RU2793662C1 - Method for producing composite aluminum matrix materials containing titanium carbide by self-propagating high-temperature synthesis - Google Patents
Method for producing composite aluminum matrix materials containing titanium carbide by self-propagating high-temperature synthesis Download PDFInfo
- Publication number
- RU2793662C1 RU2793662C1 RU2022115914A RU2022115914A RU2793662C1 RU 2793662 C1 RU2793662 C1 RU 2793662C1 RU 2022115914 A RU2022115914 A RU 2022115914A RU 2022115914 A RU2022115914 A RU 2022115914A RU 2793662 C1 RU2793662 C1 RU 2793662C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- titanium
- aluminum
- boron
- reaction mixture
- mass
- Prior art date
Links
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 title claims abstract description 55
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 54
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 53
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 title claims abstract description 45
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 title claims abstract description 11
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 9
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 9
- MTPVUVINMAGMJL-UHFFFAOYSA-N trimethyl(1,1,2,2,2-pentafluoroethyl)silane Chemical compound C[Si](C)(C)C(F)(F)C(F)(F)F MTPVUVINMAGMJL-UHFFFAOYSA-N 0.000 title description 3
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims abstract description 69
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 64
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 59
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 51
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 49
- 239000011541 reaction mixture Substances 0.000 claims abstract description 48
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 45
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 claims abstract description 45
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 36
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims abstract description 26
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims abstract description 26
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 claims abstract description 21
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims abstract description 17
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 10
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 10
- 230000000977 initiatory effect Effects 0.000 claims abstract description 8
- 238000005056 compaction Methods 0.000 claims abstract description 6
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 14
- 239000000654 additive Substances 0.000 claims description 12
- 229910001200 Ferrotitanium Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 238000005275 alloying Methods 0.000 claims description 7
- 229910052580 B4C Inorganic materials 0.000 claims description 6
- INAHAJYZKVIDIZ-UHFFFAOYSA-N boron carbide Chemical compound B12B3B4C32B41 INAHAJYZKVIDIZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 238000003723 Smelting Methods 0.000 claims description 5
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 claims description 5
- QDMRQDKMCNPQQH-UHFFFAOYSA-N boranylidynetitanium Chemical compound [B].[Ti] QDMRQDKMCNPQQH-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 10
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 7
- 238000002156 mixing Methods 0.000 abstract description 3
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 abstract description 2
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- QYEXBYZXHDUPRC-UHFFFAOYSA-N B#[Ti]#B Chemical compound B#[Ti]#B QYEXBYZXHDUPRC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 14
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 11
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 229910033181 TiB2 Inorganic materials 0.000 description 6
- 238000005266 casting Methods 0.000 description 6
- 229910000765 intermetallic Inorganic materials 0.000 description 5
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 5
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 5
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 5
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 4
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 4
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 4
- 230000009257 reactivity Effects 0.000 description 4
- 238000007792 addition Methods 0.000 description 3
- 229910001339 C alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910005438 FeTi Inorganic materials 0.000 description 2
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 2
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 2
- QMQXDJATSGGYDR-UHFFFAOYSA-N methylidyneiron Chemical compound [C].[Fe] QMQXDJATSGGYDR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 2
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 2
- 101100110007 Neurospora crassa (strain ATCC 24698 / 74-OR23-1A / CBS 708.71 / DSM 1257 / FGSC 987) asd-1 gene Proteins 0.000 description 1
- NPXOKRUENSOPAO-UHFFFAOYSA-N Raney nickel Chemical compound [Al].[Ni] NPXOKRUENSOPAO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 1
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 1
- UQZIWOQVLUASCR-UHFFFAOYSA-N alumane;titanium Chemical compound [AlH3].[Ti] UQZIWOQVLUASCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- WPPDFTBPZNZZRP-UHFFFAOYSA-N aluminum copper Chemical compound [Al].[Cu] WPPDFTBPZNZZRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- CYUOWZRAOZFACA-UHFFFAOYSA-N aluminum iron Chemical compound [Al].[Fe] CYUOWZRAOZFACA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- JRDVYNLVMWVSFK-UHFFFAOYSA-N aluminum;titanium Chemical compound [Al+3].[Ti].[Ti].[Ti] JRDVYNLVMWVSFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 1
- 244000309464 bull Species 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 239000004794 expanded polystyrene Substances 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 1
- 229910010272 inorganic material Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011147 inorganic material Substances 0.000 description 1
- MOYKHGMNXAOIAT-JGWLITMVSA-N isosorbide dinitrate Chemical compound [O-][N+](=O)O[C@H]1CO[C@@H]2[C@H](O[N+](=O)[O-])CO[C@@H]21 MOYKHGMNXAOIAT-JGWLITMVSA-N 0.000 description 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 1
- 239000002905 metal composite material Substances 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000012255 powdered metal Substances 0.000 description 1
- 238000007493 shaping process Methods 0.000 description 1
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 1
Abstract
Description
Изобретение относится к металлургии, а именно к способам получения композиционных материалов на основе алюминия или его сплавов с применением самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС).The invention relates to metallurgy, and in particular to methods for producing composite materials based on aluminum or its alloys using self-propagating high-temperature synthesis (SHS).
