Способ получения полуфабрикатов из композиционного материала с низким коэффициентом линейного расширения

 

Изобретение относится к порошковой металлургии и может быть использовано в авиакосмической, ракетной, текстильной, приборостроительной, автомобильной, судостроительной и др. отраслях промышленности. Способ включает получение порошка алюминиевого сплава, введение в него порошка кремния, засыпку порошковой композиционной смеси в капсулы, вакуумную дегазацию, герметизацию и горячее прессование, при этом процесс дегазации капсул с порошковой смесью ведут в вакуумном прессе диффузионной сварки при температуре на 60-100^oС ниже температуры солидуса наиболее легкоплавкой эвтектики алюминиевого сплава, герметизацию капсул проводят непосредственно в камере пресса без изменения параметров вакуума и температуры с удельным давлением не ниже 150 МПа, процесс горячего изостатического прессования ведут в газостате при давлении не ниже 800 атм и температуре на 30-50^oС ниже температуры солидуса алюминиевого сплава и выдержкой при этой температуре 2-4 ч. Изобретение позволяет получить материал с однородной тонкодисперсной структурой, повышенной технологической пластичностью, низким коэффициентом линейного расширения, повышенной размерной стабильностью и вакуум-плотностью, улучшенной обрабатываемостью. Кроме того, материал является экологически чистым. 1 табл.

Изобретение относится к порошковой металлургии и может быть использовано в авиакосмической, ракетной, текстильной приборостроительной, автомобильной, судостроительной и др. отраслях промышленности, в которых требуется сочетание таких свойств изделий, как низкий коэффициент линейного расширения, малый удельный вес, высокая вакуумная плотность. Кроме того, материал должен быть экологически чистым.

Известен способ изготовления компактного материала, содержащего металлическую матрицу из алюминия или алюминиевых сплавов и частиц твердой армирующей фазы, включающий в себя механическое твердофазное легирование алюминия или алюминиевого сплава в шаровой мельнице в атмосфере азота, стабилизацию легированного порошка (т.е. делают его не пирофорным) в атмосфере азота с 8% кислорода, смешение стабилизированного порошка с упрочняющими частицами (например, карбидом кремния), засыпку порошковой смеси в контейнер, нагрев и вакуумную откачку контейнера, герметизацию контейнера и последующее его горячее прессование.

Недостатком известного способа является высокая энергоемкость и трудоемкость процесса, высокий коэффициент линейного расширения, плохая обрабатываемость и высокая плотность, низкая размерная стабильность /Патент США N 4.557.893, 10.12.85, В 22 F, 1/00/, прототип. Все это не позволяет получать материал с высокими эксплуатационными характеристиками и эксплуатационной надежностью в течение длительного срока службы.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является получение материала с однородной тонкодисперсной структурой, повышенной технологической пластичностью, низким коэффициентом линейного расширения, повышенными размерной стабильностью и вакуум-плотностью, улучшенной обрабатываемостью, что гарантирует повышение эксплуатационных характеристик материала, надежность его работы в течение длительного срока службы, а также расширение номенклатуры и размеров получаемых полуфабрикатов, снижение трудоемкости и энергоемкости технологического процесса.

Для решения поставленной задачи в способе получения полуфабрикатов из композиционного материала на основе алюминия, включающем получение порошка алюминиевого сплава, введение в него порошка кремния, засыпку полученной смеси в капсулы, вакуумную дегазацию, герметизацию и горячее изостатическое прессование, при этом процесс дегазации и герметизации капсул с порошковой композиционной смесью ведут в вакуумном прессе диффузионной сварки при температуре на 60-100^oC ниже температуры солидуса наиболее легкоплавкой эвтектики алюминиевого сплава, герметизацию капсул производят непосредственно в камере пресса без изменения параметров вакуума и температуры, с удельным давлением не ниже 150 MПa, процесс горячего изостатического прессования ведут в газостате при давлении не ниже 800 атм и температуре на 30-50^oC ниже температуры солидуса алюминиевого сплава и выдержкой при этой температуре 2-4 ч.

