Способ получения полуфабриката для изготовления изделий из пенометалла
Владельцы патента RU 2360020:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" - ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ" (RU)
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению пеноматериалов. Может использоваться в машиностроении, строительстве. В расплав металлического сплава вводят порофор - порошок гидрида редкоземельного металла, имеющего дисперсность от 20 до 300 мкм и степень насыщения, соответствующую атомному отношению водорода к металлу 0,4-1,7. После гомогенного перемешивания расплава и порофора смесь распыляют и охлаждают частицы полученного полуфабриката. Полученные частицы используют для изготовления изделий. Способ позволяет повысить качества полуфабриката за счет уменьшения потерь водорода и более плавного регулирования порообразования. 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способам получения пеноматериалов (пористых металлов), которые могут быть использованы в машиностроении (автомобилестроении, авиастроении), строительстве и других областях производства.
Известен способ получения полуфабрикатов пористого металла, основанный на смешивании порошка алюминий-медного сплава с порошком порофора, горячем прессовании при температуре ниже температуры разложения порофора, обеспечивающем получение плотной заготовки, и последующей термической обработке заготовки для получения пористого состояния (патент ФРГ 4101630, МПК B22F 3/18, B22F 3/24, 12.12.1991 г.).
Известен способ получения пористых полуфабрикатов из порошков алюминиевых сплавов, основанный на смешивании порошков алюминиевых сплавов с порошками порофоров, которые имеют температуру интенсивного термического разложения, превышающую температуру солидуса-ликвидуса алюминиевого сплава, получении плотной заготовки методом горячего компактирования смеси с последующей термической обработкой плотной заготовки (патент РФ 2085339 C1, B22F 3/11, 3/18, 31.08.1995 г.).
Недостатками этих двух способов является необходимость использования порошков алюминиевых сплавов, которые получают из компактного металла, что является трудоемким процессом.
Известен способ получения пористого металла и изделий из него, включающий расплавление металла, сливание расплавленного металла в распылитель с одновременным введением в расплав порошка порофора. Полученную смесь распыляют с последующим охлаждением, при этом смешивание, распыление и охлаждение частиц ведут в течение времени, исключающем термическое разложение порофора (патент РФ 2193948 С2, B22F 3/11, 10.12.2002 г.). Полученные после распыления и охлаждения частицы являются полуфабрикатом, дальнейшее применение которого позволяет получать пористые изделия. Достоинством этого способа является отсутствие необходимости предварительного получения порошков металла, например, алюминиевого сплава из компактных полуфабрикатов этого сплава. Этот способ выбран в качестве прототипа предлагаемого изобретения.
Недостатком способа прототипа является представленная в описании экспериментальная проверка, когда для получения частиц полуфабриката (частицы алюминиевого сплава, содержащие порофор) в качестве порофора в расплав алюминиевого сплава вводят частицы гидрида титана TiH2.
При температуре ликвидуса расплавленного алюминиевого сплава гидрид титана достаточно быстро термически разлагается и теряет большую часть содержащегося в нем водорода. В случае выбранных сплавов алюминия их температуры ликвидуса, т.е. температуры плавления, находятся в интервале от 628 до 677°С, а температура интенсивного разложения гидрида титана равна примерно 550°С.Температуры ликвидуса некоторых алюминиевых сплавов приведены в таблице.
| Таблица 1 Температуры ликвидуса (плавления) алюминиевых сплавов |
|
| Марки алюминиевых сплавов, содержащих: Cu, Mg, Mn, Si, Zn, Zr, Co, Cr | Температура ликвидуса, °С |
| Д1 | 639 |
| Д16 | 638 |
| АК8 | 638 |
| В95 | 635 |
| 01959 | 628 |
| 01995 | 677 |
Для предотвращения полного термического разложения приходится минимизировать суммарное время смешивания расплава алюминия и гидрида титана, время гомогенизации расплава, время распыления и охлаждения, т.е. время изготовления порофоросодержащих частиц. При этих ограничениях (температура и время) достаточно сложно получить гранулы полуфабриката с гомогенно распределенными частицами порофора и содержащими значительное количество газа (водорода). При опробовании прототипного способа получения гранул полуфабриката частицы гидрида титана теряли до 90% содержащегося в них водорода.
Таким образом, к недостаткам этого способа можно отнести следующее:
- большие потери водорода гидридом титана при изготовлении гранул полуфабриката;
- трудность получения гомогенного распределения порофора из-за ограниченного времени;
- затруднение в получении больших пор в изделии из приготовленного полуфабриката из-за больших потерь водорода частицами гидрида титана;
- отсутствие гомогенности распределения порофора будет приводить к резкому различию плотности заготовки в различных ее частях.
Задачей настоящего изобретения является повышение качественных показателей полуфабриката для изготовления изделий из пенометалла путем сохранения основной массы водорода, химически связанного в частицах порофора и более медленного развития (увеличения) пор в изделиях при изготовлении из полуфабриката.
