Nothing Special   »   [go: up one dir, main page]

RU2793620C1 - Металломатричный композит на основе высокоэнтропийного сплава - Google Patents

Металломатричный композит на основе высокоэнтропийного сплава Download PDF

Info

Publication number
RU2793620C1
RU2793620C1 RU2022118797A RU2022118797A RU2793620C1 RU 2793620 C1 RU2793620 C1 RU 2793620C1 RU 2022118797 A RU2022118797 A RU 2022118797A RU 2022118797 A RU2022118797 A RU 2022118797A RU 2793620 C1 RU2793620 C1 RU 2793620C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
tib
metal
matrix
alloy
matrix composite
Prior art date
Application number
RU2022118797A
Other languages
English (en)
Inventor
Максим Сергеевич Озеров
Виталий Сергеевич Соколовский
Никита Дмитриевич Степанов
Сергей Валерьевич Жеребцов
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет" (НИУ "БелГУ")
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет" (НИУ "БелГУ") filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет" (НИУ "БелГУ")
Application granted granted Critical
Publication of RU2793620C1 publication Critical patent/RU2793620C1/ru

Links

Images

Abstract

Изобретение относится к металломатричным композитам на основе высокоэнтропийного сплава и может быть использовано для конструкционных применений в авиастроении и энергетическом машиностроении, в том числе при высоких температурах. Металломатричный композит Al5Nb24Ti40V5Zr26/TiB2, полученный путем вакуумно-дугового переплава в среде чистого аргона алюминия, ниобия, титана, ванадия, циркония с добавлением TiB2 со средним размером частиц 4 мкм, содержит матрицу из высокоэнтропийного сплава Al5Nb24Ti40V5Zr26 и армирующий компонент TiB2, при этом матричный сплав содержит: 5 ат.% алюминия, 24 ат.% ниобия, 40 ат.% титана, 5 ат.% ванадия и 26 ат.% циркония, а металломатричный композит содержит 1 мас.% TiB2. Изобретение направлено на получение металломатричного композита с высоким пределом прочности, пределом текучести и пластичности на растяжение при комнатной температуре. 2 ил., 1 табл., 2 пр.

