PL231576B1 - Sposób wytwarzania kompozytu o osnowie faz międzymetalicznych - Google Patents

Sposób wytwarzania kompozytu o osnowie faz międzymetalicznych

Info

Publication number
PL231576B1
PL231576B1 PL403573A PL40357313A PL231576B1 PL 231576 B1 PL231576 B1 PL 231576B1 PL 403573 A PL403573 A PL 403573A PL 40357313 A PL40357313 A PL 40357313A PL 231576 B1 PL231576 B1 PL 231576B1
Authority
PL
Poland
Prior art keywords
composite
reinforcing phase
matrix
synthesis
compounds
Prior art date
Application number
PL403573A
Other languages
English (en)
Other versions
PL403573A1 (pl
Inventor
Paweł Kurtyka
Krzysztof Mroczka
Ewa Olejnik
Andrzej Janas
Original Assignee
Univ Pedagogiczny Im Komisji Edukacji Narodowej W Krakowie
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Univ Pedagogiczny Im Komisji Edukacji Narodowej W Krakowie filed Critical Univ Pedagogiczny Im Komisji Edukacji Narodowej W Krakowie
Priority to PL403573A priority Critical patent/PL231576B1/pl
Publication of PL403573A1 publication Critical patent/PL403573A1/pl
Publication of PL231576B1 publication Critical patent/PL231576B1/pl

Links

Landscapes

  • Manufacture Of Alloys Or Alloy Compounds (AREA)

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania kompozytu o osnowie faz międzymetalicznych z układów NiAl, TiAl, FeAl, wzmacnianego "in situ" cząstkami dyspersyjnymi związków ceramicznych w postaci azotków, zwłaszcza aluminium i tytanu. Sposób polega na tym, że po zainicjowaniu egzotermicznej reakcji syntezy faz międzymetalicznych osnowy, do ciekłego metalu wprowadza się uprzednio przygotowaną co najmniej jedną wypraskę proszkową, zawierającą proszki związku stanowiącego źródło reaktywnego azotu i metalu wybranego do utworzenia fazy wzmacniającej, zmieszane w proporcji wymaganej dla syntezy stechiometrycznych związków fazy wzmacniającej, a po zakończeniu reakcji syntezy związków fazy wzmacniającej, ciekły kompozyt kieruje się do operacji odlewania.

