Способ получения композиционного материала на основе ниобия

Изобретение относится к области порошковой металлургии, а именно к получению высокотемпературных композиционных материалов на основе ниобия с оксидным упрочнением. Порошки для приготовления матрицы перемешивают и подвергают механическому легированию в защитной атмосфере с образованием массива гранул из частиц порошка. Механическое легирование проводят в защитной атмосфере в течение 40-60 часов. В полученный массив гранул добавляют монокристаллические волокна α-Al2O3 и проводят двустороннее прессование полученной смеси при температуре 1400-1430°C и давлении 28-35 МПа не менее 3-х минут. Обеспечивается повышение предела прочности композиционного материала на основе ниобия, при этом материал имеет плотность, составляющую не менее 95% от теоретической. 3 з.п. ф-лы, 3 пр.

 

Настоящее изобретение относится к области порошковой металлургии, а именно: к технологиям получения высокотемпературных композиционных материалов на основе ниобия с оксидным упрочнением. Изобретение может быть использовано для изготовления деталей и узлов неохлаждаемых турбин авиационно-космической техники, работающей при температурах около 1400-1600°C.

Увеличение мощности, кпд, экологичности и экономичности современных газовых турбин, используемых в качестве авиационных двигателей, энергетических установок и газоперекачивающих агрегатов, возможно только за счет повышения температуры рабочего газа на входе в турбину. Для этого требуется повысить предельные рабочие температуры, при которых возможна эффективная эксплуатация деталей горячего тракта, до 1400-1600°C. Поскольку такие температуры лежат за пределами работоспособности современных сложнолегированных жаропрочных сплавов на основе никеля, им на смену должны прийти новые материалы с более жаропрочной матрицей. Наиболее перспективными в этом отношении являются интерметаллиды и естественные композиты на их основе в виде направленных эвтектик, например, с ниобиевой матрицей, упрочненной интерметаллидами силицида ниобия. К преимуществам таких материалов относятся меньшая на 20% плотность по сравнению с традиционно применяемыми жаропрочными сплавами, отсутствие дефицитных легирующих элементов и более высокая температура плавления. Лопатки из подобного композиционного материала могут длительно работать при температурах приблизительно на 250-350°C выше, чем аналогичные детали из использующихся в настоящее время никелевых жаропрочных суперсплавов.

Известен способ получения тугоплавких композиционных материалов с металлической или интерметаллидной матрицей, армированной керамическими частицами, включающий приготовление исходной заготовки из порошковой смеси механическим легированием, помещение заготовки в емкость, нагрев емкости до температуры начала экзотермической реакции путем погружения ее донной части в расплав металла и последующую кристаллизацию путем дальнейшего погружения емкости в расплав металла (RU 2263089 С1, 27.10.2005).

Недостатком этого способа является то, что выделяющегося в процессе экзотермической реакции тепла недостаточно для изготовления композиционных материалов на основе интерметаллида ниобия.

Известен способ двустороннего прессования порошка в производственной линии, содержащей формовочную камеру, расположенную между первой прижимной плитой, по крайней мере, с одной мастер-моделью и второй прижимной плитой, выполненной с возможностью вращения, по крайней мере, с одной мастер-моделью, причем упомянутые пластины выполнены с возможностью встречного движения друг относительно друга. Способ включает предварительное однонаправленное сжатие формовочного материала за счет движения одной из плит, сжатие двумя плитами совместно, поворот второй плиты, позволяющий переместить заготовку за пределы формовочной камеры, и выталкивание изделия первой плитой дальше по производственной линии (US 5647424 А, 15.07.1997).

Недостатком данного способа является то, что он не предусматривает возможность укладки волокна в заданном направлении в матрицу, что во время прессовки может привести к его поломке. Кроме того, ввиду высокой температуры изготовленные формы, вплотную движущиеся по производственной линии, в случае недостаточной прессовки могут слипаться между собой.

