Способ получения металлокерамической порошковой композиции

Изобретение относится к получению металлокерамической порошковой композиции, использующейся для изготовления деталей методом аддитивных технологий. Способ включает приготовление порошковой смеси и механический синтез смеси в планетарной мельнице. Порошковую смесь готовят путем смешивания порошка высокожаропрочного сплава на основе никеля в качестве матричного порошка и порошка армирующих наночастиц MeCN и/или МеС, где Me является Ni, Ti, Та, Mo, Hf, V, Si. Механический синтез смеси проводят в планетарной мельнице при частоте вращения 200-250 об/мин в течение 15-30 мин в среде аргона в размольных кюветах с применением размольных шаров из стали ШХ15 диаметром 5 мм. Соотношение массы обрабатываемой смеси и шаров составляет 1:8, а соотношение объема шаров к объему размольной кюветы составляет 1:5. Обеспечивается получение порошковой композиции типа ядро-оболочка с равномерным точечным распределением армирующих наночастиц по поверхности сферических гранул порошка высокожаропрочного сплава на основе никеля. 2 з.п. ф-лы, 1 табл.

 

Изобретение относится к порошковой металлургии, а именно к получению сферической мелкодисперсной металлокерамической порошковой композиции типа «ядро-оболочка» с равномерным точечным распределением армирующих наночастиц типа MeCN и/или МеС (где Me - элементы Ni, Ti, Та, Mo, Hf, V, Si) по поверхности сферических гранул высокожаропрочного никелевого сплава. Материал может применяться в ракетной, авиационной и автомобильной промышленности для изготовления деталей силовых крепежных элементов горячей зоны ГТД методом аддитивных технологий, в том числе послойного синтеза (3D печать).

Традиционные методы получения металлокерамических порошковых композиций (МКПК) не пригодны для получения деталей методом аддитивных технологий, так как МКПК получают либо из расплава, что приводит к образованию конгломератов армирующих частиц, либо получение МКПК механическим синтезом приводит к формированию осколочной формы матричных гранул и неравномерному распределению армирующих частиц по объему (невозможно получить гранулы типа «ядро-оболочка»)

Из уровня техники известен литейный метод производства МКПК дисперсно-упрочненного сплава, включающий сушку нанопорошка оксида, плавление матричного металла, перемешивание порошка с матричным металлом, разливку полученного расплава в формы и их быстрое охлаждение (JP 2008189995 А, С22С 1/10, 21.08.2008).

Недостатком данного способа является трудность обеспечения равномерного распределенной упрочняющей фазы. Она распределяется по объему, а не по поверхности порошка матрицы, что не позволяет достигнуть композиции типа «ядро-оболочка».

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, С04B 35/65, 27.10.2005).

Недостатком этого способа является использование трудоемких процессов плавления и кристаллизации сплава, а также невозможность изготовления изделий сложной формы.

Известен способ получения композиционного материала на основе интерметаллида ниобия, включающий перемешивание исходной порошковой смеси, далее проводят ее механическое легирование в аттриторе в защитной атмосфере в течение 40-50 ч, и после горячее изостатическое прессование проводят при температуре 1450-1550°C и давлении 25-35 МПа не более 5 мин (RU 2393060 С1, B22F 3/15, 27.06.2010).

Недостатком данного способа является высокая длительность процесса изготовления металлокерамического порошка, также в процессе механического легирования в аттриторе происходят процессы «наклепа-скалывания», в результате чего обрабатываемый материал приобретает осколочную форму частиц.

Наиболее близким техническим решением к заявленному способу является способ получения композиционного материала на основе карбосилицида титана, включающий приготовление порошковой смеси, состоящей из титана, кремния, углерода или соединений, их содержащих; механический синтез порошковой смеси в планетарной мельнице в прерывистом режиме при частоте вращения барабана 260-330 об/мин при массовом соотношении порошковой смеси и мелющих тел 1:30; горячее прессование механосинтезированной порошковой смеси при давлении прессования 10-15 МПа и выдержке в течение 0,5-3,0 ч при температуре 1350-1450°C в вакууме или атмосфере инертного газа (RU 2372167, B22F 3/14, 20.05.2009).