Из уровня техники известен способ получения тугоплавких неорганических материалов методом СВС, в том числе борида титана, включающий приготовление реакционных смесей, их прессование и инициирование синтеза (Левашов Е.А., Рогачев А.С., Юхвид В.И., Боровинская И.П. Физико-химические и технологические основы самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. М.: «Издательство БИНОМ», 1991. - 176 с.). Для получения металлокерамических композитов в данной технологии предусмотрено смешивание керамических порошков, в том числе и карбида борида, полученных СВС, с порошками металлов с последующим прессованием и спеканием, что усложняет технологический процесс и снижает применимость способа.From the prior art, a method is known for obtaining refractory inorganic materials by the SHS method, including titanium boride, including the preparation of reaction mixtures, their pressing and initiation of synthesis (Levashov E.A., Rogachev A.S., Yukhvid V.I., Borovinskaya I. P. Physico-chemical and technological foundations of self-propagating high-temperature synthesis. M.: "Publishing house BINOM", 1991. - 176 p.). To obtain ceramic-metal composites, this technology provides for the mixing of ceramic powders, including boride carbide, obtained by SHS, with metal powders, followed by pressing and sintering, which complicates the process and reduces the applicability of the method.
Из уровня техники известен способ получения отливок из железоуглеродистых сплавов с легированным поверхностным слоем, содержащим диборид титана, включающий приготовление легирующей композиции из титана или ферротитана с добавками аморфного бора и клеевого связующего с последующим нанесением лигатуры на поверхность модели из пенополистирола и формообразованием отливки (Патент РФ №2580584 С1, МПК B22D 27/18. 10.04.2016. Бюл. №10). Недостатком данного способа является его узкая область применения, заключающаяся в формировании борида титана на поверхности отливок из железоуглеродистых сплавов, полученных методом литья по газифицируемым моделям.From the prior art, a method is known for producing castings from iron-carbon alloys with an alloyed surface layer containing titanium diboride, including the preparation of an alloying composition of titanium or ferrotitanium with the addition of amorphous boron and an adhesive binder, followed by applying a master alloy to the surface of a model of expanded polystyrene and shaping the casting (RF Patent No. 2580584 C1, IPC B22D 27/18, April 10, 2016, Bull. No. 10). The disadvantage of this method is its narrow scope, which consists in the formation of titanium boride on the surface of castings from iron-carbon alloys obtained by casting on gasified models.
Наиболее близким по технической сущности является способ получения лигатуры для измельчения зерна алюминиевых сплавов, в состав которой входят алюминий, титан, бор и углерод ((Патент РФ №2031969 С1, МПК С22С 21/00, С22С 35/00. 27.03.1995). В описанном способе лигатуру готовят плавлением в индукционной печи алюминия, содержащего титан и бор под слоем флюса, и дополнительно в расплав вдувают дисперсный углерод в потоке газа. Полученный материал, содержащий диборид и карбид титана, в последующем используют в качестве легирующей добавки при выплавке алюминиевых сплавов. Недостатком прототипа является многостадийность технологического процесса и ограниченная область применения, связанная с необходимостью получения металлического расплава и невозможностью в широких пределах регулировать содержание боридной фазы в сплаве.The closest in technical essence is a method for producing alloys for grinding grains of aluminum alloys, which includes aluminum, titanium, boron and carbon ((RF Patent No. In the described method, the ligature is prepared by melting aluminum containing titanium and boron under a flux layer in an induction furnace, and additionally dispersed carbon is blown into the melt in a gas stream.The resulting material containing titanium diboride and titanium carbide is subsequently used as an alloying additive in the smelting of aluminum alloys The disadvantage of the prototype is the multi-stage technological process and the limited scope associated with the need to obtain a metal melt and the inability to regulate the content of the boride phase in the alloy over a wide range.
Все это снижает универсальность и техническую применимость прототипа.All this reduces the versatility and technical applicability of the prototype.
Предлагаемый способ является более технически применимым и универсальным для получения алюмоматричных композиционных материалов содержащих борид титана, по отношению к прототипу.The proposed method is more technically applicable and versatile for obtaining aluminum matrix composite materials containing titanium boride, in relation to the prototype.