Наиболее близким аналогом заявленного способа является способ получения композиционного материала, в котором исходную порошковую смесь для получения композиционного материала перемешивают, подвергают механическому легированию в защитной атмосфере, после чего проводят горячее изостатическое прессование (ГИП) порошковой смеси. Полученный материал имеет равномерную структуру, высокую относительную плотность при высоком выходе годного и минимальных энергетических затратах (RU 2393060 С1, 27.06.2010).

Недостаток прототипа заключается в том, что для материала, армированного волокнами, очень сложно подобрать давление прессования. Если задать малое давление, материал останется пористым. Если давление хотя бы немного превысит допустимое, в виду того, что оно действует на материал со всех сторон, волокна начинают ломаться.

Техническим результатом заявленного способа является получение композиционного материала на основе ниобия с повышенным пределом прочности, а также практической плотностью, равной не менее 95% от теоретической.

Технический результат достигается в способе получения композиционного материала на основе ниобия, в котором порошки для приготовления матрицы указанного материала перемешивают и подвергают механическому легированию в защитной атмосфере с образованием массива гранул из частиц порошка, при этом механическое легирование проводят в защитной атмосфере в течение 40-60 часов, в полученный массив гранул добавляют монокристаллические волокна α-Al2O3 и проводят двустороннее прессование полученной смеси при температуре 1400-1430°C и давлении 28-35 МПа не менее 3-х минут.

В качестве защитной атмосферы можно использовать аргон.

Двустороннее прессование смеси массива гранул и монокристаллических волокон α-Al2O3 можно проводить в пресс-форме, на которую предварительно наносят смазывающий материал.

В качестве смазывающего материала предпочтительно использовать нитрид бора, который при высоких температурах сохраняет инертность к композиционным материалам на основе ниобия и к материалам большинства пресс-форм.

Способ осуществляют следующим образом.

Исходные порошки ниобия и других элементов перемешивают и проводят с ними механическое легирование в защитной атмосфере инертного газа в течение 40-60 часов. Для этого порошки засыпают в установку для размола и смешивания, представляющую собой вращающийся вал с насыпанными в нее металлическими шарами. При вращении за счет трения шары начинают нагреваться и, следовательно, находящиеся между ними частицы порошка под действием температуры и трения подвергаются взаимному механическому легированию, то есть атомы одного металла диффундируют в частицы порошка другого металла. В качестве инертного газа лучше всего использовать аргон, поскольку его плотность близка к плотности атмосферы, то есть, с одной стороны, он является безопасным для человека в отличие от газов с высокой плотностью, а с другой, из-за низкой степени летучести его потери во время технологического процесса будут минимальны.

Время механического легирования 40-60 часов выбрано из расчета на то, что при меньшем времени в материале остаются твердые растворы элементарных порошков, а при большем времени частицы порошков измельчаются и в силу большого трения могут загореться. Наличие твердых растворов элементарных порошков снижает прочностные характеристики материала.

После механического легирования приготовленные композиционные гранулы засыпают в пресс-форму, на которую предварительно желательно нанести смазывающий материал, предпочтительно, нитрид бора.

При высоких температурах порядка 1300-1500°C материалы на основе ниобия являются очень химически активными. В таких условиях ниобий может образовывать различные соединения с материалом пресс-формы, что значительно затруднит процесс изготовления композиционного материала и ухудшит его качество. Наряду с этим нитрид бора при высоких температурах способен сохранять инертность одновременно к композиционному материалу на основе ниобия и материалу пресс-формы, таким образом являясь барьерным покрытием между ними.

В массиве гранул размещают пакет монокристаллических волокон α-Al2O3 и проводят их горячее двухстороннее прессование в вакууме при температуре 1400-1430°C и давлении 28-35 МПа не менее 3-х минут. Монокристаллические волокна α-Al2O3 обладают высокими прочностными характеристиками при высоких температурах и низкой плотностью, что позволяет использовать их в качестве уплотнителя для композиционных материалов на основе ниобия, работающих при температурах выше 1200°C.

Изменением объемного содержания волокон можно контролировать соотношение пластичности и предела прочности материала, что необходимо при создании деталей и узлов неохлаждаемых турбин авиационно-космической техники, работающих при различных нагрузках и диапазоне температур от 1400 до 1600°C.

