Способ получения композитного порошка системы al-zn-sn-al2o3

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способам получения композитных порошковых наноматериалов с металлической матрицей, армированной оксидными наполнителями, применяемых для создания износо- и коррозионностойких беспористых покрытий. Способ включает механическое легирование пластичных металлических порошков неметаллическими частицами высокой твердости, причем в качестве пластичных металлических порошков используют порошки системы Al-Zn-Sn, а в качестве неметаллических частиц высокой твердости используют порошок корунда наноразмерной фракции. Технический результат: получение композитного материала с металлической матрицей, армированной наноразмерным упрочнителем, для создания практически беспористого функционально-градиентного покрытия с повышенными эксплуатационными свойствами. 8 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способам получения композитных порошковых наноматериалов с металлической матрицей, армированной оксидными наполнителями, применяемых для создания износо- и коррозионностойких беспористых покрытий.

Для получения композиционных материалов на основе металлической матрицы, содержащей армирующие наполнители, применяется много способов, в том числе литье под давлением, пропитка пористых керамических преформ, замешивание керамических частиц в расплав, непосредственное окисление расплавленных металлов, реактивная пропитка и методы порошковой металлургии. Материалы, получаемые методами порошковой металлургии, то есть путем приготовления порошковых смесей, содержащих как матричный металл, так и армирующие керамические компоненты, и компактирования этих смесей при температуре и давлении до образования однородного композиционного материала, обладают требуемой суммой свойств, таких как прочность, модуль упругости, износостойкость, а так же могут подвергаться операциям деформирования и механической обработки на промышленном оборудовании, что, в сочетании с низким удельным весом, делает их привлекательными для применения.

Известен способ получения композиционных порошковых материалов, содержащего частицы хрома в матрице из железа, включающий механическое смешивание порошков железа и хрома; создание на основе полученной смеси износостойкого газотермического покрытия (патент РФ №2262554).

Недостатком такого способа является то, что при простом смешивании исходных компонентов частицы имеют склонность к расслаивание и агломерации в процессе последующих операций, что приводит к неоднородности структуры, а следовательно, низкой когезионной и адгезионной стойкости покрытия. Кроме того, износостойкость такого покрытия не превышает 4 мг/ч, что недостаточно для конечных изделий.

За прототип выбран способ получения композиционного материала с металлической матрицей и керамическим упрочнителем, в качестве материала матрицы используется алюминиевый сплав, в качестве керамического упрочнителя используется карбид кремния, включающий механическое легирование порошков карбида кремния и алюминиевого сплава Д16 в течение 30 часов (патент РФ №2246379).

Недостатком такого способа является то, что в качестве упрочнителя используется дисперсный (более 1 мкм) порошок упрочнителя, что позволяет получать покрытия с пористостью не менее 5%, это существенно снижает износостойкость получаемых покрытий. Кроме того, процесс измельчения составляет 30 часов в планетарной, шаровой мельнице, при этом существенно удорожает процесс получения дисперсного материала и не удается получить композиционный порошок с наноразмерным упрочнителем.

Техническим результатом изобретения является разработка способа получения композитного материала с металлической матрицей, армированной наноразмерным упрочнителем, представляющим собой частицы корунда, твердость которых превышает 5 единиц по шкале Мооса, причем средний размер армирующих частиц преимущественно от 50 до 1000 раз меньше, чем размер армируемой частицы порошка системы Al-Zn-Sn-AI₂O₃, методом высоконапряженного механосинтеза с улучшенными механическим характеристиками, предназначенного для создания практически беспористого функционально-градиентного покрытия с повышенными эксплуатационными свойствами.

Выбор матричного материала обусловлен необходимостью получения требуемого уровня пластичности, коррозионной стойкости, определенному кристаллографическому сродству к армирующему компоненту (корунду), а также этот материал обладает высоким комплексом технологических свойств при получении покрытий и эксплуатационных характеристик (износостойкость и др.). Экспериментально установлено, что наилучшим сочетанием указанных свойств обладает сплав на основе алюминия следующего состава (мас.%): Al - основа; Zn от 1,0 до 12; Sn от 1,0 до 12; Fe от 0,1 до 0,2; Si от 0,3 до 0,5; Ti от 0,1 до 0,15.

