Порошковая композиционная смесь на основе алюминия и способ ее получения
Владельцы патента RU 2288292:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственный центр автоматики и приборостроения им. акад. Н.А. Пилюгина" (ФГУП "НПЦАП") (RU)
Изобретение относится к порошковой металлургии и может быть использовано в качестве конструкционного материала в изделиях точного машиностроения, в том числе при создании командных приборов систем управления летательных аппаратов с высокими эксплуатационными характеристиками. Предложена порошковая композиционная смесь на основе алюминия и способ ее получения. Смесь содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%: кремний - 41÷43; никель 4,1÷5,2; фосфор 0,05÷0,1; нитрид алюминия - 0,01÷0,05; алюминий - остальное. Способ включает приготовление расплава, содержащего алюминий, кремний, никель, распыление расплава с получением порошка и смешивание полученного порошка с порошком кремния, при этом приготавливают расплав, дополнительно содержащий фосфор, с последующим введением в него азота, а распыление расплава ведут азотом при температуре и давлении, обеспечивающих образование нитрида алюминия. Технический результат - получение смеси с однородной тонкодисперсной структурой, с технологической пластичностью, обеспечивающей удовлетворительную деформационную обработку материала, с коэффициентом линейного расширения, вакуумплотностью и размерной стабильностью на уровне бериллия, что в целом способствует значительному повышению эксплуатационной надежности изделий в течение длительного срока службы. 2 н.п. ф-лы, 2 табл.
Область техники
Изобретение относится к порошковой металлургии и может быть использовано в различных областях народного хозяйства (приборостроительной, авиакосмической, ракетной, судостроительной, автомобильной, текстильной и др.), в которых требуется сочетание таких свойств изделий как: низкий коэффициент линейного расширения, высокая размерная стабильность, малый удельный вес, удовлетворительная обрабатываемость и экологическая чиста.
Предшествующий уровень техники
Известно, что в настоящее время одним из основных конструкционных материалов, например, для изготовления командных приборов систем управления летательных аппаратов является бериллий, обеспечивающий необходимые требования к деталям приборов: малый удельный вес, низкий коэффициент линейного расширения, высокая размерная стабильность, вакуумплотность и др. (Никитин Е.А., Шестов С.А. Матвеев В.А. Гироскопические системы. Элементы гироскопических приборов. - М.: Высшая школа, 1988, 432 с).
Основным недостатком данного материала является высокая трудоемкость его изготовления, высокая стоимость и его токсичность при обработке.
Известен композиционный материал, который состоит из сплава на основе алюминия с добавками 25% кремния, 5% никеля и тугоплавкого соединения 15% нитрида кремния (Патент РФ №2016120, МПК С 22 С 21/14, 32/00 от 17.05.91).
Недостатком этого материала является невозможность обеспечения надежности и стабильности требуемых эксплуатационных характеристик в течение длительного срока службы.
Известен порошковый композиционный материал, который состоит из сплава на основе алюминия с добавками кремния и никеля и тугоплавкого компонента в виде порошкового кристаллического кремния, который наиболее близок по физико-механическим свойствам к бериллию (Патент РФ №2149201, МПК С 22 С 21/14, 32/00 от 20.05.2000 г.).
Недостатком этого материала является низкая технологическая пластичность, нестабильность, эксплуатационных характеристик из-за структурной неоднородности, наличия газовой пористости повышенного удельного веса и коэффициента линейного расширения, что снижает надежность работы изделия.
Известен порошковый композиционный материал, который состоит из сплава на основе алюминия с добавками кремния, бериллия, оксида алюминия и тугоплавкого компонента в виде кристаллического кремния (Патент РФ №2175682, МПК С 22 С 21/02, 1/04 от 10.11.2001 г.), принятый в качестве наиболее близкого аналога предлагаемого изобретения (прототип).
Недостатком этого материала является наличие структурной неоднородности, пониженная технологическая пластичность, использование в качестве легирующего компонента токсичного элемента бериллия.
Известен способ получения композиционного материала, включающего изготовление расплава, содержащего алюминий, медь, магний, добавление порошка карбида кремния (Романова B.C., Трубкина К.М. Производство прессованных полуфабрикатов из порошкового композита и исследование их свойств. Сб. Технология легких сплавов, ВИЛС, 1993, №12, с.49-53).
Недостатками данного способа являются повышенные плотность, коэффициент линейного расширения и недостаточная размерная стабильность материала.
Известен способ получения композиционного материала, включающего изготовление расплава, содержащего алюминий, кремний, никель, распыление, добавление порошка кремния (Патент РФ №2149201, МПК С 22 С 21/14, 32/00 от 20.05.2000 г.).
