CZ306797A3

CZ306797A3 - Komposity se základní kovovou hmotou slitin hliníku vyztužené keramickými částicemi boridu titanu

Info

Publication number: CZ306797A3
Application number: CZ973067A
Authority: CZ
Inventors: Animesh Jha; Stuart Martin Cannon; Chris Dometakis; Elisabeth Troth
Original assignee: MERCK Patent Gesellschaft mit beschränkter Haftung
Priority date: 1995-03-31
Filing date: 1996-03-23
Publication date: 1999-01-13
Also published as: CN1180383A; NO974518D0; RU2159823C2; NO974518L; US6290748B1; BR9607797A; EP0817869A1; AU5148596A; HUP9801980A3; HUP9801980A2; JPH11502570A; CA2216548A1; WO1996030550A1; CN1081675C

Description

Komposity se základní kovovou hmotou slitin hliníku vyztužené keramickými částicemi boridu titanu

Oblast techniky

Vynález se týká výroby kompositů se základní kovovou hmotou slitin hliníku vyztužených keramickými částicemi boridu t i tanu (. T i B2 ) Dosavadní stav techniky

Přednosti materiálů z lehkých slitin pro aplikace ve strojírenství jsou uznávány pro jejich pevnost, houževnatost a především pro specifický modul pružnosti- V důsledku toho byly podnětem v letectví a ve stavbě automobilů úspory paliva a dlouhá životnost v provozu. V posledních dvou desetiletích se objevil nový typ materiálu, založený na vyztužení keramickými materiály o nízké hustotě a odolávajícími vysokým teplotám- jmenovitě karbidu křemíku, oxidu hlinitého a uhlíkových vláken. Vyztužení se dosahuje těmito materiály bud' ve tvaru částic nebo vláken, což vede k podstatnému snížení hustoty, součinitele tepelné roztažnosti a ke zlepšení hodnoty modulu pružnosti. Kombinovaný efekt vlastností základní hmoty a vyztužení se proto pozoruje u kompositů s kovovou základní hmotou. Na základě laboratorních zkoušek byly vyvinuty nové způsoby výroby kompositů s kovovou základní hmotou, jmenovitě sprejové formování Al-slitina/SiC, tlakové a infiltrační 11tí kompositů s kovovou základní hmotou vyztužených vlákny, včetně míšení prášků a protlačování (například T.V. Clyne a P.J. Vithers: An Introduction to Metal-Matrix Composites, Cambridge Solistate Science Series, Cambridge University Press str. 318 až 359, 1993).

Tyto metody poskytují potenciální přednosti jak z hlediska ziskovosti, tak z hlediska materiálových

- 2 vlastností. Také se nyní staly dostupnými laboratorní metody pro komerční výrobu materiálů v malém měřítku a tudíž sl shora popsané způsoby výroby kompositů s kovovou základní hmotou vzá j emně konkuru j í.

Experimentální údaje poukazují také na některé problémy vedoucí k vytváření vad. jako je tvoření dutin během infiltrace tekutého kovu a reakce vláken s kovem, nebo špatná orientace vláken během tlakového lití. V procesech sprejového lití, což je rychlé ochlazení dvoufázové směsi, totiž tekutého kovu a jemných keramických částic, je cena výroby kovu vysoká. Kromě toho sprejovým litím vyrobený ingot vyžaduje další zpracování, neboť je do značné míry porézní a ingot nemůže být vytvarován během výrobního procesu. Cenové porovnání ukazuje, že cesta protlačování prášku vytváří materiály nepřijatelně vysoké ceny. Nová technologie byla nicméně použita k výrobě velkého rozsahu sportovních náčiní, kde byla vysoká výrobní cena dosud oprávněná. Například o tom hovoří článek T.V. Clyne a P.J.Withers: fln Introduction to Metal-Matrix Composit.es, Cambridge Solistate Science Series, Cambridge University Press str. 459 až 470, 1993.

Při použití popsaných technik nebyla cena automobilních a leteckých součástí oprávněná a z toho důvodu zůstává trh kompositů s kovovou základní hmotou pro automobily, letectví a jiné strojní aplikace dosud nejistý. Výrobní cena automobilních a leteckých konstrukčních strojních součástí zůstává neskutečně vysoká a tudíž trh pro komposity s kovovou základní hmotou v podstatě neexistoval.

Vedle vysoké ceny materiálů, vyrobených popsanými způsoby.

zůstává nevyřešen ještě závažnější dlouhodobé spolehlivosti kompositů aplikace za vysokých teplot. Při podmínkám provozu za vysokých teplot problém, týkající se

Al-SiC, zejména pro dlouhodobém vystavení má hliník časem sklon

- 3 • 4 44 44 44 44 • ··· · · · ··· · 444 4

4 4 4 4 4 4

4444 44 44 44 44 4 reagovat s karbidem křemíku. Karbid hliníku, který se také ochotně tvoří jako křehká vrstva na rozhraní základní hmoty a výztuhy při zpracování v tekutém stavu, má škodlivý vliv na houževnatost kompasitových materiálů za vysokých teplot. Karbid hliníku je také náchylný na napadení vlhkostí a hydrolyzuje se na hydroxid hliníku a plynným produktem reakce je metan. Je známo, že toto napadání vlhkostí způsobuje korozi kolem částic karbidu křemíku a rozhraní uhlíkové vlákno-základní hmota. Výsledkem je.

Houževnatost materiálu že součást může být a mez únavy, což jsou značně oslabena nejvýznamnější vlastnosti u pohybujících se strojních součástek, trpí škodlivě přítomností zkřehlé vrstvy fáze karbidu hliníku. To ovšem zpochybňuje dlouhodobou stavební spolehlivost kompositů Al/SiC a Al/uhlíková vlákna za vysokých teplot.

Dalším problémem je recyklování kompositů Al/SiC a Al/uhlíková vlákna vzhledem k nežádoucí přítomnosti křemíku a uhlíku v kovové fázi. Očekává se, že to povede ke stohování nerecyklovatelných kompositů hliníkových slitin, což také přispěje k celkové ceně kompositových materiálů.

Nedávno se jako slibný kandidát ve výrobě kompozitů s kovovou základní hmotou ukázaly materiály na bázi titanu. Borid titanu a karbid titanu se tradičně používaly jako zjemfíovače zrna hliníkových slitin. Je známo, že keramická fáze se mikrostrukturálně přizpůsobí kovové základní hmotě a slitině propůjčuje významné zlepšení mechanických vlastností, kterých lze sotva dosáhnout u vyztužení karbidem křeníku a uhlíkovými vlákny. Boridová keramická fáze nereaguje agresivně s tekutým kovem za vzniku intermediální vrstvy zkřehlé fáze. Technologie dispergování borité fáze používající tavení a odlévání hliníkové slitiny ve vzduchu je dobře vyzkoušenou technologií za posledních 50 let v hliníkovém průmyslu k výrobě základní slitiny se zjemněným zrnem

a hliníkových iemnozrnných odlitků pro tvarování. Reakce zjemňování zrna probíhá podle rovnice:

Altekut. + TIB2 = Al₃Ti A1B₂ (1) což je významným hlediskem T1B2 a odvozené disperse keramické fáze v kovové fázi. Jak AIB2 a/nebo směsný diborid (Al,Ti)B2, které se tvoří jako důsledek reakce zjemňující zrno, mají stejnou strukturu jako T1B2 a tudíž podle Hume-Rotheryho zákona vykazují rozšířenou rozpustnost.

