Cтруктуроутворення та властивості литих титанових бронз, отриманих з використанням термічно синтезованих порошкових лігатур

Г. А. Баглюк; В. С. Воропаєв; Ю. О. Федоран; О. Г. Моляр

doi:10.15407/mom2025.02.024

Автор(и)

Г. А. Баглюк Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича Національної академії наук України, Київ, Україна https://orcid.org/0000-0002-2392-2687
В. С. Воропаєв Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича Національної академії наук України, Київ, Україна https://orcid.org/0000-0001-7408-5957
Ю. О. Федоран Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича Національної академії наук України, Київ, Україна https://orcid.org/0009-0007-5300-1217
О. Г. Моляр Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України, Київ, Україна

DOI:

https://doi.org/10.15407/mom2025.02.024

Ключові слова:

титанова бронза, порошкова металургія, лігатура, розплав, інтерметалід, гартування, старіння, міцність, твердість, електропровідність

Анотація

Досліджено можливості використання методів порошкової металургії при отриманні литих титанових бронз шляхом використання як легуючого компонента титаново-мідних лігатур, отриманих термічним синтезом із суміші порошків гідриду титану та міді. Оптимізовано параметри отримання інтерметалідів титану систем Ti-Cu та Ti-Cu-Al з використанням порошків металів в якості вихідної сировини та проведено експерименти по виплавленню титанових бронз з використанням розроблених порошкових лігатур.

Виготовлення злитків проводили для трьох складів бронз: Cu - 2,7 % Ti; Cu - 2,7 % Ti - 0,5 % Al та Cu - 2,7 % Ti % - 1,0 % Al. Легування розплаву міді порошковими лігатурами дозволило отримати литі сплави, структура яких складається з мідної матричної фази з рівномірно розподіленими включеннями мідно-титанових інтерметалідних зерен розміром 2-8 мкм. Застосування синтезованих порошкових лігатур значно прискорює процес плавки, усуває необхідність використання високих температур, необхідних для розчинення титану, і цим зменшує вигорання легуючих компонентів, що дозволяє більш точно дотримуватись заданого хімічного складу бронзи.

Показано, що після гартування виливків від 800 °С структура литих сплавів має переважно дендритний характер і помітно меншу твердість порівнянно з литим станом. Значне підвищення твердості та міцності сплавів досягається старінням при 400 °С. Найвищим рівнем твердості та міцності відзначається сплав Cu - 2,7 % Ti без алюмінію. Залежність електропровідності бронзи, додатково легованої 0,5 % Al та 3,0 % (мас.) Ni, від вмісту титану має екстремальний характер: максимальна провідність (~33 %IACS) проявляється для сплаву з 1,5 % (мас.) Ti.

Посилання

Mao, Q., Liu, Y., & Zhao, Y. (2024). A review on copper alloys with high strength and high electrical conductivity. Journal of Alloys and Compounds, 990, 174456.

https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2024.174456

Kuo, Y., Wang, Y., Guo, M., & others. (2023). Recent development of advanced precipitation-strengthened Cu alloys with high strength and conductivity: A review. Progress in Materials Science, 138, 101141.

https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2023.101141

Morshed-Behbahani, K., Aliyu, A., Bishop, D. P., & Nasiri, A. (2024). Additive manufacturing of copper-based alloys for high-temperature aerospace applications: A review. Materials Today Communications, 38, 108395. https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2024.108395

Zhang, W., Zhao, Z., Fang, J., & others. (2021). Evolution and strengthening mechanism of metastable precipitates in Cu-2.0 wt% Be alloy. Journal of Alloys and Compounds, 857, 157601.

https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.157601

Huang, X., Xie, G., Liu, X., Fu, H., & others. (2020). The influence of precipitation transformation on Young's modulus and strengthening mechanism of a Cu-Be binary alloy. Materials Science and Engineering: A, 772, 138592. https://doi.org/10.1016/j.msea.2019.138592

Zhang, H., Jiang, Y., Xie, J., & others. (2019). Precipitation behavior, microstructure and properties of aged Cu-1.7 wt% Be alloy. Journal of Alloys and Compounds, 773, 1121-1130.

