Способ получения изделий из пористых композиционных материалов
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способам получения пористых изделий из композиционных материалов методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Цель - повышение прочности изделий. В способе готовят смесь, содержащую по меньшей мере один металл IV - VI, XIII групп Периодической системы и по меньшей мере один неметалл, выбранный из ряда: бор, углерод, кремний при их соотношении, обеспечивающем ее самостоятельное горение, формуют заготовку, проводят термовакуумную обработку, нагревают заготовку до 700 - 1050oС, инициируют горение в инертном газе при давлении не более 1,5 МПа,прикладывают к заготовке в процессе горения давление 0,2 - 3,5 МПа в направлении перемещения фронта горения и охлаждают в среде. В смесь дополнительно вводят взятые порознь или в смеси порошки карбида, борида, силицида по меньшей мере одного металла IV - VI, VIII групп Периодической системы, порошки оксида, нитрида по меньшей мере одного элемента III - V групп Периодической системы, порошки металла I - III групп Периодической системы, причем порошки вводят в количестве до 40 мас.%. 1 з. п. ф-лы, 1 ил., 2 табл.
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способам получения изделий из пористых композиционных материалов с использованием самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Целью изобретения является повышение прочности изделий. Сущность изобретения состоит в следующем. Для расширения ассортимента изделий с различными показателями по прочности и пористости целесообразно использовать экзомермическую смесь, дополнительно содержащую по меньшей мере один металл, выбранный из I-III групп Периодической системы, либо взятые порознь или в смеси карбид, борид, силицид по меньшей мере одного металла, выбранного из IV-VI, VIII групп Периодической системы, или взятые порознь или в смеси оксид, нитрид по меньшей мере одного элемента, выбранного из III-V групп Периодической системы. Размер частиц компонентов, используемых для приготовления исходной экзотермической смеси, составляет как правило 0,005-0,1 мм. Для получения качественных материалов и изделий компоненты смеси тщательно перемешиваются. Формирование заготовок осуществляют любым известным способом, например прессованием в пресс-форме, газостате или гидростате, экструзией. В зависимости от состава смеси и характеристик материала или изделия усилие формования составляет 10-400 МПа. Возможность получения изделий заданной формы, размеров и степени пористости достигается проведением процесса в таких условиях (исходные параметры прессованной заготовки, режим термовакуумирования, условия горения), когда изделие сохраняет после горения исходные размеры, либо процесс ведется так, что изменение размеров является небольшим и стабильно воспроизводимым. Это позволяет в последующем свести до минимума механическую обработку пористых изделий, получающихся в результате горения. Проведение предварительной термовакуумной обработки уплотненной экзотермической смеси или заготовки необходимо для регулирования уровня примесного газовыделения в процессе горения. Поскольку порошки исходных компонентов всегда содержат значительное количество адсорбированных и растворенных газов (воды, водорода, азота, кислорода и других), то вследствие высокой температуры (1500-3500оС), возникающей в процессе горения, эти газы путем десорбции и испарения начинают выделяться в объем названной смеси или заготовки, скапливались в порах. С ростом температуры давление в порах быстро растет (до нескольких сотен атмосфер) и при достижении предела прочности горящая уплотненная экзотермическая смесь или заготовка разрушается. Для получения в этих условиях качественного тугоплавкого пористого материала или изделия из него необходимо проведение предварительной их термовакуумной обработки с целью частичного удаления примесных газов. Регулирование количества газов, выделяющихся в процессе горения, необходимо для получения материала определенной степени пористости, формы, размеров, так как именно примесное газовыделение за счет разрыхления материала при истечении газов по порам приводит к получению в процессе горения материала пористой структуры, а количество этих газов определяет степень пористости и качество изделия из тугоплавкого пористого материала. Оптимальный режим термовакуумной обработки подбирают эксприментально в зависимости от состава исходной смеси, характеристик получаемого изделия. Для различного рода названных материалов или изделий он находится в следующих пределах: температура 300-700оС при давлении (13,3-1,3) 