Tento tuhý roztok boridové fáze, mající stejnou krystalovou strukturu jako T1B2, je mezifázově a krystalograficky kompatibilní se základní hmotou slitiny.To je jedním z důvodů, proč má hliníková slitina se zjemněným zrnem lepší únavové vlastnosti, zhledem ke vzájemnému provázání komplexní boridovou fází, což je u superslitin pro vysoké teploty. Výsledkem mezifázově reakce a nižší rozpustnosti komplexních hranic zrn a význak běžně dislokací pozorovaný příznivé boridů v základní hmotě, je komposit AI-T1B2 mikrostrukturálně daleka nej lepším kompasitovým materiálem, schopným vykazovat lepší únavové a lomové vlastnosti za nízkých teplot. 0 některých mechanických vlastnostech kompositů základní hmoty hliníkové slitiny s T1B2 v litém i v žíhaném stavu se pojednává v britském patentovém spise číslo GB-A-2.259,308. Karbid titanu zlepšuje vlastnosti stejným způsobem jako T1B2 , avšak menší měrou.

Metalurgická společnost London Scandinavian Metallurgical CLSM) Company vyvinula nedávno techniku dispergace keramiky in šitu, popsanou v britských patentových spisech číslo GB-A-2 257985, GB-A-2 259308 a GB-A-2 259309. Tato metoda používá směsi tavidla K2T1F6 a KBF< ve styku s roztaveným hliníkem. Chemický proces dispergování T1B2 v hliníkových slitinách je rozšířením reakce ke zjemnění zrna:

K2T1F6+ KBF4+ C3 + 1/3)A1 = T1B2+ C3 + 1/3)K₃A1F₆ + 2 A1F₃ C2)

9 9 9 9 9 9 9

999 99 9 ··· · ··· • 9 9 9 9 9

9999 99 99 99 99

Je to technika iris i tu, nazývaná též reaktiví technika lití (reactive casting technique”), přičemž keramická fáze CTilfe) se tvoří reakcí (2) a je následně dispergována v roztavené slitině.

Patentové spisy zdůrazňují, že výsledkem procesu je vytvoření produktu litého hliníku a T1B2 s maximálně 9 objemovými procenty keramické fáze (GB-ft-2,257,985). Dosud nebyly publikovány žádnou výzkumnou skupinou ve světě zprávy o zlepšení objemové frakce disperse fáze boridu titaničitého.

Podstata vynálezu

Způsob výroby kompositu se základní kovovou hmotou slitin hliníku vyztuženého keramickými částicemi boridu titanu, spočívá podle vynálezu v tom, že se kombinuje roztavený hliník s roztaveným tavidlem v inertním prostředí v podstatě prostém kyslíku a vlhkosti.

Podle vynálezu se vyrábí keramicky vyztužený komposit s kovovou základní hmotou způsobem, spočívajícím v dispergování keramické fáze v tekutém hliníku nebo hliníkové slitině, ve smísení keramické fáze buď exogenně s tavidlem a v tavení směsi společně s fází hliníkové slitiny pro dispergování nebo ve formování in šitu reakcí (2) v inertním prostředí. Oba procesy poskytují vyšší objemové podíly T1B2 v hliníkových slitinách, než jaké poskytuje proces LSM.

Podle výhodného provedení je dispergace keramické fáze TiB2 v tekutých hliníkových slitinách dosahováno technikou používající roztaveného (. k dispergování keramické slitinách se dá použít také tavidla, zejména fluoridů fáze v roztavených hliníkových tavidlových směsí oxid/fluorid).

To se nazývá dispergace keramických částic T1B2 ve slitinách hliníku ex šitu“. Při této technice se smísí keramická fáze

- 6 • · ···· • ··· · · · ··· « ··· ·

A · · · · · · ·«···· ·« ·· · · · s práškem vhodného tavidla a roztaví se společně s fází slitiny k dispergaci v inertní atmosféře. Roztavené tavidlo usnadňuje dispergaci keramické fáze v roztaveném hliníku snížením mezifázové energie mezi tavidlem, kovem a keramickou fází. Při technice ex šitu jsou vlastnosti kompositů AI-TÍB2 určovány vlastnostmi prášků, vnesených do lázně pomocí roztaveného tavidla. Objemové procento keramické fáze (TiB2> je úměrně svázáno s hmotnostním procentem T1B2 ve výchozím tavidle před tavením. Technika tedy může poskytovat velmi vysoké objemové procento 030%) keramické disperse v základní hmotě hliníkové slitiny.

Vedle techniky ex šitu, založené na zpracování roztaveného fluoridového tavidla roztaveným hliníkem, byl vyvinut jedinečný způsob pro může také výrazně technika in sítu se radikálně odlišuje odlévání, vyvinuté vytvoření keramické fáze in sítu, který zlepšit dispergaci keramické fáze. Nová od metody reaktivního složením zvoleného v LSM, chemickým tavidla, řízením mikrostruktury manipulací se složením slitiny a tavidla, velikostí a rozdělením velikostí částic vytvořené keramické fáze a přijatým způsobem zpracování. Shora popsaná technika poskytuje novou metodu odlévání a tvarování kompositových ingotů s kovovou základní hmotou s rozsahem objemových frakcí dispese keramické fáze.

rozdělení velikosti keramické fáze se projednávanou technikou in šitu. Maximální objemové procento v homogenní struktuře keramické fáze by mohlo být až 60 % T1B2 v základní hmotě hliníkové slitiny.

Jak velikost, tak dá také řídit

K usnadnění dispergace T1B2 byla určena řada nových složení tavidel, dosud neznámých ve slévárnách hliníkových slitin. Úplně nový rozsah materiálů na bázi AI-T1B2 je odvozen od techniky in šitu, ve které jsou vlastnosti litých materiálů určeny složením tavidla, chemickým složením slitinové fáze a atmosférou tavení.

444 4

44 44 44

4 44 4444 44 4

444 4444 «4 4

444 44 4 444 4 444 4

4 4 4 4 4 4

444444 44 44 44 4

- 7 Při této nové technice dispergování in šitu pomocí roztaveného tavidla, kovového vápníku nebo hořčíku, buď rozpuštěného ve slitinové fázi nebo v roztaveném tavidle, se současně redukuje* MBF^ a M2T1F6 na T1B2, KF, a MgF2 a CaF2Zde znamená M například lithium, sodík nebo draslík. Do tavidla může být také přidán hořčík a vápník jako složka k dispergování kéramické fáze. Tavidlo může být též obměněno vnesením iontů zirkonu místo inotů titanu. Ionty zirkonu i titanu mohou být v tavidlové fázi obsaženy současně.V inertním a částečně v redukčním prostředí probíhající reakce

KBF₄ + K2T1F6 + 5 (Calrozp. = 5 <CaF₂> + 4 KF + T1B2 <3>

KBF₄ + K2T1F6 + 5 (Mglrozp. = 5 <MgF₂ > + 4 KF + T1B2 <4) jsou termodynamicky výhodnější než redukční reakce K2T1F6 a KBF-4 kovovým hliníkem ve vzduchu, jak to navrhuje proces LSM. Aluminotermická redukce fluoridů ve vzduchu nebo v atmosféře bohaté na kyslík není novou koncepcí, jelikož tohoto principu se používá ke zjemňování zrna hliníkových slitin v posledních 40 až 50 letech. Proces LSM je jen rozšířením reakce ke zjemnění zrna hliníkových slitin. Velké příznivé termodynamické hnací síly pro metalotermické redukční procesy Al, Mg a Ca se dá docílit pouze ve prospěch vytváření T1B2 zaručením částečně redukční nebo inertní atmosféry, takže reagující kovy neoxidují a plně se podílejí na redukčních reakcích (3) a C4). Příznivá termodynamická hnací síla pro redukční reakci umožňuje ovládat velikost krystalů T1B2 v dispergovaném stavu ovládáním nukleačního procesu, který je silně závislý na Gibbsových volných a povrchových energiích. Vzduch jako zpracovací atmosféra nepříznivě ovlivňuje dispergační proces, usnadňováním oxidace T1B2, dispergovaného v hliníkové slitině, a nepříznivým měněním mezifázové energie mezi keramickou a kovovou fází.

