Способ получения дисперсно-упрочненного порошка металла

 

Изобретение относится к порошковой металлургии, а именно к способам изгочоэ ления материалов, содержащих дисперсную окисную фазу. Цель - увеличение степени дисперсности окисных чаоиц при одновременном уменьшении энергетических затрат. Порошок (фольги) сплава на основе никеля (Ni 4%, W 0,5%, AI 0,15%. Y) выдерживали в воздушной среде нормального атмосферного давления в условиях облучения у-квантами от источника Со 1 дозой 4-10 р мощностью дозы 1000 р/с. При этом происходило внутреннее окисление, которое привело к формированию дисперсной окисной фазы со средним размером окисных частиц (0,010-0,008 мкм) в 3 -5 раз меньше, чем в прототипе, и со средним рас стоянием между частицами в шим. 1 табл. раза мень

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)э В 22 F 1/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ° КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ о

lcm QQ

i О, СО C) К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4775748/02 (22) 29.12.89 (46) 07.11.91, Бюл. № 41 (71) Сибирский физико-технический институт им. В,Д.Кузнецова при Томском государственном университете им, В.В.Куйбышева (72) В.А,Куликов, Н.M.Çàéöåâà, Л.Ю.Елизарьева и И.И,Володина (53) 621.762.3(088,8) (56) Патент США ¹ 3179515, кл. 75-206, опублик. 1965, Патент ФРГ ¹ 1533377, кл. 40 В 1/10, опублик. 1970.

Авторское свидетельство СССР

¹ 688284, кл. В 22 F 1/00, 1979, (54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ДИСПЕРСНОУПРОЧНЕННОГО ПОРОШКА МЕТАЛЛА

Изобретение относится к порошковой металлургии, а именно к способам изготовления материалов, содержащих дисперсную окисную фазу.

Известен способ получения дисперсноупрочненных порошков металлов методом внутреннего окисления. Плавлением получают сплав металла-матрицы с металлом, образующим в процессе внутреннего окисления тугоплэвкий окисел. Полученный сплав измельчают в порошок и нагреваютдо температуры внутреннего окисления (800—

12000C) в окислительной атмосфере. При этом парциальное давление кислорода в окислительной атмосфере поддерживают постоянным (1) и (2). Порошок в процессе внутреннего окисления перемешивают (2).

Недостатком способа является неоднородность размеров окисных частиц по глу- ., „„ Ы„„1688980 А1 (57) Изобретение относится к порошковой металлургии, э именно к способам изго1ов ления материалов, содержащих дисперсную окисную фазу. Цель — увеличение степени дисперсности окисных частиц при одновременном уменьшении энергетических затрат. Порошок (фольги) сплава на основе никеля (Ni 4%, W 0,5, А! 0, 15%. Y} выдерживали в воздушной среде нормального атмосферного давления в условиях об»п лучения -квантами от источника Со дозой 410 р мощностью дозы 1000 р/с. При этом происходило внутреннее окисление, которое привело к формированию дисперсной окисной фазы со средним размером окисных частиц (0,010-0,008 мкм) в 3-5 рээ меньше, чем в прототипе, и со средним рэс— стоянием между частицами B 2 раза меньшим. 1 табл. бине. Так, для порошков М! — А}рОЗ средний размер окисных частиц 1еняется от 0,1 до

0,5 мкм при изменении глубины от 2 до

26 мкм.

Известен также способ внутреннего окисления порошка и фольг металла, легированного элементами с большим сродством к кислороду, чем металл-основа, заключающийся в том, что порошок (фольги) выдерживают при повышенной температуре в окислительной атмосфере, парциальное давление кислорода в которой изменяют от равновесного с окислом леги рующего элемента до равновесного с низшим окислом металла-основы (3).

Способ позволяет получать дисперсноупрочненные порошки (фольги) с однородным размером окисных частиц по глубине.

1688980

Недостатками способа являются недоста1ачная дисперсность образующихся частиц акиснай фазы, большая энергоемкость (вследствие необходимости длительной выдержки при высокой температуре) и слож-ное аппаратурнае оформление (вследствие необходимости изменять па параболличеСКОМУ ЗаКОНУ ПаРЦИаЛЬНОЕ ДаагЕНИЕ КИСЛОродя).

