Способ получения высокотемпературного композиционного материала на основе никеля


 


Владельцы патента RU 2563084:

Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") (RU)

Изобретение относится к порошковой металлургии. Способ получения композиционного материала на основе никеля включает перемешивание порошков для приготовления матрицы материала и дисперсного порошка оксида металла, механическое легирование полученной смеси, компактирование и прокатку полученного сплава. Порошки перемешивают с получением смеси, содержащей оксид металла с его объемным содержанием 1-3,5 %, 7,5-8,5 мас. % алюминия, 4-5 мас. % хрома, 2-2,5 мас. % вольфрама, 2,5-3,5 мас. % кобальта, 0,8-1,5 мас. % титана, Ni - остальное. Механическое легирование проводят в высокоэнергетической установке для размола и смешивания в защитной атмосфере в течение 40-60 часов. Компактирование проводят методом горячей экструзии при температуре 1100-1250°C и с коэффициентом вытяжки 11-16. Полученный сплав в виде прутков экструдата прокатывают вдоль направления экструзии при температуре 950-1150°C и коэффициенте деформации 15-20% за один проход. Обеспечивается получение композиционного материала на основе никелевой матрицы, упрочненного оксидом алюминия, с прочностью на растяжение при комнатной температуре не менее 900 МПа и плотностью ≤8,0 г/см3. 3 з.п. ф-лы, 3 пр.

 

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способам получения высокотемпературных композиционных материалов на основе никеля для изготовления деталей горячего тракта газотурбинных двигателей (ГТД).

Основной проблемой дальнейшего увеличения эксплутационных характеристик современных ГТД является сохранение механических свойств используемых материалов при повышении рабочих температур двигателя. Легирование никелевой матрицы позволяет увеличить окалиностойкость материала с одновременным увеличением низкотемпературной прочности. Повышение жаропрочности никелевых сплавов возможно за счет введения наноразмерных частиц тугоплавких оксидов в объем матрицы, обеспечивающих связь на границах зерен и уменьшения межзеренного проскальзывания.

Известен способ получения композиционного материала, включающий приготовление экзотермической смеси порошков переходного металла и алюминия, а также дополнительного упрочнителя из группы карбидов, оксидов, боридов, нитридов, получение сплава методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза и горячее деформирование полученного сплава. Способ позволяет получать алюминиды переходных металлов с равномерным распределением упрочнителя по объему (RU 2032496 С1, 10.04.1995).

Недостатками описанного способа являются взрывоопасность производственного процесса, использование дорогостоящего оборудования и операций нагрева и вакуумирования больших объемов компонентов сплава.

Известен способ получения тугоплавких композиционных материалов с металлической или интерметаллидной матрицей, армированной керамическими частицами, включающий приготовление исходной смеси порошков механическим легированием, сплавление порошков в емкости путем погружения ее донной части в расплав металла и последующую кристаллизацию (RU 2263089 С1, 27.10.2005).

Недостатком этого способа является использование трудоемких процессов плавления и кристаллизации сплава.

Известен способ получения композиционного материала состава, ат.%: алюминий 35-48, никель 23-48, ниобий и/или титан до 12, вольфрам и/или молибден 30-4. Способ включает приготовление порошкообразного моноалюминида никеля, его компактирование и спекание, при этом перед компактированием на поверхность частиц моноалюминида никеля наносят покрытие из тугоплавкого металла вольфрама и/или молибдена толщиной 1-5 мкм (RU 2135619 С1, 27.08.1999).

Данный способ получения отличается высокой трудоемкостью и многостадийностью, а рабочие температуры композиционного материала не превышают 1200°C.

Наиболее близким аналогом является способ получения композиционного материала на основе моноалюминида никеля, упрочненного частицами Y2O3, заключающийся в смешивании порошка сплава матрицы и оксида иттрия, экструдировании полученной смеси при температуре 1100-1200°C с коэффициентом вытяжки не менее 15 и последующей термической и механической обработки продуктов экструзии. Полученный сплав обладает прочностью ~190 МПа при 1100°C (RU 2371496 С1, 27.10.2009).

Недостатком этого способа является низкая вязкость разрушения при комнатной температуре получаемых композиционных материалов (8-10 МПа·м2).