U provedení, využívajících fluoridového nebo halogenidového ·· φφφ φ φφ φφ φφφφ φφφφ φφφφ φφ φ φφφ φφφφ φφ φ φ φφφ φ φ φ φφφ φ φφφ φ φ φφφφ φ φ φ φ φ φ φ φ φ φ φ · · · ·

- 8 tavidla na bázi lithia a hořčíku, to nůže být zredukováno na vytváření slitin Al-Li a Al-Mg.

Obou metod, jak ex sítu, tak in šitu, k dispergování keramické fáze v roztaveném hliníku, lze pohotové využít k výrobě velké řady strojírenských materiálů pro aplikace v automobilním průmyslu, v letectví a v tribologii.

Inertní prostředí je s výhodou prostá dusíku. Prostředí může obsahovat směs kyslíku a vlhkosti ve množství objemově nižším než 1,0 %. Avšak podle výhodného provedení obsahuje prostředí směs kyslíku a vlhkosti ve množství objemově nižším než 0,1%.

U techniky ex sítu může způsob zahrnovat operace dispergování keramické fáze v tekutém hliníku v inertním prostředí, míšení keramické fáze s tavidlem, přičemž tavidlo operativně snižuje parciální tlak kyslíku a tavení směsi spolu s fází hliníku nebo slitiny hliníku k dispergování. Keramická fáze může obsahovat borid t-itaničitý.

U techniky in šitu může způsoh zahrnovat operace dispergování boridu titanu redukcí roztavených fluoridů obsahujících titan a bór roztaveným hliníkem nebo hliníkovou slitinou nebo reaktivními kovy jako je hořčík, vápník obsažený ve slitině nebo v tavidlu.

Tavidlo s výhodou obsahuje prášek kovového hořčíku a kovového vápníku jako redukční činidlo. Tavidlem může být. fluoridové tavidlo a musí mít rozpustnost pro kyslík ve formě oxidu hlinitého.

S výhodou je tavidlem kryolit vytvářený buď po reakci in šitu M2T1F6 a MBF4 nebo jiný alkalický kov nebo kov alkalických zemin nebo fluoridy, nebo přidaný jako tavidlo

99 4 4 4 · 44 4444 • 444 4444 44 4 • 44 ···· 44 4 • 444 44 4 444 4 444 4

4 4 4 4 4 4 4444 44 44 44 44 4

- g samotné při tavení hliníku. Způsob s výhodou zahrnuje zirkon ve slitinové fázi jako facetující činidlo keramických krystalů nebo nahrazení zirkonu buď hafniem nebo chromém. Tavidlo může být redukováno rozpuštěným vápníkem a/nebo rozpuštěným hořčíkem. Hliníková slitina se s výhodou taví v prostředí argonu nebo ve směsném prostředí argonu a vodíku.

Způsobem podle vynálezu se získá komposit keramikou vyztužené základní hmoty hliníkové slitiny obsahující ve slitině dispersi keramické fáze boridu titanu v mikrometrové a v nanometrové velikosti.

Podle výhodného provedení je objemové množství keramické fáze 0 až 50 % a velikost částic boridu titanu je menší než v podstatě 5 nm. nejvýhodněji ménší než v podstatě 2 nm a keramická fáze je v podstatě homogenně rozptýlena v základní hmotě.

Vynález se také týká tavidla k vytváření kompasitu keramicky vyztužené základní kovové hmoty hliníkové slitiny, obsahující směs M2T1F6 a MBF^ , kde znamená M lithium, sodík nebo draslík. Tavidlo může být na bázi lithia a/nebo hořčíku, nebo může obsahovat M F2. kde M znamená ionty dvojmocného kovu.

Vynález se rovněž týká zařízení k výrobě kompas itu keramicky vyztužené základní kovové hmoty hliníkové slitiny, tvořeného utěsněnou reakční komorou, umístěnou uvnitř pece, a prostředky k vytváření uvnitř reakční komory inertního prostředí v podstatě prostého kyslíku a vlhkosti. Prostředky k vytváření inertního prostředí zahrnují s výhodou dávku inertního plynu v podstatě prostého kysíku a vlhkosti. Reakční komorou je s výhodou měděná reakční nádoba.

00 00 00 00·· 0000 00 0 000 0000 00 0 0 000 00 0 000 0 000 0

0 0 0 0 0 0

0000 00 00 00 00 0 •0 0000

- 10 Vynález objasňuje, nijak však neomezuje, následující příklad praktického provedení pomocí přiložených obrázků.

Seznam obrázků

Na obr. 1 je v řezu znázorněn příklad vodou chlazeného měděného kelímku, běžně používaného pro výhodné elektro-tavidlové tavení a přetavování. Šipkami je vyznačen přívod a odvod chladicí vody a přívod argonu.

Na obr. 2a až 2c jsou rnikrosnímky boridu titanu dispergovaného v hliníkových slitinách v litém stavu.

Je zřejmé, že veškeré hodnoty složek nebo udané rozsahy se mohou měnit a/nebo rozšiřovat v rozsahu zamýšleného efektu, jak je pracovníkům v oboru známo.

Příklady provedení vynálezu

Zde popsaná mikrostruktura kompositu s kovovou základní hmotou se dá získat pomocí jakéhokoli vhodného způsobu tavení v ochranném prostředí (prostředí prosté kyslíku, dusíku a vlhkosti), jak to vyplyne? z následujícího popisu. Může se to provádět například v peci s ochranným prostředím, vytápěné plynem nebo v indukční peci s protékajícím argonem nebo směsí argon-vodík k udržení v tavící nádobě prostředí s nízkým obsahem kyslíku, dusíku a vlhkosti. V případě vynálezu je použito indukčního nebo odporového ohřevu. Obr. 2a znázorňuje základní hmotu Al-Li a obr. 2b základní hmotu Al-Mg-Zr, zatímco obr. 2c znázorňuje mikrostrukturu exogenně dispergovaných částic T1B2 ve slitině hliníku s hmotnostně 4,5 % mědi.

Dispergace částic boridu titaničitého v rozsahu roztavené hliníkové slitiny je dosaženo provedením následujících operací. Proces byl sledován jak ve 20 gramové, tak 1-kilové vsázce roztavené hliníkové slitiny.

00 00 00

0000 0000 00 ·

000 0 000 00 0

000 00 0 000 0 000 0

0 0 0 0 0 0

0000 00 00 00 00 0

- 11 a) V prostředí suchého argonu nebo směsi argon-vodík se tavila několik hliníkových slitin, jmenovitě komerčních lxxx rad, s udáním hmotnostních procent Al-LiCO až 5 %). Al-Cu CO až 5 , Al-MgCO až 8¾) a Al-SiCO až 10 %) . Zvolená isoterma o o zpracování tekutého kovu byla zvolena 700 C a 1000 C, což bylo možno určit předem z teploty likvidu a známé licí teploty příslušného složení slitiny.

b) Při tavení slitiny příslušného složení se smísil prášek boridu titanu s fluoridovým tavidlem, jmenovitě s kryolitem C3MF,AlFs,M^:Li,Na a K). Tavidla smísené s keramickým práškem se tavilo s hliníkovou slitinou procesem dispergace exsitu. Po úplném natavení slitiny se také přidalo dodatečné množství keramického prášku. Tento způsob dovoluje ovládat objemový podíl dispergované fáze.