Повышение универсальности и технической применимости предлагаемого способа выражается в том, что он позволяет получать компактные алюмоматричные материалы с формированием боридных составляющих титана без применения специального плавильного оборудования. Применение предлагаемого способа также обеспечивает получение материалов, содержание боридной фазы в которых можно регулировать в широких пределах.Increasing the versatility and technical applicability of the proposed method is expressed in the fact that it makes it possible to obtain compact aluminum matrix materials with the formation of titanium boride components without the use of special melting equipment. The application of the proposed method also provides for the production of materials, the content of the boride phase in which can be controlled over a wide range.
Способ осуществляется следующим образом.The method is carried out as follows.
На первом этапе путем смешивания готовят реакционную смесь, состоящую из порошкообразных титан- и борсодержащих материалов, при этом отношение массы титана к массе бора в данной смеси находится в пределах от 1 до 6. Второй этап заключается в добавлении к вышеупомянутой реакционной смеси порошкообразного алюминия или сплава на его основе с соблюдением отношения массы алюминия или алюминиевого сплава к массе реакционной смеси от 1 до 100. Полученную порошкообразную смесь, содержащую алюминий или алюминиевый сплав и реакционную смесь из титан- и борсодержащих компонентов перемешивают и подвергают компактированию. В зависимости от технического оснащения способ допускает производить процесс компактирования любым доступным способом - в металлических формах с применением прессов, в изостатах, методами импульсного компактирования и др. После получения спрессованного порошкообразного материала осуществляют инициирование самораспространяющегося высокотемпературного синтеза любым доступным способом - локальным нагревом (сварочной дугой, через запальную смесь и др.) или объемным нагревом (в муфельных и индукционных печах). Применение объемного нагрева, в зависимости от соотношения реакционной смеси и алюминия или алюминиевого сплава, способ допускает проводить при температурах ниже температуры плавления алюминия или алюминиевого сплава. В этом случае основа (алюминий) не будет подвергаться плавлению от внешнего источника тепла, при этом тепловыделение от синтеза должно быть достаточно для спекания алюминия. Применение температур нагрева скомпактированных составов равной либо превышающей температуру плавления алюминия или алюминиевого сплава, позволяет обеспечить протекание СВС даже при использовании незначительного количества реакционной смеси.At the first stage, a reaction mixture is prepared by mixing, consisting of powdered titanium and boron materials, while the ratio of the mass of titanium to the mass of boron in this mixture is in the range from 1 to 6. The second stage consists in adding powdered aluminum or alloy to the above reaction mixture based on it in compliance with the ratio of the mass of aluminum or aluminum alloy to the mass of the reaction mixture from 1 to 100. The resulting powder mixture containing aluminum or aluminum alloy and the reaction mixture of titanium and boron components is mixed and subjected to compaction. Depending on the technical equipment, the method allows the compaction process to be carried out in any available way - in metal molds using presses, in isostat, pulsed compaction methods, etc. After obtaining a compressed powder material, self-propagating high-temperature synthesis is initiated by any available method - local heating through the ignition mixture, etc.) or volumetric heating (in muffle and induction furnaces). The use of volumetric heating, depending on the ratio of the reaction mixture and aluminum or aluminum alloy, the method can be carried out at temperatures below the melting point of aluminum or aluminum alloy. In this case, the base (aluminum) will not undergo melting from an external heat source, while the heat release from synthesis should be sufficient for aluminum sintering. The use of heating temperatures of compacted compositions equal to or higher than the melting point of aluminum or aluminum alloy makes it possible to ensure the flow of SHS even when using a small amount of the reaction mixture.