Техническим результатом заявленного способа является получение композиционного материала на основе никелевой матрицы, упрочненного оксидом алюминия, с прочностью на растяжение при комнатной температуре не менее 900 МПа и плотностью ≤8,0 г/см3.

Технический результат достигается в предложенном способе получения композиционного материала на основе никеля, включающем перемешивание порошков для приготовления матрицы материала и дисперсного порошка оксида металла, механическое легирование полученной смеси, компактирование и прокатку полученного сплава, при этом порошки перемешивают с получением смеси, содержащей: 7,5-8,5 мас. % алюминия, 4-5 мас. % хрома, 2-2,5 мас. % вольфрама, 2,5-3,5 мас. % кобальта, 0,8-1,5 мас. % титана, объемное содержание оксида металла - 1-3,5%, Ni - остальное, механическое легирование проводят в высокоэнергетической установке для размола и смешивания в защитной атмосфере в течение 40-60 часов, компактирование проводят методом горячей экструзии при температуре 1100-1250°C и с коэффициентом вытяжки 11-16, полученный сплав в виде прутков экструдата прокатывают вдоль направления экструзии при температуре 950-1150°C и коэффициенте деформации 15-20% за один проход.

Порошок для приготовления матрицы материала предпочтительно получать путем выплавки никеля, алюминия, титана, хрома, вольфрама, молибдена, кобальта и дальнейшего распыления полученного расплава. Предварительное плавка и распыление матричного сплава позволяет значительно уменьшить содержание газов в получаемом материале.

В качестве дисперсного порошка оксида металла можно использовать, например, порошки оксида иттрия или оксида циркония, однако предпочтительно использовать наноразмерный порошок оксида алюминия или оксида гафния. Указанные оксиды обладают высокой термодинамической устойчивостью и не взаимодействуют с матрицей получаемого материала.

После перемешивания порошков и оксида металла проводят механическое легирование смеси в высокоэнергетической установке для размола и смешивания (аттриторе) с защитной атмосферой инертного газа. Высокоэнергетический помол обеспечивает механическое активирование порошка матричного материала, а также позволяет производить перемешивание одновременно с помолом, во время которого происходит механическая активация смеси, увеличивается контакт между частицами порошка, уменьшается пористость, происходит деформация или разрушение отдельных частиц порошка.

Оптимальное время механического легирования, при котором происходит необходимое измельчение и перемешивание компонентов сплава, составляет 40-60 часов.

Готовый порошок экструдируют с коэффициентом вытяжки 11-16 при температуре 1100-1250°C для обеспечения направленной крупнозернистой микроструктуры сплава.

Анализ структуры с помощью растрового электронного микроскопа показал, что после экструзии в указанных режимах частицы оксидов металлов равномерно распределены в объеме материала, структура на поперечном шлифе - равноосная, на продольном - направленная. Однако в образцах наблюдалось наличие значительного количества пор и рыхлот.

С целью усовершенствования структуры полученные прутки прокатывают вдоль направления экструзии при температуре 950-1150°C и коэффициенте деформации 15-20% за один проход.

Примеры осуществления изобретения.

Пример 1

Получали композиционный материал на основе никеля, армированный дисперсными частицами оксида алюминия.

Проводили смешивание порошков до получения смеси следующего состава, масс. %: Al - 8,5, Cr - 5, Mo - 5, W - 2,2, Со - 3, Ti - 0,9, Ni - остальное, объемное содержание оксида алюминия - 2,5%.

Полученную порошковую смесь подвергали механическому легированию в высокоэнергетической установке для размола и смешивания (аттриторе) по следующему режиму: время обработки 40 часов, защитная атмосфера - аргон. Готовый порошок сплава экструдировали при температуре 1200°C с коэффициентом вытяжки 11. Полученные прутки сплава прокатывали в листы толщиной 8 мм вдоль направления экструзии при температуре 1100°C.

Полученный материал имел плотность - 7,23 г/см3 и прочность на растяжение 980 МПа при температуре 20°C.

Пример 2

Получали композиционный материал на основе никеля, армированный дисперсными частицами оксида гафния.