Technikou in šitu se provedla za pomoci tavidla dispergace keramické fáze natavením různých hliníkových slitin a složení tavidla v prostředí s nízkým kyslíkovým potenciálem udržováním proudu inertního plynu jako Ar nebo směsi Ar-4 % H v taviči komoře. Zařízení, znázorněného na obr. 1, může být použito ke kontinuální výrobě ingotů s kovovou základní hmotou. Kelímek je s výhodou zhotoven z vodou chlazené mědi.

c) Po homogenizační periodě nad teplotou tavení slitinové fáze, která mohla být 700 C až 1000 C podle složení slitiny a tavidla, se tekutý kov dispergovaný keramickou fází ochladil bud' odlitím do formy nebo ponecháním v tavící nádobě k pomalému vychladnutí.

Po odlití byly ingoty zkoumány k upřesnění objemových frakcí dispergované fáze a výsledných vlastností kompositů s kovovou základní hmotou. Při shora popsaném způsobu je žádaná keramická fáze smísena s vhodným tavidlem, s výhodou s fluoridovým tavidlem, které má s výhodou konečnou rozpustnost ·· 4··4 • 4 4 4 4

4 4 4

4

4 ~

4 4 4

444 φ • 4 pro oxid hliníky. To mění mezifázové napětí mezi oxidem hlinitým a tekutým kovem k zajištění energeticky výhodnějšího mezifázového napětí Cs) mezi keramickou fází a kovem C to jest SAizcer < SAi/oxid hlinitý) k dosažení maximální dispergace. Podmínky mezifázového napětí vyvíjí tlak na zpracovací parametry a na použité zařízení. Prvním, a nejvíce proměnným, je celkový obsah kyslíku v tavidle, v keramickém prášku a v kovu, což podmiňuje kyslíkový potenciál pro stabilitu neproniknutelné vrstvy oxidu hlinitého. Přítomnost neproniknutelné vrstvy oxidu hlinitého brání dispergaci keramické fáze. Pokud jsou v tavícím prostředí obsaženy nečistoty, jako vodní pára a oxid uhličitý, vzrůstá povrchová kontaminace keramického prášku kyslíkem, což vede ke špatné dispergaci keramické fáze v tekutém kovu. Z toho důvodu je třeba používat tavidla a prostředí, ve které se má proces odbývat, má být v podstatě prosté vlhkosti a nečistot obsahujících kyslík, což výlučně určuje kyslíkový potenciál v lázni tavidla a ovlivňuje tvoření neproniknutelné vrstvy oxidu hlinitého.

Výhodné tavidlo je definováno jako roztavená fáze, která slouží k následujícím účelům a v důsledku toho napomáhá dispergaci keramické fáze. Má následující vlastnosti

i) s výhodou musí vykazovat rozpustnost vůči oxidu hlinitému, takže kyslík obsažený v podobě oxidu hlinitého může být snadno odstraněn z roztaveného rozhraní tavidlo-kov, ii> je také fází, která působí jako zásobník prvků, které snižují povrchovou energii roztaveného hliníku nebo hliníkových slitin. Tato fáze působí také jako zásobník reaktivních prvků, jako je lithium, hořčík a zirkon, které se mohou snadno rozpustit v hliníkové slitině k vytvoření nových slitin, iii) je to fáze ovládající nukleační proces keramické fáze, • *

• · • · · ··· · vytvořené jako výsledek redukční reakce mezi kovem a t.avidlem, definované rovnicemi 2 až 4.

Tavidlo pro proces in šitu je směsí M2T1F6 a MBF4 , kde M znamená lithium, sodík nebo draslík. Do této směsi jsou také přidávány sloučeniny M F2 - Pro nanometrickou velikost (50 áž 100 nm) disperse T1B2 jsou výhodná tavidla na bázi lithia. Pro hrubší částice T1B2 než 100 nm, by mohlo být tavidlo kombinací M Fz a směsí M2TÍF6 a MBF4- K vytváření nových slitin, například Al-Li, Al-Mg a Al-Li-Mg by mělo tavidla obsahovat lithium a hořčík.

Taviči prostředí má být prosté kyslíku a vlhkosti k minimalizaci tvoření oxidu hlinitého. Je také výhodné regulovat koncentraci zbytkového dusíku v inertním prostředí ke snížení nebezpečí, že důležité sloučeniny se ztratí v podobě nitridů. Výhodnou maximálně přípustnou mezí celkového obsahu kyslíku by mělo být objemově 0,1 % v plynné fázi. Nad touto mezí je proces dispergování keramické fáze ohrožen přítomností neproniknutelné vrstvy oxidu hlinitého.

Zjistilo se, že zlepšených výsledků lze dosáhnout s obsahem vlhkosti nižším než objemově 5 % a s obsahem kyslíku objemově nižším než 5 %. Významně lepší výsledky jsou dosažitelné, jsou-li obsahy jak vlhkosti, tak kyslíku objemově nižší než 1 %. Ideálních výsledků se však dosahuje při procesech in šitu, je-li objemový obsah směsi kyslíku a vlhkosti nižší než 0,1 % a při procesech ex sítu nižší než 5 %

Výsledky mohou být dále zlepšeny zaručením, že zpracovací prostředí je v podstatě prostá dusíku.

Smáčivost mezi keramickou fází a kovovým hliníkem může být také zlepšena, když se nechá tavidlo reagovat s oxidem hlinitým za vzniku komplexního oxyfluoridu. Tavený kryolit je

- 14 44 44 ·· 4« •444 4444 44 4

444 4444 44 4

444 44 4 444 4 444 4 • 4 4 4 4 4 4

4444 44 44 44 44 4

4 44 4 jedním takovým tavidlem a za podmínek tavení v inertním prostředí může rozpouštět zbytková množství oxidu hlinitého z rozhraní tavidlo-kov a podporovat dispergací exogenních částic TiB2. Přísada kryolitu jako tavidla proto zlepšuje dispergací TiEte- Ukázalo se, že dispergace T1B2 v přítomnosti vodného nebo částečně vodného KBF4 a K2T1F6, vyjádřená reakcí C2) , není příliš povzbudivá, jelikož tyto dva fluoridy absorbují také významné množsví vlhkosti a v důsledku toho podporují tvoření oxidu hlinitého na rozhraní tavidlo-kov. V přítomnosti nadbytku kyslíku se fluoridové tavidlo nasytí rychle oxidem hlinitým; směs se pak stává neschopnou odstranit další množství oxidu hlinitého, vytvořeného na rozhraní. Toto snížení kapacity rozpustnosti oxidu hlinitého v roztaveném kryolitu je omezeno v dosavadním stavu techniky vlivem použití vzduchu jako zpracovacího prostředí. Dispergace T1B2 , vytvořeného jako výsledek reakce fluoridového tavidla s kovem, zůstává zachycena na rozhraní tavidlo-kov. Přítomnost oxidem hlinitým nasyceného kryolitu proto zabraňuje dispergací T1B2 , vytvořeného in šitu. Iontotvorný sklon kryolitu vytvářet komplex s oxidem hlinitým a s příbuznými fluoridovými tavidly rychle mění mezifrázovou energii mezi oxiem hlinitým a kovovým hliníkem. Celková koncentrace nečistot, odvozených od vlhkosti a kyslíku použitého fluoridového tavidla pro dispergování by měla být vždy nižší než rozpustnost kyslíku k nasycení (v podobě rozpuštěného oxidu hlinitého) v tavidlu. Je-li tato mez rozpustnosti nízká pro příslušný druh fluoridového tavidla, dochází k vysrážení oxidu hlinitého z tavidla jako mezifázové bariéry mezi kovem a roztaveným tavidlem. Tato tenká vrstva oxidu hlinitého nepříznivě ovlivňuje transport a dispergaci T1B2 v roztavených hliníkových slitinách.

