Способ получения гранул квазикристаллического материала

Изобретение относится к способам получения гранул металлических материалов с квазикристаллической структурой и может быть использовано для наполнителей композиционных материалов. Способ включает получение отдельных гранул материала требуемого химического состава, соответствующего по стехиометрии интерметаллидной квазикристаллической структуре, и термическую обработку гранул. Термическую обработку проводят в атмосфере инертного газа путем пропускания гранул через три температурные зоны. В первой зоне температура должна обеспечивать формирование в гранулах структуры прекурсора квазикристаллической фазы. Во второй зоне температура должна обеспечивать формирование в гранулах квазикристаллической фазы. В третьей зоне происходит сверхбыстрая кристаллизация гранул. Технический результат - получение порошкового квазикристаллического материала сферической формы с однофазной кристаллической структурой. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к способам получения порошковых металлических материалов с квазикристаллической структурой.

Квазикристаллы - интерметаллидные соединения, атомная структура которых характеризуется наличием осей симметрии 5, 8, 10 и 12 порядков. Известно, что соединения металлов с такой кристаллографической структурой обладают уникальными свойствами: высокой твердостью, высокой износостойкостью и антифрикционными свойствами, низкой теплопроводностью и высокой коррозионной стойкостью. Квазикристаллы могут найти широкое применение в качестве наполнителей композиционных материалов для повышения износостойкости изделий из них, в качестве антифрикционных теплозащитных коррозионностойких покрытий, в качестве добавок к горючесмазочным материалам для увеличения срока службы подшипников качения и снижения расхода смазки.

Известен способ получения однофазного квазикристаллического порошкового сплава системы Al-Cu-Fe, состоящий в том, что исходную смесь порошков Аl, Сu и Fe, взятых в нужном соотношении, перемешивают на воздухе и нагревают в бескислородной атмосфере до 800-1100°С и выдерживают при этой температуре 1-2 часа. Перемешивание проводят вручную в среде жидкого испаряющегося пластификатора под тягой не менее 1 часа до получения однородной смеси и повышения ее вязкости (патент РФ №2244761).

Недостатком данного способа является то, что при указанной термообработке не успевает выравниваться состав промежуточного соединения (прекурсора), переходящего впоследствии в квазикристаллическую форму. Частицы порошка, содержащие металлы, образуют сначала механическое объединение, затем за счет твердофазной диффузии образуют интерметаллиды, которые при определенных условиях термообработки могут образовать квазикристаллическую структуру. При быстром нагреве до высокой температуры более легкоплавкие компоненты частиц начинают плавиться и перекристаллизовываться, тогда как процесс диффузии не закончился. Поэтому порошок, получаемый данным способом, может иметь недостаточное качество и не на 100% состоять из квазикристаллов требуемого состава. Кроме того, ручное перемешивание в сочетании с использованием испаряющегося пластификатора создает неблагоприятную экологию на рабочем месте при низкой производительности.

Известен способ получения порошка квазикристаллического сплава Al₆₅Cu₂₃Fe₁₂, по которому элементную порошковую смесь соответствующего состава подвергают помолу с механическим легированием в планетарной мельнице в течение 2-4 часов с последующим отжигом (Journal of Non-Crystalline Solids, vv.312-314, октябрь 2002 г. стр.522-526).

Недостатком данного способа является чрезмерное газонасыщение при продолжительном механическом легировании частиц, что способствует образованию дефектов и получению порошка низкого качества.

За прототип принят способ получения гранул квазикристаллического материала, включающий получение отдельных гранул сплава выбранного химического состава путем распыления перегретого на 100-300°С выше температуры ликвидуса расплава из элементных металлов данного сплава через газовую форсунку в струе инертного газа под давлением 400-1500 psi с последующей их термообработкой при температуре и в течение времени, достаточных для получения квазикристаллической структуры (патент США №5433978).

Недостатком данного способа является вероятность получения материала не полностью квазикристаллической структуры, так как при недостаточных скоростях кристаллизации капель расплава возможно обратное разложение квазикристаллической структуры, а контроль во время производственного цикла затруднен. Кроме того, в процессе высокотемпературного отжига произойдет спекание порошковых частиц и потребуется дополнительная операция помола, в результате которого сферическая форма частиц не сохранится, что затруднит их дальнейшую обработку методами порошковой металлургии.

Технической задачей данного изобретения является разработка способа получения гранул квазикристаллического материала сферической формы, с однофазной квазикристаллической структурой, пригодного для его получения в промышленном объеме.