Цель а изобретения является повышение сте11ени дислерсности окисной фазы при уменьшении энергоемкости и уг1рощеи ни 7ех71Ол О Ги и

Поставленная цель достигается тем, чта при с11асабе B14y7pf HHGi а акис11ения 7lopoN"

:<а,фальг) металла, легированного элемен. ами с большим сродством к кислороду, чем

МЕ гЗЛЛ-ОСНОВ&, ВК111ача1ОЩЕМ ВЫДЕРЖКУ ПОрашка (фальг) ь акислительной атмосфере, а врем:; выдерх<ки осуществляют облучеH»lf. » opo fo <ов (фол ь г) у -квантами дозой (4—

6)10 р машностью дозы 1000-3000 р/с и при эгам указанную выдержку осуществляют 74 воздушной среде нормального атмосферного давления, Механизм влияния у -облучения на працсссы в14утрен14его окисления не изучен, С1д14ако из выполненных экспериментов не;;О 1HBH11G СЛЕДУЮЩЕЕ.

Е процессе Облучения порошков и фольг 7 1<вантами с мощностью дозы

1000--3000 р/с резка ускоряется диффузия кислорода (активные диффузионные проц .-.cc в никелевых сплавах происходят при температуре и:< самаразагрева под влиянием >- -облучения, т.о. 50 — 60 С).

Пад злия14ием v -облучения с мощностью дозы 1000-3000 р/с облегчаются про,,="cc!=I 3àpoæi;0Hèë акисных частиц, а

СлЕДОВатЕЛЬНО, ВОЗРаСтавт ЧИСЛО ЗаРОДЫ:шей акисных частиц, .увеличивается их д lcперснасть и уменьшается среднее ра -.стояние 14е>кду Oкисн и Mè частицами.

Если мощность дозы много меньше

1000 р/с, та процесс внутреннего окисления без дополнительного нагревания в процессе у-облучения или после облучения не и ааисхадит, Из анализа результатов, полученных в интервале мощностей дозы от 1000 до 3000 р/с, можно полагать, что при мощности дозь1 =îëåå 3000 p/ñ средний размер акисных частиц и среднее расстояние между частицами будет уменьшаться и при достаточно бс 1ьшай мощности дозы акисные частицы . акже не будут наблюдаться.

При дозе менее 4 10 р размер акисных

7 частиц практически не изменяется, но уве5

40 личивается среднее расстояние между частицами.

Доза более 6.10 нецелесообразна экономически, так как размер и расстояние между частицами изменяются мало, а стоимость обработки увеличивается вследствие увеличения.ее продолжительности.

Сопоставительный анализ предлагаемого способа и прототипа..

При известном способе парциальное давление кислорода в акислительной атмосфере изменяется в процессе выдержки от равновесного с окислом легирующего элемента до равновесного с низшим окислом металла-основы, например, для сплава NiAI от 10 6 до 10 8 з атм. При предлагаемом способе выдержку осуществляют в воздушной среде нормального атмосферного давления, При известном способе для проведения внутреннего окисления порошки (фольги) нагревают до 1100 С, При предлагаемом способе нагрев не производится. Имеет место лишь незначительный саморазогрев за счет у -облучения, При предлагаемом способе проводится облучение порошков (фольг) у-квантами дозой (4 — 6) 10 р мощностью дозы 1000 — 3000 р/с, что при известном способе не делается.

Пример 1. Сплав на основе никеля (состав,,(; Ni 4; W 0,5; Al 0,15; Y) выплавили в индукционной лечи с инертной атмосфераг1 (аргон). После гомогенизирующего отжига в вакууме при 1200 С сплав пр".катывали да фольги или распыляли в погошок. Порошок (фольги) выдерживали в воздушной среде нормального атмосферного давления в условиях облучения у-кван тами от источника Са дозой 4-10 р мощностью дозы 1000 p/C, При этом происходило внутреннее окисление. Методом электронной микроскопии исследовали структуру внутреннеокисленной эоны порошков (фольг) на разных расстояниях от поверхности, Установили, что на глубине 2

vi 16 мкм средний размер окисных частиц составляет соответственно 0,010 и 0,008 мкм. а среднее расстояние между частицами 0,020 и 0,018 мкм. Таким образом, средний размер окисных частиц и среднее расстояние между ними с глубиной не увеличиваются, Пример 2. Порошок (фольги) того же сплава, что и в примере 1, выдержали в воздушной среде нормального атмосферного давления в условиях облучения у-квантами дозой 5 107 р мощностью дозы 1000 р/с, Средний размер окисных частиц на глубине 2 мкм составил 0,009 мкм, а среднее расстояние между частицами 0,018 мкм.

