Способ изготовления пористых изделий из порошковых материалов

 

Сущность изобретения: высокотемпературное воздействие осуществляют в нестационарном режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, локально инициируя горение, причем фронт волны горения направляют перпендикулярно заданному направлению поровых каналов, охлаждая противоположные стороны изделия с различной скоростью. 1 табл.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способам получения пористых изделий, используемых в качестве фильтров. Известен способ изготовления изделий с переменной сквозной пористостью, заключающийся в формовании заготовки из металлического порошка, спекании (температура спекания 1120К, время спекания 1) и обработке магнитным полем. Недостатками известного способа являются сложность аппаратурного оформления, невзаимозаменяемость структурообразующих индуктивностей, малая производительность, высокая электропроводность материала порошка и ограниченность размеров частиц используемых порошков. Критерий выбора деятельности импульса (τ_и%) "не работает" для порошков со средним и малым размером частиц (d_y) при большей толщине (δ) стенки изделия. Геометрические размеры и форма пористых изделий также ограничены размерами (числом витков) и сложностью формы индуктора. Способ не эффективен и для получения переменной сквозной пористости с малым диаметром каналов. Рассмотрение нестационарного режима самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) в литературе ограничено изучением кинетики и механизма реакции. Структура и свойства продукта нестационарной реакции СВС с точки зрения получения целевого продукта не исследовались. Наиболее близким по достигаемому эффекту и технической сущности является способ изготовления спеченных пористых изделий из порошковых материалов, включающих тепловое воздействие с одновременным формированием на противоположных поверхностях заготовки разных температур, причем температуру нагрева каждой из этих поверхностей устанавливают из соотношения где Θ_o пористость заготовки после прессования; Θ₁ и Θ₂ пористость противоположных поверхностей заготовки; γ коэффициент, характеризующий реологию порошкового материала. Недостатками этого способа являются: наличие обязательной операции спекания в защитной атмосфере (аргон) в течение не менее 30 мин; значительный расход электроэнергии на нагрев и спекание в течение 30 мин; переменный коэффициент, характеризующий реологию порошкового материала, зависит от степени окисленности и формы поверхности частиц, а значит от их предыстории получения и хранения; коэффициент g не определен и в случае многокомпонентных смесей тугоплавких оксидов. Целью изобретения является создание регулярной слоистой структуры с переменной сквозной пористостью и упрощения процесса. Сущность изобретения заключается в том, что тепловое воздействие осуществляют в нестационарном режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, причем фронт волны горения направляют перпендикулярно заданному направлению поровых каналов, а разные температуры на противоположных поверхностях формируют охлаждением их с различной скоростью. Синтез осуществляют при температуре не ниже температуры плавления самого легкоплавкого компонента или продукта и не выше температуры плавления самого тугоплавкого компонента или продукта. СВС в нестационарном режиме проводят со скоростью не более 7 мм/с. Смесь исходных компонентов, в качестве которых используют металлические, оксидные, тугоплавкие и другие порошки, укладывают в форму. Геометрические размеры изделия практически не ограничены и зависят от размеров форм для укладки порошковой смеси. Теплопроводность материалов противоположных стенок формы может достигать величины l₁/λ₂≃137. Инициирование волны СВ-синтеза производится молибденовой спиралью посредством подачи электрического импульса. Первоначально инициируется реакция в тонком слое быстрогорящей поджигающей смеси. Волна синтеза распространяется параллельными слоями от поджигающей смеси. Роль поджигающей смеси возрастает при получении крупногабаритных изделий. Максимальная температура горения при реализации способа должна лежать между температурами ликвидуса и солидуса исходных компонентов и продуктов реакции. Повышение температуры над солидусом приводит к плавлению всей системы и получению материала с закрытой пористостью. Понижение температуры ниже ликвидуса приводит к малой прочности материала из-за слабой спеченности порошковых частиц изделия. Средняя скорость горения при нестационарном режиме состоит из отдельных стадий пульсация-депрессия (пульсирующий режим) или определяется скоростью движения и шириной головки спина (спиновой режим). Конечный материал наследует тепловой профиль волны горения, что проявляется в макро- и микроструктуре. При средней скорости горения происходит вырождение слоев структуры. Она приобретает прерывистый характер и разбивается на участки с равномерной структурой. Проницаемость таких изделий уменьшается на один-два порядка по сравнению