Способ получения высокопористых металлических материалов на основе полых наноструктурированных микросфер металлов

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности, к способам получения высокопористых ячеистых материалов. Может испольоваться для получения фильтров, носителей катализаторов, шумо- и звукопоглотителей, материалов для поглощения и экранирования электромагнитного излучения, поглотителей энергии, вызванной пластической деформацией материала, защиты от вибраций, теплообменников в энергетике, машиностроении и химической промышленности. Порошок наноструктурированных микросфер металла засыпают в матрицу пресс-формы, снабженные верхним и нижним пуансонами. Матрицу размещают в рабочей камере установки искрового плазменного спекания и нагревают со скоростью 10-600°С/мин до 400-800°С путем пропускания через матрицу и порошок высокочастотного тока от 3000 до 60000 ампер при обеспечении давления на боковые стенки матрицы от 10 МПа до 100 МПа с последующей временной выдержкой от 1 сек до 30 мин и охлаждением в свободном режиме со скоростью 10-600°С/мин. Обеспечивается получение материала с пористостью более 90%, сохранение исходного фазового состава, улучшение теплофизических и электромагнитных экранирующих свойств, повышение модуля Юнга. 3 з.п. ф-лы, 1 табл., 3 пр., 4 ил.

 

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности, к способам получения высокопористых ячеистых материалов. Такого рода материалы, представляющие собой закрытые или открытые металлические пены, могут применяться для получения фильтров, носителей катализаторов, шумо- и звукопоглотителей, материалов для поглощения и экранирования электромагнитного излучения, поглотителей энергии, вызванной пластической деформацией материала, защиты от вибраций, теплообменников в энергетике, машиностроении и химической промышленности.

Известен способ производства сферических легких частиц металла и материалов на их основе (ЕР 0300543 В1, опубл. 1987 г.), в котором частицы вспененного пластика, в основном из коммерчески доступного пенополистирола, металлизируются, например, медью, серебром или никелем в процессе химического восстановления. Далее пластмассовые сердцевины подвергаются пиролитическому разложению при температурах около 400°С и спекаются при температурах от 900°С до 1400°С. Толщина стенок частиц может быть увеличена электрохимически до 0,05 мм путем электроосаждения.

Недостатками данного способа получения материалов являются большой диаметр закрытых ячеек внутри материала от 1,5 мм до 8 мм, с толщиной оболочек сфер от 20 мкм до 2 мм, зависящих от исходных размеров сфер пенополистирола. Также в процессе пиролитического разложения происходит неполное выгорание пенополистирола из пор, что в худшую сторону сказывается на свойства получаемого материала.

Известен способ получения пористых металлических конструкций (FR 1266824 А, опубл. 1960 г.), в котором органические сферы, изготовленные из фенолформальдегида или смолы, упакованные в слой, соединяются контактирующими поверхностями при повышенных температурах с образованием каркаса сфер. Пустоты каркаса сфер полностью заполняются водной суспензией керамического материала и сушатся, при этом органические шарики удаляются пиролизом, а оставшийся керамический каркас нагревается и спекается при температурах от 1000°С до 1500°С. Используемый керамический материал может состоять из оксида алюминия, глинозема или глинозема и бентонита.

Недостатками данного способа являются многостадийностью процессов металлизации, пиролизации и спеканию сфер, а также большой диаметр закрытых ячеек внутри материала от 1,5 мм до 8 мм, с толщиной оболочек сфер от 20 мкм до 2 мм, зависящих от исходных размеров органических сфер, что позволяет в дальнейшем из них производить только крупногабаритные металлические конструкции.