Недостатком данного способа является нестабильность эксплуатационных характеристик материала и ненадежность его эксплуатации в течение длительного срока службы ввиду структурной неоднородности, наличия газовой пористости и недостаточной размерной стабильности.
Известен способ получения композиционного материала, включающего изготовление расплава, содержащего алюминий, кремний, никель, бериллий, оксид алюминия, распыление, добавление порошка кремния (Патент РФ №2175682, МПК С 22 С 21/02, 1/04 от 10.11.2001 г.), принятый в качестве наиболее близкого аналога предлагаемого изобретения (прототип).
Недостатком данного способа является невозможность обеспечения стабильных эксплуатационных характеристик в течение длительного срока службы изделия.
Краткое изложение сущности изобретения
Поставленная задача решается тем, что порошковая композиционная смесь на основе алюминия, содержащая кремний, никель, согласно изобретению дополнительно содержит фосфор и нитрид алюминия при следующем соотношении компонентов, мас.%:
кремний - 41÷43
никель - 4,1÷5,2
фосфор - 0,05÷0,1
нитрид алюминия - 0,01÷0,05
алюминий - остальное
Способ получения порошковой композиционной смеси, включающий изготовление расплава, содержащего алюминий, кремний, никель, распыление, добавление порошкообразного кремния, при получении согласно изобретению в него дополнительно вводят фосфор, а распыление расплава ведут азотом при температуре и давлении, обеспечивающих образование нитрида алюминия в требуемом объеме.
Предлагаемый состав порошковой смеси и способ ее получения позволяют:
- во-первых, осуществить механизм модифицирования первичных кристаллов кремния путем затруднения их роста из-за адсорбции атомов фосфора на гранях растущих кристаллов, а также увеличения числа центров кристаллизации - кристаллизуемых кластеров (Siк);
- во-вторых, за счет совместного взаимодействия процесса модифицирования, образования нитридной фазы (AlN) достичь более высокой скорости охлаждения диспергируемого расплава и, как следствие, - уменьшения скорости роста и более равномерного распределения как первичных кристаллов кремния, так и интерметаллидных фаз NiAl3, FeAl3, AlN, AlP в объеме матрицы твердого раствора каждой частицы;
- в-третьих, образование нитридной фазы на ювенильной поверхности частиц порошка способствует интенсификации диффузионных процессов при последующем переделе порошка на полуфабрикат. Это приводит к тому, что структура материала представляет собой α- твердый раствор алюминия с мелкодисперсными и равномерно распределенными в нем выделениями кристаллов кремния и интерметаллидных фаз NiAl3, FeAl3, AlN, AlP. Подобная структура характеризуется резким сокращением расстояния между кристаллами кремния и интерметаллидными фазами и, как следствие, значительным увеличением поверхности их контакта с алюминиевой матрицей.
В результате этого происходит увеличение прочности межчастичных связей, способствующих повышению физико-механических свойств материала, в том числе и модуля упругости. Материал с высоким модулем упругости характеризуется наличием жестких связей в структуре, при которых силы притяжения действуют сильнее, чем силы отталкивания.
В связи с этим модуль упругости, являясь величиной, обратной коэффициенту линейного расширения, способствует тому, что получаемый материал меньше подвержен расширению под воздействием температуры.
Все это способствует получению материала со структурой α-твердого раствора алюминия с равномерно распределенными в нем дисперсными кристаллами кремния и интерметаллидными фазами NiAl3, FeAl3, AlN, AlP, повышению механических свойств, снижению удельной плотности и коэффициента линейного расширения, повышению размерной стабильности, вакуумплотности и технологической пластичности.
Содержание компонентов (кремния, никеля, фосфора, нитрида алюминия) меньше указанного не позволит достичь в матрице α-твердого раствора алюминия дополнительного диспергирования и равномерного распределения первичных кристаллов кремния интерметаллидных фаз (типа NiAl3, FeAl3, AlN, AlP) и возможности образования нитридной фазы. Это приводит как к уменьшению прочности, так и прочности межчастичных связей в целом между алюминиевой матрицей и интерметаллидными фазами. В результате этого уменьшаются прочностные и пластические характеристики, в том числе модуля упругости, повышается коэффициент линейного расширения, снижается размерная стабильность, а также и технологическая пластичность материала. Содержание компонентов (кремния, никеля, фосфора, нитрида алюминия) выше указанного из-за перемодифицирования расплава приводит к увеличению размера кристаллов первичного кремния, что отрицательно сказывается на однородности структуры и, как следствие, увеличению коэффициента линейного расширения, уменьшению размерной стабильности и технологической пластичности.