Description

Настоящее изобретение относится к области металлургии, в частности к получению композиционных материалов с металлической высокоэнтропийной матрицей, упрочненных частицами борида титана. Данное изобретение может быть использовано для конструкционных применений в авиастроении и энергетическом машиностроении, в том числе и при высоких температурах.
Основные проблемы применения современных жаропрочных материалов связаны с необходимостью повышения рабочих температур деталей авиационных и ракетных двигателей выше 600-700°С при одновременном снижении их веса. В настоящее время в авиационном и ракетном двигателестроении наиболее широко применяются интерметаллидные сплавы на основе алюминида титана и никеля. Повышение жаропрочности таких сплавов возможно путем их легирования тугоплавкими элементами. Однако такое легирование приводит к повышению плотности сплавов и снижению их пластичности. Перспективной альтернативой интерметаллидным сплавам являются активно исследуемые в последнее десятилетие так называемые высокоэнтропийные сплавы. Данные сплавы состоят из четырех, пяти и более химических элементов, находящихся в равных или практически равных концентрациях. При этом существующие экспериментальные данные показывают, что высокоэнтропийные сплавы могут обладать высокими эксплуатационными характеристиками, необходимыми для авиационной и ракетной отраслей промышленности.
На данный момент известно несколько вариаций высокоэнтропийных сплавов, наиболее близких по химическому составу к заявленному композиту.
Известен сплав AlNbTiV (Stepanov N.D., Yurchenko N.Yu., Skibin D.V., Tikhonovsky, M.A., Salishchev G.A. Structure and mechanical properties of the AlCrxNbTiV (x= 0, 0.5,1, 1.5) high entropy alloys//Journal of Alloys and Compounds. – 2015. – V.652. – Pp. 266-280). Данный сплав содержит 27,6 ат.% алюминия, 24,1 ат.% ниобия, 24,8 ат.% титана, 23,5 ат.% ванадия. Сплав обладает низкой плотностью около 5,6 г/см3 и достаточной низкотемпературной пластичностью 5,2%. Основным недостатком данного сплава является недостаточно высокий удельный предел текучести при высокой температуре: 100 кПа⋅м3/кг при Т=800°С.
Известен высокоэнтропийный сплав AlNbTiVZr0.5 (Stepanov N.D., Yurchenko N.Yu., Sokolovsky V.S., Tikhonovsy M.A., Salishchev G.A. An AlNbTiVZr0.5 high-entropy alloy combining high specific strength and good ductility // Materials letters - 2015. – V.161. – Pp. 136-139). Данный сплав содержит 23,4 ат.% алюминия, 20,9 ат.% ниобия, 22,8 ат.% титана, 21,7 ат.% ванадия и 11,2 ат.% циркония. Сплав обладает низкой плотностью порядка 5,64 г/см3, высокой низкотемпературной пластичностью до 50%, и более высоким удельным пределом текучести при высокой температуре около 120 кПа⋅м3/кг при Т = 800°С. Основными недостатками данного сплава является избыточное содержания циркония в количестве 11,2 ат.%, что повышает его удельный вес и приводит к повышению стоимости сплава, а также низкая величина удельного предела текучести - не более 120 кПа⋅м3/кг при Т = 800°С.
За прототип был выбран высокоэнтропийный сплав Al5Nb24Ti40V5Zr26 (S. Zherebtsov, N. Yurchenko, E. Panina, M. Tikhonovsky, N. Stepanov. Gum-like mechanical behavior of a partially ordered Al5Nb24Ti40V5Zr26 high entropy alloy, Intermetallics 116 (2020) 106652). Данный сплав содержит 5 ат.% алюминия, 24 ат.% ниобия, 40 ат.% титана, 5 ат.% ванадия и 26 ат.% циркония. Основным недостатком данного сплава является недостаточно высокий удельный предел прочности на растяжение при комнатной температуре, равный 800 МПа.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей изобретения является получение металломатричного композита на основе высокоэнтропийного сплава Al5Nb24Ti40V5Zr26 с высокими показателями прочности, а также приемлемыми значениями пластичности при комнатной температуре, позволяющими изготавливать детали для применения в авиастроении.
Технический результат изобретения заключается в получении металломатричного композита Al5Nb24Ti40V5Zr26/TiB2 с высокими показателями предела прочности 900 МПа, предела текучести – 840 МПа и пластичностью на растяжение 6 % при комнатной температуре, за счет упрочнения диборидом титана.
Задача изобретения решается предложенным металломатричным композитом Al5Nb24Ti40V5Zr26/TiB2, полученным путем вакуумно-дугового переплава в среде чистого аргона из химических элементов в следующем процентном отношении: 5 ат.% алюминия, 24 ат.% ниобия, 40 ат.% титана, 5 ат.% ванадия и 26 ат.% циркония с добавлением 1 % вес. TiB2 со средним размером частиц 4 мкм.
Отличительной особенностью предложенного композита является его химический состав, неизвестный из уровня техники. Пластичная матрица на основе сплава Al5Nb24Ti40V5Zr26 обеспечивает высокий баланс механических и жаропрочных свойств. Неожиданно было установлено, что введение в состав матрицы 1 % вес. высокотвердого армирующего компонента TiB2 значительно повышает прочностные свойства композита наряду с обеспечением хорошей пластичности на растяжение при комнатной температуре. Новизна и изобретательский уровень предложенного изобретения заключается в легировании высокоэнтропийной матрицы Al5Nb24Ti40V5Zr26 1 % вес. армирующим компонентом TiB2. Чистота элементов, используемых при получении заявленного композита Al5Nb24Ti40V5Zr26/TiB2, приведена в таблице 1.
Таблица 1 – Чистота элементов, используемых при получении заявленного композита Al5Nb24Ti40V5Zr26/TiB2.
Figure 00000001
Изобретение иллюстрируется следующими материалами:
Фиг. 1 – Изображение микроструктуры композита Al5Nb24Ti40V5Zr26/TiB2, (а) – сканирующая электронная микроскопия, (б) EBSD анализ (ОПФ карта).
Фиг. 2 – Кривые напряжение-деформация, полученные при испытаниях на одноосное растяжение при комнатной температуре образцов исходного сплава Al5Nb24Ti40V5Zr26 и заявленного композита Al5Nb24Ti40V5Zr26/TiB2.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В качестве исходных материалов используют высокочистые элементы алюминия, ниобия, титана, ванадия, циркония и порошка диборида титана (TiB2) со средним размером частиц 4 мкм. Далее проводят процесс вакуумно-дугового переплава с использованием установки Buehler Arc Melter 200 в среде чистого аргона при рабочей температуре 3500°C в течение 60 минут для получения литого металломатричного композита Al5Nb24Ti40V5Zr26/TiB2.
Возможность осуществления изобретения поясняется примерами технологического процесса получения заявленного композита с высокими значениями прочности и пластичности.
Пример 1.
Для получения композита используют чистые элементы в следующем процентном отношении, ат. %: алюминий 5, ниобий 24, титан 40, ванадий 5, цирконий 26 и 1 % вес. диборида титана TiB2. Размер частиц порошка диборида титана использован со средним размером частиц 4 мкм. Далее проводят процесс вакуумно-дугового переплава на установке Buehler Arc Melter 200 в среде чистого аргона при рабочей температуре 3500°C в течение 60 минут.
Полученные слитки переплавляют 5 раз для получения однородного распределения химических элементов по объему заготовки.
Полученные в итоге слитки имели массу 50 г, пор или каких-либо других дефектов в структуре слитков обнаружено не было.
Пример 2.
Исследования микроструктуры сплава проводили с использованием растрового (сканирующего) электронного микроскопа FEI Quanta 600 FEG (фиг.1). Видно, что полученный композит имеет однофазную ОЦК структуру с равномерным распределением боридов. Средний размер зерен составил 150 мкм.
Механические испытания на растяжение полученного композита Al5Nb24Ti40V5Zr26/TiB2 и для сравнения исходного сплава Al5Nb24Ti40V5Zr26 проводили на универсальной электромеханической испытательной машине Instron 5882 при комнатной температуре (Фиг.2).
Значение предела прочности составило 900 МПа, предела текучести - 840 МПа, пластичность на растяжение 6 %.
Таким образом, поставленная задача достигнута. Полученный металломатричный композит Al5Nb24Ti40V5Zr26/TiB2 имеет высокие показатели предела прочности 900 МПа, предела текучести – 840 МПа и пластичности на растяжение 6 % при комнатной температуре.