Недостатком указанного способа является намол нежелательных примесей в процессе механосинтеза порошковой смеси, снижающих сферичность в целевом продукте, а также невозможность получения порошка с поверхностным точечным распределением армирующих наночастиц.

Технической задачей изобретения является разработка способа получения металлокерамической порошковой композиции типа «ядро-оболочка» с равномерным точечным распределением армирующих наночастиц на поверхности гранул матрицы из сплава на основе никеля с минимальным изменением морфологии исходных гранул (сохранение сферической формы, удаление сателлитов).

Технический результат заявленного изобретения заключается в разработке способа получения композиционного порошкового материала с точечным равномерным распределением армирующих тугоплавких наночастиц по поверхности матричных гранул из высокожаропрочного сплава на основе никеля.

Композиция, полученная заявленным способом, имеет текучесть менее 29 сек, высокую степень сферичности гранул и высокий выход годного (более 80%) по фракции 10-63 мкм для применения МКПК в качестве материала для послойного синтеза.

Для достижения заявленного технического результата предложен способ получения металлокерамической порошковой композиции, включающий приготовление порошковой смеси и механический синтез смеси в планетарной мельнице. В качестве исходных компонентов порошковой смеси используют порошок высокожаропрочного сплава на основе никеля и порошок армирующих наночастиц типа MeCN и/или МеС, где Me - элементы Ni, Ti, Та, Mo, Hf, V, Si. Механический синтез порошковой смеси проводят в планетарной мельнице при частоте вращения 200-250 об/мин в течение 15-30 минут в среде аргона в размольных кюветах с применением размольных шаров из стали ШХ15 диаметром 5 мм. Соотношение массы обрабатываемой смеси и шаров составляет 1:8. Соотношение объема шаров к объему размольной кюветы составляет - 1:5.

Предпочтительно фракция порошка высокожаропрочного сплава на основе никеля составляет 10-63 мкм, а фракция порошка армирующих наночастиц типа MeCN и/или МеС, где Me - элементы Ni, Ti, Та, Mo, Hf, V, Si, составляет 50-400 нм.

Предпочтительное соотношение порошка высокожаропрочного сплава на основе никеля к порошку армирующих наночастиц составляет 1:0,1-1:0,5 масс % соответственно, что повышает механические характеристики сплава-матрицы при высоких температурах, увеличивает рабочую температуру и исключает образование плотной оболочки армирующих наночастиц на поверхности матричных гранул, препятствующей рекристаллизации при последующей обработке готового материала (горячее изостатическое, 3D-синтез и т.д.).

Механический синтез проводят в планетарной мельнице в размольных кюветах, наполненных размольными шарами диаметром 5 мм из стали типа ШХ15, соотношение массы обрабатываемого материала и шаров - 1:8, соотношение объема шаров к объему размольной кюветы - 1:5. Данные соотношения позволяют снизить разброс температур при соударении размольных шаров и порошка и сохранить исходную сферическую форму матричных гранул.

Обработка при частоте вращения 200-250 об/мин обеспечивает равномерное нанесение армирующих наночастиц на поверхность матричных гранул без образования агломератов армирующего наполнителя. Также во время обработки по данному режиму сохраняется сферическая форма гранул обрабатываемого материала и снижается количество дефектов на поверхности исходных гранул (стираются сателлиты, налипания).

Обработку проводят в течение 15-30 минут, дальнейшее увеличение продолжительности процесса приводит к изменению формы гранул и размолу обрабатываемого материала.

Указанные параметры процесса обеспечивают температуру внутри размольных кювет при соударении порошковой смеси и мелющих тел (шаров), не превышающую температуру начала пластической деформации матричного никелевого сплава, что позволяет сохранить сферическую форму исходных матричных гранул.

