Способ получения композиционных титанографитовых изделий с внутренней полостью из порошков

Изобретение относится к технологии получения изделий из порошков с помощью энергии взрывчатых веществ. Может использоваться в химической промышленности при изготовлении электродов электролизеров и т.п. В цилиндрической ампуле соосно размещают трубчатый полостеобразующий элемент из хрупкого материала, дробящегося в процессе прессования, заполненный жидким удаляемым наполнителем. Промежуток между стенкой ампулы и полостеобразующим элементом заполняют прессуемым порошком. Между ампулой и зарядом взрывчатого вещества (ВВ) размещают демпфирующую прослойку - песок. Инициируют заряд ВВ со скоростью детонации 2000-3520 м/с, расположенный снаружи прослойки, и осуществляют взрывное прессование. Отношение удельной массы заряда ВВ к сумме удельных масс песчаной прослойки, стенки ампулы и слоя прессуемого порошка составляет 0,33-0,44. Полученные титанографитовые изделия обладают высокой и равномерной плотностью по объему, составляющей 95-98%. 3 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к технологии получения изделий из порошков с помощью энергии взрывчатых веществ (ВВ) и может быть использовано в химической промышленности при изготовлении электродов электролизеров и т.п.

Известен способ взрывного прессования порошковых изделий, при котором порошки металлов, а также композитных смесей, в том числе никеля с графитом, размещают в металлических ампулах диаметром от 10 до 100 мм с толщиной стенок от 0,5 до 5 мм, вокруг ампулы располагают заряд ВВ со скоростью детонации от 2000 до 5000 м/с. При инициировании заряда ВВ возникает ударный фронт прессования, стенки ампулы деформируются в направлении к центру и находящийся внутри ампулы порошок прессуется. При повышенных режимах прессования в центре ампулы может образоваться струя из прессуемого материала, которая может вылететь из ампулы с образованием при этом осевого канала (Взрывное обжатие порошка в цилиндрической ампуле. П.О.Пашков, В.Д.Рогозин. Сб. «Металловедение и прочность материалов», Волгоград, 1970, с.203-213).

Недостатком данного способа является неравномерность плотности спрессованного материала по сечению ампулы, невозможность получения внутреннего осевого канала в центральной части прессовки с строго заданными размерами; получаемая поверхность внутреннего канала шероховатая и имеет нарушения осевой симметрии; при удалении механической обработкой стенки ампулы происходит растрескивание хрупких порошковых материалов, в том числе содержащих графит, что весьма ограничивает применение данного способа для получения металлографитовых изделий.

Наиболее близким по техническому уровню и достигаемому результату является способ получения сверхпроводящих изделий с внутренней полостью, включающий соосное размещение в цилиндрической ампуле трубчатого полостеобразующего элемента, заполненного жидким удаляемым наполнителем, заполнение прессуемым порошком промежутка между стенкой ампулы и полостеобразующим элементом, размещение демпфирующей прослойки между ампулой и зарядом взрывчатого вещества, инициирование заряда ВВ, расположенного снаружи прослойки, и взрывное прессование. При реализации данного способа используют ВВ со скоростью детонации 1580-3800 м/с, а процесс ведут при отношении удельной массы ВВ к сумме удельных масс обрабатываемых взрывом слоев, содержащих слой прессуемого порошка сверхпроводящего материала, равном 0,51-0,81 (Патент РФ №1827089, м. кл. В23K 20/08, опубл. 20.02.96 в БИ №5-96).

Данный способ имеет невысокий технический уровень, что связано с использованием в его технологической схеме металлического полостеобразующего элемента, который остается в полученном изделии, и извлечь его, в случае необходимости, без растрескивания спрессованного порошкового слоя невозможно. Кроме того, использование в качестве демпфирующей прослойки тонкодисперсного керамического порошка-глинозема приводит к значительным энергозатратам на его отделение от полученного изделия, поскольку этот порошок в рассматриваемых условиях легко прессуется и в спрессованном состоянии обрабатывается с трудом. Все это ограничивает возможные технологические области применения данного способа.

В связи с этим важнейшей задачей является разработка нового способа получения высокоплотных, не склонных к растрескиванию композиционных титанографитовых изделий с внутренней полостью из порошков по новой технологической схеме формирования импульсов давления внутри ампулы с прессуемым порошком, с обеспечением плотности изделий, близкой к предельной и равномерной по всему объему изделия, с заданными размерами внутренней полости, с гладкой поверхностью внутреннего канала.