Složení tavidel, použitých k dispergování T1B2 technikou in šitu a ex šitu je jedinečné. V každém případě byla složení tavidel vyhledána k dobru dispergačního procesu. Zejména přítomnost iontů lithia, hořčíku a zirkovu je výhodná

- 15 4* 444 4 ·· ·· 44 44 ···« 4444 44 4 • •4 4444 44 4

444 44 4 444 4 444 4 • · 4 4 4 4 4

4444 44 44 44 44 4 v tavidlech k napomáhání dispergace T1B2 v hliníkových slitinách. Prvky upravující povrchovou energii slitinové fáze (například lithium, hořčík, olovo, bismut, zirkon a železo) se začleňují do tavidel jako významné složky. Pro dispergování T1B2 lze použít tav i del následujících ty pil - halogenidové tavidlo (fluorid plus chlorid)

- oxidové tavidlo

- směs halogenidového a oxidového tavidla.

Zpracovací prostředí musí být suché a inertní, jak shora uvedeno. Tavidla s halogenidy a oxidy poskytují podobné výsledky v tom, že snižuji povrchovou energii roztaveného hliníku a hliníkových slitin, jak je to pozorováno u fluoridů. Snižování povrchové energie slitinové fáze je jednou z nejvýznamnějších úloh tavidla při napomáhání dispergačnímu procesu. Tento princip platí jak u procesu in sítu, tak u procesu e xsitu. Snížení povrchové energie roztaveného hliníku a jeho slitin podporuje podmínky pro nukleaci fáze T1B2 procesem in sítu, což je jinak nemožné dosáhnout, není-li kyslíkový potenciál taviči komory řízen.

Mikrostrukturu litých komposit-ů procesem ex šitu je možno měnit použ i t ím energii kovové která snižují povrchovou hlediska napomáhá použití dispergování ex šitu T1B2složení tavidel fáze. Z tohoto tavidla na bázi lithia a hořčíku

Očekává se, že obsah zirkonu v tavidle vyvolá podobný účinek, k jakému dochází v procesech in šitu se slitinou Al-8%Mg-l%Zr.

Smáčivost keramické fáze hliníkovou slitinou také určuje kritéria volby pro materiál kelímku. Grafit jako materiál nádoby pro roztavenou hliníkovou slitinu se hodí pouze k dosažení diperse přednostně na povrchu kovu. To vyžaduje nižší hodnotu saiztíB2zc než saiztíB2 v přítomnosti roztaveného kryolitu.V důsledku toho bylo dispergace keramické látky dosaženo pouze na povrchu ingotu slitiny při všech • 0

- 16 0· *· 00 0 00 0 0 00 0

0 0 0 0 0 Φ

000 00 0 0·0 0

0 0 0 0

0000 00 00 00

0000

000 teplotách. Dosud nebylo nalezeno fluoridové tavidlo, které zajistí rozsáhlou dispergaci v celém objemu kovu, udržovaného v grafitovém kelímku, navzdory skutečnosti, že grafit je požírač kyslíku a potlačí vytváření oxidu hlinitého. Ocenit lze z termodynamického hlediska jeho úlohu při snižování parciálního tlaku kyslíku vytvářením oxidu uhličitého a oxidu uhelnatého na rozhraní. Odstraňování mezi fázového kyslíku tudíž ovlivní mezifázové napětí, které se pak sníží ke prospěchu povrchové dispergace T1B2 na rozhraní kov-kelímek, jelikož sai/tíB2/c je nižší než sai/tíbžPoužití oxidu hlinitého jako materiálu kelímku s kryolitem jako tavidlem je výhodné. To je založeno na shora popsaných principech mezifázové energie. Při použití oxidu hliníku jako materiálu kelímku lze pozorovat významné zlepšení dispergace keramické fáze v roztaveném hliníku. Důvodem je. že soxid hiiniy/kryoiit mezifázového napětí převládá na rozhraní stěny kelímku a tavidla, čímž je uměle zvýšeno mezifázové napětí Soxid hlinity/tavidio/TiB2- Tento nárůst rozdílu povrchové energie mezi soxid hliniy/kryolit a Soxid hiinity/tavidioXTiB2 podporuje povrchově vyvolanou migraci T1B2 z rozhraní oxid hlinitý/tavidlo/TiB2 v blízkosti stěny kelímku do energeticky výhodnějšího rozhraní AI/T1B2 v celém kovu.

K pochopení mezifázové energie mezi keramickou a kovovou fází se dochází z prvního principu, který vyvolává teorii mezifázové vazby. Všechny legující prvky, které snižují povrchovou energii roztaveného hliníku, napomáhají dispergačnímu procesu. Tento činitel umožňuje vytvářet slitiny, které zajistí radu mikrostruktur dispergované fáze v základní hmotě hliníkové slitiny. Obsah některých legujících prvků, jako lithia, hořčíku, zirkonu, bismutu, olova, železa a titanu umožňuje vyšší dispergaci T1B2 v hliníkových slitinách. Avšak měď a křemík nemění významně povrchové napětí hliníku ve

- 17 • · ·· · · 4 4 4 4

4 4 4 · · · • · · · 4 4 4

4 4 4 4 · · · · 4

4 4 4 4 srovnání s lithiem, hořčíkem a zirkonem. Přítomnost legujících prvků působí na volbu základního materiálu k dosažení vyššího modulu pružnosti. Legující prvky, které mají silný sklon k vytváření sloučenin, zlepšují obecně smáčivost a disperbaci keramické fáze v hliníkových slitinách. Z toho důvodu jsou voleny zejména slitiny Al-Mg a Al-Li jako základní materiály o nízké hustotě. Na základě snižování mezifázové energie vlivem obsahu legujících prvků se také ukázalo, že základní hmota slitiny Al-Cu je méně účinným základním materiálem než systém Al-Mg. Z tohoto hlediska se zjistilo, že lithium v tekutém hliníku je účinnější v dosahování vysokého dispergovaného objemu TiB2- Prvky, měnící povrchovou energii, se mohou do tavícího procesu dostat bud' s tavidlem nebo s kovem. Přítomnost zirkonu napomáhá morfologickým změnám a po nukleaci pokračuje hrubnutí částic T1B2, vytvořených in sítu reakcí 1 až 4. Má se zato, že chrom a hafnium a ostatní prvky, vytvářející boridy, mají podobné účinky. Při obsahu zirkonu jako legujícího prvku v hliníkových slitinách se pozoruje sklon k řádkování krystalů TÍB2Dispergace bromidu titaničitého CTÍB2) bylo také dosaženo použitím směsi fluoridového tavidla na bázi KBF<, LiBF^, K2T1F6 a LÍ2T1F6 a KF, MgF2, LiF a jejich variant. Přítomnost lithia v roztaveném fluoridovém tavidle (nebo v kovu nebo v obou fázích) může vyvolat bohatou nukleaci velmi jemné keramické fáze T1B2 v roztavené hliníkové slitině. Příkladem je obr. 2a. Avšak toto pojetí, založené na porozumnění povrchové energii, vedlo také k vývoji rozpouštění legujících prvků, jako lithia, hořčíku a vápníku, v roztaveném hliníku, což nelze snadno provést v elementární podobě. Aluminotermická redukce za pomoci tavidla je také novým způsobem přípravy slitin Al-Li, Al-Mg, Al-Li-Mg a jejich kompositů.

