Способ получения пористо-волокнистого металлического материала

Изобретение относится к способам получения пористых материалов из металлических волокон, а именно к способам получения волокнистых металлических материалов с высокой пористостью (до 95%) из жаростойких сплавов для звукопоглощающих конструкций горячего тракта газотурбинного двигателя на рабочие температуры 450-600°С, которые также могут применяться для изготовления других конструкций с высокими требованиями к их прочности и жаростойкости, таких как высокотемпературные фильтры, виброизоляционные материалы и другие. Предварительно формируют металлический мат из волокнистой массы, состоящей из металлических волокон длиной не менее 100 мм, путем ее иглопробивания с плотностью 0,5×10⁴-1×10⁴ м^-2. Диаметр металлических волокон из жаростойких металлов или сплавов составляет 15-30 мкм. Сформированный металлический мат спекают в контейнере, имеющем ограничители, в вакууме или в защитной атмосфере при температуре 0,75-0,85 от температуры плавления материала. Полученный материал характеризуется повышенными прочностью, жаростойкостью и акустической эффективностью. 3 з.п. ф-лы, 1 табл.

 

Изобретение относится к способам получения пористых материалов из металлических волокон, а именно к способам получения волокнистых металлических материалов с высокой пористостью (до 95%) из жаростойких сплавов для звукопоглощающих конструкций (ЗПК) горячего тракта газотурбинного двигателя (ГТД) на рабочие температуры 450-600°С, которые также могут применяться для изготовления других конструкций с высокими требованиями к их прочности и жаростойкости, таких как высокотемпературные фильтры, виброизоляционные материалы и др.

Пористые металлические материалы известны довольно давно и благодаря сочетанию своих свойств (большой пористости при достаточно высокой прочности и гибкости) находят свое применение в различных областях техники.

Пористо-волокнистые металлические материалы являются наиболее пригодными для создания высокотемпературных ЗПК. Они обладают эффективными поглощающими свойствами, которые практически не зависят от уровня звукового давления и обеспечивают снижение шума в широкой области частот. Такие материалы имеют высокие характеристики температурной стойкости, пожаробезопасности, грибостойкости и мало абсорбируют различные жидкости.

На сегодняшний день известно несколько способов получения пористо-волокнистых металлических материалов. Все они имеют ряд недостатков и ограничений применения.

Известен способ получения пористого металлического материала, включающий изготовление суспензии волокон в жидкой среде с последующим осаждением суспензии на вибрирующее перфорированное основание или вводом суспензии в форму с пористыми стенками. После дренажа жидкости получают лист или изделие заданной формы, которые затем прессуются и спекаются в низкоплотный материал (патент США №3.127.668).

Недостатки этого способа - невысокая пористость получаемых материалов и сложность приготовления суспензии из длинных металлических волокон в жидкой среде. Кроме того, частички жидкости или продукты ее реакции с металлическими волокнами остаются на поверхности волокон, что отрицательно сказывается на дальнейшем спекании.

Известен способ получения пористого металлического материала из тонких металлических волокон воздушным наслоением и последующим механическим скреплением или прессованием пористой структуры (патент США №3.469.297).

Недостатки этого способа - отсутствие процесса спекания и небольшое поперечное сечение волокон (наилучшие результаты при использовании этой технологии при толщине волокон 4 мкм), что снижает прочность при получении материала с большой пористостью.

Известен способ изготовления армированного нетканого металлического материала обработкой массы свободных металлических нитей с использованием обычного оборудования текстильной промышленности для получения полотна из металлических нитей и наложением нескольких таких полотен одно на другое для получения многослойной структуры. Между полотнами подкладывают армирующую подложку, вследствие чего образуется армированный нетканый металлический листовой материал с высокими прочностью и долговечностью (патент США №5.972.814).

Недостатки этого способа - использование упрочняющей подложки, что снижает общую пористость волокнистого материала и необходимость использования металлических волокон с неравномерным поперечным сечением (шероховатой поверхностью) для осуществления сцепления между отдельными волокнами.