Примеры осуществления изобретения

Пример 1

Исходный матричный порошок из сплава ВЖ175 (Со 14,8-16,0, Cr 9,4-11,0, W 2,9-3,4, Мо 4,0-4,8, Al 3,5-4,0, Ti 2,3-2,8, Nb 4,1-4,6, V 0,4-0,8, С 0,04-0,08, Ni - остальное) фракции 10-63 мкм и порошок армирующих наночастиц TiCN фракции 50-400 нм засыпают в мольную кювету объемом 220 мл при массовом соотношении 1:0,1-1:0,5, масс. % соответственно. Далее в размольную кювету засыпают шары из стали ШХ15 диаметром 5 мм, при соотношении массы обрабатываемой смеси и шаров 1:8 и соотношении объема шаров к объему размольной кюветы 1:5. Механический синтез приготовленной порошковой смеси производят на планетарной шаровой мельнице Retsch РМ400. Загруженные кюветы устанавливают в гнезда планетарной мельницы и закрепляют их. Включают установку. Задают рабочую скорость вращения 200 об/мин, время обработки - 15 минут, вращение соосное. Далее кюветы заполняют аргоном и проводят обработку.

Пример 2 аналогичен примеру 1, но в качестве армирующих наночастиц использовали ТаС в количестве 0,2 масс. %, скорость вращения размольных кювет 250 об/мин, время обработки 30 минут.

Пример 3 аналогичен примеру 1, но в качестве армирующих наночастиц использовали HfC в количестве 0,15 масс. %, скорость вращения размольных кювет 220 об/мин, время обработки 20 минут.

Примет 4 аналогичен примеру 1, но в качестве армирующих наночастиц использовали TiC и TiCN суммарно 0,5 масс. %, скорость вращения размольных кювет 230 об/мин, время обработки 25 минут.

Примет 5 аналогичен примеру 1, но в качестве армирующих наночастиц использовали МоС 0,1 масс. %, скорость вращения размольных кювет 210 об/мин, время обработки 15 минут.

Примет 6 аналогичен примеру 1, но в качестве армирующих наночастиц использовали SiC и VC суммарно 0,4 масс. %, скорость вращения размольных кювет 250 об/мин, время обработки 30 минут.

Пример 7 в соответствии со способом по прототипу, но в качестве компонентов смеси использовали порошки никелевого сплава ВЖ175 и армирующих наночастиц Ni-TiCN в соотношении 1:0,25 масс % соответственно.

Предлагаемый способ позволяет получать МКПК типа «ядро-оболочка» с матрицей из высокожаропрочного сплава на основе никеля и равномерным точечным распределением армирующих тугоплавких наночастиц типа MeCN и/или МеС по поверхности гранул. Способ имеет высокий выход годного по фракции 10-63 мкм и времени процесса. МКПК имеет сферическую форму и текучесть менее 29 сек (таблица 1), что подходит для использования в качестве материалов для послойного синтеза.

Предлагаемый способ позволяет изготавливать композиционные порошковые материалы типа «ядро-оболочка» для создания высоконагруженных сложнопрофильных деталей для ГТД с повышенными температурами эксплуатации за счет ввода тугоплавких армирующих и пригодных для использования в аддитивном производстве, в том числе для послойного синтеза (3D печать).

1. Способ получения металлокерамической порошковой композиции, включающий приготовление порошковой смеси и механический синтез смеси в планетарной мельнице, отличающийся тем, что в качестве исходных компонентов порошковой смеси используют порошок высокожаропрочного сплава на основе никеля и порошок армирующих наночастиц MeCN и/или МеС, где Me - элементы Ni, Ti, Та, Mo, Hf, V, Si, при этом механический синтез порошковой смеси проводят в планетарной мельнице при частоте вращения 200-250 об/мин в течение 15-30 мин в среде аргона в размольных кюветах с применением размольных шаров из стали ШХ15 диаметром 5 мм, причем соотношение массы обрабатываемой смеси и шаров составляет 1:8, а соотношение объема шаров к объему размольной кюветы составляет 1:5.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что фракция порошка высокожаропрочного сплава на основе никеля составляет 10-63 мкм, а фракция порошка указанных армирующих наночастиц MeCN и/или МеС составляет 50-400 нм.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что соотношение порошка высокожаропрочного сплава на основе никеля к порошку армирующих наночастиц составляет 1:0,1-1:0,5 мас. % соответственно.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к получению композиционного материала на основе карбидов кремния и титана, включающий приготовление порошковой смеси, состоящей из титана, карбида кремния и графита, и механоактивацию порошковой смеси.
Группа изобретений относится к получению композиционного материала, содержащего металлическую матрицу и упрочняющие наночастицы. Способ включает подготовку смеси исходных материалов и ее механическое легирование.