https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.09.296

Okechukwu, C. C., Edoziuno, F. O., Adediran, A. A., & others. (2025). Experimental and process modelling of chemical composition and thermal ageing of Ti-doped cast Cu-Ni alloy for microstructural, conductivity, and mechanical properties. Journal of Alloys and Metallurgical Systems, 9, 100141.

https://doi.org/10.1016/j.jalmes.2024.100141

Nagarjuna, S., Srinivas, M., Balasubramanian, K., & Sarma, D. S. (1994). Influence of polycrystalline grain size on yield and flow stress in Cu-1.5 wt% Ti alloy. Scripta Metallurgica et Materialia, 30(12), 1593-1597.

https://doi.org/10.1016/0956-716X(94)90314-X

Nagarjuna, S., Srinivas, M., Balasubramanian, K., & Sarma, D. S. (1999). On the variation of mechanical properties with solute content in Cu-Ti alloys. Materials Science and Engineering A, 259, 34-42.

https://doi.org/10.1016/S0921-5093(98)00882-X

Soffa, W. A., & Laughlin, D. E. (2004). High-strength age hardening copper-titanium alloys: Redivivus. Progress in Materials Science, 49(3-4), 347-366.

https://doi.org/10.1016/S0079-6425(03)00029-X

Wang, F., Li, Y., Wakoh, K., & others. (2014). Cu-Ti-C alloy with high strength and high electrical conductivity prepared by two-step ball-milling processes. Materials and Design, 61, 70-74.

https://doi.org/10.1016/j.matdes.2014.04.034

Fukamachi, K. (2023). Detailed relationship between the microstructure and properties of age-hardened Cu-4 at% Ti alloy. Materials Today Communications, 34, 105202.

https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2022.105202

Chuistov, K. V. (2005). Copper-titanium solid solutions are a new generation of high-strength age-hardening alloys. Usp. Fiz. Met., 6(1), 55-103.

https://doi.org/10.15407/ufm.06.01.055

Han, Z., Zhou, M., Jing, K., & others. (2024). Microstructure and hot deformation behavior of Cu-Ti-Zr(-Mg) alloys. Journal of Materials Research and Technology, 33, 5490-5503.

https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2024.10.180

Dey, D., Bhowmik, A., & Biswas, A. (2020). Wear behavior of stir casted aluminum-titanium diboride (Al2024-TiB2) composite. Materials Today: Proceedings, 26, 1203-1206.

https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.02.242

Yang, K., Lou, H., Peng, Z., & others. (2025). Hot strain induced dynamic recrystallization, precipitation and coordinated deformation behaviors of Cu-4.3 wt% Ti alloy. Journal of Alloys and Compounds, 1022, 179938. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2025.179938

Gaponova, O. P., & Baglyuk, G. A. (2016). Effect of temperature-rate strain conditions on the power variables and structurization during hot-forging of the sintered Cu-2% Ti billets. Powder Metallurgy and Metal Ceramics, 55, 406-412. https://doi.org/10.1007/s11106-016-9820-1

Murray, J. L. (1983). The Cu-Ti (copper-titanium) system. Bulletin of Alloy Phase Diagrams, 4, 81-95. https://doi.org/10.1007/BF02880329

Ivasishin, O. M., Demidik, A. N., & Savvakin, D. G. (1999). Use of titanium hydride for the synthesis of titanium aluminides from powder materials. Powder Metallurgy and Metal Ceramics, 38, 482-487.

https://doi.org/10.1007/BF02676065

Bagliuk, G. A., Stasiuk, A. A., & Savvakin, D. G. (2020). Effect of titanium diboride content on basic mechanical properties of composites sintered from TiH₂ + TiB₂ powder mixtures. Powder Metallurgy and Metal Ceramics, 58, 642-650. https://doi.org/10.1007/s11106-020-00120-1

Bagliuk, G. A., Suprun, O. V., & Mamonova, A. A. (2019). The influence of synthesis temperature on the phase composition and structure of ternary compounds produced from TiH₂-Si-C powder mixtures. Powder Metallurgy and Metal Ceramics, 58, 1-6. https://doi.org/10.1007/s11106-019-00040-9

Zhang, M., Chen, D., Liu, H., & others. (2024). Research on hot deformation behavior of Cu-Ti alloy based on machine learning algorithms and microalloying. Materials Today Communications, 39, 108783.

https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2024.108783