С целью регулирования количества боридной фазы в материале в широком диапазоне способ предусматривает добавление к реакционной смеси, состоящей из титан- и борсодержащих компонентов алюминия или алюминиевого сплава при отношении массы алюминия или его сплава к массе реакционной смеси от 1 до 100. Если данное отношение равно 1, то соответственно в материале после синтеза содержание борида титана буде находиться в районе 50% масс. - в пересчете на реакционную смесь титана и бора, взятых в отношении массы титана к массе бора равное 2,2, и без учет других возможных взаимодействий, кроме образования борида титана TiB2. Для инициирования СВС при данном соотношении возможно применение локального нагрева, поскольку реакционной смеси (титана и бора) будет достаточно для распространения фронта реакции по всему объему образца. Отношение массы алюминия или алюминиевого сплава к массе реакционной смеси из титан- и борсодержащих компонентов равное 100 позволит получить в образце около 1% борида титана при вышеуказанных соотношениях между компонентами реакционной смеси и допущении получения в ходе синтеза только борида титана TiB2. Поскольку данные порошкообразные смеси содержат относительно незначительное количество реакционной смеси, то для получения композита СВС целесообразно инициировать объемным нагревом.In order to regulate the amount of the boride phase in the material over a wide range, the method involves adding aluminum or an aluminum alloy to the reaction mixture consisting of titanium- and boron-containing components of aluminum or an aluminum alloy at a ratio of the mass of aluminum or its alloy to the mass of the reaction mixture from 1 to 100. If this ratio is 1 , then, accordingly, in the material after synthesis, the content of titanium boride will be in the region of 50 wt%. - in terms of the reaction mixture of titanium and boron, taken in relation to the mass of titanium to the mass of boron, equal to 2.2, and without taking into account other possible interactions, except for the formation of titanium boride TiB 2 . To initiate SHS at a given ratio, it is possible to use local heating, since the reaction mixture (titanium and boron) will be sufficient to propagate the reaction front over the entire volume of the sample. The ratio of the mass of aluminum or aluminum alloy to the mass of the reaction mixture of titanium- and boron-containing components equal to 100 will make it possible to obtain about 1% titanium boride in the sample at the above ratios between the components of the reaction mixture and assuming that only titanium boride TiB 2 is obtained during the synthesis. Since these powder mixtures contain a relatively small amount of the reaction mixture, it is expedient to initiate SHS composite by volumetric heating.
Для формирования в материале, наряду с боридом титана, дополнительных структурных составляющих, (интерметаллиды, бориды и др.) способ предусматривает изготовление реакционной смеси из титан- и борсодержащих компонентов при отношении массы титана к массе бора от 1 до 6. Соотношение 1 вызывает в реакционной смеси избыточное содержание борсодержащих материалов по сравнению со стехиометрией образования борида титана TiB2, и в процессе синтеза в материале возможно образование других боридных составляющих, кроме борида титана. Соотношение 6 приводит к избыточному количеству титансодержащих компонентов, что в ходе синтеза позволяет формировать в материале, наряду с боридом титана, также интерметаллиды, например системы алюминий - титан.For the formation in the material, along with titanium boride, additional structural components (intermetallic compounds, borides, etc.), the method involves the preparation of a reaction mixture from titanium and boron-containing components with a ratio of titanium mass to boron mass from 1 to 6. Ratio 1 causes in the reaction mixtures, the excess content of boron-containing materials compared with the stoichiometry of the formation of titanium boride TiB 2 , and during the synthesis in the material, the formation of other boride components, except for titanium boride, is possible. Ratio 6 leads to an excess amount of titanium-containing components, which during synthesis allows the formation in the material, along with titanium boride, of intermetallic compounds, for example, aluminum-titanium systems.
В качестве титансодержащих материалов в реакционной смеси способ допускает применение титана или ферротитана с содержанием титана не менее 60% масс. Использование ферротитана с меньшим количеством титана может не позволить инициировать синтез борида титана в материале. Железо, входящее в ферротитан, также в ходе синтеза участвует во взаимодействии, в результате чего в материале, наряду с боридом титана, формируются дополнительно составляющие, содержащие железо (интерметаллиды системы алюминий - железо, бориды железа и др.).As titanium-containing materials in the reaction mixture, the method allows the use of titanium or ferrotitanium with a titanium content of at least 60 wt%. The use of ferrotitanium with a smaller amount of titanium may not allow initiating the synthesis of titanium boride in the material. Iron, which is included in ferrotitanium, also participates in the interaction during synthesis, as a result of which, along with titanium boride, additional components containing iron are formed in the material (intermetallic compounds of the aluminum-iron system, iron borides, etc.).
В качестве борсодержащих материалов в реакционной смеси способ допускает применение бора (аморфного или кристаллического), карбида бора и ферробора с содержанием бора не менее 7%. Вышеперечисленные материалы имеют различную реакционную способность. Подбирая борсодержащий материал можно проводить регулирование энергетических параметров реакции образования борида титана. Способ допускает применять ферробор с содержанием бора не менее 7%, меньшее содержание может не позволить инициировать синтез в предлагаемых системах.As boron-containing materials in the reaction mixture, the method allows the use of boron (amorphous or crystalline), boron carbide and ferroboron with a boron content of at least 7%. The above materials have different reactivity. By selecting a boron-containing material, it is possible to regulate the energy parameters of the titanium boride formation reaction. The method allows the use of ferroboron with a boron content of at least 7%, a lower content may not allow initiating synthesis in the proposed systems.