Выбор материалов матрицы с твердостью 70-80 HV и армирующей компоненты с твердостью выше 5 единиц по шкале Мооса осуществлялся исходя из обеспечения максимально плотного и прочного армирования. Фракционный состав металлических порошков в пределах от 5 до 100 мкм обеспечивает наиболее плотную структуру армированного порошка за счет того, что более мелкие частицы заменяют поры, которые образуются в процессе механосинтеза. Эта закономерность установлена экспериментально и относится ко всему диапазону составов сплавов Al-Zn-Sn и армирующих частиц, представленных в заявке.

Получение эффективных функциональных покрытий с использованием только наноразмерного материала невозможно из-за образования агломератов и высокой сложности транспортировки напыляемого нанопорошка на поверхность изделия. Для получения покрытий с высокими эксплуатационными свойствами перспективным вариантом является создание композитных порошков, содержащих пластичную металлическую матрицу микронных размеров и наноразмерный упрочнитель, который армирует материал матрицы. Предложен способ получения таких композитных порошков с использованием высоконапряженного механосинтеза, реализуемого в высокоскоростных планетарных мельницах. В высокоскоростных планетарных мельницах армирование частиц происходит за счет тщательного перемешивания компонентов при высоких механических напряжениях, с центробежным фактором свыше 100 g. При таких технологических условиях реализуется механизм получения композитного дисперсного материала, который, в свою очередь, обеспечивает создание беспористой структуры и тем самым высокой износостойкости покрытий полученных методами холодного газодинамического или микроплазменного напыления.

Сущностью изобретения является то, что получение наноструктурированного композитного порошкового материала, содержащего металлическую матрицу и наноразмерный упрочнитель, осуществляется за счет приготовления смеси порошка матричного металла и упрочнителя, отличающийся тем, что приготовленную смесь матричного металла и упрочнителя подвергают высоконапряженному механическому легированию.

Механическое легирование предварительно полученной смеси проводят в высокоскоростных планетарных мельницах при высоких механических напряжениях, с центробежным фактором свыше 100 g в течение 45 мин, обеспечивающих внедрение твердых армирующих частиц в пластичную металлическую сферу на глубину не менее ¹/₄ максимального размера армирующей частицы. В процессе высоконапряженного легирования происходит армирование наноразмерными частицами корунда металлической матрицы, исчезает неравномерный характер структуры, происходит образование плотных, хорошо сформированных частиц композиционного материала. В ходе исследований было установлено, что при добавлении ПАВа в количестве не более 3 мас.% не происходит увеличения гранул порошка и не происходит спекания порошков, что и позволяет увеличивать центробежный фактор.

Проведенные эксперименты показывают, что гранулометрический состав полученных наноструктурированных композиционных порошковых материалов составляет от 40 до 60 мкм, доля армирования составляет от 10 до 90%, введение армирующей компоненты более 90% является нецелесообразным с точки зрения адгезии покрытий, а менее 10% не дает повышения твердости. При использовании порошков, в которых содержатся частицы размером выше или ниже указанного предела, происходит ряд негативных явлений. Крупные частицы засоряют сопло напыляющих установок, что приводит к остановке процесса напыления и ремонту установки. Мелкие частицы не доносятся воздушным потоком до поверхности, что приводит к низкому КПД использования композиционного порошкового материала.

Сопоставительный анализ предлагаемого решения с прототипом показал, что предлагаемый способ получения композитного порошкового материала отличается от прототипа тем, что в качестве упрочнителя используется наноразмерный порошок корунда, и создание такого композитного порошка можно реализовать в высокоскоростных планетарных мельницах при высоких механических напряжениях с добавкой ПАВ до 3 мас.%.