Температурный интервал 1400-1430°C выбран из расчета на то, что при более высокой температуре материал на основе интерметаллида ниобия начинает растекаться, а при более низкой остается высокая степень его пористости.

Давление 28-35 МПа выбрано из расчета на то, что при более низком давлении остается высокая степень пористости материала, а при более высоком наблюдается расслоение материала, что говорит об избыточно приложенном давлении прессования.

Продолжительность прессования должна быть не менее 3-х минут, поскольку при меньшем времени остается высокая степень пористости материала.

Данный способ позволяет получить материал с плотностью, равной 95-100% от теоретической, за счет того, что у матриц на основе ниобия при температурах более 1300°C наблюдается снижение сопротивления высокотемпературной ползучести. За счет этого происходит более плотное заполнение каркаса из волокон матричным материалом.

Пример 1

Получали пластину размером 65×65×10 мм, состоящую из композиционного материала состава Nb-16Si-33Ti (ат.%), армированного волокнами Al2O3.

Исходные порошки ниобия, кремния и титана смешали в соотношении, соответствующему заданному составу, и загрузили в высокоэнергетическую установку для размола и смешивания (аттритор), в котором порошок подвергали механическому легированию по следующему режиму: время обработки 50 часов, защитная атмосфера - аргон.

Необходимая масса порошковой смеси для образца размером 65×65×10 мм без наличия волокон составила 6,5·6,5·1·7=295 г.

Заданный размер слоя волокон составлял 60×60 мм при диаметре каждого волокна d=250 мкм.

Масса волокон составила 3,6 г.

Из необходимой массы порошковой смеси для образца без наличия волокон вычитали массу волокон и получили необходимую массу порошковой смеси для получаемого образца 295-3,6=291,4 г.

Затем полученные после механического легирования гранулы с уложенными волокнами подвергли горячему двухстороннему прессованию при температуре 1410°C, давлении 30 МПа в течение 3-х минут.

Теоретическая плотность материала, вычисленная по табличным данным, составила 7,21 г/см3. Методом гидростатического взвешивания образца в этиловом спирте по объему вытесненной жидкости определялась практическая плотность, которая составила 6,9 г/см3, то есть 95,7% от теоретической. Объемное содержание волокон составило 23%.

Предел прочности измеряли методом трехточечного изгиба. Он составил 652 МПа.

Пример 2

Получали пластину размером 65×65×10 мм, состоящую из композиционного материала состава Nb-16Si-33Ti (ат.%), армированного волокнами Al2O3.

Исходные порошки ниобия, кремния и титана смешали и полученную порошковую смесь подвергли механическому легированию в высокоэнергетической установке для размола и смешивания (аттриторе) по следующему режиму: время обработки 55 часов, защитная атмосфера - аргон.

Необходимая масса порошковой смеси для образца размером 65×65×10 мм без наличия волокон составила 6,5·6,5·1·7=295 г.

Заданный размер слоя волокон составил 65×65 мм при диаметре каждого волокна d=250 мкм.

Масса волокон составила 4,23 г.

Из необходимой массы порошковой смеси для образца без наличия волокон вычитали массу волокон и получили необходимую массу порошковой смеси для получаемого образца 295-3,6=290,77 г.

Затем полученные после механического легирования гранулы подвергли горячему двухстороннему прессованию при температуре 1420°C, давлении 30 МПа в течение 3-х минут. Теоретическая плотность материала составляла 7,21 г/см3.

Практическая плотность составила 6,95 г/см3, то есть 96,4% от теоретической. Объемное содержание волокон 26%.

Предел прочности составил 653 МПа.

Пример 3

Получили пластину размером 65×65×10 мм, состоящую из композиционного материала состава Nb-16Si-24Ti-4Hf-6Cr-3Al (ат.%), армированного волокнами Al2O3.

Для ее получения использовали элементарные порошки Nb, Si, Ti, Hf, Cr и Al. Исходную порошковую смесь подвергли механическому легированию в высокоэнергетической установке для размола и смешивания (аттриторе) по следующему режиму: время обработки 50 часов, защитная атмосфера - аргон. Необходимая масса порошковой смеси для образца размером 65×65×10 мм без наличия волокон составила 6,5·6,5·1·7,2=304,2 г.

