Результат интеллектуальной деятельности: Электродуговой способ получения прецизионного сплава TiMnAl

Изобретение относится к области прецизионной металлургии (металлургии прецизионных сплавов), в частности, к получению сплава Гейслера в виде слитков пригодных для изучения свойств спин-поляризованного бесщелевого полупроводника Ti₂MnAl.

В металлургии прецизионных сплавов для получения требуемого сочетания служебных характеристик используют в различном сочетании большинство существующих химических элементов во всем многообразии их физических и химических свойств [Грацианов Ю.А., Путимцев Б.Н., Молотилов Б.В. и др. Металлургия прецизионных сплавов. // М. - Металлургия. - 1975.]. Следует отметить, что многочисленные опубликованные диаграммы состояния тройных систем требуют существенной доработки при учете влияния примесей на положение фазовых областей, что существенно осложняет поиск оптимальных технологических схем выплавки, кристаллизации и передела подобных сплавов для обеспечения технологических и служебных характеристик. Влияние физико-химических свойств марганца на особенности технологии изготовления сплавов с его участием изучено не достаточно полно. При кристаллизации и последующем охлаждении марганец претерпевает превращения (δ→γ→β→α), сопровождающиеся существенным изменением кристаллической структуры с высокой объемной усадкой при затвердевании до 4,5% [Салли А. Марганец. // М. - Металлургиздат. - 1959.]. Эти превращения обладают большим гистерезисом и зависят от скорости кристаллизации и охлаждения отливок. Следует отметить, что структура слитка играет решающую роль в формировании физических свойств такого класса прецизионных сплавов. Анизотропия физических свойств и их улучшение часто достигается созданием специальных текстур при кристаллизации расплава. Учитывая эти особенности, возможно получение марганцевосодержащих тройных сплавов Гейслера с требуемым сочетанием свойств. Развитие порошковой металлургии как одно из направлений развития бестигельных способов получения высокотемпературных сплавов из многокомпонентных смесей (объединяя металлические и неметаллические компоненты) позволяет получать изделия с уникальными свойствами. Высокая стоимость металлических порошков, требование к наличию защитной атмосферы для предотвращения окисления поверхности, сложность получения материала в компактном состоянии - все это ограничивает использование порошковой металлургии для получения чистых металлов и сплавов строгого стехиометрического состава. Поэтому разработка гибридных технологий получения прецизионных сплавов на стыке порошковой металлургии, аддитивных технологий (в частности электродуговой плавки в гарнисаже в защитной атмосфере) в сочетании с гетерофазными химическими реакциями - является перспективным направлением для формирования заданной структуры слитка и точности воспроизведения химического состава сплавов Гейслера и служит основой для понимания природы многих явлений в физике полупроводников

Известен способ получения Ti₂MnAl [Борисенко Д.Н., Девятое Э.В., Есин В.Д., Колесников Н.Н. // Патент РФ №2754540 от 03.09.2021 Бюл. №25] - прототип. Способ получения слитков Ti₂MnAl включает в себя подготовку смеси алюминия, марганца и титана, которую засыпают в тигель и нагревают до плавления в гарнисаже плазмой дугового разряда напряжением от 65 до 70 В и током от 8 до 10 А в атмосфере гелия при давлении от 0,8 до 1 атм с образованием слитков Ti₂MnAl с плавным снижением мощности до нуля для равномерной кристаллизации. Недостатком предложенного способа является наличие окисных пленок на поверхности металлических порошков Ti, Mn и Al из-за высокой степени сродства к кислороду перечисленных металлов, причем в процессе электродуговой плавки алюминий как наиболее активный металл восстанавливает оксиды марганца и титана до высших оксидов за счет образования Al₂O₃ и смещения стехиометрии сплава Гейслера в сторону дефицита алюминия. Поэтому предложенный способ получения Ti₂MnAl требует существенной доработки для успешного применения в области прецизионной металлургии.

Задачей настоящего изобретения является разработка электродугового способа получения прецизионного сплава Ti₂MnAl.

Технический результат достигается тем, что процесс получения прецизионного сплава Ti₂MnAl проводят электродуговой плавкой в атмосфере гелия в гарнисаже из смеси порошков алюминия, марганца и гидрида титана (II), с плавным снижением мощности до нуля для равномерной кристаллизации: Способ получения прецизионного сплава Ti₂MnAl включает в себя подготовку смеси порошков алюминия, марганца и гидрида титана (II), которую засыпают в тигель и нагревают до плавления в гарнисаже плазмой дугового разряда напряжением от 65 до 70 В и током от 8 до 10 А в атмосфере гелия при давлении от 0,8 до 1 атм с образованием слитков Ti₂MnAl с плавным снижением мощности до нуля для равномерной кристаллизации. Плавление проводят с участием гетерофазной химической реакции в присутствии гидрида титана (II): 2TiH₂+Mn+Al+O_2(пов.)=Ti₂MnAl+2Н₂О↑. Гидрид титана (II) при температурах выше 300°С разлагается с образованием атомарного водорода, который восстанавливает поверхностные оксиды металлов, позволяя получать прецизионный сплав стехиометрического состава. На фиг. 1 представлены результаты рентгено-спектрального микроанализа. На фиг. 2 - спектрограмма образца Ti₂MnAl, выбранной области на фиг. 1. Из представленных данный видно, что кислород отсутствует в качестве примеси, и дефицита алюминия не наблюдается.

Пример. В тигель, расположенный в герметичной камере, позволяющей вести процесс в гарнисаже, в контролируемой атмосфере, засыпают смесь из порошков алюминия, марганца и гидрида титана (II). Над тиглем помещают неплавящийся электрод для создания электрической дуги. Плавку проводят в атмосфере гелия при давлении от 0,8 до 1 атм, при напряжении от 65 до 70 В и током дуги от 8 до 10 А. Продолжительность процесса 20 минут. Процесс плавления идет устойчиво. Плавным снижением мощности до нуля удается получить прецизионный сплав стехиометрического состава Ti₂MnAl с равномерной кристаллизацией.

Таким образом, предложенный способ получения сплава Гейслера Ti₂MnAl является перспективным направлением прецизионной металлургии.