Наиболее близким аналогом заявленного способа является способ приготовления нанометалла с контролируемой пористостью (CN 108326306 А, опубл. 07.27.2018 г.), где методом искрового плазменного спекания (ИПС) был консолидирован порошок меди. В изобретении измеряется объемная плотность нанопорошка меди при определенных атмосферных условиях, с учетом особого проекта формы графитовой матрицы при быстром спекании ИПС нанопорошка меди для непосредственного получения пористых нано-кристаллических материалов в соответствии со значением необходимой плотности. Предпочтительно, условия выглядят следующим образом: степень вакуума 10^-1-10^-2, давление газообразного аргона 200 Па-2000 Па, внешняя поверхность пуансона герметизируется без изменения объема спеченного порошкового тела, однако приложенное давление спекания равно от 0,5 до 5 МПа при комнатной температуре и поддерживается в течение более 10 секунд, нагрев осуществляется со скоростью 100°С-300°С/мин, максимальная температура спекания 400°С-600°С и выдержка при этой температуре в течение 5-20 мин, охлаждение свободное вместе с установкой. Количество засыпаемого порошка прямо пропорционально конечной пористости материала и рассчитывается из формулы, предложенной в патенте.

Недостаток данного метода заключается в невозможности достижения пористости спекаемого материала равного порядку насыпной плотности неконсолидированных микросфер, т.е. максимальной пористости материала.

Технические результаты, достигаемые в предложенном изобретении, заключаются в следующем:

- возможность получения пористости материалов выше 90%;

- сохранение сферичности исходного порошка в составе конечного материала после применения температурного воздействия;

- сохранение исходного фазового состава конечного материала после применения температурного воздействия на исходный порошок;

- возможность изготовления из конечного компактного высокопористого металлического материала деталей и изделий малых размеров;

- достижение 100% межчастичного взаимодействия между исходными микросферами;

- достижение высокого модуля Юнга для максимально высокопористых материалов от 0,4 ГПа и выше;

- достижение уникальных теплофизических данных, где температуропроводность в 5 раз ниже, а теплопроводность в 70 раз ниже температуропроводности и теплопроводности беспористого металлического материала;

- достижение уникальных электромагнитных экранирующих свойств с повышенными магнитными потерями в широком диапазоне от 0,5 до 20 ГГц и максимумом магнитных потерь на частоте около 4 ГГц;

- достижение хороших каталитических свойств в реакции разложения этанола, где полная 100% конверсия и 60% селективность по производству водорода наблюдается при температуре 400°С.

Указанные технические результаты достигаются тем, что в способе получения высокопористых металлических материалов в качестве основы материала используют порошок наноструктурированных микросфер металлов, который засыпают в матрицу или пресс-форму, снабженные верхним и нижним пуансонами, при этом верхний пуансон имеет свободную посадку над порошком. Матрицу размещают в рабочей камере установки искрового плазменного спекания, в которой проводят разогрев системы со скоростью 10-600°С/мин до максимальной температуры спекания 400-800°С путем пропускания через матрицу и порошок высокочастотного тока от 3000 до 60000 ампер при обеспечении давления на боковые стенки матрицы от 10 МПа до 100 МПа с последующей временной выдержкой от 1 секунды до 30 минут и охлаждением в свободном режиме со скоростью 10-600°С/мин.

Также в способе используют порошок на основе никеля и/или кобальта и/или меди и/или других комбинаций различных металлов.

Кроме того, в качестве атмосферы в рабочей камере при спекании порошка используют вакуум от 1 Па до 40 Па.

Также в качестве атмосферы в рабочей камере при спекании порошка используют Ar и/или N₂ и/или инертные газы с примесью водорода.

Полые наноструктурированные металлические микросферы имеют специфические механические, электрические, каталитические, физические и химические свойства отличные от порошков, состоящих из частиц микронных размеров, что позволяет использовать их в качестве теплоизоляционных материалов, материалов, экранирующих электромагнитное излучение, а также в области катализа, медицине, оптоэлектроники и различных других областях науки и техники.

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 показано схематическое выполнение матрицы, на фиг. 2 и 3 представлены микроструктуры среза ионным пучком материала различной пористости 70% и 93%, состоящего из консолидированных микросфер, а на фиг. 4 приводится рентгенофазовый анализ порошка никеля до и после спекания.

На фиг. 1 изображены: плунжер 1, нижний и верхний графитовые пуансоны 2, микросферы 3, матрица 4.

На фиг. 4 показаны кривые 5 и 6 рентгенофазового анализа порошка никеля до и после спекания соответственно. Из приведенных изображений видно, что примерно 80% полых микросфер металлического никеля меньше 1,5 мкм в диаметре, а средний размер составляющих микросферы наночастиц 20-30 нм.