Для решения поставленной задачи предложен способ получения гранул квазикристаллического материала, включающий получение отдельных гранул материала требуемого химического состава, соответствующего по стехиометрии интерметаллидной квазикристаллической структуре, и термическую обработку гранул, отличающийся тем, что термическую обработку проводят в атмосфере инертного газа путем пропускания гранул через три температурные зоны - через первую зону с температурой, обеспечивающей формирование в гранулах структуры прекурсора квазикристаллической фазы, затем через вторую зону с температурой, обеспечивающей формирование в гранулах квазикристаллической фазы, и через третьею зону для сверхбыстрой кристаллизации гранул.

Получение отдельных гранул требуемого химического состава, соответствующего по стехиометрии интерметаллической квазикристаллической структуре, проводят путем механического легирования элементных порошков, образующих требуемое интерметаллидное соединение, или путем распыления расплава того же состава. Полученные гранулы, каждая из которых содержит необходимое количество элементных металлов, проходят трехфазную температурную обработку в вертикальной зонной установке. Обработку в первой зоне проводят при температуре на 50-150°С ниже температуры солидуса самой легкоплавкой составляющей гранул, а во второй - на 50-150°С выше температуры солидуса самой легкоплавкой составляющей гранул, а третья зона - холодная, например, жидкий азот или вода, где гранулы подвергаются сверхбыстрой кристаллизации. Горячие гранулы с образовавшейся квазикристаллической структурой попадают в холодную среду в нижней части установки, где быстро кристаллизуются, фиксируя квазикристаллическую структуру. При этом гранулы приобретают сферическую форму и не слипаются.

Выбранный интервал обеспечивает в описанных технологических условиях надежное расплавление каждой гранулы и полный переход ω-фазы в квазикристаллическое состояние.

Предлагаемый способ иллюстрируется схемой вертикальной зонной установки на чертеже, где 1 - первая температурная зона, 2 - вторая температурная зона, 3 - третья температурная зона с охлаждающей средой (например, жидким азотом или водой). Исходные гранулы требуемого химического состава 4 последовательно проходят температурные зоны и накапливаются в нижней части установки в виде гранул требуемой квазикристаллической структуры 5.

Пример 1. Получение гранул квазикристаллического материала Al₆₅Cu₂₂Fe₁₃.

Для получения 1000 г исходных гранул взяли 460 г порошка алюминия, 360 г порошка меди и 180 г порошка железа. Полученную смесь порошков поместили в виброизмельчитель СнВ-0,05 и провели механическое легирование в среде технического аргона в течение 20 мин. После этого композиционные гранулы пропускали через вертикальную зонную установку с тремя температурными зонами в среде азота. Температура солидуса алюминия - 660°С, температура первой зоны составляла 610°С, температура второй - 710°С. При прохождении через первую зону в гранулах происходило образование переходной фазы квазикристаллической формы, при прохождении через вторую прекурсор переходил в квазикристалическую форму. После прохождения двух зон нагрева в установке гранулы попадали в третью, охлаждающую зону, в среду жидкого азота, где подвергались сверхбыстрой кристаллизации.

Полученные гранулы имели сферическую форму, размер частиц 40-50 мкм. Исследование дифрактограммы полученного материала показало, что он имеет 100% квазикристаллическую структуру.

Пример 2. Получение гранул квазикристаллического материала Al₆Mg₄Cu.

Для получения 1000 г исходных гранул взяли 500 г порошка Аl, 300 г порошка Mg и 200 г порошка Сu.

Далее способ осуществляли по примеру 1, при времени механического легирования 50 мин. Температура солидуса магния - 445°С, температура нагрева первой зоны установки - 350°С, а второй - 550°С.

Полученные гранулы имели сферическую форму, размер частиц 40-50 мкм. Исследование дифрактограммы полученного материала показало, что он имеет 100% квазикристаллическую структуру

Пример 3. Получение гранул квазикристаллического материала Ti₆₆Fe₂₆Si₆.

Для получения 1000 г исходных гранул взяли 670 г порошка титана, 300 г порошка железа, 30 г порошка кремния. Далее способ осуществляли по примеру 1, при времени механического легирования 1 час. Температура солидуса кремния - 1415°С, температура нагрева первой зоны установки - 1265°С, а второй - 1565°С.

Полученные гранулы имели сферическую форму, размер частиц 40-50 мкм. Исследование дифрактограммы полученного порошка показало, что он имеет 100% квазикристаллическую структуру.