Изобретение относится к изготовлению композиционного материала для изделий электронной техники СВЧ на основе металлической матрицы в виде алюминиевого сплава и неметаллического наполнителя в виде карбида кремния.

Группа изобретений относится к изготовлению гибридных композиционных материалов с высокими значениями прочности, твердости и вязкости разрушения. Шихта содержит 25-65 об.% порошка карбида вольфрама, 10-30 об.% порошка стали Гадфильда 110Г13, 25-65 об.% порошков диоксида циркония и оксида алюминия при их весовом соотношении 4:1.

Изобретение относится к технологии получения окислительно-стойких ультравысокотемпературных керамических композиционных материалов состава MB2/SiC, где М=Zr и/или Hf с нанокристаллическим карбидом кремния, которые могут быть использованы в качестве окислительно-, химически- и эрозионно-стойких материалов в потоках воздуха при температурах выше 2000°С, для создания авиационной, космической и ракетной техники, отопительных систем, теплоэлектростанций, а также в технологиях атомной энергетики, в химической и нефтехимической промышленности.
Группа изобретений относится к получению цементированного карбида, который может быть использован для изготовления режущего инструмента. Способ включает стадии формирования шлама, содержащего жидкость для измельчения, порошки связующих металлов, первую порошковую фракцию и вторую порошковую фракцию, измельчение, сушку, прессование и спекание шлама.

Изобретение относится к неорганической химии и неорганическому материаловедению, конкретно к получению порошковых материалов состава MB2-SiC, где М = Zr, Hf, содержащих нанокристаллический карбид кремния.

Изобретение относится к получению заготовок вольфрамо-титанового твердого сплава. Способ включает горячее прессование порошка в вакууме с пропусканием высокоамперного тока через пресс-форму и прессуемый порошок при температуре 1320°С в течение 3 минут.

Группа изобретений относится к композитному материалу для землебурильного долота. Способ изготовления композитного материала включает смешивание первой составляющей твердой фазы в виде карбида со связующим веществом, второй составляющей твердой фазы в виде пористого карбида, имеющего пористость по меньшей мере 1% и содержащего от 0,1 мас.
Изобретение относится к порошковой металлургии и может быть использовано для изготовления спеченных металлообрабатывающих инструментов. Инструменты изготовлены из порошковой карбидостали, содержащей углерод, титан, молибден, вольфрам, ванадий, хром, стеарат цинка и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,3-0,5, титан 1,0-2,0, молибден 3,0-5,0, вольфрам 2,5-4,0, ванадий 3,0-4,0, хром 8,0-10,0, стеарат цинка 0,1-0,3, железо остальное.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству литейных жаропрочных углеродсодержащих и безуглеродистных сплавов на никелевой основе, и может быть использовано для литья лопаток газотурбинных двигателей.
Изобретение относится к литейному производству, в частности к модифицированию жаропрочных никелевых сплавов ультрадисперсными порошками тугоплавких соединений. Способ включает введение в расплав модификатора, содержащего ультрадисперсные тугоплавкие частицы и дополнительно 55-65 % частиц металлов, взаимодействующих с компонентами расплава.

Изобретение относится к получению материала на основе алюминида никеля. Способ включает приготовление экзотермической шихты путем смешивания порошков алюминия, оксида никеля и по крайней мере одной легирующей добавки и инициирование в экзотермической шихте металлотермической реакции с обеспечением восстановления оксидов и образования алюминида никеля.

