Súťaž.
Súťaž.
Na prípravu zliatiny Ti-46Al-8Ta (at.%) sme využili metódu reakčného spekania a tavenia v plazmovej peci. Mikroštruktúru po reakčnom spekaní tvoria častice nerozpusteného tantalu a heterogénna zmes Ti a Al. Relatívna hustota lisovaných vzoriek sa v závislosti na lisovacom tlaku mení od 77 do 92 %. Po spekaní sa znižuje na hodnotu 51 až 68 %. Pri teplote 684 °C dochádza k exotermickej reakcii, čím sa zvýši teplota spekaných vzoriek na 1141 °C. Optimalizované podmienky lisovania (430 MPa) a spekania (1000 °C/0,33 h) umožňujú pripraviť ingot vhodný na tavenie. Ingot po tavení pri maximálnej teplote ~1650 ºC je celistvý, bez chýb. Mikroštruktúru tvoria lamelárne zrná a častice fázy Ti3Al.
1 Úvod
Intermetalické zliatiny na báze TiAl tvoria skupinu kovových materiálov s vynikajúcimi vlastnosťami, ako sú vysoká teplota tavenia, nízka merná hmotnosť 3,9 – 4,2 g/cm3, dobrá odolnosť proti oxidácii a korózii a dobrá vysokoteplotná pevnosť. Sú určené pre vysokoteplotné aplikácie v automobilovom a energetickom priemysle [1]. Do tejto skupiny zliatin patria hlavne zliatiny na báze intermetalických fáz α2 (Ti3Al) s hexagonálnou štruktúrouD019a γ (TiAl) s tetragonálnou štruktúrou L10. Keďže intermetalické zlúčeniny Ti3Al a TiAl samostatne nedosahujú požadované mechanické vlastnosti vhodné pre priemyselné aplikácie, pozornosť sa sústreďuje na prípravu dvojfázových zliatin α2 + γs cieľom nahradiť ťažšie niklové superzliatiny [1].
Nevýhodou zliatin na báze TiAl sú problémy pri ich výrobe. Dôvodom je vysoká teplota tavenia a reaktivita taveniny s väčšinou materiálov používaných na výrobu téglikov [2]. Perspektívnou metódou pri výrobe týchto intermetalických zliatin je metóda reakčného spekania [3-5]. Pri príprave zliatiny reakčným spekaním sa miešajú buď čisté prášky, alebo iné vhodné východzie materiály. Ku vzniku intermediálnych fáz dochádza tepelne aktivovanou chemickou reakciou. Pri takýchto reakciách dochádza k výraznej tvorbe tepla, ktoré urýchľuje ďalšie šírenie reakcie v materiáli [5]. Pokusy pripraviť touto metódou binárnu zliatinu Ti-50Al (at.%) boli len čiastočne úspešné a narazili na problém vysokej pórovitosti [3-5]. Počas spekania Ti a Al dochádza po natavení hliníka k exotermickej reakcii a následne ku vzniku intermetalických fáz α2 a γ. Mikroštruktúru binárnej zliatiny TiAl spekanej pri teplote 900 ºC počas 30 minút tvoria fázy α2, γ a nezreagovaný Ti [4,5]. Pórovitosť je možné odstrániť následným tavením [3]. Metódou reakčného spekania je možné úspešne pripraviť ternárne zliatiny Ti-Al-Si s obsahom 22-25 (at.%) Si, 12-39 (at.%) Al a pórovitosťou nižšou než 7 (obj.%) [4,5]. Kombináciou tepelného spracovania vstupných materiálov a spekania bola pripravená aj zliatina Ti-46Al-8Nb (at.%) s akceptovateľnou pevnosťou [3].
Cieľom práce je overiť možnosť prípravy ingotov intermetalickej zliatiny Ti-46Al-8Ta (at.%) metódou reakčného spekania a následného tavenia v plazmovej peci.