Для обеспечения большей плотности и повышения физико-механических характеристик полученному в ходе СВС материалу, способ допускает его последующую переплавку. В процессе переплава также можно получить методами литья композиционный алюмоматричный материал сложной формы. Способ также допускает использовать полученный в ходе синтеза алюмоматричный материал в качестве легирующей добавки при выплавке алюминия или сплавов на его основе для легирования последних боридом титана. Полученный материал уже содержит сформированный в ходе СВС борид титана, поэтому при использовании его в качестве лигатуры не приведет к бурному протеканию реакции в расплаве, в отличие от введения порошкообразных смесей системы титан - бор.To ensure greater density and improve the physical and mechanical characteristics of the material obtained during SHS, the method allows its subsequent remelting. In the remelting process, it is also possible to obtain a composite aluminum matrix material of complex shape by casting methods. The method also allows using the aluminum matrix material obtained during the synthesis as an alloying additive in the smelting of aluminum or alloys based on it for alloying the latter with titanium boride. The resulting material already contains titanium boride formed during SHS, therefore, when used as a ligature, it will not lead to a violent reaction in the melt, in contrast to the introduction of powder mixtures of the titanium-boron system.
Для расширения области применения данного способа он предусматривает дополнительное введение к реакционной смеси, состоящей из титан- и борсодержащих материалов, порошкообразных добавок металлов или сплавов в количестве, не менее 3% от массы реакционной смеси.To expand the scope of this method, it provides for the additional introduction to the reaction mixture consisting of titanium- and boron-containing materials, powdered additives of metals or alloys in an amount of at least 3% by weight of the reaction mixture.
Способ осуществляется следующим образом.The method is carried out as follows.
К реакционной смеси, состоящей из титан- и борсодсодержащих материалов, при соотношении массы титана к массе бора от 1 до 6, дополнительно вводят порошкообразные добавки металлов или сплавов, в количестве, не менее 3% от массы исходной смеси. В зависимости от реакционной способности добавок металлов или сплавов к компонентами реакционной смеси титан- и борсодержащих материалов, в ходе синтеза возможно образование наряду с боридом титана новых фаз, что приводит к изменению состава, структуры и свойств получаемого материала. Так, относительно инертные добавки, такие как медь, никель или сплавы на их основе в ходе СВС не участвуют в процессах боридообразования, при этом взаимодействуя с алюминием или алюминиевым сплавом, позволяют получать материал, содержащий совместно с боридом титана, дополнительно интерметаллиды системы алюминий - никель, алюминий - медь. Введение к реакционной смеси боридообразующих компонентов, таких как хром позволяет формировать в ходе синтеза в материале дополнительные, наряду с боридом титана, боридные составляющие хрома. Количество добавок металлов или сплавов к реакционной смеси составляет не менее 3% от массы из титан- и борсодержащих компонентов. Меньшее количество добавок не позволяет в широком диапазоне варьировать состав и свойства материала вследствие незначительного количества образующихся в ходе синтеза фаз с участием компонентов добавок. Для формирования в материале боридных составляющих титана способ предусматривает использование в качестве титансодержащих материалов титана и ферротитана с содержанием титана не менее 60%, а в качестве борсодержащих компонентов бор, карбид бора, ферробор с содержанием бора не менее 7% при отношении массы титана к массе бора от 1 до 6. Применение ферротитана с содержанием титана менее 60% может не обеспечить протекание синтеза и, как следствие формирования борида титана вследствие низкой реакционной способности. Применение в качестве борсодержащих компонентов бора позволяет формировать преимущественно бориды, карбида бора - боридные и карбидные составляющие, а ферробор обеспечивает наряду с получением боридов титана, также боридов железа. Способ допускает применять ферробор с содержанием бора не менее 7%, меньшее содержание может не позволить инициировать синтез в предлагаемых системах.To the reaction mixture consisting of titanium- and boron-containing materials, at a ratio of titanium mass to boron mass from 1 to 6, powdered additives of metals or alloys are additionally introduced in an amount of at least 3% by weight of the initial mixture. Depending on the reactivity of additives of metals or alloys to the components of the reaction mixture of titanium- and boron-containing materials, during the synthesis, along with titanium boride, new phases can form, which leads to a change in the composition, structure, and properties of the resulting material. Thus, relatively inert additives, such as copper, nickel, or alloys based on them, do not participate in the processes of boride formation during SHS, while interacting with aluminum or an aluminum alloy, they make it possible to obtain a material containing, together with titanium boride, additionally intermetallic compounds of the aluminum-nickel system. , aluminum - copper. The introduction of boride-forming components, such as chromium, into the reaction mixture makes it possible to form additional, along with titanium boride, chromium boride components in the material during synthesis. The amount of additions of metals or alloys to the reaction mixture is at least 3% by weight of titanium and boron-containing components. A smaller amount of additives does not allow varying the composition and properties of the material over a wide range due to the insignificant amount of phases formed during synthesis with the participation of additive components. To form titanium boride components in the material, the method involves the use of titanium and ferrotitanium with a titanium content of at least 60% as titanium-containing materials, and boron, boron carbide, ferroboron with a boron content of at least 7% as boron-containing materials at a ratio of titanium mass to boron mass from 1 to 6. The use of ferrotitanium with a titanium content of less than 60% may not ensure the synthesis and, as a result, the formation of titanium boride due to low reactivity. The use of boron as boron components makes it possible to form predominantly borides, boron carbide - boride and carbide components, and ferroboron provides, along with the production of titanium borides, also iron borides. The method allows the use of ferroboron with a boron content of at least 7%, a lower content may not allow initiating synthesis in the proposed systems.