Заданный размер слоя волокон составлял 60×60 мм при диаметре каждого волокна d=250 мкм.

Масса волокон составила 3,6 г.

Из необходимой массы порошковой смеси для образца без наличия волокон вычитали массу волокон и получили необходимую массу порошковой смеси для получаемого образца 304,2-3,6=300,6 г.

Затем полученные после механического легирования гранулы подвергли горячему двухстороннему прессованию при температуре 1410°C, давлении 33 МПа в течение 3-х минут. Теоретическая плотность материала составила 7,31 г/см3.

Практическая плотность составила 6,98 г/см3, то есть 95,5% от теоретической. Объемное содержание волокон составляло 23%.

Предел прочности - 655 МПа.

Как показали полученные данные, предложенный способ обеспечивает получение композиционных материалов на основе ниобия с высокой прочностью, а также плотностью, равной не менее 95% от теоретической.

1. Способ получения композиционного материала на основе ниобия, включающий перемешивание порошков для приготовления матрицы материала на основе ниобия и механическое легирование в защитной атмосфере с образованием массива гранул из частиц порошка, отличающийся тем, что механическое легирование проводят в защитной атмосфере в течение 40-60 часов, в полученный массив гранул добавляют монокристаллические волокна α-Al2O3 и проводят двустороннее прессование полученной смеси при температуре 1400-1430°C и давлении 28-35 МПа не менее 3-х минут.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве защитной атмосферы используют аргон.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что двустороннее прессование смеси массива гранул и монокристаллических волокон α-Al2O3 проводят в пресс-форме, на которую предварительно наносят смазывающий материал.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что в качестве смазывающего материала используют нитрид бора.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к производству деформируемых автоматных сплавов на основе алюминия, содержащих магний и свинец. Способ включает загрузку в печь и расплавление всех предусмотренных компонентов шихты, кроме магния и свинца, которые вводят в расплав в виде лигатуры, содержащей 70-40% магния и 30-60% свинца, после чего расплав перемешивают, рафинируют, отстаивают и кристаллизуют.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к сплавам на магниевой основе и способам их получения. Способ получения сплава на магниевой основе включает обеспечение расплава магния или магниевого сплава, добавление 0,01-30 мас.% оксида щелочноземельного металла на поверхность расплава, поверхностное перемешивание в течение от 1 секунды до 60 минут на 0,1 мас.% добавленного оксида щелочноземельного металла с обеспечением его диссоциации и частичного расходования, обеспечение возможности взаимодействия щелочноземельного металла, полученного в результате расходования оксида щелочноземельного металла, с магнием и/или легирующим элементом в магниевом сплаве с получением интерметаллического соединения, удаление оксида щелочноземельного металла, остающегося после реакции, вместе со шлаком, разливку и кристаллизацию.
Изобретение относится к области металлургии благородных металлов, в частности к производству платины или платинородиевых сплавов, упрочненных дисперсными оксидными частицами, и может быть использовано при изготовлении стеклоплавильных аппаратов (СПА) и фильерных питателей (ФП), эксплуатируемых в агрессивных средах в условиях высоких температур.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству жаропрочных сплавов на основе никеля, и может быть использовано при выплавке сплавов для литья лопаток газотурбинных двигателей.
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.

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

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 алюминиевым сплавам, полученным без вреда для окружающей среды и имеющим отличную устойчивость к окислению. Способ получения продукта из алюминиевого сплава включает получение магниевой лигатуры путем введения в расплав магния частиц на основе Ca размером 0,1-500 мкм в количестве 0,001-30 мас.%, введение полученной лигатуры в расплав алюминия в количестве 0,0001-30 мас.
Изобретение относится к порошковой металлургии и может быть использовано при послойном нанесении материала по аддитивной технологии. Проводят предварительное механическое легирование исходной порошковой смеси из порошков титана и элементов, способных образовывать с ним твердые растворы замещения, в инертной среде в мельнице с дозой энергии от 5 до 15 кДж/г, достаточной для образования гранул из указанного твердого раствора замещения.
Изобретение относится к производству слоистых композиционных материалов, содержащих слой пеноалюминия. Приготавливают алюминиевый расплав и перегревают его выше температуры ликвидус.