Описание вариантов воплощения изобретения
Пример получения порошковой композиционной смеси:
Брали чушковой алюминий марки не ниже А7, кристаллический кремний марки КрО; чистый никель Н-1; красный фосфор в виде спрессованных таблеток, завернутых в алюминиевую фольгу, и загружали в плавильную печь, в которой готовили расплав. По достижении температуры расплава 1300°С в него вводили азот и после выдержки в течение 30 мин расплав распыляли азотом под давлением не менее 10 атм на порошок, который затем смешивали с порошкообразным кремнием. Порошковую композиционную смесь засыпали в технологические капсулы, дегазировали в вакууме при остаточном разряжении 1·10-3÷1·10-4 мм рт.ст. и затем прессовали на гидравлическом прессе усилием 950 тс. Компактные заготовки подвергали механической обработке и исследованию их физико-механических свойств.
Варианты содержания компонентов в порошковых композиционных смесях соответствующих: предложенному, запредельному (с величинами меньшими или большими указанных предельных значений компонентов предложенного способа), а также известному наиболее близкому аналогу (прототип), представлены в таблице I.
В таблице 2 приведены свойства заготовок композиционных материалов, полученных из исследованных порошковых композиционных смесей.
Данные анализа физико-механических свойств порошковых композиционных материалов, приведенные в таблице 2, позволяют сделать вывод, что наилучший технический результат достигается при использовании порошковой композиционной смеси с предлагаемым содержанием компонентов, которая позволяет получать порошковый композиционный материал, превосходящий известный материал по всем определяющим характеристикам данного класса материалов.
Таким образом, используя указанное содержание компонентов в порошковой композиционной смеси и предлагаемый способ получаем материал, обладающий: однородностью и тонкодисперсностью структуры, высокими физико-механические свойствами, меньшим коэффициентом линейного расширения, высокой размерной стабильностью и более высокой вакуумплотностью.
Таким образом, предлагаемая порошковая композиционная смесь позволяет получать материал, обладающий высокими эксплуатационными характеристиками и высокой эксплуатационной надежностью в течение длительного срока службы изделия, а также этот материал является нетоксичным и недорогим.
| Таблица 1 | ||||||||
| № п/п | Материал | Содержание компонентов, мас.% | ||||||
| Al2O3 | Be | Si | Ni | Р | AlN | Al | ||
| 1 | Предложенный | - | - | 41 | 4,10 | 0,05 | 0,01 | остальное |
| - | - | 42 | 4,55 | 0,075 | 0,03 | остальное | ||
| - | - | 43 | 5,20 | 0,10 | 0,05 | остальное | ||
| 2 | Запредельный | - | - | 40,5 | 3,50 | 0,03 | 0,005 | остальное |
| - | - | 43,5 | 5,50 | 0,15 | 0,10 | остальное | ||
| 3 | Известный (аналог) | 2,25 | 0,03 | 44,75 | 4,25 | - | - | остальное |
| Таблица 2 | ||||||||
| № п/п | Материал | α×10-6, К-1 | δ,% | Е, ГПа | Вакуумплотность при δст., не менее, мм | Размер первичных кристаллов Si, мм | ||
| 1 | Предложенный | 12,0 | 1,8 | 120 | 0,65-0,02 | 1-3 | ||
| 12,0 | 1,8 | 120 | 0,65-0,02 | 1-3 | ||||
| 12,2 | 1,5 | 115 | 0,70-,0,02 | 1,5-3,5 | ||||
| 2 | Запредельный | 13,0 | 1,0 | 102 | 0,90-0,02 | 5-6 | ||
| 13,5 | 0,8 | 98 | 1,10-0,02 | 5-6 | ||||
| 3 | Известный (аналог) | 12,5 | 1,0 | 105 | 0,80-0,02 | 5-6 |
1. Порошковая композиционная смесь на основе алюминия, содержащая кремний, никель, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит фосфор и нитрид алюминия при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Кремний | 41÷43 |
| Никель | 4,1÷5,2 |
| Фосфор | 0,05÷0,1 |
| Нитрид алюминия | 0,01÷0,05 |
| Алюминий | Остальное |
2. Способ получения порошковой композиционной смеси на основе алюминия, включающий приготовление расплава, содержащего алюминий, кремний, никель, распыление расплава с получением порошка и смешивание полученного порошка с порошком кремния, отличающийся тем, что приготавливают расплав, дополнительно содержащий фосфор, с последующим введением в него азота, а распыление расплава ведут азотом при температуре и давлении, обеспечивающих образование нитрида алюминия.