2 Experiment
Na prípravu zliatiny s nominálnym zložením Ti-46Al-8Ta (at.%) sme použili východzie suroviny s čistotou: Ti (99,39 at.%), Al (99,99 at.%) a Ta (99,227 at.%). Titán bol vo forme huby, tantal vo forme triesok s maximálnymi rozmermi 1x2x0,3 mm a Al vo forme kúskov s rozmermi 5x5x5 mm, ako je ukázané na Obr. 1. Navážené suroviny sme zlisovali v hydraulickom lise jednostranným lisovaním za studena pri lisovacích tlakoch 215, 340, 430, 538 a 645 MPa. Takto sme vyrobili valcové vzorky priemeru 34 mm a výšky od 24 do 29 mm. Zlisované valcové vzorky sme následne spekali v peci Nabertherm v dvoch etapách. V prvej etape sme vzorky vložili do pece v keramických lodičkách vyrobených z vysokočistého Al2O3. Spekanie sme realizovali pri teplote 1300 °C po dobu 1,5 h. Rýchlosť ohrevu bola 7,8 °C/min. Teplotu spekaných vzoriek sme kontinuálne snímali pomocou termočlánku typu PtRh30/PtRh6. Záznam teploty bol realizovaný pomocou meracieho modulu napojeného na počítač. Aby sme zabránili oxidácii vzoriek, spekanie sme realizovali v dynamickej ochrannej atmosfére argónu. Po spekaní vzorky chladli v peci.
Obr. 1 Východzie suroviny
Cieľom druhej etapy spekania bolo pripraviť ingot vhodný na tavenie v plazmovej peci. V prvej etape dochádzalo k rozpínaniu vzoriek, preto sme pri spekaní v druhej etape použili keramickú trubicu z vysokočistého Al2O3 do ktorej sme vložili 12 kusov zlisovaných vzoriek. Vzorky pripravené pri optimalizovaných parametroch lisovania 430 MPa sme spekali pri teplote 1000 °C počas 0,33 h. Tavenie takto získaného ingotu sme realizovali v horizontálnej plazmovej peci pri maximálnej teplote 1650 ºC[6],príkone 50 kW a posuve medeného vodou chladeného kryštalizátora 170 cm/hod v dynamickej atmosfére argónu. Plazmová pec s horizontálnym kryštalizátorom je ukázaná na Obr.2.
Obr. 2 Plazmová pec s horizontálnym kryštalizátorom
Relatívnu hustotu vzoriek ρrel sme vypočítali pomocou vzťahu
kde m je hmotnosť vzorky, V je jej objem vypočítaný z nameraných rozmerov a ρteor predstavuje tabuľkovú hodnotu teoretickej hustoty zliatiny, pričom ρteor = 4,72 g/cm3 [7].
Pevnosť vzoriek sme určili na základe tlakových skúšok, ktoré sme vykonali pri izbovej teplote na zariadení Zwick pri pohybe priečnika 1 mm/min na valcových vzorkách s priemerom 34 mm. Tlakové skúšky sme aplikovali v smere kolmom na os valčekov, na 3 vzorkách z každého režimu.
Mikroštruktúru vzoriek sme hodnotili pomocou svetelnej mikroskopie (SM) a riadkovacej elektrónovej mikroskopie (REM) s využitím metódy spätne odrazených elektrónov. Vzorky sme pripravili štandardnou metalografickou technikou. Pre zviditeľnenie mikroštruktúry sme použili leptadlo so zložením 100 ml H2O, 6 ml HNO3 a 3 ml HF.
3 Výsledky a diskusia
Jednostranným lisovaním za studena pri rôznych lisovacích tlakoch sme pripravili valcové vzorky ako je ukázané na Obr. 3. Priemer vzoriek sa nemenil, pretože boli pripravené v rovnakej lisovnici, ale ich výška sa vzhľadom na použitý lisovací tlak menila od 24 do 29 mm. Kvalitu pripravených vzoriek pred a po spekaní sme preskúmali zmeraním ich relatívnej hustoty a pevnosti. Obr. 4a ukazuje relatívnu hustotu lisovaných vzoriek pred spekaním, ktorá sa so zvyšujúcim lisovacím tlakom zvyšuje od 77 do 92 %.
Obr. 3 Vzorka po lisovaní pri 430 MPa
Obr. 4b ukazuje závislosť relatívnej hustoty lisovaných vzoriek po spekaní, ktorá sa mení v rozpätí od 51 do 68 %. Hodnoty relatívnej hustoty vzoriek po spekaní sú v porovnaní s hodnotami relatívnej hustoty pred spekaním nižšie a to v dôsledku rozpínania vzoriek počas spekania.