После приготовления реакционной смеси, состоящей из титан- и борсодержащих материалов с добавками порошкообразных металлов или сплавов, к вышеупомянутой смеси добавляют порошкообразный алюминий или сплав на его основе при отношении массы алюминия или его сплава к массе реакционной смеси от 1 до 100. Данное отношение позволяет регулировать количество боридной составляющей в материале в зависимости от требуемого технического результата. Так, отношение равное 1 позволяет получать алюмоматричный материал со значительным, около 50%, содержанием боридной составляющей титана, соотношение 100 обеспечивает формирование в материале около 1% борида титана. Полученную порошкообразную смесь, состоящую из реакционной смеси титан- с борсодержащими материалами и добавками металлов или сплавов, и алюминия или алюминиевого сплава компактируют любым доступным способом, после чего инициируют процесс СВС. Способ допускает инициировать синтез либо локальным, либо объемным нагревом. Последний вариант наиболее целесообразно применять к материалам, содержащим незначительное количество реакционной смеси вследствие их незначительной реакционной способности. Для улучшения физико-механических характеристик способ допускает переплав полученного материала. Для легирования отливок из алюминия или сплавов на его основе способ допускает применение полученного материала в качестве лигатур.After preparing a reaction mixture consisting of titanium- and boron-containing materials with additives of powdered metals or alloys, powdered aluminum or an alloy based on it is added to the above mixture at a ratio of the mass of aluminum or its alloy to the mass of the reaction mixture from 1 to 100. This ratio allows you to adjust the amount of the boride component in the material, depending on the required technical result. Thus, the ratio equal to 1 makes it possible to obtain an aluminum matrix material with a significant, about 50%, content of the titanium boride component, a ratio of 100 ensures the formation of about 1% titanium boride in the material. The resulting powder mixture, consisting of a reaction mixture of titanium-boron-containing materials and additives of metals or alloys, and aluminum or aluminum alloy, is compacted by any available method, after which the SHS process is initiated. The method allows initiating synthesis either by local or volumetric heating. The last option is most appropriate to apply to materials containing a small amount of the reaction mixture due to their low reactivity. To improve the physical and mechanical characteristics of the method allows the remelting of the resulting material. For alloying castings from aluminum or alloys based on it, the method allows the use of the resulting material as master alloys.
Примеры конкретного исполнения:Examples of a specific implementation:
Пример 1. В качестве реакционной смеси использовали смесь титана и аморфного бора при соотношении массы титана к массе бора, равное 4 (2,0 г титана и 0,5 г бора). Полученную реакционную смесь смешивали с порошком алюминия АСД-1 при отношении массы алюминия к массе смеси 5 (10 г алюминия и 2,0 г смеси) и компактировали. Прессовки помещали в печь и путем постадийного нагрева инициировали СВС, максимальная температура нагрева составляла 950°С, время выдержки 10 мин. Основа полученного материала алюминий, при этом он дополнительно содержал диборид титана в количестве ~9% (мас.) и интерметаллид Al3Ti ~15% (мас.).Example 1 A mixture of titanium and amorphous boron was used as the reaction mixture at a ratio of titanium mass to boron mass equal to 4 (2.0 g of titanium and 0.5 g of boron). The resulting reaction mixture was mixed with aluminum powder ASD-1 at a ratio of the mass of aluminum to the mass of the mixture 5 (10 g of aluminum and 2.0 g of the mixture) and compacted. The compacts were placed in an oven and SHS was initiated by stepwise heating, the maximum heating temperature was 950°C, the holding time was 10 min. The basis of the resulting material is aluminum, while it additionally contained titanium diboride in an amount of ~9% (wt.) and intermetallic Al 3 Ti ~15% (wt.).