Проводили смешивание порошков для получения смеси следующего состава, масс. %: Al - 8,5, Cr - 5, Mo - 5, W - 2,2, Со - 3, Ti - 0,9, Ni - остальное, объемное содержание оксида гафния - 2,5%.

Полученную порошковую смесь подвергали механическому легированию в высокоэнергетической установке для размола и смешивания (аттриторе) по следующему режиму: время обработки 60 часов, защитная атмосфера - аргон. Готовый порошок сплава экструдировали при температуре 1100°C с коэффициентом вытяжки 15. Полученные прутки сплава прокатывали в листы толщиной 8 мм вдоль направления экструзии при температуре 1150°C.

Полученный материал имел плотность - 7,25 г/см3 и прочность на растяжение 950 МПа при температуре 20°C.

Пример 3

Получали композиционный материал на основе никеля, армированный дисперсными частицами оксида иттрия.

Проводили смешивание порошков до получения смеси следующего состава, масс. %: Al - 8,5, Cr - 5, Mo - 5, W - 2,2, Со - 3, Ti - 0,9, Ni - остальное, объемное содержание оксида иттрия - 3,5%.

Полученную порошковую смесь подвергали механическому легированию в высокоэнергетической установке для размола и смешивания (аттриторе) по следующему режиму: время обработки 50 часов, защитная атмосфера - аргон. Готовый порошок сплава экструдировали при температуре 1250°C с коэффициентом вытяжки 15. Полученные прутки сплава прокатывали в листы толщиной 8 мм вдоль направления экструзии при температуре 1000°C.

Полученный материал имел плотность - 7,29 г/см3 и прочность на растяжение 920 МПа при температуре 20°C.

Как показали экспериментальные данные, предложенный способ позволяет получать легкие композиционные материалы на основе никелевой матрицы с оксидным упрочнением с высокой прочностью на растяжение при комнатной температуре, которые могут применяться для изготовления деталей горячего тракта газотурбинных двигателей.

1. Способ получения композиционного материала на основе никеля, включающий перемешивание порошков для матрицы материала и дисперсного порошка оксида металла, механическое легирование полученной смеси, компактирование и прокатку полученного сплава, отличающийся тем, что порошки перемешивают с получением смеси, содержащей оксид металла с его объемным содержанием 1-3,5%, 7,5-8,5 мас. % алюминия, 4-5 мас. % хрома, 2-2,5 мас. % вольфрама, 2,5-3,5 мас. % кобальта, 0,8-1,5 мас. % титана и Ni - остальное, механическое легирование проводят в высокоэнергетической установке для размола и смешивания в защитной атмосфере в течение 40-60 часов, компактирование проводят методом горячей экструзии при температуре 1100-1250°C и с коэффициентом вытяжки 11-16 c получением сплава в виде прутков экструдата, которые прокатывают вдоль направления экструзии при температуре 950-1150°C и коэффициенте деформации 15-20% за один проход.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что порошок для матрицы материала получают путем выплавки никеля, алюминия, титана, хрома, вольфрама, молибдена и кобальта и распыления полученного расплава.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве дисперсного порошка оксида металла используют наноразмерный порошок оксида алюминия.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве дисперсного порошка оксида металла используют наноразмерный порошок оксида гафния.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к получению литого композиционного материала на основе алюминиевого сплава для изготовления деталей сложной формы. Расплавляют основу, вводят в нее композицию, включающую армирующие частицы Аl2О3, на поверхности которых механической активацией предварительно сформирован слой Аl, и разливают в форму.
Изобретение относится к получению композиционных порошков для защитных износостойких покрытий. Готовят смесь неметаллической керамической компоненты и металлического порошка при массовом соотношении 1:(1-4).

Изобретение относится к металлургии, в частности к получению литых композиционных сплавов для отливок ответственного назначения. .
Изобретение относится к области цветной металлургии и может быть использовано для получения изделий литьем, в частности к модифицированию заэвтектических силуминов.
Изобретение относится к области энергетики и экологии и может быть использовано для генерирования водорода. .