Techniky rozpouštění legujících prvků pomocí tavidla Cjak byly objeveny autorovými experimenty dispergování keramických • ·

- 18 ·· ·· látek), používající dvou typů tavidlových směsí jmenovitě CK2TÍF6-KBF4) - hmotnostně 97 % a 3 % LiF a CfeTiFe-KBFDo. 8<Lí2TiFe-LiBF₄>O.2 poskytují hmotnostně 0,45 a 4,5 % lithia v komerčně čistém roztaveném hliníku. Chemický rozbor se prováděl na ztuhlém ingotku po pečlivém očištění tavidla z jeho povrchu. Tento způsob, zaručující vysoké koncentarace rozpuštěného lithia a hořčíku v komerční hliníkové slitině, je obzvláště atraktivní pro výrobu řady složení legur pro strukturní aplikace. Přítomnost fluoridového tavidla obzvláště snižuje pohlcování vodíku slitinou Al-Li, což je, jak známo, hlavním problémem při výrobě celistvých odlitků ze slitin hliník-1ithium.

Při výhodném způsobu dispergace keramické fáze s fluoridovým tavidlem připivají povrchově aktivní prvky, jako lithium a hořčík, také k modifikaci morfologie keramické fáze T1B2 , vytvářené in šitu. Podle vynálezu se zjištuje, že obsah hořčíku a zirkonu ve slitinové fázi vede k růstu řádkovitých krystalů T1B2, které se homogenně rozptýlí v hliníkové slitině. Segregace T1B2 na hranicích zrn je v přítomnosti hořčíku minimalizována, což kontrastuje s přítomností mědi. Na obr. 2a je mikrosnímek T1B2 dispergovaného ve slitině Al-hmotnostně 4,5 % Li za použití techniky dispergace in šitu. Složení tavidla je hmotnostně 80 % stechiometrické směsi (K2T1F6 -KBF-4) a hmotnostně 20 % stechiometrické směsi CLÍ2TÍF6 -LiBF<i) - Vytvořily se submikroskopické shluky T1B2 , dispergované v celém ingotku. V těchto shlucích je velikost částic T1B2 50 až 100 nm. Úsečka o délce 1 um na obr. 2a má umožnit porovnání velikosti shluků krystalitů T1B2- Na obr. 2b je patrná rozsáhlá dispergace T1B2 řádkovitého tvaru ve slitině Al-Mg (hmotnostně 8 %)-Zr(hmotnostně 1 %) pomocí dispergační techniky in šitu. Použitým tavidlem je hmotnostně 100 % K2T1F6-KBF4- Obr. 2c je příkladem dispergace T1B2 technikou ex šitu ve slitině Al-hmotnostně 4,5 % Cu. Částice T1B2 jsou dispergovány exogenně v sodíko-kryolitovém tavidle.

- 19 druhé straně podporuje nukleaci

T1B2 submikroskopické velikosti navrhování kompositů s kovovou slitiny se silně doporučuje

Přítomnost lithia na T1B2 a vytvářejí se částic <50 nm <1.< 500 nm) . Při základní hmotou hliníkové kombinovaný účinek přítomnosti lithia a hořčíku ve slitinové fázi v morfo1ogickém inženýrství. Dá se to provést smísením tavidel 1 it.hiumf luoridu a magnesiumf 1 uoridu s tavidly draslíkového fluoridu. Velikost částic T1B2, vytvořených in šitu, a jejich rozdělení závisí také na relativních fluoroborátu CMBF4) a fluorotitanátu poměrech fluoridů drasliku <M₂TiF6) a (14 Fx) , přičemž 14 znamená ionty lithia, sodíku nebo v komplexních fluoridech, zatímco draslíku, lithia a sodíku.

ionty hořčíku, vápníku,

Uvedených principů lze použít a aplikovat je na široký obor dispergace keramické fáze v základní hmotě jak hliníku, tak hliníkových slitin. K dosažení vyšších objemových frakcí keramické disperse v kovové základní hmotě byly vyvinuty následující způsoby:

a) Disperse keramické fáze v roztaveném kovu se dosáhne pomocí vhodného tavidla. Tím může být kryolit nebo kterékoli jiné fluoridové nebo monofluoridové tavidlo, které splňuje shora uvedené podmínky mezifázového napětí. Základní slitinu lze tavit, pomocí indukční cívky nebo v plynem vytápěné peci nebo v muflové peci nebo v jednotce pro elektrofluxové přetavování, jak znázorněno na obr. 1. S dipergováním se může začít buď po natavení nebo během tavení hliníku za pomoci vhodného tavidla, pokud jsou splněny podmínky pro udržení parciálního tlaku kyslíku a mez i fázového napětí. Po dispergování keramické fáze může být dvoufázová směs keramiky s kovem odlita do vhodného tvaru použitím kteréhokoli běžného způsobu lití, kokilového, gravitačního nebo lití do písku. Disperagace lze také dosáhnout cestou roztaveného K2TÍF6 a KBF<3, nebo kterékoli jiné shora popsané směsi tavidel • 000 • ··· 0 0 0 000 0 000 0 0 0 0 0 0 0 0 0000 00 00 00 00 *

- .20 s exogenním T1B2 jakožto fází podporující nukleaci.

b) K vytvoření objemu kovu a tavidla ve vodou chlazeném měděném kelímku lze použít tavení stejnosměrným obloukem pomocí duté hliníkové elektrody, jak patrno na obr. 1. Z této metody lze vytěžit přednosti usměrněně ztuhlé mikrostruktury. Zařízení na obr. 1 sestává ze zdroje energie i připojeného k duté? elektrodě, v tomto případě tvořené hliníkem nebo hliníkovou slitinou a z vodou chlazené měděné desky 5 (přívod vody .15, odvod 25). Vodou chlazený měděný kelímek 3 (přívod vody 13, odvod 23) spočívá na grafitové desce 4, která leží na měděné desce 5. Plynný argon se zavádí do kelímku 3 trubicí 6. V měděném kelímku, obsahujícím ztuhlý ingotek 7, je tekutá směs 8 kovu a keramiky a roztaveného tavidla 9. Kelímek 3 je konstruován tak, že je schopen se zdrojem prostředí, přicházejícího trubicí 6, vytvořit uvnitř kelímku prostředí, které je v podstatě prosté kyslíku, vlhkosti a s výhodou dusíku. Zařízení obsahuje tedy prostředky k zajištění reakční prostředí v podstatě prostého kyslíku, vlhkosti a s výhodou dusíku.

Navržený způsob je podobný elektrostruskovému přetavování nebo rafinaci, vyvinuté pro zpracování slitin pro vysoké teploty. Tavidlo a keramická fáze se mohou do roztaveného kovu injektovat dutými spotřebovávanými elektrodami z hliníkové slitiny. Injektování keramiky do kovové fáze zaručí rovnoměrné rozdělení částic. Proces má dvě hlavní přednosti: i) řízení objemu keramické frakce, ii) usměrněně ztuhlou mikrostrukturu. Očekává se také vyšší objemová produkční rychlost než u procesu sprejového formování za použití této techniky s porovnatelnou cenou dokončeného produktu.

c) Současně je možno docílit dlspergace keramické fáze in šitu a ex šitu v hliníkové slitině cestou směsi kryolit-vápník fluorid/Ca nebo Mg kov/TiB2 v roztaveném stavu. Alternativně se může k dosažení vysokého objemového podílu disperse tavit « · • ·

9999

- 21 slitinová fáze bohatá buď Al-Mg nebo Al-Ca nebo Al-Li se shora popsanými tavidlovými prostředky (kryolit smísený s KBF4/K2TÍF6 nebo kterákoli jiná varianta tavidla CaF2/kryolit a K-Li-Mg fluoroborát/titanát) s TÍB2 Zařízení na obr. 1 je všestranné při produkci velmi rozmanitých kompositů se základní hmotou hliníkové slitiny. V tomto zařízeni se dá prostředí v průběhu tavení řídit zaváděním inertního plynu různé čistoty. Tavidlo se může natavit vytvořením oblouku mezi spotřebovávanou hliníkovou

e1ek trodou, která	může a	nemus i	být dutá a	základní	měděnou
(vodou chlazenou)	kovovou	elektrodou.
Obloukem se	roztav i	hliník	a tav i d 1 o .	Tavidlo	se může

také zavádět dutou elektrodou, jakmile se podmínky tavení ustálí, tedy když se dostane postačující objem kovu a tavidla do fuzického styku. Přídavně se může periodicky přidávat roztavené tavidlo k dosažení rovnoměrného objemového procenta T1B2 v základní hmotě. Základní hmota je podrobena usměrněnému tuhnutí odváděním tepla ze dna ingotku ve styku se základní deskou. Po periodě trvání oblouku se materiál taví odporovým ohřevem jako u elektrostruskového rafinačního procesu. Objemové procento keramické fáze se může měnit od jedné operace ke druhé nebo po délce odlitého ingotku řízením objemu boridu titanu (pro proces ex šitu nebo titanu a boru pro proces in šitu).