10-3 Па и длительности 5-30 мин. Отклонение параметров термовакуумной обработки от оптимальных приводит к ухудшению качества изделий, неравномерной пористости, образованию раковин и трещин, искажению формы и размеров, а в случае значительного отклонения к разрушению изделий. Так, при температуре ниже 300оС происходит слабое удаление примесных газов, в материале и заготовке после горения проявляются трещины и даже происходит их разрушение. При температуре выше 700оС получаемый материал или изделие сильно спекается, труднее идет процесс инициирования и управления параметрами пористой структуры. После термовакуумной обработки температуру уплотненной смеси или заготовки доводят до 700-1050оС для регулирования степени пористости, размера пор и механической прочности. Инициирование горения уплотненной смеси или заготовки может осуществляться в любом месте на их поверхности с помощью любого источника тепла (лазерный луч, электрическая дуга), предпочтительно электрической спиралью. Проведение процесса горения в условиях вакуума или в инертной атмосфере при давлении не более 1,5 МПа способствует газификации различного рода примесей и обеспечивает тем самым получение пористых тугоплавких изделий по существу с полностью открытым характером пор за счет разрыхления экзотермической смеси при истечении примесных газов. Целесообразно охлаждение в вакууме или среде инертных газов, нагретых до высоких температур (1500-3500оС) материала или изделия, поскольку исключается окисление их кислородом воздуха. При реализации способа получаемые изделия не только не загрязняются примесями, как это происходит при печном синтезе, а идет их очистка от целого ряда примесей путем испарения этих примесей в волне горения. Проведение процесса горения и охлаждения под давлением инертного газа не более 1,5 МПа обеспечивает получение качественных изделий из тугоплавких пористых материалов (без трещин и раковин) в случае использования исходных порошкообразных компонентов, содержащих в виде примесей большое количество химически связанного кислорода (свыше 1,5 мас.). Для получения изделий из тугоплавкого пористого материала с общей пористостью 25-45 об. в процессе горения на уплотненную экзотермическую смесь или заготовку воздействуют давлением 0,2-3,5 МПа в направлении перемещения фронта горения. Структура изделия формируется за счет деформации слоя жидкой фазы, возникающей в процессе горения и состоящей из расплавленных исходных компонентов и жидких полупродуктов реакции. Способ иллюстрируется следующими примерами. П р и м е р 1. В условиях прототипа готовят экзотермическую смесь порошков титана и углерода, имеющих дисперсность частиц менее 0,1 мм, предпочтительно 0,02 мм, при следующем соотношении компонентов: 79,6 мас. Ti и 20,4 мас. С. Приготовленную смесь уплотняют путем прессования до плотности 2,8 10-3 кг/м3 и помещают ее в вакуумную камеру, снабженную нагревателем и системой инициирования горения. Камеру вакуумируют до остаточного давления 0,133 Па, нагревают уплотненную экзотермическую смесь до 700оС и проводят ее термовакуумную обработку в течение 10 мин, поддерживая откачкой давление 0,133 Па. После этого смесь охлаждают до 400оС и при давлении 0,133 Па в смеси электрической спиралью в любом месте локально инициируют горение. Линейная скорость распространения фронта горения при этом составляет 2,8 10-3 м/с. После охлаждения в вакууме до 200оС готовое изделие из тугоплавкого пористого материала извлекают из камеры. Полученный материал состоит из карбида титана. Плотность материала 2,5 10-3 кг/м3, общая пористость составляет 49 об. доля открытых пор 99,7% от общей пористости. Поры имеют вытянутую форму с поперечными размерами 0,02-0,08 мм. Материал состоит из плотно прилегающих друг к другу круглых зерен карбида титана размером 0,005-0,02 мм, образующих сплошную массу толщиной 0,02-0,08 мм. Предел прочности на сжатие полученного тугоплавкого пористого материала составляет 35 МПа. П р и м е р 2. Готовят смесь порошков кобальта, молибдена, бора, имеющих дисперсность частиц менее 0,01 мм, при следующем соотношении компонентов, мас. Co:Mo:B 67,5:18:14,5. Из смеси прессуют заготовку 1 (см. чертеж) в форме цилиндра с пальцевым выступом диаметром 20 мм, высотой 30 мм, диаметром кольцевого выступа 30 мм и плотностью 3,3 10-3 кг/м3. Из этой же