Изобретение относится к технологии получения компактных полуфабрикатов из сплавов на основе интерметаллида TiNi. Способ включает гидридно-кальциевый синтез порошковой смеси, ее консолидацию путем прессования и вакуумного спекания с последующей термомеханической обработкой.
Изобретение относится к области металлургии, а именно к модифицированию жаропрочных сплавов на основе никеля порошками тугоплавких соединений. Модификатор содержит, мас.%: ультрадисперсный порошок карбонитрида титана 1-5, порошки титана 18-22, хрома 2-4, молибдена 8-10, магния 10-15, вольфрама 8-10, ниобия 8-10, алюминия 10-15, никеля 8-10, марганца 2-5 и железа 5-10.

Изобретение относится к получению заготовок из сплавов на основе интерметаллида TiNi. Способ включает приготовление порошковой смеси из TiO2, Ni и/или оксида никеля и гидрида кальция, термическую обработку полученной смеси при температуре 1100-1300°С в течение не менее 6 часов с обеспечением гидридно-кальциевого синтеза порошка сплавов на основе интерметаллида TiNi.

Изобретение относится к области сварки, а именно к сварочной проволоке, предназначенной для использования при сварке вместе частей деталей, состоящих из сплава Fe-36Ni.

Изобретение относится к получению порошков жаропрочных никелевых сплавов. Способ включает плавление торца вращающейся цилиндрической литой заготовки потоком плазмы с обеспечением центробежного распыления расплава и образованием частиц затвердевающих в микрослитки при полете в атмосфере холодной плазмообразующей смеси газов, содержащей инертные газы и водород.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способу изготовления никель-титановых прокатных изделий, и может быть использовано для изготовления исполнительно-приводных механизмов, имплантируемых стентов и других медицинских устройств.

Группа изобретений относится к спеченному композитному материалу и получению из него инструментов, а именно формующих или измельчающих. Способ получения спеченного композитного материала включает спекание состава, содержащего по меньшей мере один твердый носитель, выбранный из группы, состоящей из карбидов, нитридов, боридов и карбонитридов, и связующий сплав, включающий от 66 до 93 мас.% никеля, от 7 до 34 мас.% железа, от 0 до 9 мас.% кобальта и до 30 мас.% одного или нескольких элементов, выбранных из группы, состоящей из W, Mo, Cr, V, Та, Nb, Ti, Zr, Hf, Re, Ru, Al, Mn, B, N и С.

Изобретение относится к области специальной металлургии, в частности к получению электродов из высоколегированных сплавов на основе алюминидов никеля. Способ включает получение полуфабриката методом центробежного СВС-литья с использованием реакционной смеси, содержащей оксид никеля, алюминий, легирующие и функциональные добавки, и последующий двухстадийный переплав полуфабриката с получением на первой стадии рафинированного дегазированного слитка, а на второй стадии - электрода.

Изобретение относится к получению металлокерамической порошковой композиции, использующейся для изготовления деталей методом аддитивных технологий. Способ включает приготовление порошковой смеси и механический синтез смеси в планетарной мельнице. Порошковую смесь готовят путем смешивания порошка высокожаропрочного сплава на основе никеля в качестве матричного порошка и порошка армирующих наночастиц MeCN иили МеС, где Me является Ni, Ti, Та, Mo, Hf, V, Si. Механический синтез смеси проводят в планетарной мельнице при частоте вращения 200-250 обмин в течение 15-30 мин в среде аргона в размольных кюветах с применением размольных шаров из стали ШХ15 диаметром 5 мм. Соотношение массы обрабатываемой смеси и шаров составляет 1:8, а соотношение объема шаров к объему размольной кюветы составляет 1:5. Обеспечивается получение порошковой композиции типа ядро-оболочка с равномерным точечным распределением армирующих наночастиц по поверхности сферических гранул порошка высокожаропрочного сплава на основе никеля. 2 з.п. ф-лы, 1 табл.

Наверх