Способ получения алюмолитиевых сплавов

 

Cущность изобретения: самораспространяющийся синтез осуществляют одновременно с прессованием смеси порошков, причем порошок алюминия предварительно подвергают механохимической активации до появления на поверхности частиц дефектов в кристаллической структуре и отбирают фракцию дисперсностью 1 - 355 мкм, а из порошка лития отбирают фракцию дисперсностью 1 - 160 мкм, компоненты смешивают в соотношении: литий 3,6 - 63,7 (мас.%), алюминий 96,4 - 36,3 (мас.%), в количестве менее 37 г, а прессование осуществляют до плотности получаемого сплава 2,44 - 0,78 г/см³ соответственно составу. Причем механохимическую активацию проводят в шаровой мельнице путем обработки порошка алюминия полиуретановыми шарами в течение 2 - 3,5 ч в атмосфере аргона. 1 з.п. ф.

Изобретение относится к получению литийсодержащих сплавов, в частности алюмолитиевых, которые используются в качестве конструкционных и функциональных материалов. Они обладают высокой удельной прочностью, легкостью, тепло- и энергоемкостью, сопротивлением к проникновению космических частиц, устойчивостью в криогенных условиях. C целью ускорения процесса получения литийсодержащих сплавов и расширения в нем диапазона концентраций лития, самораспространяющийся синтез осуществляют в момент прессования, причем порошок алюминия предварительно подвергают механохимической активации до появления на поверхности дефектов в кристаллической структуре и отбирают фракцию дисперсностью 1 355 мкм, из порошка лития отбирают фракцию дисперсностью 1 160 мкм, компоненты смешивают в соотношении: литий 3,6 63,7 (мас.), алюминий 96,4 36,3 (мас.), в количестве не менее 37 г, а прессование осуществляют до плотности получаемого сплава 2,44 0,78 г/см³ соответственно составу. Механохимическую активацию проводят в шаровой мельнице путем обработки порошка алюминия полиуретановыми шарами, истирание ведут в течение 2 3,5 ч в атмосфере аргона. В основу изобретения положен комплекс экспериментальных работ по изучению влияния степени деформации кристаллической структуры на скорость диффузионного потока лития. Было установлено, что диффузионный поток можно ускорить на несколько порядков, используя алюминий с максимально деформированной структурой, т.е. подвергая его механохимической химической активации. Если при этом увеличить поверхность контакта исходных металлов путем использования порошковых материалов определенного гранулометрического состава, выбрать массу шихты, при которой не все тепло поверхностных реакций рассеется в окружающую среду, то процесс СНС (безгазовое горение металла в металле во всем объеме шихты) можно вызвать в момент прессования смеси. При этом концентрацию лития в сплаве можно получать в широком диапазоне от 3,6 до 63,7 мас. Так как процесс синтеза по предлагаемому способу обеспечивает полноту сгорания одновременно с прессованием (в течение 0,2 3 мин), то исчезает необходимость выдержки образца под нагрузкой пресса в течение 1,5 - 2,8 ч. Таким образом, синтез ускоряется в 30 450 раз, и энергетические затраты, связанные с эксплуатацией пресса, уменьшаются. Критерием завершения процесса синтеза может служить плотность получаемого образца, в момент прессования которая должна приближаться к теоретической плотности двуфазного или однофазного продукта. При двуфазном может быть твердый раствор алюминида LiAl в литии или алюминии, при однофазном синтез идет до состава LiAl при стехиометрическом соотношении компонентов. Методом рентгенофазового анализа доказано, что образование LiAl идет через фазу Li₂Al, т.