Description

Opis wynalazku
Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania kompozytu o osnowie faz międzymetalicznych z układów NiAl, TiAl, FeAl, wzmacnianego „in situ cząstkami dyspersyjnymi związków ceramicznych w postaci azotków, zwłaszcza aluminium i tytanu.
Wiadomo powszechnie, że związki ceramiczne w postaci azotków charakteryzują się wysoką temperaturą topienia i dużą twardością, dlatego ich wykorzystanie do umacniania kompozytów o metalicznej osnowie jest szeroko stosowane w praktyce.
Od szeregu lat takie kompozyty wzmacniano „ex situ elementami o różnej geometrii, zarówno wikersami, włóknami np. węglowymi, tlenku aluminium, jak i cząstkami dyspersyjnymi węglików, borków i azotków metali przejściowych. Proces ten najczęściej prowadzono w taki sposób, że fazę wzmacniającą wprowadzano do stopu osnowy wykorzystując w tym celu metody mechaniczne.
Jednakże stosowanie metod „ex situ powoduje problemy wynikające między innymi, z trudności w uzyskaniu odpowiedniego połączenia materiału osnowy z elementami wzmacniającymi, a także niestabilności chemicznej i termodynamicznej wzmocnienia w otoczeniu osnowy, co wynika głównie ze słabej zwilżalności wprowadzanej fazy wzmacniającej przez metal osnowy.
Wspomnianych niedogodności można uniknąć, stosując umacnianie metodami „in situ, w wyniku których otrzymuje się kompozyty, będące wielofazowymi materiałami z ceramiczną fazą wzmacn iającą wytwarzaną samorzutnie w ciekłym materiale osnowy podczas procesu metalurgicznego.
Przykładowo, z opisu patentowego PL 190605 znany jest sposób wytwarzania kompozytu o osnowie metalowej, umacnianego z cząstkami związków ceramicznych jak węgliki lub borki. Według tego znanego rozwiązania, do ciekłego przegrzanego metalu osnowy wprowadza się uprzednio przygotowany co najmniej jeden brykiet zawierający węgiel lub bor oraz metale wybrane z grupy obejmującej tytan, cyrkon, hafn, wanad, niob, tantal, chrom, molibden, wolfram, aluminium lub metale ziem rzadkich, a także wypełniacz będący proszkiem metalu identycznego jak osnowa syntezowanego kompozytu, w ilości 50% wag., a następnie otrzymany kompozyt poddaje się odlewaniu. Jako metal osnowy stosuje się aluminium, magnez, miedź lub ich stopy. Kontakt brykietu z rozgrzaną powierzchnią swobodną ciekłego metalu inicjuje egzotermiczną samopodtrzymującą się reakcję syntezy fazy wzmacniającej, która to reakcja przebiega gwałtownie i ma charakter eksplozyjny. W wyniku naturalnej erozji brykietu, powstające cząstki fazy wzmacniającej przechodzą do kąpieli metalowej, tworząc zawiesinę. Dodatkowe zastosowanie mechanicznego mieszania lub prądów wirowych pozwala równomiernie rozprowadzić cząstki węglików lub borków w ciekłym metalu. Po odlaniu do formy otrzymuje się gotowy kompozyt, zawierający w osnowie metalowej równomiernie rozmieszczone wydzielenia cząstek fazy wzmacniającej w postaci węglików lub borków, o żądanym, założonym udziale objętościowym.
Wspomniany wyżej znany sposób jest jednak nieprzydatny do umacniania kompozytów cząstkami fazy wzmacniającej w postaci azotków.
W praktyce przemysłowej, w celu uzyskania „in situ kompozytów wzmocnionych cząstkami azotków stosuje się zwykle metody RGI (reakcji ciekłego metalu z gazem reaktywnym), w których synteza azotków następuje w wyniku reakcji ciekłego metalu osnowy z wprowadzanym do niej gazem zawierającym azot.
Przykładowo, z opisu patentowego RO 128216A znany jest sposób i instalacja do wytwarzania metodą RGI materiałów kompozytowych z metalową osnową na bazie stopu aluminium, wzmocnioną cząstkami ceramicznymi z azotku aluminium, otrzymanymi w procesie „in situ”. Proces ten polega na otrzymaniu kompozytów z osnową ze stopu glinu i krzemu wzmocnionych cząstkami AlN o wielkości 1 do 5 mikrometrów, z zastosowaniem ciekłej stopowej matrycy zawierającej minimum 0,7% Mg dla uniknięcia chemisorpcji tlenu i dla zwiększenia ilości AlN oraz pośrednio w celu poprawy wydajności procesu, który zachodzi poprzez przedmuchiwanie azotem w temperaturze 1100-1200°C przez 10-2 h. Następnie tak otrzymany pierwotny kompozyt chłodzi się i przetapia w temperaturze 700-800°C w atmosferze ochronnej argonu, pod ciśnieniem 1,5-2, 5 mbar, po czym wlewa się przetopiony kompozyt do formy odlewniczej.
Niedogodnością metody RGI jest powstawanie stosunkowo niewielkiej ilości cząstek fazy wzmacniającej, co powoduje konieczność domieszkowania materiału osnowy katalizatorem w celu poprawy wydajności procesu, a także brak kontroli nad składem wytwarzanych cząstek wzmocnienia oraz stosunkowo duża porowatość gazowa tak wytworzonego kompozytu, co wymaga przetopienia go przed użyciem do odlewania produktów finalnych.