Пример 2. То же, что в примере 1, только в качестве титансодержащего материала в реакционной смеси использовали ферротитан (70% Ti), а отношение массы алюминия к массе реакционной смеси составляло 1,4 (10 г алюминия и 7,0 г смеси). Спрессованные составы нагревали в печи до температуры 1200°С, выдержка 10 минут. Полученный материал на основе алюминия дополнительно содержал диборид титана ~35% (масс.) и интерметаллиды FeTi ~4% (масс.) и Al3Ti ~10% (масс.).Example 2. The same as in example 1, only ferrotitanium (70% Ti) was used as a titanium-containing material in the reaction mixture, and the ratio of the mass of aluminum to the mass of the reaction mixture was 1.4 (10 g of aluminum and 7.0 g of the mixture) . The compressed compositions were heated in an oven to a temperature of 1200°C, holding for 10 minutes. The resulting material based on aluminum additionally contained titanium diboride ~35% (wt.) and intermetallic compounds FeTi ~4% (wt.) and Al 3 Ti ~10% (wt.).
Пример 3. В качестве реакционной смеси использовали смесь ферротитана (70% Ti) с аморфным бором при отношении массы титана к массе бора равное 1,5 (избыток бора). При этом к данной смеси дополнительно вводили хром, в количестве 30% (масс.). Полученную смесь смешивали с порошкообразным алюминием при отношении массы алюминия к массе смеси, равное 2,5. Далее смесь компактировали и инициировали СВС путем нагрева в печи до температуры 1200°С.Основа полученного материала алюминий, в качестве дополнительных фаз присутствуют бориды титана ~7% (масс.) и хрома ~5%, а также (масс.) интерметаллиды Al3Ti, FeTi.Example 3 A mixture of ferrotitanium (70% Ti) with amorphous boron was used as the reaction mixture, with a mass ratio of titanium to boron mass equal to 1.5 (excess boron). At the same time, chromium was additionally introduced to this mixture, in an amount of 30% (mass.). The resulting mixture was mixed with powdered aluminum at a weight ratio of aluminum to the weight of the mixture equal to 2.5. Next, the mixture was compacted and SHS was initiated by heating in a furnace to a temperature of 1200°C. The basis of the obtained material is aluminum, titanium ~7% (wt.) and chromium ~5% borides, as well as (wt.) Al 3 intermetallides are present as additional phases. Ti, FeTi.
Пример 4. То же, что в примере 1, только в качестве борсодержащего компонента реакционной смеси использовали карбид бора, а отношение массы алюминия к массе реакционной смеси составляло 20. После нагрева скомпактированной смеси материал на основе алюминия дополнительно содержал диборид и карбид титана.Example 4. The same as in example 1, only boron carbide was used as a boron-containing component of the reaction mixture, and the ratio of the mass of aluminum to the mass of the reaction mixture was 20. After heating the compacted mixture, the aluminum-based material additionally contained diboride and titanium carbide.
Пример 5. В качестве реакционной смеси использовали смесь ферротитана (70% Ti) с аморфным бором при отношении массы титана к массе бора равное 3. При этом к данной смеси дополнительно вводили медь, в количестве 70% (масс.). Полученную смесь смешивали с порошкообразным алюминием при отношении массы алюминия к массе смеси, равное 2,5. Далее смесь компактировали и инициировали СВС путем нагрева в печи до температуры 1200°С. Основа полученного материала алюминий, в качестве дополнительных фаз присутствуют диборид титана ~10% (масс.) и интерметаллиды Al3Ti, Cu2Ti, FeCu2Al7.Example 5. A mixture of ferrotitanium (70% Ti) with amorphous boron was used as a reaction mixture with a mass ratio of titanium to boron mass equal to 3. At the same time, copper was additionally introduced to this mixture, in an amount of 70% (mass.). The resulting mixture was mixed with powdered aluminum at a weight ratio of aluminum to the weight of the mixture equal to 2.5. Next, the mixture was compacted and SHS was initiated by heating in an oven to a temperature of 1200°C. The basis of the obtained material is aluminum; titanium diboride ~10% (wt.) and intermetallides Al 3 Ti, Cu 2 Ti, FeCu 2 Al 7 are present as additional phases.
Пример 6. полученный в примере 5 материал использовали в качестве лигатуры при выплавке алюминиевого сплава ВАЛ10, добавка лигатуры составляла 30%. Полученный слиток на основе алюминия дополнительно содержал диборид титана и интерметаллиды Al3Ti, Cu2Ti, FeCu2Al7, что указывает на усвоение компонентов лигатуры в алюминиевых сплавах.Example 6. The material obtained in example 5 was used as master alloy in the smelting of aluminum alloy VAL10, the addition of master alloy was 30%. The obtained aluminum-based ingot additionally contained titanium diboride and intermetallides Al 3 Ti, Cu 2 Ti, FeCu 2 Al 7 , which indicates the assimilation of alloy components in aluminum alloys.