Odborníkům je zřejmé, že při způsobu ex šitu je velikost částic disperse T1B2 závislá na velikosti částic přidaných tavidlem. Na druhé straně, při způsobu in šitu, je velikost částic disperse T1B2 určována manipulací se slitinou a s tavidlem. U obou způsobů se dosahuje v podstatě rovnoměrného rozdělení T1B2Přednosti výhodného způsobu jsou tyto:

• · to · to to •· ·· . toto * · · · * · · · ·· ··· · · · · · · · to ··· · · · ··· * ··· · • · · · to ·· ···· ·· ·· toto ·» ·

- 22 a) Lze dosáhnout disperse TIB?. v základní hmotě hliníkové slitiny, jmenovité slitiny Ixxx (Al-hmotnostně 4 % Cu).(Al-Mg) a Al-Li. Maximální dosud doasažené objemové procento přesahuje 50 %.

b) Při výrobě kompositu s kovou základní hmotou lze použít současně techniky in šitu a ex šitu. Elektrotavidlová technika přetavování s dutou elektrodou z hliníkové slitiny je novou technikou pro výrobu kompositových ingotň s kovovou základní hmotou s mechanismem ovládání morfologie keramické fáze jejího fázového objemu v roztavených hliníkových slitinách.

c) K výrobě řady kompositfi AI-T1B2 s řízenou mikrostrukturou lze použít běžného slévárenského tavícího a licího zařízení.

Produkty Mmc, odvozené ze zpracování popsaných tavidel s roztavenými popsanými hliníkovými slitinami a s hliníkem, mohou mít.:

- dispersi T1B2 mikrometrické a nanometrické velikosti v základní hmotě slitiny,

- objemové procento keramických fází 0 až 60 %,

-lité struktury s jak širokým, tak s úzkým rozdělením velikosti částic vyztužující fáze T1B2,

- produkty odvozené z procesu ex šitu mohou mít hrubší mikrostrukturu než u procesu in šitu; minimální velikost částic T1B2 je menší než 5 um,

- produkty odvozené z procesu in šitu s použitím slitiny Al-Mg-Zr mohou poskytovat rovnoměrnou velikost T1B2 (<2um), který je homogenně rozdělen v základní hmotě, • Φ φφ φφφφ φφφφ φφ φ φ φφφ φ φ φ φφφ φ φφφ · φ φφφφ φ φ φφφφφφ φφ φφ φφ φ

- 23 - produkty odvozené od tavidla obsahujícího lithium mohou poskytovat ultra jemnou mikrostrukturu (< 100 nm) T1B2 v základní hmotě hliníkové slitiny,

- produkty jako jsou slitiny Al-Li, Al-Mg a Al-Li-Mg lze vyrábět zpracováním roztaveného hliníku tavidlovými prostředky obsahujícími Li, Mg a Li-Mg.

Dále je uvedeno několik aplikací boridu titanu vyrobených shora uvedenými způsoby.

a) Tyčí s malým objemovým procentem méně než 5 % T1B2 v základní slitině ke zjemňování zrna lze použít přímo při DC-lití. Velikost T1B2 lze řídit ve zjemňovaci zrna za účelem potlačení sedimentace T1B2 vysoké hustoty v lázni roztavené hliníkové slitiny, čímž se snižuje předčasné doznívání zrno zjenujícího působení. Obsah ultrajemného T1B2 v hliníkové slitině vylučuje nutnost přidávání zjemnovače zrna do přechovávači pece před odlitím.

b) Popsanými způsoby lití je možno vyrábět velmi rozmanité komposity mne z hliníkových slitin pro automobilní a letecké aplikace. Mohou to být komposity lehkých slitin s kovovou základní hmotou (například Al-Li/TÍB2) pro součásti podvozků a trupů civilních letadel. Velikost T1B2 může být snížena na méně než 100 nm k využití výhody účinné interakce s dislokacemi. Malá velikost částic T1B2 také určuje horní mez objemové frakce T1B2, která může činit objemově až 2 až 3 %. Při tak nízké objemové frakci keramické fáze může být specifická pevnost a modul pružnosti udrženy na vysoké hodnotě vlivem submikroskopických dějů, jako je účinná interakce s dislokacemi a koherentní rozhraní základní hmoty s keramickou fází. Malá horní mez objemové frakce částic T1B2 v základní hmotě hliníkových slitin také podporuje proces tváření složitých tvarů.

4444 ·· 44 ··

4··· 4444 44 4 • 4 · 4444 44 4

444 44 4 444 4 444 4 • 4 4 4 4 4 4

4444 44 44 44 44 4

- 24 c) Pro automobilní aplikace lze odlévat pouzdra válců, ventily a brzdové kotouče na běžném slévárenském zařízení. Tyto všechny součásti vyžadují kombinaci vysoké tepelné vodivosti, vysoké pevnosti za tepla a lomové houževnatosti. Tepelné ovlivnění lícovaných rozměrů u kompositu AI/T1B2 je významně menší než u slitin Al/SiC vzhledem k menšímu rozdílu součinitele tepelné roztažnosti mezi AI a T1B2 než u Al-SiC.

d) Tímto způsobem lze vytvářet slitiny Al-Li, Al-Iíg a Al-Li-Mg zpracováním kovu fluoridovým tavidlem ke snížení rozpustnosti vodíku v roztavené slitině.

e) Kompositu s vysokým objemovým podílem T1B2 v kovové základní hmotě lze použít též pro silové kabely elektrického vedení. T1B2 má poměrně vyšší elektrickou vodivost než oxid hlinitý nebo SiC.

f) Komposity s vysokým objemovým podílem T1B2 v kovové základní hmotě nacházejí uplatnění také v tribologii. Například součásti vysokootáčkových výtlačných čerpadel na mořskou vodu lze vyrábět pomocí shora popsaných mmc. Těchto materiálů lze také použít jako brzdových zdrží u vlaků se vysokými a středními rychlostmi.

Přihláška si nárokuje prioritu od britské přihlášky vynálezu číslo GB 9506640.3.