PL 231 576 B1
Innym znanym z praktyki przemysłowej procesem stosowanym do wytwarzania kompozytów wzmacnianych „in situ” azotkami, jest metoda infiltracji ciekłym metalem preformy zawierającej związki stanowiące źródło reaktywnego azotu. Również i ta metoda posiada znaczne ograniczenia stosowania, ze względu na uzależnienie składu azotowej fazy wzmacniającej od składu stopu infiltrującego, co uniemożliwia otrzymywanie kompozytów o dowolnych kombinacjach osnowa-faza wzmacniająca.
Celem wynalazku jest opracowanie takiego sposobu umacniania metalicznej osnowy kompozytu cząstkami azotowej fazy wzmacniającej, który eliminowałby niedogodności znanych procesów i pozwalał na syntezę cząstek azotków o zadanym składzie chemicznym podczas syntezy międzymetalicznych faz osnowy, tak aby było możliwe powstanie umocnionego kompozytu w jednym procesie metalurgicznym.
Zgodnie z wynalazkiem, sposób wytwarzania kompozytów metalicznych z dyspersyjnymi cząstkami fazy ceramicznej w postaci azotków, polega na tym, że do ciekłego, otrzymywanego podczas egzotermicznego procesu syntezy stopu faz międzymetalicznych, wprowadza się uprzednio przygotowaną co najmniej jedną wypraskę proszkową, zawierającą proszki: metalu wybranego do utworzenia związków fazy wzmacniającej oraz nośnika reaktywnego azotu. Proszki te są zmieszane w takich proporcjach molowych by stworzyć warunki syntezy stechiometrycznych związków fazy wzmacniającej. Korzystnie, wypraski zawierają proszek azotku magnezu jako źródło reaktywnego azotu oraz proszek aluminium lub tytanu, a średnia wielkość cząstek proszków komponentów wypraski wynosi poniżej 50 mikrometrów, najlepiej 10 do 40 mikrometrów.
Kontakt powierzchni wypraski z rozgrzaną podczas procesu egzotermicznego powierzchnią swobodną ciekłej fazy międzymetalicznej, zapewnia inicjację reakcji rozpadu nośnika reaktywnego azotu, a następnie syntezy powstałych w ten sposób reagentów z zawartym w wyprasce proszkiem metalu, w wyniku czego tworzy się azotkowa faza wzmacniająca o składzie chemicznym będącym odzwierciedleniem (wynikającym z) rodzaju użytego proszku metalu. Wspomniane reakcje przebiegają w sposób gwałtowny, prowadząc do naturalnej erozji wypraski, która może być przyspieszona dodatkowo ruchem ciekłego metalu wywołanym polem pochodzącym z cewki indukcyjnej, lub mechanicznym mieszaniem. Powstające w wyniku tych procesów cząstki fazy wzmacniającej przechodzą do kąpieli metalowej, tworząc zawiesinę. Po odlaniu do formy otrzymuje się gotowy materiał kompozytowy.
Proces powstawania fazy wzmacniającej jest inicjowany energią egzotermicznego procesu syntezy faz międzymetalicznych osnowy i przynajmniej częściowo realizowany podczas wspomnianej syntezy faz międzymetalicznych.
Syntezowanie cząsteczek fazy wzmacniającej podczas wytwarzania fazy międzymetalicznej, będącej osnową kompozytu, pozwala otrzymać ciekłą suspensję o wysokiej stabilności termodynamicznej otrzymywanych faz, czystości granic międzyfazowych i dużej stabilności chemicznej, zapewniającej stały skład fazowy materiału kompozytowego w czasie eksploatacji przy podwyższonych temperaturach.
W opisywanym sposobie istnieje możliwość sterowania udziałem objętościowym fazy wzmacniającej w osnowie kompozytu, poprzez zmianę masy wprowadzanych do kąpieli ciekłego metalu sprasowanych wyprasek proszków reagentów. Korzystnie, wypraski zawierają proszek azotek magnezu jako źródło reaktywnego azotu oraz proszek aluminium lub tytanu. Istnieje też możliwość modyfikacji w pewnym zakresie wielkości dyspersyjnych cząstek azotków poprzez zmianę momentu wprowadzenia wyprasek do ciekłego metalu, w którym zachodzi reakcja syntezy faz międzymetalicznych osnowy.
Kompozyty metalowe wytworzone sposobem według wynalazku zawierają w metalowej osnowie równomiernie rozproszone wydzielenia cząstek fazy wzmacniającej o średniej wielkości od 1 do 10 mikrometrów i założonym składzie oraz żądanym udziale objętościowym w osnowie. Według opisywanego sposobu można otrzymywać kompozyty o udziale objętościowym fazy wzmacniającej od 4% do 15%.
W sposobie syntezy kompozytu według wynalazku, wymienione wyżej azotkowe fazy powstają bezpośrednio w ciekłej osnowie kompozytu poprzez wykorzystanie egzotermicznego procesu syntezy faz międzymetalicznych osnowy jako inicjatora endotermicznej reakcji rozpadu i syntezy reagentów wprowadzonych bezpośrednio do ciekłego stopu w postaci proszkowych wyprasek, zawierających źródło reaktywnego azotu sproszkowanego metalu.