Пример 4. Получение гранул квазикристаллического материала Al₆₅Cu₂₂Fe₁₃.

Для получения 1000 г исходных гранул взяли 460 г порошка алюминия, 360 г порошка меди и 180 г порошка железа. Полученную смесь порошков поместили в виброизмельчитель СнВ-0,05 и провели механическое легирование в среде технического аргона в течение 20 мин. После этого композиционные гранулы пропускали через вертикальную зонную установку с тремя температурными зонами. Температура солидуса алюминия - 660°С, температура первой зоны составляла 610°С, температура второй - 710°С, эти зоны имели азотную атмосферу. При прохождении через первую зону в гранулах происходило образование переходной фазы квазикристаллической формы, при прохождении через вторую прекурсор переходил в квазикристалическую форму. После прохождения двух зон нагрева в установке гранулы попадали в третью, охлаждающую зону, содержащую воду, где подвергались сверхбыстрой кристаллизации. Конструкционно третья зона выполнена таким образом, что возникающие пары воды выводятся наружу специальным насосом, исключая попадание водных паров в первую и вторую зону.

Полученные гранулы имели сферическую форму, размер частиц 40-50 мкм. Исследование дифрактограммы полученного материала показало, что он имеет 100% квазикристаллическую структуру.

Пример 5 (по прототипу). Получение гранул квазикристаллического материала Al₆₅Cu₃₂Fe₁₂.

Взяли навеску порошков 564 г меди, 258,75 г железа и 677,25 г алюминия и поместили ее в тигель из оксида алюминия внутрь плавильной печи. Плавильную камеру вакуумировали до 30×10^-3 Торр и наполнили высокочистым аргоном до давления 1,1 атм. Расплавили исходные компоненты с помощью индукционного нагрева при 1100°С, что соответствовало перегреву расплава на 230°С по сравнению с температурой ликвидуса 870°С. Расплав выдержали 2 мин при 1100°С для обеспечения однородности расплава. После этого расплав подали в распыляющую форсунку и распыляли под давлением в струе сверхчистого аргона. Распыленный расплав поступал в зону высокочистого азота, где кристаллизовался и был собран в накопителе. Полученные гранулы имели сферическую форму, размер частиц от 35 до 40 мкм и содержали в своем составе квазикристаллическую фазу наряду с несколькими переходными фазами. Для получения полностью квазикристаллической структуры полученные гранулы подвергли термообработке при 800°С 1 час и помолу спекшегося материала для получения порошка. Получили частицы несферической формы с полностью квазикристаллической структурой.

Из примеров видно, что предлагаемый способ позволяет получить гранулы сферической формы, с полностью квазикристаллической структурой. Кроме того, благодаря образующейся на поверхности частиц нитридной пленке, материал не слипается. Сыпучесть получаемых гранул позволяет использовать их не только в качестве исходного материала для получения плотных материалов путем горячего прессования и для нанесения покрытий из распылительных установок, но также и для использования в качестве различных добавок.

Предлагаемый способ позволяет получать качественный сыпучий гранулированный материал квазикристаллической структуры в больших количествах. Данный способ найдет применение при производстве квазикристалличеких гранул для использования их в качестве наполнителей композиционных материалов для повышения износостойкости изделий из них, в качестве антифрикционных теплозащитных коррозионностойких покрытий, в качестве иных добавок.

1. Способ получения гранул квазикристаллического материала, включающий получение отдельных гранул материала требуемого химического состава, соответствующего по стехиометрии интерметаллидной квазикристаллической структуре, и термическую обработку гранул, отличающийся тем, что термическую обработку проводят в атмосфере инертного газа путем пропускания гранул через три температурные зоны - через первую зону с температурой, обеспечивающей формирование в гранулах структуры прекурсора квазикристаллической фазы, затем через вторую зону с температурой, обеспечивающей формирование в гранулах квазикристаллической фазы, и через третью зону - для сверхбыстрой кристаллизации гранул.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что получение отдельных гранул требуемого химического состава, соответствующего по стехиометрии интерметаллической квазикристаллической структуре, проводят путем механического легирования элементных порошков, образующих требуемое интерметаллидное соединение, или путем распыления расплава того же состава.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что термическую обработку гранул проводят в вертикальной зонной установке.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что обработку в первой зоне проводят при температуре на 50-150°С ниже температуры солидуса самой легкоплавкой составляющей гранул, а во второй - на 50-150°С выше температуры солидуса самой легкоплавкой составляющей гранул.