За прототип принят способ получения пористо-волокнистых металлических материалов с однородной структурой, включающий предварительное формирование металлического мата из волокнистой массы и дальнейшее его спекание. Формирование металлического мата осуществляется путем просеивания измельченных металлических волокон на подложку с образованием одного или более слоев. При этом каждый слой покрывается адгезивом или связующим веществом, после чего на него наносится последующий слой и т.д. до получения мата необходимой толщины. Затем мат высушивают, подвергают спеканию и, если это необходимо, прессованию (патент США №3.811.976).

Недостатки способа-прототипа:

- несмотря на возможность получения пористо-волокнистого металлического материала с высокой пористостью, известный способ не обеспечивает высокие эксплуатационные свойства этого материала при рабочей температуре 450-600°С в условиях горячего тракта ГТД;

- данный способ не обеспечивает получения пористого материала из длинных металлических волокон;

- в способе-прототипе при изготовлении пористого металлического материала используется связующее вещество, что не исключает наличия его остатков или продуктов его реакции перед спеканием.

Технической задачей данного изобретения является разработка способа изготовления пористо-волокнистого металлического материала из длинных металлических волокон (от 100 мм), с высокой прочностью и жаростойкостью, работоспособного при температурах 450-600°С в условиях горячего тракта ГТД, с низким удельным весом и большой пористостью (до 95%), обладающего высокой акустической эффективностью; без использования в процессе изготовления такого материала различных связующих веществ, жидкостей и других дополнительных материалов, наличие которых отрицательно сказывается при спекании пористо-волокнистого металлического материала на его свойствах.

Для решения поставленной задачи предложен способ получения пористо-волокнистого металлического материала, включающий предварительное формирование металлического мата из волокнистой массы и дальнейшее его спекание, отличающийся тем, что металлический мат формируют путем иглопробивания волокнистой массы, состоящей из металлических волокон длиной не менее 100 мм, с плотностью пробивания 0,5×10⁴-1×10⁴ м^-2.

В качестве исходного материала могут использоваться длинные металлические волокна с диаметром предпочтительно от 15 до 30 мкм, полученные методом экстракции расплава или деформацией.

Спекание осуществляется в вакууме или защитной атмосфере при температуре 0,75-0,85 от температуры плавления материала, что позволяет получить достаточную прочность в точках контакта волокон.

Спекание проводят в контейнерах с размерами, соответствующими геометрическим параметрам пористо-волокнистого материала, под нагрузкой, с использованием металлических или керамических оправок-ограничителей, обеспечивающих при спекании требуемую высоту пористо-волокнистого материала.

В качестве материала волокон могут быть использованы металлы или сплавы с высокими жаростойкими свойствами, например, на основе железа или никеля.

Предлагаемый способ получения пористо-волокнистых металлических материалов иглопробиванием волокнистой массы с плотностью пробивания 0,5×10⁴-1×10⁴ м^-2 с последующим спеканием металлического мата позволяет получать материалы из длинных металлических волокон с заданной пористостью, обладающие высокой акустической эффективностью применительно, например, к авиационным турбореактивным двигателям, характеризующиеся достаточно равномерным спектром поглощения на частотах выше 1,6 кГц с эффективностью около 6-8 дБ в условиях, близких к существующим в ГТД.

Выбранная длина волокон и значения плотности пробивания волокнистой массы обеспечивают достаточные прочностные и пластические характеристики материала при его большой пористости и высокие звукопоглощающие свойства. При плотности пробивания менее 0,5×10⁴ м^-2 пористость волокнистого материала не увеличивается, а его прочность уменьшается. При иглопробивании с плотностью более 1×10⁴ м^-2 пористость готового пористо-волокнистого металлического материала не превышает 90%, при этом его прочность увеличивается незначительно.

Примеры осуществления

Пример №1

В качестве исходного материала использовали проволоку из сплава марки Х20Н80 (Т_пл=1400°С) длиной 100 мм диаметром 30 мкм.

Формирование волокнистой массы проводили на установке для получения волокнистого слоя с равномерным распределением плотности металлических волокон по объему.

Иглопробивание проводили на установке скрепления волокнистой массы с движущимся игольным столом с пробивными иглами при плотности прокалывания 0,5×10⁴ м^-2.

В результате иглопробивания был получен нетканый мат с пористостью 98%.