Claims

PATENTOVÉ

NÁROKY

1. Způsob výroby kompositu se základní kovovou hmotou slitin hliníku vyztuženého keramickými částicemi boridu titanu, vyznačující se t í m, že se kombinuje roztavený hliník s roztaveným tavidlem v inertním prostředí v podstatě prostém kyslíku a vlhkosti.
2. Způsob podle nároku 1,vyznačuj ící se tím, že inertní prostředí je v podstatě prosté dusíku.
3. Způsob podle nároku la 2,vyznačující se t í m, že prostředí obsahuje objemově směsi kyslíku a vlhkosti méně než 0,5 %.
4. Způsob podle nároku 1 až 3,vyznačující se t í m, že prostředí obsahuje objemově směsi kyslíku a vlhkosti méně než 0,1 %.
5. Způsob podle nároku 1 až 4,vyznačující se t í m, že se disperguje keramická fáze v tekutém hliníku nebo v hliníkové slitině v inertním prostředí, mísí se keramické fáze s tavidlem, přičemž tavidlo snižuje parciální tlak kyslíku a směs se taví dohromady s hliníkem nebo s hliníkovou slitinou k dispergování.
6. Způsob podle nároku 5,vyznačující se tím že keramickou fázi tvoří borid titanu.
7. Způsob podle nároku 1 až 4, vyznaču j íc í se tím, že se disperguje borid titanu redukcí fluoridů, obsahujících titan a bór, roztaveným hliníkem nebo hliníkovou slitinou.
8.

Způsob podle nároku 7,vyznačuj ící

44 4444

99 ·· 44 44

4 4 4 4 « 4 4 4 4 4 4

444 4444 44 4

4 444 44 4 «44 4 444 ·

4 4 4 4 4 4 4

4444 44 44 44 44 4

- 2& t í m, že se používá fluoridů lithia, sodíku, draslíku, hořčíku nebo vápníku.
9. Způsob podle nároku 1 až 8,vyznačující se tím, že tavidlo obsahuje jako redukční činidlo práškový kovový vápník nebo kovový hořčík.
10. Způsob podle nároku 1 až 9, vyznačující se tím, že tavidlem je fluoridové tavidlo s rozpustností kyslíku v podobě oxidu hlintého.
11. Způsob podle nároku 10,vyznačuj ící se t í m, že tavidlem je kryolit, který se tvoří buď reakcí in šitu LÍ2TÍF4 a L1BF4 nebo jiný alkalický kov nebo kov alkalických zemin nebo fluoridy, nebo se kryolit přidává jako tavidlo samotné při tavení hliníku.
12. Způsob podle nároku 10,vyznačující se t í m, že se používá slitiny Al-Mg-Zr jako činidla řádkujícího krystaly a zirkon se nahrazuje hafniem nebo cerem.
13. Způsob podle nároku 1 až 12, vyznačující se tím, že se tavidlo redukuje rozpuštěným vápníkem a/nebo hořč íkem.
14. Způsob podle nároku 13, vyznačující se tím, že hliníková slitina obsahuje jednu nebo několik komerčních Ixxx řad, Al-Li (0 až 5 %) , Al-Cu (0 až 5 %), Al-Mg ¢0 až 8 a Al-Si CO až 10 %), přičemž jsou procenta míněna hmotnostně.
15. Způsob podle nároku 1 až 14,vyznačuj ící se t í m, že hliníková slitina se taví v prostředí plynného argonu nebo ve směsi argonu a vodíku.

·· ·· ·· ·· ·♦ ····

9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 · ··· · · · 9 9 9 9 9 999 99 9 999 9 999 9

9 9 9 9 9 9 9 9999 99 99 99 99 9

- 27
16. Způsob podle nároku 1 až 15, vyznačuj ící se? t í m, že teplota tavení je dána teplotou likvidu a známou licí teplotou příslušného složení slitiny.
17. Způsob podle nároku 1 až 16,vyznačující se t i m, že teplota tavení je 700 až 1000 °C.
18. Způsob podle nároku 1 až 17,vyznačuj ící se t i m, že? po úplném natavení hliníku nebo hliníkové slitiny se přidává dodatečné množství keramické fáze spolu s tavidlem.
19. Způsob podle nároku 18,vyznačuj ící se t i m , že se keramická fáze injektuje do roztaveného kovu dutou elektrodou.
20. Způsob podle nároku 1 až 19,vyznačujíc i se tím, že po homogenizaci nad teplotou tavení se tekutý kov, dispergovaný keramickou fází, ochladí buď vylitím do formy nebo se nechá pomalu vychladnout v tavící komoře
21. Způsob podle nároku 1 až 20, vyznačující se t. i m , že se použije t-avicí komory z oxidu hlinitého, z grafitu nebo z mědi.
22. Způsob podle nároku 1 až 21,vyznačující se t i m, že k tavení základní slitiny se použije indukční cívky, plynem vytápěné pece nebo muflové pece.
23. Způsob podle nároku 1 až 22, vyznačující se tím, že k tavení kovu a tavidla se použije stejnosměrného oblouku s dutou elektrodou z hliníku nebo z hliníkové slitiny ve vodou chlazeném kelímku.
24. Způsob podle nároku 1 až 23,vyznačující se tím, že dispergaci keramické fáze se napomáhá lithiem ve směs i.

·· ·· *· ···· • * * * * * » • · · · · · · • · · ··« · ··« * « · « » · ·» ·· «» * ·· ·· * * · * • · · * ··· ♦ · ···· ··

- 28
25. Komposit kovové základní hmoty hliníku nebo hliníkové slitiny keramicky vyztužený , vyznačující se t í m, že ve slitině je disperse boridu titaničitého o mikrometrové a nanometrové velikosti.
26. Komposit podle nároku 25,vyznač ující se tím, že objemové procento keramické fáze je 0 až 60 %.

77. Komposit podle nároku 25 nebo 26, v yznačuj ící se tím, že částice boridu titaničitého mají velikost menší než 5 um.
28. Komposit podle nároku 25, 26 nebo 27,vyznaču j íc í se t í m, že částice boridu titaničitého mají velikost menší než 2 um a jsou stejnoměrně rozptýleny v základní hmotě.
29. Tavidlo k vytváření kompositu kovové základní hmoty hliníku nebo hliníkové slitiny vyztuženého keramikou, vyznačující se tím, že ho tvoří směs M2T1F6 a MBF-4, kde M znamená lithium, sodík a draslík.
30. Tavidlo podle nároku 29, vyznačující se tím, že je na bázi lithia nebo hořčíku.
31. Tavidlo podle nároku 29 nebo 30, vyznačuj ící se t í m, že obsahuje M F2
32. Zařízení k výrobě kompositu kovové základní hmoty hliníku nebo hliníkové slitiny vyztuženého keramikou, vyznačující se tím, že sestává z utěsněné reakční komory, umístěné uvnitř pece, a z prostředků vytvářejících uvnitř reakční komory prostředí v podstatě prosté kyslíku a vlhkosti.
33.

Zařízení podle nároku 32, vyznačuj íc í • 0 ····

00 00 ·· 00 ♦ 0*· 0000 ·· 0 • 00 0000 ·· 0 0 ··· ·· 0 000 0 000 ·

0 0··0 00

0000 00 00 ·0 ·· ·

- 29 t ί m, že prostředkem vytvářejícím inertní prostředí je přívod inertního plynu v podstatě prostého kyslíku a vlhkosti.
34. Zařízení podle nároku 32 nebo 33, vyznacu j íc; í se tím, že reakční komoru tvoří měděná, grafitová nebo aluminátová reakční nádoba.
35. Způsob výroby kompositů kovové základní hmoty hliníku nebo hliníkové? slitiny vyztuženého keramikou, vyznačující se tím, že odpovídá popisu a doprovodnému obrázku.
36. Tavidlo k výrobě kompositů kovové základní hmoty hliníku nebo hliníkové slitiny vyztužený keramikou, vyznačující se tím, že odpovídá popisu a doprovodným obrázkům.
37. Zařízení k výrobě kompositů kovové základní hmoty hliníku nebo hliníkové slitiny vyztuženého keramikou .vyznačující se tím, že odpovídá popisu a doprovodnému obrázku.