Предлагаемый способ позволяет достигать однородной тонкодисперсной структуры и минимального содержания газовых примесей в материале, что является залогом обеспечения высокого качества изделий из этого материала. Это обеспечивается благодаря всестороннему градиентному нагреву в вакууме капсулы с порошковой смесью, а также использованию оптимальных темпертаурно-временных параметров как с точки зрения сохранения однородности и дисперсности структуры исходного материала, так и с точки зрения обеспечения максимальной скорости диффузии газовых примесей в процессе дегазации. Это позволяет создать на поверхности частиц порошка очищенную от гидроксильных групп оксидную пленку, которая обладает островками ювенильных поверхностей, образовавшихся за счет диффузии атомов алюминия на его поверхность в процессе вакуумной дегазации. Последующая герметизация капсулы, по окончании процесса дегазации, непосредственно в камере пресса без изменения параметров температуры и вакуума с рекомендуемым удельным давлением гарантирует полное отсутствие натекания атмосферы в капсулу, что обеспечивает сохранение структуры поверхности частиц. Подобная структура как самой частицы, так и ее поверхности, полученной после процесса вакуумной дегазации, позволяет с использованием предложенных температурно-силовых и временных параметров процесса горячего изостатического прессования порошковой смеси в вакууме обеспечить высокую прочность межчастичных связей и еще в большей степени диспергировать структуру и фазовые включения в материале. Это способствует получению материала с низким коэффициентом линейного расширения, высокой размерной стабильностью, повышенной технологической пластичностью, высокой вакуум-плотностью, улучшенной обрабатываемостью с получением высокой чистоты поверхности при механической обработке. Все это обеспечивает получение изделий из этого материала с высокими эксплуатационными характеристиками и надежностью их работы в течение длительного срока службы. Кроме того, повышенная технологическая пластичность материала обеспечивает возможность расширения номенклатуры и размеров получаемых полуфабрикатов. За счет сокращения количества технологических операций достигается значительное снижение трудоемкости и энергоемкости технологического процесса.

Предлагаемый способ получения полуфабрикатов из композиционного материала с низким коэффициентом линейного расширения был опробован на трех составах композиционного материала.

Пример 1. В порошок сплава на основе алюминия, содержащий 27% кремния, 6% никеля, 2,2% оксида алюминия, 0,03% бериллия, размер частиц которого был не более 50 мкм, вводили порошок кремния, размер частиц которого был также не более 50 мкм, в соотношении 4:1. Порошковую композиционную смесь (N 1) засыпали в герметичные технологические капсулы с одновременным уплотнением до плотности 1,5-1,55 г/см². Капсулы с порошковой композиционной смесью на специальной технологической оснастке помещали в вакуумный пресс диффузионной сварки и производили вакуумную дегазацию при 480^oC и вакууме 5•10^-4 - 1•10^-4 мм рт.ст. с выдержкой в течение 4-4,5 ч. По окончании процесса дегазации без изменения параметров вакуума и температуры проводили герметизацию капсул с удельным давлением не ниже 150 МПа. Процесс горячего изостатического прессования проводили в газостате при 540^oC, 950 атм и выдержке 2,5 ч. Полученные заготовки подвергали механической обработке для удаления технологической капсулы.

Пример 2. В порошок сплава Д16 вводили порошок карбида кремния в соотношении 56,1. Приготовленную порошковую композиционную смесь (N 2) засыпали в герметичные технологические капсулы до плотности 1,55-1,65 г/см³. Режимы последующей обработки до получения компактной заготовки проводили в соответствии с примером 1.

Пример 3. В порошок сплава на основе алюминия, содержащий 27% кремния, 6% никеля вводили порошок нитрида кремния в соотношении 6,1. Приготовленную порошковую композиционную смесь (N 3) засыпали в герметичные технологические капсулы до плотности 1,60-1,66 г/см³. Режимы последующей обработки до получения компактной заготовки проводили в соответствии с примером 1.

Помимо указанных примеров эти же три композиционных материала были получены по известному способу.

В таблице приведены физико-механические свойства композиционных материалов, полученных по предлагаемому и известному способам.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет получать материал с однородной тонкодисперсной структурой, низким коэффициентом линейного расширения, высокой размерной стабильностью, повышенными вакуум-плотностью и технологической пластичностью, улучшенной обрабатываемостью, что гарантирует повышенные эксплуатационные характеристики и высокую надежность работы в течение длительного срока службы изделий из этого материала, а также расширить номенклатуру получаемых полуфабрикатов, существенно снизить их себестоимость, сократить трудоемкость и энергоемкость не менее чем на 15%.

Формула изобретения

Способ получения полуфабрикатов из композиционного материала на основе алюминия с низким коэффициентом линейного расширения, включающий получение порошка алюминиевого сплава, введение в него порошка кремния, засыпку порошковой композиционной смеси в капсулы, вакуумную дегазацию, герметизацию и горячее изостатическое прессование, отличающийся тем, что процесс дегазации капсул с порошковой смесью ведут в вакуумном прессе диффузионной сварки при температуре на 60-100^oС ниже температуры солидуса наиболее легкоплавкой эвтектики алюминиевого сплава, герметизацию капсул проводят непосредственно в камере пресса без изменения параметров вакуума и температуры с удельным давлением не ниже 150 МПа, процесс горячего изостатического прессования ведут в газостате при давлении не ниже 800 атм и температуре на 30-50^oС ниже температуры солидуса алюминиевого сплава и выдержкой при этой температуре 2-4 ч.

РИСУНКИ

Рисунок 1