восстановления. Соединения-предшественники могут быть спрессованы для формирования прессованной массы, которая имеет большие габаритные размеры, чем желательное готовое металлическое изделие.Whatever reduction technology is used in
В не обязательном, но предпочтительном случае на этапе 54 материал уплотняют с тем, чтобы получить уплотненное металлическое изделие, причем без плавления композиции на основе титана и без плавления уплотненной композиции на основе титана. Этап 54 уплотнения может быть выполнен с использованием любой подходящей технологии, примерами которой являются горячее изостатическое прессование, ковка, штамповка, экструзия, прессование и спекание, а также экструзия с непосредственным уплотнением порошка, или прокатка, либо комбинация этих способов.In an optional, but preferred case, at
В не обязательном, но предпочтительном случае на этапе 56 проводят дополнительную обработку уплотненного металлического изделия. В процессе этой обработки изделие не плавится. Такая дополнительная обработка может включать в себя, например, механическое формообразование уплотненного металлического изделия (этап 58) с использованием любой подходящей технологии, и/или термическую обработку уплотненного металлического изделия (этап 60) с использованием любой подходящей технологии, и/или окисление уплотненного металлического изделия (этап 62) с использованием любой подходящей технологии (если присутствуют образующие стабильный оксид химические элементы, которым необходимо дать возможность прореагировать для образования оксидных частиц 26). Эти этапы 58, 60 и/или 62, если они используются, выбирают в соответствии с природой композиции на основе титана. Однако эти этапы 58, 60, 62 предпочтительно осуществляют при как можно более низкой температуре, чтобы избежать чрезмерного укрупнения частиц 24 и 25 борида титана.In an optional, but preferred case, at
Предложенный в настоящем изобретении подход был реализован на практике путем приготовления порошков, имеющих следующие составы: титан - примерно 0,8 массового процента бора - примерно 0,5 массового процента кислорода; и титан - примерно 2 массовых процента бора - примерно 1 массовый процент кислорода, с использованием описанного выше предпочтительного подхода. Некоторые порошки были уплотнены при помощи горячего изостатического прессования (ГИП). Другие порошки были уплотнены при помощи ГИП с последующей экструзией при степени вытяжки примерно 10:1. Некоторые образцы после уплотнения были подвергнуты снятию напряжений.The approach proposed in the present invention was put into practice by preparing powders having the following compositions: titanium — about 0.8 weight percent boron — about 0.5 weight percent oxygen; and titanium — about 2 weight percent boron — about 1 weight percent oxygen, using the preferred approach described above. Some powders were densified by hot isostatic pressing (HIP). Other powders were densified using HIP followed by extrusion at a draw ratio of about 10: 1. Some samples after compaction were subjected to stress relief.
Образцы были исследованы с использованием дифракции рентгеновских лучей, растровой электронной микроскопии и просвечивающей электронной микроскопии. При анализе методом дифракции рентгеновских лучей было установлено наличие альфа-титана и TiB. Растровая электронная микроскопия и просвечивающая электронная микроскопия указали на наличие равномерного тонкого распределения субмикронных частиц борида титана, максимальный габаритный размер которых изменялся в диапазоне от менее 100 нанометров до нескольких сотен нанометров. Внутризеренные частицы борида титана имели такие граничные поверхности, которые образовывали общие грани с примыкающей матрицей альфа-фазы титана. Главные оси зон частиц TiB совпадали с главными осями зон примыкающей матрицы альфа(α)-фазы титана. В этом материале [11-20]α была параллельна [010] внутризеренного TiB, (0001) α была параллельна (001) внутризеренного TiB, а (-1100) α была параллельна (001) внутризеренного TiB. Однако в других композициях могут быть обнаружены другие соотношения.Samples were examined using x-ray diffraction, scanning electron microscopy and transmission electron microscopy. An X-ray diffraction analysis revealed the presence of alpha titanium and TiB. Scanning electron microscopy and transmission electron microscopy indicated the presence of a uniform fine distribution of submicron particles of titanium boride, the maximum overall size of which varied in the range from less than 100 nanometers to several hundred nanometers. The intragranular particles of titanium boride had such boundary surfaces that formed common faces with the adjacent matrix of the alpha phase of titanium. The principal axis of the zones of TiB particles coincided with the principal axis of the adjacent matrix of the alpha (α) -phase of titanium. In this material, [11-20] α was parallel to [010] intragranular TiB, (0001) α was parallel to (001) intragranular TiB, and (-1100) α was parallel to (001) intragranular TiB. However, other ratios may be found in other compositions.