Технический результат, достигаемый при использовании предлагаемого способа, заключается в следующем:
- потери связанного водорода, содержащегося в частицах гидрида металла, которые распределены в полуфабрикате, уменьшаются в 10 и более раз;
- повышается гомогенность распределения порофора в расплаве за счет увеличения времени перемешивания;
- появляется возможность более плавного регулирования порообразования в изделиях из полуфабриката.
Для достижения указанных задач и технического результата в способе получения полуфабриката для изготовления изделий из пенометалла, заключающемся в расплавлении металлического сплава, введении в расплавленный сплав порофора с последующим перемешиванием расплава и охлаждением, согласно настоящему изобретению в качестве порофора используют порошок гидрида редкоземельного металла, имеющего степень насыщения в пределах атомного отношения водорода к металлу (а.о. Н/Ме) 0,4-1,7 и размером частиц от 20 до 300 мкм.
При нагревании таких гидридов до температуры плавления алюминиевых сплавов (~700°С) они практически не выделяют водород, т.е. не происходит термического разложения гидрида.
Так, равновесное давление над гидридом иттрия, имеющего степень насыщения а.о. H/Y от 0,4 до 1,7 (удельное газосодержание на 1 г иттрия от 50 до 215 см3), при температуре 700°С составляет порядка 1 Па. Для сравнения равновесные давления при 700°С над гидридом титана TiH2 составляют порядка 100 атм (107 Па), над гидридом титана, имеющего примерно такое же удельное газосодержание, как и в гидриде иттрия (от 50 до 215 см3 на 1 г титана), - равновесные давления от 103 до 105Па. В связи с высокой термостойкостью гидрида иттрия нагрев его до 700°С не приводит к термическому разложению гидрида.
На чертеже представлена кинетика термического разложения порошков дигидрида титана (кривая 1) и дигидрида иттрия (кривая 2) при температуре ~700°С.
Как видно из чертежа, разложение гидрида титана происходит значительно интенсивнее, чем гидрида иттрия. Так, за первые 50 сек нахождения порошков гидридов с одинаковой дисперсностью (порядка 40 мкм) при температуре 700°С из порошка дигидрида титана выделяется ~90% водорода, а из порошка дигидрида иттрия выделяется не более 2% изначально содержащегося водорода.
Применение термостойкого гидрида иттрия (РЗМ) дает возможность более равномерно распределить его по объему расплавленного алюминиевого сплава и, следовательно, по объему распыленных и охлажденных частиц полуфабриката. Образование пор в пеноалюминии (выделение водорода из гидрида иттрия) будет происходить не за счет термического разложения гидрида иттрия, а за счет образования интерметаллических соединений типа YAl3, YAl2, не образующих гидридов. Поскольку температура плавления редкоземельных металлов значительно выше 700°С, образование интерметаллических соединений (РЗМ-Al) будет происходить за счет диффузии и скорость выделения водорода из гидридов РЗМ будет значительно ниже, чем при термическом разложении гидрида титана. При использовании частиц гидрида редкоземельного металла размером менее 20 мкм скорость выделения водорода будет значительно возрастать, а использование частиц более 300 мкм отрицательно влияет на равномерность распределения порофора в расплаве.
Плотность дигидрида титана составляет ~3,8 г/см3, а дигидрида иттрия ~4,3 г/см3, т.е. на ~13% больше, но за счет значительно меньших потерь водорода гидридом иттрия в результате термического разложения при введении порофора в расплав алюминия количество вводимого гидрида иттрия можно уменьшить. При этом можно получать одинаковый эффект вспенивания, как и при введении порошка гидрида титана, т.е. различие в плотностях гидридов не повлечет за собой увеличение плотности пеноалюминия, к тому же обычно масса вводимого порофора в алюминий не превышает нескольких процентов от массы алюминия.
Применение в качестве порофора термостойких гидридов редкоземельных металлов, в частности иттрия, для получения полуфабриката пеноалюминия дает возможность при изготовлении деталей не доводить полуфабрикат до температуры плавления алюминия. Поскольку выделение водорода из гидрида иттрия, т.е. вспенивание алюминия, будет происходить за счет диффузии алюминия в гидрид иттрия и образования негидридообразующего интерметаллического соединения, имеется возможность доводить заготовку до температуры размягчения алюминия. При этом гранулы полуфабриката запрессовывают в форму. Форму с запрессованным полуфабрикатом нагревают до температуры размягчения алюминия, при этом происходит спекание гранул с одновременным постепенным вспениванием.
По достижении заготовки заданных размеров пресс-форму с подвижным пуансоном охлаждают до комнатной температуры. Поскольку выделение водорода из порофора идет за счет образования интерметаллического соединения (диффузии алюминия в гидрид иттрия), этот процесс можно регулировать. При климатических температурах -50-+50°С диффузия алюминия в гидрид иттрия (образование интерметаллида, выделение водорода) практически прекращается и заготовка сохраняет свою форму.