Способ осуществляется следующим образом.

В изобретении в качестве спекаемого порошка используется порошок полых наноструктурированных микросфер металлов. Количество порошка, необходимого для заполнения матрицы, зависит от ее внутренних параметров и регламентируется конечными размерами необходимого для конкретных целей произведенного высокопористого материала. Насыпная плотность порошка полых наноструктурированных микросфер металлов 95%, а максимально достижимая пористость при спекании 93%. Соответственно если взять 1 см³ микросферического порошка металла, то конечный консолидированный образец будет на 8-10% меньше изначального объема при условии его максимальной пористости.

В качестве материалов матриц можно использовать железные сплавы, специальные стали, медь, латунь, молибден, хром, бериллий, карбид вольфрама. Электро- и теплоизолирующим материалом могут быть MgO, Al₂O₃, SiO₂, Si. Высокожаропрочным материалом являются графит, керамика, жаропрочное стекло, коэффициент теплового расширения которого близок по величине к КТР графита.

Размер диаметра отверстия в матрице для пуансонов от 5 мм до 50 см, конфигурация (простой гладкой, сложной ступенчатой и другие), форма матрицы (цилиндр, куб, параллелепипед и другие) не регламентируются и могут быть изначально произведены в зависимости от необходимых параметров конечного создаваемого материала из порошка. При создании матрицы больших размеров и сложной конфигурации необходимо следовать параметрам установки искрового плазменного спекания, позволяющим без труда разогреть ее до необходимой температуры за установленный интервал времени и создать равномерно распределенную температуру во всех ее точках с целью равномерного прогрева расположенного внутри порошка.

Пуансоны диаметром от 5 мм до 50 см соответствуют диаметру отверстия матрицы, выполнены из материала матрицы и располагаются таким образом, чтобы давление массивных электродов установки искрового плазменного спекания сосредотачивалось на самой графитовой матрице, т.е. давления на порошок в данном случае не наблюдалось. Оба пуансона утоплены в матрице, при этом верхний пуансон имеет свободную посадку над порошком, а на нижнем лежит порошок.

Далее матрица с порошком помещается в камеру установки искрового плазменного спекания (Spark Plasma Sintering: производство компаний Sinter Land - Япония, SPS SYNTEX - Япония, FUJI ELECTRONIC INDUSTRIAL Co. - Япония, Thermal Technology - США и другие). В качестве установок, использующих в себе главный принцип прохождения тока через материал и матрицу в процессе электроискрового плазменного спекания можно использовать аналогичные модели разных компаний, либо установки других производителей.

Матрицу фиксируют на равноудаленном расстоянии от края плунжеров, которые выступают в роли промежуточных и заменяемых по истечению срока службы прокладок, сделанных в основном из графита и расположенных между электродами и матрицей с целью сохранения поверхности электродов от разрушения и перегревов, так как в них циркулирует под большим напором охлаждающий агент для их охлаждения. Прокладки в свою очередь лежат на электродах, для достижения соосности между верхним и нижним электродом, что позволяет продлить эксплуатационные свойства установки и различного рода матриц или пресс-форм на более длительный срок.

К матрице подводится термопара (материал термопары не регламентируется) конец которой помещается в боковое отверстие матрицы, предварительно просверленного для такого рода целей, либо подводится к поверхности матрицы для контроля температуры нагрева, выдержки и охлаждения. Камера установки закрывается и вакуумируется. Значения показателей вакуума в рабочей камере при проведении процесса спекания могут варьироваться от глубокого 1 Па до 40 Па.

Спекание также можно проводить в атмосфере других газов: аргон, азот, различные смеси инертных газов включая примесное содержание Н₂ (3% и более) и другие. Давление на матрицу прикладывается на панели управления установки в достаточном количестве, равном минимум 30-50% от прочности матрицы на сжатие, для последующего хорошего контакта в системе электрод-плунжер-матрица и равномерного прохождения электрического тока, способствующего не вызывать локальных перегревов в системе.

После запуска установки и начала протекания тока происходит разогрев пуансонов и впоследствии матрицы или пресс-формы под воздействием тепловых потерь за счет сопротивления материала матрицы и порошка. После завершения процесса выдержки при определенной температуре и времени наступает процесс охлаждения, после которого матрица достается из установки, а порошок извлекается из матрицы уже в виде компактного образца.