Uzyskany w ten sposób materiał po procesie krystalizacji tworzy kompozyt typu metaliczna osnowa (np. Ni3Al, NiAl) - ceramiczna faza wzmacniająca (np. AlN, TiN). Otrzymany opisanym sposobem kompozyt, może być szeroko wykorzystywany w elementach wymagających podwyższonych
PL 231 576 Β1 właściwości mechanicznych oraz tribologicznych w podwyższonych temperaturach, jaki i w temperaturze pokojowej.
W szczególności z tak otrzymanego kompozytu mogą być wytwarzane części silników spalinowych, łopatek turbin gazowych i innych elementów, wymagających ze względu na warunki pracy specjalnych właściwości użytkowych, w tym wysokiej wytrzymałości mechanicznej i odporności na korozję w podwyższonych temperaturach oraz znacznej odporności na ścieranie. Równie istotnym parametrem opisywanego kompozytu jest jego wytrzymałość właściwa, co pozwala stosować go w charakterze zamiennika tradycyjnych materiałów konstrukcyjnych.
Wynalazek przedstawiono szczegółowo w poniższych przykładach wykonania.
Przykład 1
Przykład ten dotyczy wytwarzania kompozytu o osnowie ΝΪ3ΑΙ wzmacnianego cząstkami AIN.
W piecu indukcyjnym wsad aluminium i nikiel podgrzano do temperatury 1073K, pod ochronną atmosferą argonu. Po osiągnięciu zadanej temperatury, została samoistnie zapoczątkowana reakcja egzotermiczna, co zwiększyło temperaturę procesu do ok. 1873K. Przygotowano uprzednio sprasowane wypraski proszkowe, zawierające proszki aluminium i azotku magnezu o granulacji rzędu 40 mikrometrów.
Skład i masę wyprasek dla kompozytu o udziale 6% obj. fazy wzmacniającej z azotku aluminium przedstawiono poniżej w tabeli nr 1.
Tabela 1
Skład i masa stosowanych wyprasek [g] Masa wprowadzanego AIN do kompozytu [g] Objętość ciekłego Ni-Al [cm’] Założony udział ALN w kompozycie [% obj.]
Al = 7,24 Mg3N2=13,4 11 52,8 6
Poprzez śluzę, wrzucano wypraski o podanej w tabeli nr 1 składzie i masie, uzależnionej od wymaganego udziału objętościowego azotku aluminium w finalnym materiale kompozytowym. Po zakończeniu reakcji syntezy azotku aluminium, kompozyt ostudzono z piecem i po ostygnięciu pobrano próbki.
Otrzymane próbki kompozytu charakteryzują się brakiem wad odlewniczych i równomiernym rozmieszczeniem fazy wzmacniającej azotku aluminium.
Przykład 2
Przykład ten dotyczy wytwarzania kompozytu o osnowie N13AI wzmacnianego cząstkami TiN.
W piecu indukcyjnym wsad aluminium i nikiel podgrzano do temperatury 1073K, pod ochronną atmosferą argonu. Po osiągnięciu zadanej temperatury, została samoistnie zapoczątkowana reakcja egzotermiczna, co zwiększyło temperaturę procesu do ok. 1873K. Tak jak w przykładzie 1, przygotowano uprzednio sprasowane wypraski proszkowe, zawierające proszki tytanu i azotku magnezu o granulacji rzędu 40 mikrometrów.
Skład i masę wyprasek dla kompozytu o udziale 5% obj. fazy wzmacniającej z azotku tytanu przedstawiono poniżej w tabeli nr 2.
Tabela 2
Skład i masa stosowanych wyprasek [g] Masa wprowadzanego TiN do kompozytu [g] Objętość ciekłego Ni-Al [cm3] Założony udział TiN w kompozycie [%obj.]
Ti - 14,62 Mg3N2= 15,27 18,9 66,7 5
PL 231 576 B1
Tak jak w przykładzie 1, przez śluzę, wrzucano do pieca wypraski o podanej w tabeli nr 2 składzie i masie, uzależnionej od wymaganego udziału objętościowego azotku tytanu w finalnym materiale kompozytowym. Po zakończeniu reakcji syntezy azotku tytanu, kompozyt ostudzono z piecem i po ostygnięciu pobrano próbki.
Otrzymane próbki kompozytu charakteryzują się brakiem wad odlewniczych i równomiernym rozmieszczeniem fazy wzmacniającej azotku tytanu.
Z uwagi na swą strukturę, kompozyty otrzymane przedstawionym wyżej sposobem charakteryzują się wysokimi, w porównaniu z metalową osnową, właściwościami wytrzymałościowymi oraz podwyższoną odpornością na ścieranie. W związku z tym, w zależności od wielkości cząstek wzmacniających, ich składu chemicznego i udziału objętościowego, elementy wykonane z materiału kompozytowego wytworzonego według wynalazku mogą znaleźć zastosowanie przy produkcji wyrobów i części pracujących w warunkach tarcia, a ze względu na polepszony moduł sztywności kompozyt może stanowić cenny materiał konstrukcyjny dla przemysłu motoryzacyjnego, do wytwarzania elementów, którym można nadać dowolny kształt wykorzystując do tego celu grawitacyjne i ciśnieniowe metody odlewnicze.