Пример 3. Порошок (фольги) того же сплава, что и в примере 1. выдержали в воздушной среде нормального атмосф рното давления в условиях обл"чения у кван тами дозои 6.10 р мощностью дозь 1000

7 р/с. В результате внутрен его окисления получили дисперсно-упрочненный материал со средним размером окисных частиц на глубине 2 мкм 0,008 мкм и .редним расстоянием между частицами О,г119 мкм.

Пример 4. Порошок (фольги) того же сплава, чта и в примере 1. выдержали в воздушной среде нормального атмосферного давления в условиях облучения у-квантами дозой 5 10 р мощностью дозы 2000

7 р/с: Получили дисперсно-упрочненный материал со средним размерам окисных частиц на глубине 3 мкм 0,007 мкм и средним расстоянием между частицами 0,016 мкм, Пример 5. Порошок (фольги) того же сплава, что и в примере 1, выдержали в воздушной среде нормально"o атмосферного давления в условиях облучения 1>-квантами дозой 5 10 р мощностью дозы 3000

7 р/с. После такой обработки получили средний размер акисных частиц на глубине

3 мкм 0,005 мкм, а среднее расстояние межД» частицами 0,015 мкм.

П р и м е.р 6. Порошок(фольги) того же сг>лава, гго и в примере 1, выдержали в воздушной среде нормального атмосферного давления в условиях Облучения у-квант""„Mè дозой 6.10 р мощностью дозы 3000 р/с, Получили средний размер окисных частиц на глубине 3 мкм 0,005 лкм, а среднее расстаянле между частлцамл 0,016 мкм.

Пример 7. Сплав на основе никеля состава, "; : Ni 4; Я 0,5, Al 0,1; Gd, выплавили в индукционной печи с инертной атмосферой (аргон), После гамсгенизирующего отжита в вакууме при 1200 С сплав прокатывали до фальг или распыляли в порошок. Фольги (порошок) выдержали в воз душной среде нормального атмосферного давлсния в условлях облучен>ля у-квантами дозой 4 10 р мощностью дозы 1000 р/с.

В результате внутреннего окисления при этих условиях получили дисперсно-упрочненные порошки и фольги со средним размером окисных частиц на глубине 2 мкм и

17 мкм соответственно 0,043 мкм и 0,049 мкм и средним расстоянием между окисными частицами 0,10 мкм на обеих глубинах.

Пример 8. Порошок (фольги) того же сплава, что.и в примере 7. выдержали в воздушной среде нормальнага атмосферного давления в условиях облучения у-квантами дозой 5 I0! р мэ» т>с ii

p/ñ. После вн»1реннета nr L: лniil«i и:..

УСЛОВИЯХ ПОЛУ СИЛИ ДИСПЕРС сэ»пт„"..:! -:,, материалы са средним ра.м,:.",.n ë or .

5 частиц на глубине 2 мкм 0,0" :..I л и ним расстояние 1 между л;";:,.;. l мкм.

Пример 9, Порошок (Ф.,вы,, -L>L

СПЛаВа, Чта И B OpÈÌeðe 7. Вь 3сржл;;.; .

10 воздушной среде нормальната e;l,асфео>» го давления в условиях Облу е> я . е:"

7 тами дозой 6 10 р мощностью даэы 1 .э"

p/ñ, Получили дисперсно-;про i»el;,ые ма териалы са средним размера ..:.ис .ых га.".

15 тиц на глубине 2 мкм 0.040 ь «.; и ср,"лн. . расстаянлем между частицами 0,11;:-, Пример 10. Порошок (Фольги) та. О "... сплава, что и в примере 7, er.,держали е воздушной среде нармальнога, тмасфер».а

20 го давления в условиях облучения ", -,:-,,;. ч тами дозой 5 10 р мощност=.lo даэы 2000 р/с, Получили дисперсно-упрочненные м; —:териалы со средним размерам Окисны частиц на глубине 3 мкм 0.030 мкм и сред.iã ;

25 расстоянлем между част >ш>ами 0.09 мкм, 3 на глубине 16 мкм — соотвеrct Peнна 0,036 и

0,10 мкм.