Установка программы по спеканию порошков производится на усмотрение оператора установки в ручном или автоматическом режиме. Скорость нагрева может быть задана большим диапазоном от 1°С/мин до максимально возможной 600°С/мин при спекании подобного рода высокопористых материалов. Температурно-временная выдержка регламентируется необходимостью получения материала необходимой пористости и указана в таблице 1. Принцип спекания заключается в простом балансе времени выдержки и температуры в определенном диапазоне температур, т.е. чем выше температура спекания, тем меньше выдержка, чем ниже температура, тем больше выдержка.

Конструктивно возможно спекание в моно-, би-, и поли- слоях микросферического порошка путем воздействия высокочастотного электрического тока или аддитивными технологиями послойного лазерного спекания или 3D-печатью.

При производстве материалов из полых микросфер металлов различной пористости необходимо придерживаться следующих требований с учетом температур плавления, например, металлов - меди 1083°С, никеля 1453°С и кобальта 1494°С и других металлов:

1) максимально высокая пористость (85% и выше) достигается при использовании концепции спекания при пониженной температуре начиная от 25% от температуры плавления и временной выдержки 30 минут и до 55% от температуры плавления и временной выдержки 1 секунда при температуре нагрева от 50°С/мин и выше. Технически изменяемое процентно-временное соотношение выдержки выглядит следующим образом: при температуре от 25% от температуры плавления - 30 мин, 35% - 10 мин, 45% - 5 мин, 55% - 1 сек;

2) средняя пористость (60%-85%) достигается при спекании при температуре от 35% до 65% от температуры плавления и временной выдержки от 15 до 1 сек для 85% пористости, а при 60% пористости параметры от 35% до 75% от температуры плавления и временной выдержки от 30 мин до 1 сек при температуре нагрева от 10 до 300°С/мин;

3) низкая пористость (60% и ниже) достигается при спекании при температуре от 45% и выше от температуры плавления и временной выдержки от 30 мин и выше, до температуры плавления и временной выдержки 1 сек при температуре нагрева от 10 до 600°С/мин.

При создании материала пористостью от 70% и ниже можно использовать стандартное расположение пуансонов в матрице и прикладывать от самого минимального давления до максимально возможного (для достижения беспористого образца 99,9% плотности). В таких условиях с использованием давления процесс спекания образцов будет протекать за более короткие времена.

Необходимо отметить, что в связи с термической обработкой порошка и припеканию микросфер друг к другу (образование перешеек) происходит равномерная в пространстве по трем плоскостям усадка. Усадка способствует уменьшению исходно засыпанного порошка по отношению к внутренним объемам выбранной матрицы: при получении высокопористых образцов усадка начинается от 35% от температуры плавления металла и достигает максимальных показателей при спекании беспористых образцов.

В качестве порошков используются металлические порошки никеля, и/или меди и/или кобальта, представляющие собой полые наноструктурированные микросферы. Возможно использование других микросферических порошков металлов и их комбинаций.

Данный метод позволяет производить наноструктурированные материалы из порошков полых микросфер переходных металлов закрытой пористости, где средний диаметр ячеек определяется размерами полых микросфер ~1 мкм с толщиной стенок 20-30 нм. Максимальная пористость образцов достигается порядка 93%. Высокопористые материалы имеют модуль Юнга от 0,4 ГПа до 15,4 ГПа при 93% до 28% пористости. Высокопористые материалы имеют уникальные теплофизические данные, где температуропроводность в 5 раз ниже, а теплопроводность в 70 раз ниже теплопроводности беспористого материала. Высокопористые материалы имеют уникальные электромагнитные экранирующие свойства с повышением магнитных потерь в широком диапазоне от 0,5 до 20 ГГц и максимумом магнитных потерь на частоте около 4 ГГц, что может быть приписан ферромагнитному резонансу в магнитных оболочках. Высокопористые материалы имеют хорошие каталитические свойства в реакции разложения этанола, где полная 100% конверсия и 60% селективность по производству водорода наблюдается при температуре 400°С.