Claims (1)

  1. Металломатричный композит Al5Nb24Ti40V5Zr26/TiB2, содержащий матрицу из высокоэнтропийного сплава Al5Nb24Ti40V5Zr26 и армирующий компонент TiB2, полученный путем вакуумно-дугового переплава в среде чистого аргона, алюминия, ниобия, титана, ванадия, циркония с добавлением TiB2 со средним размером частиц 4 мкм, при этом матричный сплав содержит: 5 ат.% алюминия, 24 ат.% ниобия, 40 ат.% титана, 5 ат.% ванадия и 26 ат.% циркония, а металломатричный композит содержит 1 мас.% TiB2.
RU2022118797A 2022-07-11 Металломатричный композит на основе высокоэнтропийного сплава RU2793620C1 (ru)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2793620C1 true RU2793620C1 (ru) 2023-04-04

Family

ID=

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2814924C1 (ru) * 2023-09-05 2024-03-06 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет" (НИУ "БелГУ") Металломатричный композит на основе жаропрочного титанового сплава

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4726842A (en) * 1982-12-30 1988-02-23 Alcan International Limited Metallic materials re-inforced by a continuous network of a ceramic phase
US5093148A (en) * 1984-10-19 1992-03-03 Martin Marietta Corporation Arc-melting process for forming metallic-second phase composites
US6599466B1 (en) * 2002-01-16 2003-07-29 Adma Products, Inc. Manufacture of lightweight metal matrix composites with controlled structure
US20170314097A1 (en) * 2016-05-02 2017-11-02 Korea Advanced Institute Of Science And Technology High-strength and ultra heat-resistant high entropy alloy (hea) matrix composites and method of preparing the same