Пример 11, Поаошак (q o.—,ьти) .,"-r же сплава, чта л в примере 7, вылта :.3 .! .>О воздушной opere нормальна> О а-л ос ер".оГО Да ВЛ Е Н И Я В «> СЛ 0 В И Я Х Об Л уЧ Е Н! i "-.1 . .К В а н Т ами Д03ОЙ 5 10 р мощностью Дозhl 3000> а > с

Получил:" дисперсно-упрочнен н l->й мгтер:ал со средним размером окиснь х част Lj,!3

35 глубине 3 мкм 0,022 мкм и средним рассто янием между окисными частица. и 0,08 мкм. а на глубине 23 мкм — cooiBeTc. t eí»;o 0.020 и 007 мкм, П p v м e p 12. Порошок»or i ) та> о> е

40 сплава, чта и в примере 7, L,L.дер кали в воздушной среде нормальнога ".ò;глосферного давления в условиях облучения у-квантами даэай 4 10 р мощностью дозы 3000 р/с.

Паву .или дисперсно-упрочнен н ый латери45 ал СО средним размером окисных частиц на глубине 3 мкм 0,020 мкм и средним расстоянием между окисными частицами 0,07 мкм.

Пример 13. Порошок (фольги) того же сплава, что и в примере 7, выдержали в

50 воздушной среде нормального атмосферного давления в условиях облучения 1>-квантами дозой 6 10 р мощностью дозы 3000 р/c.. Получили дисперсно-упрочненные порошки и фольги со средним размером окис55 ных частиц на глубине 3 мкм 0,023 мкм и средним расстоянием между частицами

0,08 мкм.

Как видно иэ приведенных примеров, предлагаемый способ позволяет получать

1688980 д!1 1,pir I i l уп !!Очненные Г орагоки и ФОльГи

<: н>1 окоп с I епеньн1 дисперсности окисных ;и1иц кгларая не изменяется с глубиной вну ренн окисленной зоны, Размер окисных «"..Гиц и расстояние между ними завися от 6ocrABB сплава, почти не меняются с у и-лич нием дозы у-облучения и уменьш".Iîòñя по мере возрастания мощности дозы.

Результаты обработки по примерам i— !

3 и при режимах, лежащих за пределами п(тед IBI 8eI10ГО способа (примеры 14 — 17), приведены н аблице.

ВИДНО. IIo если мОЩнОсть ДОзы мнОГО 15 меньше 1000 р/с, та процесс внутреннего окисления без дополнительного нагрева не

I::раисходит, как н сплаве Ni — W — Al — Y (пример 14), так и и сплаве Ni — W — A! — Gd (пример

15) 20

При дозе у-облучения менее 4 10 р раз7 мер окисных частиц практически не изменяется, но увеличивается среднее расстояние между частицами. Действительно, сравнивая структуру материала Ni-W=AI — Gd, внут- 25 реннеокисленного н условиях облучения дозой 1 10 р (паимер 16) и предлагаемыми дозами (4 — 6) 10 р (примеры 7 — 9), видим, что средний размер окисных частиц (0,045 мкм) н случае меньшел дозы лежит в пределах 30 средни>: размерон окисных частиц (0,0400,049 мкм), полученных при предлагаемых дозах у-облучения при одинаковой мощности дозы (1000 р/с), Среднее расстояние между окисными частицами (0,14 мкм) не- 35 .;:;ол ько бол ьше (0,10 — 0,11 мкм), Доза более б 10 р при неизменной мощности дозы практически не изменяет средний размер окисных частиц и среднее расстояние между ними (сравните пример 40

17 с примерами 7 — 9 и пример 18 с примерами 11-13). Поэтому дозы более 6 10 р нецелесообразны только из экономических саабраженлй, так как требуют большего времени выдержки. 40

При мощности дозы более 3000 p/c размер окисных частиц и расстояние между ними уменьшаются и, по-видимому, при достаточно большой мощности дозы окисные частицы наблюдаться не будут, Прямого экспериментал ьнага наблюдения структурных изменений при мощности дозы более

3000 р/с че проведено ввиду отсутствия источника g -облучения большей мощности, Однако проьеденое экспериментальное исследование ясно показывает, что при постоянной дозе изменение мощности дозы от

1000 до 3000 р/с приводит к заметному уменьшению среднего размера окисных Iaстиц и среднего расстояния между ними

Для сравнения проводили внутреннее окисление порошка (фольг) того же сплава (Ni 4%, W 0,5%, Al 0,1, Gd), что и н примерах

7 — 13, По способу-прототипу н качестве окислительной атмосферы использовали поток аргона с парциальным давлением кислорода, возрастающим в процессе окисления ат

10 до 10 атм, Температуру внутреннего

-16 -8,3 окисления выдержлвали равной 1100 С, Время окисления 12 ч. Структурные исследования показали следу ощее: на глубине 8 мкм средний размер окисных частиц 0,11 мкм, а среднее расстоянле между ними 0,17 мкм, на глубине 16 мкм 0,12 м.м и 0,18 мкм соответственно.