Примеры осуществления способа.
Пример 1.
В расплав алюминия при температуре 750-800°С массой 5,7 г был введен порошок гидрида иттрия массой 0,1 г (1,75 мас.%) со средним размером частиц порядка 40 мкм (степень насыщения гидрида иттрия соответствовала атомному отношению а.о. H/Y=1,6) с последующим перемешиванием расплава.
Расплав был охлажден до комнатной температуры. Скорость охлаждения расплава от температуры 800°С до 400°С составляла ~40°С/мин. Скорость охлаждения от температуры 400°С до комнатной ( ~20°С) не контролировалась. Плотность полученного сплава составляла ρ=2,0 г/см3, что соответствует ~25% пористости сплава.
Пример 2.
Расплав алюминия, содержащий 1,5 мас.% порошка гидрида иттрия, имеющего степень насыщения а.о. H/Y=1,6 и средний размер частиц ~80 мкм, охлаждали путем распыления (разбрызгивания) с помощью ультразвукового диспергатора. Были получены частицы полуфабриката алюминия суммарной массой ~2 г со средним размером порядка 200 мкм.
Полученные частицы полуфабриката алюминия спрессовали в пресс-форме в виде таблетки до относительной плотности ~80%. Полученную заготовку поместили в стальной стаканчик и нагрели до температуры 620°С. Выдержали при этой температуре до видимого изменения объема, потом охладили до комнатной температуры со скоростью более 20°С/мин. Относительная плотность таблетки составила ~40%, т.е. пористость ~60%.
Для подтверждения возможности достижения технического результата при использовании в качестве порофора гидридов других редкоземельных металлов в расплав алюминия поочередно вводили порошки гидридов редкоземельных металлов (лантана, неодима, гадолиния, диспрозия, гольмия и эрбия). Размер частиц вводимых порошков составлял от 25 до 80 мкм. Степень насыщения гидридов металлов и количество (массовый процент) вводимых порошков указаны в таблице. С целью наиболее быстрого охлаждения расплав алюминия с введенным порошком разбрызгивали с помощью ультразвукового диспергатора. В результате в каждом опыте были получены частицы полуфабриката алюминия с массой ~2 г со средним размером частиц порядка 200 мкм.
Из полученных частиц полуфабриката алюминия прессовали заготовки в виде таблеток до относительной плотности ~80%. Заготовки помещали в стальные стаканчики и нагревали до температуры 620°С, выдерживали при этой температуре до видимого изменения объема, потом охлаждали до комнатной температуры со скоростью более 20°С/мин.
В таблице 2 приведены степень насыщения гидрида металла, удельное газосодержание, массовая доля вводимого гидрида и относительная плотность полученных изделий.
| Таблица 2 | ||||
| Вводимый гидрид РЗМ | Исходная степень насыщения а.о. Н/Ме | Удельное газосодержание гидрида, см3/г | Массовая доля вводимого гидрида, % | Относительная плотность, ρтаб/ρAl, % |
| La | 1,2 | 95 | 5 | ~ 65 |
| Nd | 1,2 | 92 | 5 | ~ 65 |
| Gd | 1,2 | 84 | 9 | ~ 50 |
| Dy | 1,1 | 75 | 10 | ~ 50 |
| Но | 1,1 | 74 | 10 | ~ 50 |
| Er | 1,5 | 99 | 6 | ~ 45 |
| Y | 1,6 | 197 | 1,5 | ~ 40 |
В дополнительно приведенных примерах наименьшую относительную плотность ~45 (наибольшую пористость) имеют изделия из полуфабриката с эрбием. Для сравнения: гидирд иттрия имеет наибольшее удельное газосодержание - 1970 см3/г, а изделия из полуфабриката с иттрием имеют относительную плотность 40%, что соответствует пористости ~60% (пример 2 описания).
Заявляемый способ позволит улучшить качество полуфабриката для получения изделий из пеноалюминия за счет применения порофора (гидрида РЗМ со степенью насыщения 0,4-1,7 и размером частиц 20-300 мкм), способного удерживать водород при температуре расплавления металла, и за счет возможности равномерного распределения его в расплаве металла.
1. Способ получения полуфабриката для изготовления изделий из пенометалла, заключающийся в расплавлении металлического сплава, введении в него порофора, перемешивании полученного расплава и охлаждении, отличающийся тем, что в качестве порофора используют порошок гидрида редкоземельного металла со степенью насыщения, соответствующей атомному отношению водорода к редкоземельному металлу 0,4-1,7, и с размером частиц 20-300 мкм.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве редкоземельного металла используют иттрий.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что охлаждение полученного расплава проводят со скоростью не менее 20°С/мин.