Пример 1

Взяли 1000 г порошковой смеси, содержащей 100 г корунда и 900 г порошка алюминия системы Al-Zn-Sn состава Al-6%Zn-6%Sn, подвергли ее высоконапряженному механосинтезу при режиме обработки с центробежным фактором 100 g в течение 25 мин в воздушной среде и добавкой ПАВ 3 мас.%. Полученные в результате обработки композитный порошок размером 35-60 мкм содержал в себе 7,5% корунда. Покрытие, полученное методом холодного газодинамического напыления, имело твердость 78 HV и износостойкость 4,9 мг/ч.

Пример 2

Взяли 1000 г порошковой смеси, содержащей 900 г корунда и 100 г порошка алюминия системы Al-Zn-Sn состава Al-6%Zn-6%Sn, подвергли ее высоконапряженному механосинтезу при режиме обработки с центробежным фактором 100 g в течение 25 мин в воздушной среде и добавкой ПАВ 3 мас.%. Полученные в результате обработки композитный порошок размером 25-60 мкм содержал в себе 70% корунда. Покрытие, полученное методом холодного газодинамического напыления, имело твердость 340 HV и износостойкость 2,3 мг/ч.

Пример 3

Взяли 1000 г порошковой смеси, содержащей 100 г корунда и 900 г порошка алюминия системы Al-Zn-Sn состава Al-6%Zn-6%Sn, подвергли ее высоконапряженному механосинтезу при режиме обработки с центробежным фактором 100 g в течение 45 мин в воздушной среде и добавкой ПАВ 3 мас.%. В результате обработки наноструктурированный композиционный порошок размером 40-60 мкм содержал в себе 9% корунда. Покрытие, полученное методом холодного газодинамического напыления, имело твердость 88 HV и износостойкость 4,7 мг/ч.

Пример 4

Взяли 1000 г порошковой смеси, содержащей 900 г корунда и 100 г порошка алюминия системы Al-Zn-Sn состава Al-6%Zn-6%Sn, подвергли ее высоконапряженному механосинтезу при режиме обработки с центробежным фактором 100 g в течение 45 мин в воздушной среде и добавкой ПАВ 3 мас.%. В результате обработки наноструктурированный композиционный порошок размером 45-60 мкм содержал в себе 88% корунда. Покрытие, полученное методом холодного газодинамического напыления, имело твердость 380 HV и износостойкость 1,6 мг/ч.

1. Способ получения композитного порошка системы Al-Zn-Sn-Al₂O₃, включающий механическое легирование пластичных металлических порошков неметаллическими частицами высокой твердости, отличающийся тем, что в качестве пластичных металлических порошков используют порошки системы Al-Zn-Sn, а в качестве неметаллических частиц высокой твердости используют порошок корунда наноразмерной фракции.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что фракционный состав металлических порошков составляет от 5 мкм до 100 мкм.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что твердость металлического материала системы Al-Zn-Sn составляет от 70 HV до 80 HV.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что твердость корунда превышает 5 единиц по шкале Мооса.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что средний размер частицы корунда преимущественно от 50 до 1000 раз меньше, чем размер частицы порошка системы Al-Zn-Sn.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что механическое легирование проводят высокоскоростным методом в планетарных мельницах с центробежным фактором свыше 100 g и временем обработки не менее 45 мин, обеспечивающих внедрение частиц корунда в металлический материал на глубину не менее ¹/₄ максимального размера частицы корунда.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве металлического материала используют порошок системы Al-Zn-Sn следующего состава, мас.%: Al - основа; Zn от 1,0 до 12; Sn от 1,0 до 12; Fe от 0,1 до 0,2; Si от 0,3 до 0,5; Ti от 0,1 до 0,15.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что количество корунда изменяют по отношению к металлическому материалу от 10 об.% до 90 об.%.

9. Способ по п.6, отличающийся тем, что перед обработкой порошка в планетарной мельнице в него добавляют ПАВ в количестве до 3% по массе.