Таким образом, внутреннее окисление сплава Ni — W — Al--Gd по предлагаемому способу приводит к формированию дисперсной окисной фазы со средним размером окисных частиц в 3 — 5 раз меньше, чем в прототипе, и со средним расстоянием между частицами в 2 раза меньшим, Размер окисных частиц и расстояние между ними во внутреннеокисленном по. предлагаемому способу сплаве Ni W Al Y на порядок меньше, чем в прототипе, и соответствует структуре стареющих сплавов никеля, Следовательно, предлагаемый способ позволяет получать в одном сплаве дисперсное упрочнение и дисперсионное тнердение, причем оба вида упрочнения достига отся одним и тем же видом упрочняющих частиц (окисных), которые сохраняют термическую стабильность до 1100-1300 С.

Как и в прототипе, размер окисных частиц и расстояние между ними не изменяются с глубиной, что еще более увеличивает термическую стабильность дисперсной упрочняющей фазы.

Кроме того, предлагаемый способ не требует сложного аппаратурного оформления, которое необходимо н прототипе для изменения парциального давления кислорода в ходе внутреннего окисления (для сплавов на основе никеля от 10 16 до 10 атм), и не требуе нагрева до высоких температур и длительной выдержки н нагретом состоянии.

Формула изобретения

Способ получения дисперсно-упрочненного порошка металла, включающий выплавку сплава, легированного элементами с большим сродством к кислороду, чем металл-основа, распыление сплава н порошок, выдержку порошка в окислительной атмосфере, отличающийся тем,чта,сцелью увеличения степени дисперсности окисных

1688980

10 частиц при одновременном уменьшении энергетических эатрат, выдержку осуществляют на воздухе при одновремен- .

Расстояние от поверхности (глу условия внутреннего окисления

Пример трунт рэ ян(1

НЕОНИСЛЕНИО„ .(- и, Доэа, р

Атмосфера г)сщность доэы, р7С время вы- температуо девнни, ч ра, С

Вина эоны), пнм

j; ллно»

ПО(НЛУ (,, и . цг iii (11 1

Срелний раэмер

1астиц, мим

Ni-W-А1-Y

4 1а"

4 .10

LI, а.,;

ji,а1л

О, 01Ci

0,008

1ООО

1ооп

51

7 (Самопоэо 16 грев) Воздушная среда . нормального атмосферного давления

/ о,оп9

o,аав

О,007

5 10

61О

5 10

5 10

6 10 а 01 \

ji п)с

1опо

)000

17

2000

4

5 зава

n,n .

0,005 с,аа5

60 засс о во н -w-л1-са

1000

O,С4З

o,а49

"., 10

17

1ООО

1аос

14 51

17 п, (1

0,04s

0,040 в

0 11

1ООС

n (1

zoon а(, гп

7 55

5 62

5 62

4 62

2000

j!, 08

11 зооа а; зааа

12

1З зоаа

М14

Ni-Н-А1-т

5 10

31 (Ссмср(э- 2 эогрвв) 93

1SO

150

5 10

Ni-н- А1-оа

5 10

1»0

7 "10

7;10

15 + -™28

93

150 с (1

О, 045

С, 0-15

Ci, ÃZ

1000

16

1000

О 0,(1ооа

N2-у-Al ca

О, 11

1100

ГЬототип

Г,1:

12

Частиц нв ойнаруюено.

Поток аогона с парциальным давлениемм нис лороца, воэрастааяи 1 .1ф от 10 па

10 атм

-Ь,З

4 ° 10

4 10

5 10

6 1О

5 10

5 10"

5 10

1О

4 ° 10

6 10

НОМ ОбЛУЧЕНИИ ПОРОШКа 1 -Кваитаыи доэой (4 — 6) 10 р мощностью до;";ы

1000-3000 р/с.

O,ÎÇ0 с 036 а, 022

О, О2Г

0,020

0,023