смеси прессуют накладку в форме полого цилиндра 2 с наружным диаметром 30 мм и внутренним диаметром 20 мм, высотой 25 мм, плотностью 3,3 10-3 кг/м3. Накладку 2 устанавливают на заготовку 1, образуя при этом сборную заготовку 3 цилиндрической формы диаметром 30 мм и высотой 30 мм. Заготовку 3 помещают в вакуумную камеру и к ее торцу со стороны заготовки 1 подводят электрическую спираль 4 системы инициирования горения. Камеру вакуумируют до остаточного давления 1,3 10-3 Па, нагревают сборную заготовку до 300оС и проводят ее термовакуумную обработку в течение 25 мин, поддерживая откачкой давление 1,3 10-3 Па. Затем сборную заготовку 3 охлаждают до 200оС, создают в камере давление гелием 13,3 Па и электрической спиралью инициируют в ней горение. Процесс взаимодействия компонентов смеси происходит за счет тепла, выделяющегося в результате реакции горения. Скорость горения 11 10-3 м/с. После охлаждения извлекают сборную заготовку 3 и отделяют изделие от накладки 2. В результате получают изделие в форме цилиндра с кольцевым выступом с размерами, по существу равными размерам прессованной заготовки 1, и плотностью материала 3,3 10-3 кг/м3. Тугоплавкий пористый материал изделия имеет состав: 80 мас. СoB и 20 мас. МoB. Пористость материала 57 об. доля открытых пор 99,7% от общей пористости, размер пор 0,02-0,08 мм, предел прочности на сжатие 16 МПа. Согревшая накладка 2 имеет размеры, по существу равные размерам прессованной накладки 2, и состоит из материала аналогичного по составу и свойствам материалу изделия. Она может быть использована либо непосредственно в форме цилиндра, либо размолота на порошок для применения в порошковой металлургии. П р и м е р 3. Готовят экзотермическую смесь порошков титана, углерода и карбида хрома, имеющих дисперсность частиц менее 0,1 мм, предпочтительно 0,015 мм, при следующем соотношении компонентов, мас. Ti:C:Cr:Cr3C2 63,7: 17,6: 8,7:10. Приготовленную смесь уплотняют до плотности 2,6 10-3 кг/м3 и помещают в вакуумную камеру. Камеру вакуумируют до остаточного давления 1,3 10-3 Па, смесь нагревают до 650оС и проводят ее термовакуумную обработку в течение 15 мин, поддерживая откачкой давление 1,3 10-3 Па. По окончании термовакуумной обработки уплотненную смесь в течение 2 мин подогревают до 1050оС и одновременно в камере создают давление инертного газа (предпочтительно аргона) в 1,5 МПа, после чего в уплотненной экзотермической смеси электрической спиралью локально инициируют горение. Скорость распространения фронта горения составляет 10,5 мм/с. Изделие из пористого тугоплавкого материала охлаждают в инертной атмосфере. Состав материала: 80 мас. ТiC и 20 мас. Cr3C2 в виде их твердого раствора друг в друге. Плотность этого материала 1,65 10-3 кг/м3, общая пористость 70 об. доля открытых пор 99,6% от общей пористости. Размер пор 0,07-0,2 мм. Предел прочности на сжатие составляет 5,5 МПа. П р и м е р 4. Готовят экзотермическую смесь порошков молибдена, кремния, алюминия и окиси алюминия, имеющих дисперсность менее 0,02 мм, при следующем соотношении компонентов, мас. Мo:Si:Al:Al2O3 53,3:31,5:10:5. Приготовленную смесь уплотняют до плотности 3 10-3 кг/м3 и помещают ее в вакуумную камеру, снабженную нагревателем, системой инициирования горения и системой подпрессовки материалов. Камеру вакуумируют до остаточного давления 1,33 Па, нагревают эту смесь до 700оС и проводят ее термовакуумную обработку в течение 5 мин, поддерживая откачкой давление 1,33 Па. Затем при той же температуре в уплотненной смеси путем прессования прикладывают давление 3,5 МПа и одновременно в смеси электрической спиралью локально инициируют горение так, чтобы направление перемещения фронта горения совпадало с направлением давления. С одинаковым усилием в 3,5 МПа на горящую смесь воздействуют в течение всего процесса горения, а после окончания процесса горения давление снимают. Скорость распространения фронта горения составляет 15 мм/с. Состав полученного тугоплавкого пористого материала: 85 мас. Mo, 10 мас. Al и 5 мас. Al2O3. Плотность материала 3 10-3 кг/м3, общая пористость 25 об. доля открытых пор 91,5% от общей пористости. Размер пор 0,01-0,05 мм. Предел прочности на сжатие 45 МПа. Ниже в табл. 1 представлены примеры 5-20 осуществления способа с указанием исходного состава экзотермической смеси и условий процесса. В табл. 2 представлены свойства изделий из тугоплавкого пористого материала. П р и м е р 21. Готовят экзотермическую смесь порошков тантала и углерода