Claims (2)

  1. Zastrzeżenia patentowe
    1. Sposób wytwarzania kompozytu o osnowie faz międzymetalicznych z układów NiAl, TiAl, FeAl, wzmacnianego dyspersyjnymi cząstkami związków ceramicznych w postaci azotków, zwłaszcza aluminium i tytanu, tworzonych „in situ’’ w ciekłej metalicznej osnowie w wyniku termicznego rozkładu, mającego postać proszku, nośnika reaktywnego azotu, znamienny tym, że po zainicjowaniu egzotermicznej reakcji syntezy faz międzymetalicznych osnowy, do ciekłego metalu wprowadza się uprzednio przygotowaną co najmniej jedną wypraskę proszkową, zawierającą proszki związku stanowiącego źródło reaktywnego azotu i metalu wybranego do utworzenia fazy wzmacniającej, zmieszane w proporcji wymaganej dla syntezy stechiometrycznych związków fazy wzmacniającej, a po zakończeniu reakcji syntezy związków fazy wzmacniającej, ciekły kompozyt kieruje się do operacji odlewania, przy czym do syntezy ceramicznych cząstek fazy wzmacniającej używa się proszku azotku magnezu jako źródła reaktywnego azotu i proszku aluminium lub tytanu, których średnia wielkość cząstek wynosi poniżej 50 mikrometrów, a najlepiej 10 do 40 mikrometrów.
  2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że do ciekłego metalu wprowadza się proszkowe wypraski o takiej masie, by w procesie rozpadu zawartego w nich azotku magnezu, a następnie syntezy związków fazy wzmacniającej, otrzymać cząstki fazy wzmacniającej o udziale objętościowym w materiale kompozytowym wynoszącym od 4% do 15%.
PL403573A 2013-04-17 2013-04-17 Sposób wytwarzania kompozytu o osnowie faz międzymetalicznych PL231576B1 (pl)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL403573A PL231576B1 (pl) 2013-04-17 2013-04-17 Sposób wytwarzania kompozytu o osnowie faz międzymetalicznych