Obr. 4 Závislosť relatívnej hustoty lisovaných vzoriek na lisovacom tlaku: (a) po lisovaní, (b) po spekaní pri 1300 ºC/1,5h
Tabuľka 1 Sila potrebná na porušenie vzoriek v závislosti na lisovacom tlaku
Lisovací tlak (MPa) |
Sila potrebná na porušenie vzoriek po lisovaní (kN) |
Sila potrebná na porušenie vzoriek po spekaní (kN) |
215 |
17,3 |
14,8 |
320 |
25,3 |
10,6 |
430 |
24,6 |
21,2 |
538 |
26,8 |
20 |
645 |
32,2 |
15,5 |
V Tabuľke 1 sú uvedené výsledky tlakových skúšok vzoriek po lisovaní a spekaní pri teplote 1300 ºC/1,5 h. Sila potrebná na porušenie vzoriek pred spekaním sa mení od 17,3 do 32,2 kN, a na porušenie vzoriek po spekaní je potrebná sila od 10,6 do 21,2 kN.
Počas spekania, v dôsledku reakcie medzi keramikou Al2O3 a povrchom vzorky, dochádza ku kontaminácií povrchu vzoriek keramickými časticami. Obr. 5 ukazuje čiastočky keramiky na povrchu spekaných vzoriek. Pred ďalším tepelným spracovaním sme tieto povrchové nečistoty z povrchu mechanicky odstránili.
Obr. 5 Vzorka po spekaní pri teplote 1300 ºC/1,5 h s keramickými časticami na povrchu.
Ako ukázal Novák a kol. [4,5] a Lapin a kol. [6], počas spekania zliatin na báze TiAl dochádza k exotermickým reakciám. Na základe opakovaného priameho merania teploty vzoriek počas procesu spekania bolo dokázané, že pri teplote 663 ºC dochádza k taveniu hliníka a po tejto fázovej premene pri teplote 684 ºC prebehne vo vzorkách exotermická reakcia, ktorá zapríčiní rýchle zvýšenie teploty spekaných vzoriek na hodnotu 1141 °C [6]. Obr. 6 ukazuje teplotný záznam týchto reakcií s časom [6].
Obr. 6 Záznam teploty vzorky s časom počas spekania [6]
Mikroštruktúra vzoriek po spekaní vykazuje rôzny stupeň heterogenity a pórovitosti. Obr.7 ukazuje mikroštruktúru vzoriek po reakčnom spekaní pri optimalizovaných parametroch 1000 °C/0,33 h. Ti a Al navzájom zreagovali ako ukazuje Obr.8. Vo vzorkách zostali častice nerozpusteného Ta, ako ukazuje Obr.9.
Obr. 7 Štruktúra vo vzorke lisovanej pri tlaku 430 MPa a spekanej pri 1000 °C/0,33 h
Obr. 8 Detail zreagovanej oblasti, vzorka lisovaná pri tlaku 645 MPa a spekaná pri 1000 °C/0,33 h
Obr. 9 Častice nezreagovaného tantalu vo vzorke lisovanej pri tlaku 215 MPa po spekaní pri T=1000 ºC/0,33h. REM, metóda spätne odrazených elektrónov
Na základe získaných výsledkov sme v druhej etape upravili parametre spekania tak, aby sme pripravili ingot zodpovedajúcej kvality, s minimálnou pórovitosťou, vhodný pre tavenie v plazmovej peci. Teplotu spekania sme znížili na 1000 °C, kvôli efektu prebiehajúcej exotermickej reakcie a čas spekania sme skrátili na 0,33 h, aby sme zabránili tvorbe oxidov na povrchu ingotu. Na Obr. 10 je ukázaný pripravený ingot po spekaní s dĺžkou 300 mm, určený na tavenie v plazmovej peci. Pripravený bol zospekaním 12 kusov malých zlisovaných ingotov pri optimalizovaných parametroch 1000 °C/0,33 h. Ingot sme po spekaní tavili v plazmovej peci. Povrch ingotu po tavení je celistvý, bez zjavných chýb, ako ukazuje Obr. 11.
Obr. 10 Ingot pripravený spekaním pri 1000 °C/0,33 h
Obr. 11 Ingot po tavení pri maximálnej teplote 1650 ºC
Mikroštruktúra ingotu je ukázaná na Obr. 12. Tvoria ju prevažne lamelárne zrná a častice fázy Ti3Al [6].
Obr. 12 Mikroštruktúra ingotu po tavení
Tavením spekaného ingotu sa podarilo eliminovať pórovitosť a rozpustiť častice tantalu.
4 Závery
V práci sme skúmali prípravu ingotov intermetalickej zliatiny Ti-46Al-8Ta (at.%) reakčným spekaním a následným tavením. Získané výsledky môžeme zhrnúť do nasledujúcich záverov:
Poďakovanie
Táto práca vznikla za finančnej podpory Agentúry na podporu výskumu a vývoja v rámci projektu APVV-0009-07.
Použitá literatúra