Спекание проводили в контейнере с металлическими ограничителями под нагрузкой при вакууме 10^-4 мм рт.ст. и температуре 1150°С в течение 2,5 часов. Высоту ограничителей выбирали исходя из заданных параметров пористого материала.

В результате был получен пористо-волокнистый металлический материал с пористостью 95%.

Пример №2

Металлические волокна из сплава марки Х20Н80 диаметром 15-20 мкм, длиной 150 мм, полученные методом экстракции висящей капли расплава, подвергали войлокованию на установке формирования волокнистой массы. Полученную массу пробивали иглами с плотностью прокалывания 1×10⁴ м^-2. Полученный нетканый мат с пористостью 96% спекали в контейнере под нагрузкой с металлическими ограничителями при вакууме 10^-4 мм рт.ст. и температуре 1100°С в течение 2,5 часов.

В результате был получен пористо-волокнистый металлический материал с пористостью 85%.

Пример №3

Металлические волокна из сплава марки 12Х18Н9Т (Т_пл=1450°С) диаметром 15 мкм, длиной 300 мм после войлокования пробивали иглами с плотностью прокалывания 0,8×10^-4 м^-2. Полученный нетканый мат с пористостью 97% спекали в контейнере под нагрузкой с металлическими ограничителями при вакууме 10^-4 мм рт.ст. и температуре 1200°С в течение 3 часов.

В результате был получен пористо-волокнистый металлический материал с пористостью 85%.

Пример №4

По известному способу (прототипу) был изготовлен пористо-волокнистый металлический материал из волокон сплава марки Х20Н80 диаметром 50 мкм, длиной 5-10 мм, представляющий собой волокнистый мат с пористостью 85%.

Сравнительные результаты исследований образцов материалов, изготовленных по предлагаемому способу и прототипу, представлены в таблице 1, где примеры 1-3 - предлагаемый способ, пример 4 - прототип.

Из таблицы видно, что материалы, изготовленные по предлагаемому способу, имеют пористость до 95%, большие значения коэффициента звукопоглощения, жаростойки и значительно превосходят материал, изготовленный по способу-прототипу, по прочности.

Кроме того, использование в предлагаемом способе длинных металлических волокон при изготовлении пористого материала для высокотемпературных ЗПК авиадвигателя позволяет уменьшить постепенное разрушение пористо-волокнистых металлических материалов под действием звука высокой интенсивности.

Полученный материал может подвергаться механической обработке и калибровке на прессе под необходимые размеры при сохранении равномерной структуры.

Таким образом, применение предлагаемого способа позволяет получать пористо-волокнистые металлические материалы из длинных волокон с большой прочностью и жаростойкостью, с низким удельным весом, пористостью до 95%, обладающие высокой акустической эффективностью, работоспособные при температуре 450-600°С.

Предлагаемый способ является более экономичным, позволяет исключить процесс прессования и использование различных связующих веществ.

Звукопоглощающие конструкции, выполненные из полученных пористо-волокнистых материалов, обладают высокими эксплуатационными характеристиками, необходимыми для изделий нового поколения.

Таблица 1
№ примера	Материал волокон	Пористость, %	Жаростойкость (при температуре 600°С, выдержке 100 часов), %	Коэффициент звукопоглощения, α	σВ, кг/см	Акустическая эффективность, дБ
1	Х20Н80	95	1,89	1	150	6-8
2	Х20Н80	85	1,52	0,9	280	6-8
3	12Х18Н9Т	85	2,00	0,9	300	6-8
4	Х20Н80	85	2,01	0,7	50	разрушился при испытании

1. Способ получения пористо-волокнистого металлического материала, включающий предварительное формирование металлического мата из волокнистой массы и дальнейшее его спекание, отличающийся тем, что металлический мат формируют из волокнистой массы, состоящей из металлических волокон длиной не менее 100 мм, путем иглопробивания с плотностью пробивания 0,5×10⁴-1×10⁴ м^-2.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что диаметр металлических волокон составляет 15-30 мкм.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что металлические волокна выполняют из жаростойких металлов или сплавов.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что спекание металлического мата требуемой высоты проводят в вакууме или в защитной атмосфере при температуре 0,75-0,85 температуры плавления материала в контейнере с ограничителями.