Техническим результатом заявленного способа является создание новой технологии, обеспечивающей с помощью энергии взрывчатых веществ получение титанографитовых изделий из порошков, не склонных к хрупкому разрушению, с симметричным расположением внутреннего осевого канала с заданными размерами, без нарушения осевой симметрии, с высокой и равномерной плотностью спрессованного материала по объему изделия.

Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе получения титанографитовых порошковых изделий с внутренней полостью, включающем соосное размещение в цилиндрической ампуле трубчатого полостеобразующего элемента, заполненного жидким удаляемым наполнителем, заполнение прессуемым порошком промежутка между стенкой ампулы и полостеобразующим элементом, размещение демпфирующей прослойки между ампулой и зарядом взрывчатого вещества (ВВ), инициирование заряда ВВ, расположенного снаружи прослойки, и взрывное прессование, трубчатый полостеобразующий элемент выполняют из хрупкого материала, дробящегося в процессе прессования, в качестве демпфирующей прослойки используют песок, а заряда ВВ - заряд ВВ со скоростью детонации 2000-3520 м/с, при этом обеспечивают отношение удельной массы заряда ВВ к сумме удельных масс песчаной прослойки, стенки ампулы и слоя прессуемого порошка, равное 0,33-0,44, а после взрывного прессования материал полостеобразующего элемента удаляют. При реализации способа используют стальную ампулу, трубчатый полостеобразующий элемент выполняют из стекла, а в качестве жидкого наполнителя полостеобразующего элемента используют воду.

Новый способ получения титанографитовых изделий с внутренней полостью из порошков имеет существенные отличия по сравнению с прототипом как по строению схемы взрывного прессования, так и по совокупности технологических режимов при его осуществлении. Так, предложено внутри стальной ампулы располагать соосно трубчатый полостеобразующий элемент из хрупкого материала-стекла, заполнять его внутренний объем жидким удаляемым наполнителем, что приводит к выравниванию плотности прессуемого порошка по объему изделия, формирует осевой канал, симметричный продольной оси ампулы. Предложено выполнять полостеобразующий элемент из хрупкого материала-стекла, что способствует легкому отделению материала полостеобразующего элемента от поверхности спрессованного взрывом изделия, препятствует возникновению локальных нарушений симметрии осевого канала. В качестве жидкого наполнителя для заполнения полостеобразующего элемента предложено использовать воду, что способствует самопроизвольному удалению наполнителя из полостеобразующего элемента при разгрузке сжатой системы после прохождения фронта ударной волны, защищает полостеобразующий элемент от преждевременного разрушения и неконтролируемых деформаций при взрывном прессовании. Предложено промежуток между полостеобразующим элементом и стенкой ампулы заполнять прессуемым порошком, располагать между зарядом взрывчатого вещества и ампулой песчаную прослойку, использовать заряд взрывчатого вещества со скоростью детонации 2000-3520 м/с, а процесс взрывного прессования вести при отношении удельной массы заряда взрывчатого вещества к сумме удельных масс песчаной прослойки, стенки ампулы и слоя прессуемого порошка, равном 0,33-0.44, с последующим удалением раздробленного материала полостеобразующего элемента, что обеспечивает необходимый для уплотнения порошковой композиции уровень давления, способствует получению плотности порошкового материала, близкой к предельной во всем объеме изделия, обеспечивает получение внутреннего канала в изделии без нарушений осевой симметрии. При скорости детонации заряда ВВ и отношении удельной массы ВВ к сумме удельных масс песчаной прослойки, стенки ампулы и слоя прессуемого порошка ниже нижнего предела не возникает необходимого уровня давления в прессуемом материале, плотность получаемых изделий оказывается недостаточной и неравномерной по объему. При скорости детонации заряда ВВ и отношении удельной массы ВВ к сумме удельных масс песчаной прослойки, стенки ампулы и слоя прессуемого порошка выше верхнего предела может происходить разрушение спрессованных изделий при их извлечении из ампулы, наблюдаются нарушения осевой симметрии внутреннего канала.

На чертеже изображена схема получения титанографитовых изделий с внутренней полостью из порошков.