е. последняя является промежуточной и свидетельствует о незавершенности процесса синтеза. Поэтому в известном способе получить ее в чистом виде не удавалось. Если вести процесс синтеза алюминидов по предлагаемому способу, то при 26% лития в момент прессования шихты (в течение 1,2 мин) достигается полнота сгорания лития, сплав представляет собой твердый раствор LiAl в литии с плотностью 1,47 г/см³ (cм. акт испытаний, пример 1). В известном способе (при той же массе образца) синтез идет в течение 1,9 2,2 ч до образования двух соединений LiAl и Li₂Al; а в момент прессования удается достигнуть плотности только 1,26 1,35 г/см³. При стехиометрическом соотношении компонентов (лития 20, алюминия 80 мас.) по известному способу удается достигнуть плотности 1,48 г/см³. Синтез идет 1,5 ч при максимальной температуре 320^oC. По предлагаемому способу аналогичная масса смеси (600 г) обеспечивает синтез алюминида LiAl в течение 0,2 мин одновременно с процессом прессования. (Максимальная температура составляет 560^oC, прессование ведут до плотности сплава 1,69 г/см³). Увеличение массы не изменяет параметров. Масса 200 г обеспечивает синтез в течение 0,8 мин (максимальная температура 375^oC). Минимальная масса 37 г, 2,2 мин при температуре 183^oC (cм. акт испытаний, примеры 2 4). Дальнейшее уменьшение массы (35 г) не обеспечивает полноту синтеза (см. акт испытаний, пример 5). В предлагаемом способе при осуществлении процесса СНС в крайних точках заявляемого диапазона концентраций лития (3,6 и 63,7 мас.) плотность сплава и плотность механической смеси компонентов (при идеальном их контакте) мало отличаются. Так, например, при содержании лития 63,7% теоретическая плотность сплава составляет 0,78 г/см³, если синтез не прошел и компоненты находятся в смеси, то плотность образца будет 0,76 г/см³. Аналогичная картина при содержании лития 3,6% плотность сплава 2,44; смеси 2,36 г/см³. В этих случаях экспериментальная плотность образца не является показателем полноты синтеза. Более достоверным критерием может стать максимальная температура СНС. Если она выше температуры плавления лития (181^oC) или равна ей, то, как следует из данных рентгенофазового анализа и металлографических исследований, синтез прошел до конца (см. акт испытаний, примеры 7 8). Сплав получается двух- или однофазный. Если температура СНС ниже температуры плавления лития, то полнота сгорания не обеспечивается, продукт получается многофазный, например, при проведении синтеза за пределами заявляемого диапазона концентраций лития: 3,2; 64,0 мас. (см. акт испытаний, примеры 6 и 9). Указанная закономерность характерна для всех исследуемых случаев (см. акт испытаний, примеры 1 15). В известном способе гранулометрический состав лития был ограничен нижним пределом, составлявшим 16 мкм. Имела место конгломерация мелких частиц в процессе получения порошка лития путем диспергирования расплава лития в расплаве парафина с последующей отмывкой в бензине. Конгломерации можно избежать, если вести процесс отмывки порошка лития от парафина по стадиям, подвергая порошок после каждой отмывки в бензине сушке в вакууме при 80^oC. Такая обработка способствует формированию верхнего упорядоченного слоя кристаллической структуры лития, не подверженного конгломерации даже при 0,5 1 мкм дисперсности частиц. В известном способе для инициирования СНС в малых образцах (140 г) использовали порошки как лития, так и алюминия дисперсностью 16 50 мкм, что требовало специального отсева мелких фракций. При увеличении массы диапазон дисперсности частиц расширялся. И только при массах шихты 500 600 г для синтеза можно было использовать порошки во всем заявляемом диапазоне 16 450 мкм. В предлагаемом способе синтез идет во всем заявляемом диапазоне дисперсности (литий 1 160, алюминий 1 355 мкм) даже при массе шихты 37 г (см. акт испытаний, пример 3). Использование исходных порошков в более широком диапазоне дисперсности, например лития 1 210 мкм, алюминия 1 400 мкм, ухудшает качество получаемого сплава, ведет к появлению непрореагировавших фаз как лития, так и алюминия (см. акт испытаний, примеры 10 и 11). Прессование больших количеств порошковых материалов связано с технологическими трудностями, обусловленными появлением участков с различной плотностью, локальным расслоением и пр. Однако эти трудности возможно преодолеть, используя более совершенное прессовальное оборудование, и если спрессовать 1000-граммовый образец до максимальной плотности, то качество сплава будет таким же, как в случае получения 600 г образца. В