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL403573A PL231576B1 (pl) 2013-04-17 2013-04-17 Sposób wytwarzania kompozytu o osnowie faz międzymetalicznych

Publications (2)

Publication Number Publication Date
PL403573A1 PL403573A1 (pl) 2014-10-27
PL231576B1 true PL231576B1 (pl) 2019-03-29

Family

ID=51753970

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PL403573A PL231576B1 (pl) 2013-04-17 2013-04-17 Sposób wytwarzania kompozytu o osnowie faz międzymetalicznych

Country Status (1)

Country Link
PL (1) PL231576B1 (pl)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
PL450148A1 (pl) * 2024-10-28 2025-06-09 Politechnika Częstochowska Sposób wytwarzania warstwy bioaktywnej

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
PL450148A1 (pl) * 2024-10-28 2025-06-09 Politechnika Częstochowska Sposób wytwarzania warstwy bioaktywnej

Also Published As

Publication number Publication date
PL403573A1 (pl) 2014-10-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5366686A (en) Method for producing articles by reactive infiltration
Ervina Efzan et al. Fabrication method of aluminum matrix composite (AMCs): a review
CA2771342A1 (en) Silicon-rich alloys
Singh et al. In-situ synthesized polymer-derived SiC reinforced aluminum matrix composites
JP7354289B2 (ja) インサイチューで製造され、炭化タングステンで強化された合金基の複合材料とその製造方法
Cai et al. Porous NbAl3/TiAl3 intermetallic composites with controllable porosity and pore morphology prepared by two-step thermal explosion
Vallauri et al. Synthesis of TiC–TiB2–Ni cermets by thermal explosion under pressure
CN108251670B (zh) 耐高温金属间化合物合金的制备方法
Ma et al. Fabrication of (TiB2− TiC) p/AZ91 magnesium matrix hybrid composite
Hanyaloglu et al. Reactive sintering of electroless nickel-plated aluminum powders
Son et al. Low-temperature synthesis of (TiC+ Al2O3)/Al alloy composites based on dopant-assisted combustion
JP2004346368A (ja) 複合材料の製造方法、及び複合材料
Dyzia et al. Aluminium matrix composites reinforced with AlN particles formed by in situ reaction
Kim et al. Role of excess Al on the combustion reaction in the Al-TiO2-C system
Gupta et al. Impression creep behaviour of in-situ Al3Ti reinforced Al alloy composite fabricated by salt-melt reaction technique
RU2729267C1 (ru) Способ получения литых композиционных алюмоматричных сплавов
JP2002356754A (ja) 複合材料の製造方法及び同製造方法により製造された複合材料
Gostishchev et al. High-temperature synthesis of composites based on nickel aluminides
US20060032558A1 (en) Titanium aluminide intermetallic composites
RU2263089C1 (ru) Способ получения композиционного материала
RU2739898C1 (ru) Способ получения композиционного металлического сплава, содержащего карбид титана
Wang et al. Effect of Ti/B on fabricating TiB2p/AZ91 composites by employing a TiB2p/Al master alloy
Murmu et al. Temperature-assisted microstructure development for TiB2 reinforced Cu matrix composite
RU2859007C1 (ru) Способ получения дисперсно-упрочненных композиционных металлокерамических материалов на основе карбида титана
Kevorkijan et al. Fabrication and characterisation of mg-B4C composites