Изобретение относится к порошковой металлургии жаропрочных никелевых сплавов и может быть использовано для изготовления тяжелонагруженных деталей газотурбинных двигателей, работающих при повышенных температурах.

Изобретение относится к термической обработке турбинных лопаток, преимущественно выполненных из жаростойких сплавов на основе никеля. Способ включает нанесение защитного покрытия на поверхность отливок лопаток и их последующее горячее изостатическое прессование (ГИП).

Изобретение относится к области порошковой металлургии. Готовят смесь, содержащую не более 65 мас.% порошка, полученного методом плазменного распыления титанового сплава ВТ-22, не менее 30 мас.% смеси технических порошков титана ПТМ и никеля ПНК, взятых в соотношении 1:1, и 3-5 мас.% полученного электролизом порошка меди ПМС-1 фракции менее 50 мкм.

Изобретение относится к обработке изделий горячим прессованием, в частности горячим изостатическим прессованием. Устройство для горячего прессования включает в себя сосуд высокого давления и расположенную внутри него печную камеру для размещения обрабатываемых изделий.

Изобретения относятся к обработке горячим изостатическим прессованием летучих или пылеобразующих субстанций. Субстанцию помещают в контейнер, который размещают в топочной камере устройства прессования.

Настоящее изобретение относится к обработке изделий горячим прессованием, предпочтительно горячим изостатическим прессованием. Прессовое устройство содержит топочную камеру, расположенную внутри камеры высокого давления устройства и окруженную теплоизолированным кожухом.

Изобретение относится к обработке изделий горячим прессованием, в частности горячим изостатическим прессованием. Узел прессования содержит сосуд высокого давления, который выполнен с неравномерной толщиной стенки.

Изобретение относится к области обработки изделий горячим прессованием. Устройство для обработки содержит сосуд высокого давления, имеющий печную камеру и расположенный под ней теплообменник.

Изобретение относится к порошковой металлургии и может быть использовано при производстве заготовок дисков газотурбинных двигателей из гранулированных порошков жаропрочных никелевых сплавов.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к получению ледебуритных инструментальных сталей способом порошковой металлургии. Способ получения материала с изотропными механическими свойствами, улучшенной износостойкостью и высоким потенциалом закалки характеризуется тем, что из ледебуритной инструментальной стали методом порошковой металлургии путем распыления жидкой стали азотом получают порошок и горячим изостатическим прессованием порошка получают HIP-заготовку.

Группа изобретений относится к изготовлению деталей из волокнистой объемной структуры. Способ изготовления массивной детали включает этап тканья волокнистой объемной структуры из металлических прядей, образованных множеством металлических нитей, скрученных между собой вокруг продольной оси пряди, и этап изостатического прессования в горячем состоянии упомянутой волокнистой структуры с обеспечением спекания металлических прядей упомянутой волокнистой структуры. Обеспечивается изготовление массивных деталей сложной формы толщиной в несколько миллиметров. 14 з.п. ф-лы, 13 ил.

Изобретение относится к области порошковой металлургии, а именно к получению высокотемпературных композиционных материалов на основе ниобия с оксидным упрочнением. Порошки для приготовления матрицы перемешивают и подвергают механическому легированию в защитной атмосфере с образованием массива гранул из частиц порошка. Механическое легирование проводят в защитной атмосфере в течение 40-60 часов. В полученный массив гранул добавляют монокристаллические волокна α-Al2O3 и проводят двустороннее прессование полученной смеси при температуре 1400-1430°C и давлении 28-35 МПа не менее 3-х минут. Обеспечивается повышение предела прочности композиционного материала на основе ниобия, при этом материал имеет плотность, составляющую не менее 95 от теоретической. 3 з.п. ф-лы, 3 пр.

Наверх