Изобретение относится к композиции металлических сплавов, а именно к износо-, эрозионно- и химически стойкому материалу на основе вольфрама, легированному углеродом, причем углерод в пересчете на полный вес материала составляет от 0.01 вес.% до 0.97 вес.%.
Изобретение относится к продуктам из конструкционных металлических материалов, армированных карбидами. .

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению композиционного материала, который можно использовать, например, в полупроводниковых приборах.

Изобретение относится к композитному материалу и, более конкретно, к медному композитному материалу с низким коэффициентом теплового расширения и высокой теплопроводностью, способу его получения и различным вариантам использования, таким, как использование в полупроводниковых приборах, где этот композитный материал применяется.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к составам шихты для получения пористого проницаемого материала методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), применяемого для изготовления фильтрующих элементов, пламегасителей, аэраторов и др.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к защитному покрытию для защиты конструкционной детали от коррозии и/или окисления. Безрениевый сплав на основе никеля, обладающий стойкостью к коррозии и/или окислению, содержит, в вес.%: кобальт 24-26, хром 12-15, алюминий 10,5-11,5, по меньшей мере один элемент из скандия и/или редкоземельных элементов, в частности иттрий, 0,1-0,7, тантал 0,1-3, необязательно кремний 0,05-0,6, никель - остальное.

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано для изготовления рабочих лопаток газотурбинных установок. Шихтовая заготовка содержит, мас.%: углерод 0,07-0,12, хром 12,9-13,5, кобальт 5,3-5,9, вольфрам 6,7-7,3, молибден 0,8-1,2, алюминий 3,2-3,5, титан 4,4-4,7, бор 0,010-0,015, медь ≤0,04, сера ≤0,005, фосфор ≤0,005, азот ≤15 ppm, кислород ≤15 ppm, кальций 0,00-0,02, магний 0,00-0,02, марганец 0,01-0,3, по меньшей мере два элемента, выбранные из группы: железо, кремний и барий, ≤0,2 каждого и по меньшей мере два элемента, выбранные из группы: иттрий, лантан, неодим, самарий, 0,005-0,05 каждого, никель - остальное.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к прецизионным сплавам на основе системы никель-хром, работающих в широком диапазоне температур и предназначенных для реализации микрометаллургических процессов получения функциональных покрытий на основе порошковых материалов и литых микропроводов с высокой микротвердостью.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к припоям на основе никеля, которые могут использоваться при изготовлении паяных деталей горячего тракта турбин газотурбинных двигателей.

Изобретение может быть использовано в двигателестроении. Выпускной клапан (1) предназначен для использования в двигателе внутреннего сгорания.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к жаропрочным сплавам на никелевой основе, имеющим высокие значения горячей обрабатываемости, ударной вязкости и пластичности после долговременного использования.
Изобретение относится к металлургии жаропрочных сплавов для сварочной проволоки и может быть использовано для сварки деталей из высоконикелевых сплавов высокотемпературных установок с температурой эксплуатации до 950оC.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к стойким к окислению сплавам на основе никеля. Стойкий к окислению сплав никеля содержит, мас.%: 4-7 Cr, 4-5 Si, 0,1-0,2 Y, 0,1-0,2 Mg, 0,1-0,2 Hf, Ni и неизбежные примеси - остальное.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к сплавам для защитного покрытия конструктивного элемента газовой турбины от коррозии и/или окисления. Защитное покрытие для защиты конструктивного элемента газовой или паровой турбины от коррозии и/или окисления, в частности, при высоких температурах, выполненное в виде одиночного металлического слоя из сплава, содержащего, вес.%: 24-26 кобальта, 12-14 хрома, 10-12 алюминия, 0,2-0,5 по меньшей мере одного элемента из группы, включающей в себя скандий и редкоземельные элементы, никель - остальное.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к сплавам на основе никеля для изготовления механических компонентов турбомашин. Суперсплав на основе никеля для механических компонентов турбомашин содержит, мас.%: хром - от 3 до 7, вольфрам - от 3 до 15, тантал - от 4 до 6, алюминий - от 4 до 8, углерод менее 0,8, никель и примеси - остальное.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к материалам для изготовления штамповочного инструмента. Пуансон из цементированного карбида для изготовления металлических банок для напитков.
Наверх