с равномерно-слоевыми. Различный размер пор (переменная сквозная пористость) противоположных сторон изделия формируется при охлаждении их с различной скоростью. Так, тонкий слой исходной смеси, находящийся в условиях большей плотности теплового стока, в большей мере наследует мелкопористую, равномерную структуру исходной засыпки. Этот слой реагирует при недостатке тепла в режиме вынужденного реакционного спекания. Жидкофазные течения и слияния частиц в нем вырождены. Тонкий слой исходной смеси с противоположной стороны находится в более "мягких" условиях с существенно меньшим (на порядки) тепловым стоком. Вследствие этого поверхностный слой в большей степени подвержен жидко-вязким течениям легкоплавкой фазы или эвтектики в зону максимальной температуры нестационарной волны. Поверхностный слой этой поверхности наследует в своей структуре тепловой профиль нестационарной волны горения. Отношение размеров пор противоположных сторон изделия определяется выражением: где отношение теплопроводностей материалов противоположных стенок формы; T₁, T₂ максимальная температура стенки и стенки; T_л температура плавления легкоплавкой фазы; отношение объемов жидкой и твердой фазы на стенке при температуре T₁;
отношение объемов жидкой и твердой фазы на стенке при температуре;
K микрореологический коэффициент
K=f(γ, σ, T, μ, M₁, M₂),
где γ кинематическая вязкость;
m-коэффициент поверхностного натяжения;
T температура;
s динамическая вязкость. Таким образом, размер поры в слое, прилегающем к стенке формы, обратно пропорционален плотности теплового потока. При реализации способа отношение размеров пор противоположных стенок лежит в интервале
1≅d₁/d₂≅5540. Анизотропия теплопроводности изделия, изготовленного по данному способу, заключается в различии в 3 25 раз и зависит как от исходных материалов, так и от геометрии и упорядочения структурных составляющих. В результате реализации способа в одну стадию получают самоармированное пористое изделие (материал). Диапазон пористости расширяется до 65 70%
Экспериментальные величины параметров, характеризующих пористое изделие, максимальная теплопроводность, проницаемость, электропроводность, предел прочности на сжатие и растяжение достигаются в направлении, параллельном слоям. Пример 1. Исходную смесь порошков, мас. никель 30, оксид никеля 11, алюминий 50, хром 9, укладывают в форму. Материал внутренней стенки формы - сталь-3, внешней медь. Скорость теплоотвода в противоположные стенки формы разливается в ≈ 13 раз. Тепловой импульс электрической спирали инициирует реакцию в поджигающей смеси, которая формирует плоский фронт нестационарной реакции СВ-синтеза в засыпке основной смеси. Направление распространения фронта волны горения (v_r) формируется перпендикулярно плоскости поджигающей таблетки. В результате прохождения нестационарной волны СВ-синтеза с v_r=5 мм при отличающейся в q₁/q₂≈13 раз скорости теплоотвода в противоположные стенки формы образовалась структура с линейчатым расположением слоев пор внутри стенки. Диаметр каналов внешней поверхности ≃ 20 мкм при толщине слоя ; 0,7 мм, внутренней 130 мкм. Центральная часть представляет собой анизотропную структуру со слоями, параллельными плоскости основания. Пористость 63% Проницаемость вдоль слоев K_II=1,1·10^-6 см², поперек слоев K_I=2·10^-9см², т.е. составляет примерно 0,2% от K^II. Предел прочности на сжатие вдоль слоев , поперек слоев
Свойства пористых изделий, полученных при разных режимах, представлены в таблице. Предложенный способ по сравнению с известным обладает следующими преимуществами: удешевление технологии за счет сокращения энергозатрат; высокая производительность; одностадийность процесса; возможность получения изделий сложной формы и больших габаритов; расширение диапазона пористости и размеров пор изделий, ассортимента исходных материалов; анизотропия эксплуатационных характеристик (теплопроводности, проницаемости, механических свойств).

Формула изобретения

1. Способ изготовления пористых изделий из порошковых материалов, включающий тепловое воздействие с одновременным формированием на противоположных поверхностях заготовки разных температур, отличающийся тем, что, с целью создания регулярной слоистой структуры с переменной сквозной пористостью и упрощения процесса, тепловое воздействие осуществляют в нестационарном режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, причем фронт волны горения направляют перпендикулярно заданному направлению поровых каналов, а разные температуры на противоположных поверхностях формируют охлаждением их с различной скоростью. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что синтез осуществляют при температуре не ниже температуры плавления самого легкоплавкого компонента или продукта и не выше температуры плавления самого тугоплавкого компонента или продукта. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что синтез в нестационарном режиме проводят со скоростью не более 7 мм/с.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2