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4726842A (en) * 1982-12-30 1988-02-23 Alcan International Limited Metallic materials re-inforced by a continuous network of a ceramic phase
US5093148A (en) * 1984-10-19 1992-03-03 Martin Marietta Corporation Arc-melting process for forming metallic-second phase composites
US6599466B1 (en) * 2002-01-16 2003-07-29 Adma Products, Inc. Manufacture of lightweight metal matrix composites with controlled structure
US20170314097A1 (en) * 2016-05-02 2017-11-02 Korea Advanced Institute Of Science And Technology High-strength and ultra heat-resistant high entropy alloy (hea) matrix composites and method of preparing the same

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Stepanov N. et al., Gum-like mechanical behavior of a partially ordered Al5Nb24Ti40V5Zr26 high entropy alloy, Journal article, 28.01.2020, intermetallics, т. 116, номер публикации 106652. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2814924C1 (ru) * 2023-09-05 2024-03-06 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет" (НИУ "БелГУ") Металломатричный композит на основе жаропрочного титанового сплава

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101928329B1 (ko) 나노 결정립 고 엔트로피 합금의 제조방법 및 이로부터 제조된 고 엔트로피 합금
Nguyen et al. Enhancing compressive response of AZ31B using nano-Al2O3 and copper additions
Lu et al. Structure and properties of Mg–Al–Ti–B alloys synthesized via mechanical alloying
Zhou et al. Mechanical property and microstructure of in-situ TiB/Ti composites via vacuum sintering and hot rolling
Gui et al. Fabrication and characterization of cast magnesium matrix composites by vacuum stir casting process
Sklenička et al. Creep processes in magnesium alloys and their composites
CN113073232B (zh) 一种三元微纳颗粒复合增强耐热钛基复合材料及其制备方法
EP2110451B1 (en) L12 aluminium alloys with bimodal and trimodal distribution
Zhang et al. Structure stability and mechanical properties of Mg–Al-based alloy modified with Y-rich and Ce-rich misch metals
Nguyen et al. Influence of nano-alumina and sub-micron copper on mechanical properties of magnesium alloy AZ31
Oakley et al. Recent developments in magnesium matrix composites
Wang et al. Microstructures and mechanical properties of as-cast Mg–5Y–3Nd–Zr–xGd (x= 0, 2 and 4 wt.%) alloys
WO2016071694A2 (en) Grain refiner for magnesium alloys
WANG et al. TiC/AZ91D composites fabricated by in situ reactive infiltration process and its tensile deformation
RU2631066C1 (ru) Жаропрочный высокоэнтропийный сплав
RU2793620C1 (ru) Металломатричный композит на основе высокоэнтропийного сплава
JPH05255781A (ja) クロム、ホウ素およびニオブで改良されている加工されたガンマ‐アルミニウム化チタン合金
CN114622118A (zh) 一种塑性碳化物强化的Nb-Ta-W-C高温中熵合金及其制备方法
Mohammed et al. Studying the effect of Different wt% AL2O3 Nanoparticles of 2024Al Alloy/AL2O3 Composites on Mechanical Properties
Gotagunaki et al. Investigation on microstructure and tensile fractography of RE Oxides (CeO2/Y2O3) reinforced AZ91D Magnesium Matrix Composites
JPS63312901A (ja) 耐熱性高力a1合金粉末及びそれを用いたセラミック強化型耐熱a1合金複合材料
Lemos et al. Development of a TiCp reinforced Ni-based superalloy MMC, with high creep resistance and reduced weight
Henriksen The microstructure of squeezecast SiCw-reinforced Al4Cu base alloy with Mg and Ni additions
Wang et al. Fabrication and Mechanical Properties of In Situ Synthesized Ti 2 AlN/TiAl Composite
RU2814924C1 (ru) Металломатричный композит на основе жаропрочного титанового сплава