связи с этим в предлагаемом изобретении не указывается предельная масса шихты. Она может быть сколь угодно большой, лишь бы ей было сообщено соответствующее усилие прессования. Как указывалось выше, эта масса должна быть не меньше 37 г. Во всех рассмотренных случаях предлагаемого способа подъем температуры носил характер всплеска и достигал наибольшего значения в момент максимальных усилий прессования. Падение температуры, в отличие от известного способа, проходило в течение секунд. Практически скорость прессования регулировалась скоростью синтеза. Образцу сообщалось максимально возможное усилие прессования при любых соотношениях и массах шихты. Если синтез не шел, то и спрессовать образец до большей плотности было невозможно. Экспериментальная проверка заявляемого технического решения проводилась при использовании порошков алюминия марки ПА-1 и Па-Вч-1, гранулометрический состав которых находится в пределах 1 450 мкм, с последующим отделением необходимой фракции. Порошки подвергали механохимической активации в шаровой мельнице, проводя истирание в течение 2 3,5 ч в среде аргона, предварительно заменив металлические шары на полиуретановые. Материал шаров, как и время активации, определены экспериментально. Если проводить истирание металлическими шарами, частицы алюминия расплющиваются и не обеспечивают полноту синтеза в заявляемых пределах, при использовании резиновых шаров они сами истирались, загрязняя исходный материал. Полиуретан был выбран по конечному результату его действия. Уменьшение времени механохимической активации до 1,8 ч ведет к снижению уровня дефектности поверхности частицы: диффузионный поток уменьшается снижается температура синтеза и качество сплава (см. акт испытаний, пример 12). Оптимальным временем механохимической активации следует считать 3,5 ч, более продолжительное истирание на поверхностные свойства частицы практически не влияет, следовательно, проводить его нецелесообразно (см. акт испытаний, пример 13). Процесс механохимической активации обеспечивал не только достаточное для СНС количество дефектов в кристаллической структуре алюминия, но и очистку порошка от застаревшего верхнего слоя оксидных пленок, неизбежно образующегося при хранении. Как показали эксперименты, в ряде случаев удавалось получить плотность состава, близкую или даже равную расчетной. Дальнейшее увеличение усилий прессования к изменению плотности не приводило. Искусственная недопрессовка смеси вела к резкому ухудшению параметров синтеза и неполноте сгорания компонентов (см.акт испытаний, примеры 14 и 15). Как видно из акта испытаний, предлагаемый способ получения литийсодержащих сплавов легко реализуется на практике, ускоряет процесс получения сплава в 30 450 раз по сравнению с прототипом, расширяет диапазон концентраций лития в сплаве от 3,6 до 63,7 мас. и обеспечивает процесс самораспространяющегося низкотемпературного синтеза в образцах с малой массой. Последний фактор позволяет использовать способ при получении мелких деталей и изделий.

Формула изобретения

1. Способ получения алюмолитиевых сплавов, включающий смешивание порошков лития и алюминия, прессование заготовки и проведение самораспространяющегося синтеза, отличающийся тем, что, с целью ускорения процесса и расширения диапазона концентрации лития, перед смешиванием порошок алюминия подвергают механохимической активации, для смешивания отбирают фракции порошка алюминия дисперсностью 1 355 мкм и порошка лития дисперсностью 1 160 мкм, смешивают порошки лития с алюминием в соотношении (3,6 63,7)(96,4 36,3) соответственно в количестве не менее 37 г, прессование осуществляют до плотности заготовки 2,44 0,78 г/см³, а синтез проводят одновременно с прессованием. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что механохимическую активацию порошка алюминия проводят в шаровой мельнице полиуретановыми шарами в течение 2 3,5 ч в атмосфере аргона.

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Номер и год публикации бюллетеня: 29-2000

Извещение опубликовано: 20.10.2000        

---