с дисперсностью частиц менее 0,01 мм при следующем соотношении компонентов, мас. Ta:C 93,8:6,2. Из полученной смеси прессуют заготовку в форме кольца с внешним диаметром 20 мм, внутренним диаметром 15 мм, высотой 30 мм и плотностью 6,5 10-3 кг/м3. Готовят экзотермическую смесь порошков титана, углерода и карбида титана с дисперсностью компонентов менее 0,04 мм при следующем соотношении компонентов, мас. Ti:C:TiC 63,7:16,3:20. Из второй смеси прессуют накладку в форме цилиндра диаметром 15 мм, высотой 30 мм, плотностью 2 10-3 кг/м3. Затем накладку помещают в отверстие кольцевой заготовки с образованием сборной заготовки в форме цилиндра диаметром 20 мм и высотой 30 мм. Эту заготовку помещают в вакуумную камеру и к торцу накладки присоединяют электрическую спираль. Камеру вакуумируют до остаточного давления 0,013 Па, нагревают сборную заготовку до 700оС и проводят ее термовакуумную обработку в течение 20 мин, поддерживая откачкой давление 0,013 Па. Затем заготовку нагревают до 1050оС, создают в камере давление аргоном 1,5 МПа и с помощью электрической спирали инициируют в ней горение. Сначала фронт горения со скоростью 12 мм/с перемещается по накладке, а затем, дойдя до кольцевой заготовки, инициирует горение в ней с ее внутренней боковой поверхности. Скорость перемещения фронта горения по кольцевой заготовке составляет 1,8 мм/с. По окончании процесса горения полученное изделие вместе с накладкой охлаждают в атмосфере инертного газа до 200оС и отделяют его от нее. Получают изделие в форме кольца, материал которого карбид тантала, при этом оно имеет внутренний диаметр 15 мм, внешний диаметр 20 мм и высоту 30,2 мм. Материал характеризуется плотностью 6,45 10-3 кг/м3, пористостью 55 об. долей открытых пор 99,7% от общей пористости, размером пор 0,01-0,025 мм, пределом прочности на сжатие 17 МПа. Накладка имеет форму цилиндра состоит из карбида титана, при этом его диаметр 14,7 мм, высота 29,4 мм. Материал накладки характеризуется плотностью 2,2 10-3 кг/м3, пористостью 55 об. долей открытых пор 99,7% от общей пористости, размером пор 0,04-0,14 мм, пределом прочности на сжатие 20 МПа. Накладка может быть также использована в форме изделия. П р и м е р 22. Готовят экзотермическую смесь состава и плотности по примеру 4. Условия термовакуумной обработки аналогичны примеру 4. Единственное отличие на заготовку в течение всего процесса горения воздействуют давлением в 1 МПа. Скорость распространения фронта горения составляет 14 мм/с. Состав полученного тугоплавкого пористого материала: 85 мас. MoSi2, 10 мас. Al и 5 мас. Al2O3. Общая пористость материала 40% доля открытых 98% размер пор 0,01-0,06 мкм. Предел прочности на сжатие 32 МПа. П р и м е р 23. Состав смеси, плотность и условия термовакуумной обработки аналогичны примерам 4 и 22. Отличие на заготовку в течение всего процесса горения воздействуют давлением в 0,2 МПа. Скорость горения составляет 14 мм/с. Состав материала аналогичен примерам 4 и 22. Общая пористость материала 45% доля открытых пор 99% размер пор 0,01-0,07 мм. Предел прочности на сжатие 28 МПа.
Формула изобретения
1. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПОРИСТЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ, включающий приготовление смеси, содержащей по меньшей мере один металл IV - VI, VIII групп Периодической системы и по меньшей мере один неметалл, выбранный из ряда: бор, углерод, кремний при их соотношении, обеспечивающем ее самостоятельное горение, формование заготовки, термовакуумную обработку, локальное инициирование горения в химически инертной среде и последующее охлаждение, отличающийся тем, что, с целью повышения прочности, инициирование проводят от 700 до 1050oС. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в смесь дополнительно вводят взятые порознь или в смеси порошки карбида, борида, силицида по меньшей мере одного металла IV - VI, VIII групп Периодической системы, оксида, нитрида по меньшей мере одного элемента III - V групп Периодической системы, металла I - III групп Периодической системы, причем порошки вводят в количестве до 40 мас.%. 3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что в качестве химически инертной среды используют инертный газ при давлении не более 1,5 МПа. 4. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что в процессе горения к заготовке прикладывают давление 0,2 - 3,5 МПа в направлении перемещения фронта горения.РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4