Пример 1

Спекание высокопористых материалов на основе наноструктурированных полых микросфер порошка металлического никеля состоит из следующих последовательных стадий.

Микросферический порошок в количестве 0,5 г помещается в графитовую матрицу с диаметром отверстия 12 мм. Порошок снизу и сверху фиксируют пуансоны диаметра 12 мм, утопленные в матрицу. Матрица помещается рабочую камеру установки искрового плазменного спекания. Система вакуумируется до 10 Па, а на матрицу прикладывается давление 50 МПа, при этом на порошок давление не оказывается. Нагрев порошка осуществляется со скоростью 100°С/мин. Охлаждение системы происходит в свободном режиме. Таблица 1 демонстрирует параметры спекания порошка никеля (время и температуру выдержки) для получения образцов различной пористости. Измерение пористости спеченных образцов осуществлялось гидростатическим методом. Готовый продукт имеет ячеистую структуру с закрытыми порами образованными микросферами среднего размера 1 мкм (по данным растровой рентгеновской микроскопии) и состоит из наночастиц 21 нм (по данным порошковой рентгеновской дифракции).

Измерение свойств высокопористого металлического материала показывает, что полученные высокопористые металлические материалы имеют:

- модуль Юнга от 0,4 ГПа до 15,4 ГПа при 92% до 28% пористости;

- температуропроводность в 5 раз ниже температуропроводности, а теплопроводность в 70 раз ниже теплопроводности беспористого материала;

- магнитные потери в широком диапазоне от 0,5 до 20 ГГц с максимумом магнитных потерь на частоте около 4 ГГц, что может быть приписано ферромагнитному резонансу в магнитных оболочках;

- каталитические свойства в реакции разложения этанола, где полная 100% конверсия и 60% селективность по производству водорода наблюдается при температуре 400°С.

Пример 2

Спекание высокопористых материалов на основе наноструктурированных полых микросфер порошка металлического кобальта состоит из следующих последовательных стадий:

Процедура подготовки и спекания соответствует примеру 1. Таблица 1 демонстрирующая параметры спекания порошка никеля, соответствует спеканию порошка кобальта (время и температуру выдержки) для получения образцов различной пористости. Готовый продукт имеет ячеистую структуру с закрытыми порами образованными микросферами среднего размера 1 мкм (по данным растровой рентгеновской микроскопии) и состоит из наночастиц 23 нм (по данным порошковой рентгеновской дифракции).

Пример 3

Спекание высокопористых материалов на основе наноструктурированных полых микросфер порошка металлической меди состоит из следующих последовательных стадий.

Процедура подготовки и спекания соответствует примеру 1. Таблица 1, при условии снижения температуры выдержки на 100°С от заявленных, отражает параметры спекания порошка меди для получения образцов различной пористости. Готовый продукт имеет ячеистую структуру с закрытыми порами образованными микросферами среднего размера 1 мкм (по данным растровой рентгеновской микроскопии) и состоит из наночастиц 29 нм (по данным порошковой рентгеновской дифракции). Высокопористые металлические материалы на основе меди не обладают электромагнитными экранирующими свойствами.

1. Способ получения высокопористого металлического материала, включающий засыпку порошка металла в матрицу пресс-формы и его консолидацию с помощью искрового плазменного спекания, отличающийся тем, что используют порошок полых наноструктурированных микросфер металла, который засыпают в матрицу пресс-формы, снабженной верхним и нижним пуансонами, при этом верхний пуансон имеет свободную посадку над порошком, матрицу размещают в рабочей камере установки искрового плазменного спекания и проводят разогрев системы со скоростью 10-600°С/мин до максимальной температуры спекания 400-800°С путем пропускания через матрицу и порошок высокочастотного тока от 3000 до 60000 ампер при обеспечении давления на боковые стенки матрицы от 10 МПа до 100 МПа с последующей временной выдержкой от 1 сек до 30 мин и охлаждением в свободном режиме со скоростью 10-600°С/мин.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют порошок никеля или кобальта, или меди.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что спекание порошка проводят в вакууме от 1 Па до 40 Па.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что спекание порошка проводят в атмосфере Ar и/или N₂, и/или инертных газов с примесью водорода.