Частицы были пластинчатыми по форме и имели форму, размер и ориентацию, подобные материалам как в состоянии после ГИП, так и в состоянии после ГИП с последующей экструзией. Измерения макротвердости были проведены как на материалах в состоянии после ГИП, так и материалах в состоянии после ГИП с последующей экструзией. В обоих состояниях материалы были в основном изотропными, что свидетельствует о том, что экструзия не дала значительной анизотропии такого механического свойства, как твердость.The particles were lamellar in shape and had a shape, size and orientation similar to materials both in the state after the HIP and in the state after the HIP with subsequent extrusion. Macrohardness measurements were carried out both on materials in the state after the ISU, and materials in the state after the ISU with subsequent extrusion. In both states, the materials were mainly isotropic, which indicates that extrusion did not give significant anisotropy of such a mechanical property as hardness.
Кроме того, были изготовлены образцы с частицами борида титана, диспергированными в номинальной матрице Ti-6Al-4V.In addition, samples were prepared with titanium boride particles dispersed in a nominal Ti-6Al-4V matrix.
Хотя в целях иллюстрации здесь были подробно описаны конкретные варианты воплощения настоящего изобретения, могут быть осуществлены различные модификации и усовершенствования, не выходящие за пределы сущности и объема данного изобретения. Соответственно, данное изобретение не должно рассматриваться как ограниченное чем-либо, кроме как приложенной формулой изобретения.Although specific embodiments of the present invention have been described in detail herein for purposes of illustration, various modifications and improvements may be made without departing from the spirit and scope of the present invention. Accordingly, this invention should not be construed as limited by anything other than the appended claims.
Перечень номеров позицийList of item numbers
20 Изделие20 Item
21 Микрокомпозит21 Micro composite
22 Матрица22 Matrix
24 Внутризеренные частицы дисперсоида борида титана24 Intragrain particles of titanium boride dispersoid
25 Частицы борида титана, расположенные по границам зерен25 Titanium boride particles located along grain boundaries
26 Оксидные частицы26 Oxide particles
28 Кристаллографическое направление28 Crystallographic direction
30 Зерна30 Grains
32 Границы зерен32 grain boundaries
40 Вставка40 Insert
42 Аэродинамический профиль42 Aerodynamic profile
44 Лопатка турбины44 turbine blade
70 Частицы70 Particles
72 Сетка72 Grid
Claims (11)
Applications Claiming Priority (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US10/987,887 | 2004-11-12 | ||
| US10/987,887 US7410610B2 (en) | 2002-06-14 | 2004-11-12 | Method for producing a titanium metallic composition having titanium boride particles dispersed therein |
| US64007204P | 2004-12-29 | 2004-12-29 | |
| US60/640,072 | 2004-12-29 | ||
| US11/140,662 | 2005-05-27 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2005135111A RU2005135111A (en) | 2007-05-20 |
| RU2388082C2 true RU2388082C2 (en) | 2010-04-27 |
Family
ID=38163913
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2005135111/06A RU2388082C2 (en) | 2004-11-12 | 2005-11-11 | Micro composite structural material and gas turbine structural element |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2388082C2 (en) |
-
2005
- 2005-11-11 RU RU2005135111/06A patent/RU2388082C2/en active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2005135111A (en) | 2007-05-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP2308618B1 (en) | Article having a dispersion of ultrafine titanium boride particles in a titanium-base matrix | |
| RU2398655C2 (en) | Method of producing metal composition from titanium containing titanium boride particles dispersed therein | |
| JP5826219B2 (en) | Method for making a metal article having other additive components without melting | |
| RU2329122C2 (en) | Method of items production from metal alloys without melting | |
| US7763127B2 (en) | Method for producing a titanium-base alloy having an oxide dispersion therein | |
| RU2388082C2 (en) | Micro composite structural material and gas turbine structural element | |
| CN114787403B (en) | Powder aluminum material | |
| Tkachenko et al. | Creep resistance and long-term strength of structural magnesium alloys | |
| Sandua Fernández | Aluminium metal matrix composite sintering with electroless metallized components | |
| Yang | Solidification behaviour and hipping induced surface modification in Ti4522XD castings | |
| Song | Processing, phase transformation, and microstructural evolution of advanced niobium-titanium-silicon-aluminum-chromium-X alloys for high temperature aeroengine applications |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| HE4A | Notice of change of address of a patent owner |
Effective date: 20191008 |