Данный способ является практически применимым для получения методом СВС композиционных алюмоматричных материалов, содержащих борид титана.This method is practically applicable for the preparation of composite aluminum matrix materials containing titanium boride by the SHS method.
Claims (8)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2793662C1 true RU2793662C1 (en) | 2023-04-04 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TW209880B (en) * | 1987-05-13 | 1993-07-21 | Lanxide Technology Co Ltd | |
| US6440343B2 (en) * | 1997-04-23 | 2002-08-27 | Georgia Tech Research Corporation | Process for controlling the microstructural bias of multi-phase composites |
| RU2580584C1 (en) * | 2014-09-30 | 2016-04-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт механики Уральского отделения Российской академии наук | Method for surface alloying of iron-carbon alloy ingots |
| RU2658566C2 (en) * | 2016-06-14 | 2018-06-21 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Удмуртский федеральный исследовательский центр Уральского отделения Российской академии наук | Method for obtaining compact materials containing titanium diboride using self-propagating high-temperature synthesis |
| RU2768800C1 (en) * | 2021-08-24 | 2022-03-24 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Уральский государственный горный университет» | Method for producing alumina-matrix composite materials |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TW209880B (en) * | 1987-05-13 | 1993-07-21 | Lanxide Technology Co Ltd | |
| US6440343B2 (en) * | 1997-04-23 | 2002-08-27 | Georgia Tech Research Corporation | Process for controlling the microstructural bias of multi-phase composites |
| RU2580584C1 (en) * | 2014-09-30 | 2016-04-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт механики Уральского отделения Российской академии наук | Method for surface alloying of iron-carbon alloy ingots |
| RU2658566C2 (en) * | 2016-06-14 | 2018-06-21 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Удмуртский федеральный исследовательский центр Уральского отделения Российской академии наук | Method for obtaining compact materials containing titanium diboride using self-propagating high-temperature synthesis |
| RU2768800C1 (en) * | 2021-08-24 | 2022-03-24 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Уральский государственный горный университет» | Method for producing alumina-matrix composite materials |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP2691221B2 (en) | Method for forming metal-second phase composite | |
| US4726842A (en) | Metallic materials re-inforced by a continuous network of a ceramic phase | |
| US5093148A (en) | Arc-melting process for forming metallic-second phase composites | |
| CN112048629A (en) | Preparation method of Al-Ti-Nb-B refiner for casting aluminum-silicon alloy | |
| CN101608270A (en) | A high-efficiency and low-cost aluminum and aluminum alloy refiner and preparation method thereof | |
| Shamekh et al. | Understanding the reaction mechanism of in-situ synthesized (TiC–TiB2)/AZ91 magnesium matrix composites | |
| CN112680645A (en) | Rare earth Sm-containing self-foaming porous magnesium alloy and preparation method thereof | |
| CN102660701A (en) | Preparation method of cocrystallized Al-Si alloy piston material | |
| RU2793662C1 (en) | Method for producing composite aluminum matrix materials containing titanium carbide by self-propagating high-temperature synthesis | |
| CN102676956B (en) | Method for preparing iron-based surface composite material by virtue of in-situ synthesis | |
| RU2809613C1 (en) | Method for producing composite aluminium matrix materials containing chromium boride components using self-propagating high-temperature synthesis | |
| RU2739898C1 (en) | Method of producing composite metal alloy containing titanium carbide | |
| CN110195182A (en) | A kind of double size multiphase granules enhancing magnesium-based composite material and preparation method thereof | |
| RU2792903C1 (en) | Method for producing composite aluminium-matrix materials containing titanium carbide by self-propagating high-temperature synthesis | |
| RU2262415C1 (en) | Method of producing iron alloy from production waste | |
| RU2658566C2 (en) | Method for obtaining compact materials containing titanium diboride using self-propagating high-temperature synthesis | |
| RU2138572C1 (en) | Method of preparing aluminum-titanium-boron foundry alloy | |
| Birol | Response to thermal exposure of Al/K2TiF6/C powder blends | |
| Dey et al. | Micropyretic synthesis of NiAl containing Ti and B | |
| Gostishchev et al. | High-temperature synthesis of composites based on nickel aluminides | |
| RU2809611C2 (en) | Method for producing metal-ceramic materials, including volumetric porous materials containing titanium nitride by self-propagating high-temperature synthesis | |
| Wright et al. | Combustion synthesis of cubic Al3Ti alloys | |
| Verona et al. | Microstructure and Properties of Fe3Al-Fe3AlC x Composite Prepared by Reactive Liquid Processing | |
| Wei et al. | A thermal explosion process to fabricate an intermetallic matrix composite coating on a steel | |
| SU1650746A1 (en) | Method of producing alloying compositions for aluminium alloys |