Предлагаемый способ получения титанографитовых изделий с внутренней полостью из порошков осуществляется в следующей последовательности. Берут ампулу 1 в виде трубы, например, из стали и соединяют ее с направляющим конусом 2, например, из стали. Берут трубчатый полостеобразующий элемент из хрупкого материала-стекла 3, закупоривают его с одного из концов герметиком 4, заполняют внутреннюю полость жидким наполнителем 5, в качестве которого используют воду, герметизируют полость герметиком 6 и полученную сборку №1 устанавливают соосно внутри ампулы. Заполняют промежуток между полостеобразующим элементом и ампулой прессуемым порошком 7, состоящим из смеси порошков титана и графита, и вставляют заглушку 8. Ставят полученную сборку №2 на грунт 9, располагают соосно вокруг сборки №2 контейнер 10 с зарядом ВВ 11 со скоростью детонации 2000-3520 м/с, заполняют пространство между контейнером 10 с зарядом ВВ и сборкой №2 песком 12, устанавливают прокладку 13, например, из электрокартона, засыпают вспомогательный заряд ВВ 14 с большей скоростью детонации, чем у заряда 11 и осуществляют инициирование взрыва в заряде ВВ 11 с помощью электродетонатора 15 и вспомогательного заряда ВВ 14, служащего для предотвращения отказов в инициировании детонации в заряде 11. При осуществлении способа отношение удельной массы заряда взрывчатого вещества к сумме удельных масс песчаной прослойки, стенки ампулы и слоя прессуемого порошка выбирают равным 0,33-0.44. После взрывного воздействия удаление жидкого наполнителя из полостеобразующего элемента происходит самопроизвольно под действием ударных волн разгрузки. Раздробленный в процессе взрывного прессования хрупкий материал полостеобразующего элемента удаляют, например, с помощью электровибратора, а ампулу отделяют от спрессованного титанографитового изделия в виде трубы механической обработкой, после чего готовое титанографитовое изделие с внутренней полостью может быть использовано для промышленных целей, при этом при отделении оболочки ампулы от спрессованного изделия не происходит растрескивания материала изделия, плотность изделий равномерная по объему и составляет 95-98% от теоретической, изделия не склонны к растрескиванию при использовании их в качестве электродов электролизеров.

Пример 1 (см. также таблицу).

Ампулу в виде трубы изготавливали из стали Ст3. Длина ампулы 200 мм, наружный диаметр D_н=44 мм, толщина стенки ампулы Т_а=0,2 см. Плотность материала ампулы П_а=7,8 г/см³, удельная масса стенки ампулы М_а=Т_а·П_а=0,2·7,8=1,56 г/см². Направляющий конус выполняли из стали Ст3 с углом при вершине, равным 90°. Трубчатый полостеобразующий элемент изготавливали длиной 200 мм. Его наружный диаметр - 10 мм, внутренний - 8 мм. Заполняли полостеобразующий элемент жидким наполнителем, в качестве которого использовали воду. Герметизацию элемента с обоих концов осуществляли герметиком. Полученную сборку №1 располагали соосно внутри ампулы, заполняли промежуток между полостеобразующим элементом и стенкой ампулы прессуемым порошком, в качестве которого использовали смесь порошков титана ВТ1-1 и серебристого графита с содержанием титана 60% весовых, толщина порошковой смеси Т_п=1,5 см, ее плотность П_п=2,17 г/см³, удельная масса слоя прессуемого порошка М_п=Т_п·П_п=1,5·2,17=3,255 г/см². Запрессовывали в хвостовую часть ампулы с прессуемым порошком заглушку из стали Ст3 толщиной 5 мм. Вокруг получений сборки №2 располагали соосно контейнер с зарядом ВВ. В качестве материала для изготовления контейнера использовали электрокартон. Толщина заряда ВВ Т_вв=3 см, его плотность П_вв=0,95 г/см³, удельная масса М_вв=3·0,95=2,85 г/см². В качестве ВВ использовали смесь аммонита 6ЖВ с аммиачной селитрой в соотношении 1:2, скорость детонации заряда ВВ D_вв=2000 м/с. Заполняли пространство между контейнером с ВВ и сборкой №2 речным песком. Толщина слоя песка Т_пр=1 см, плотность песка П_пр=1,6 г/см³, удельная масса М_пр=Т_пр·П_пр=1,6 г/см². Устанавливали в верхней части заряда ВВ прокладку из электрокартона, засыпали вспомогательный заряд ВВ толщиной 15 мм, в качестве которого использовали аммонит 6ЖВ. В центре вспомогательного заряда устанавливали электродетонатор. При выбранных параметрах схемы взрывного прессования отношение удельной массы заряда взрывчатого вещества к сумме ∑М удельных масс песчаной прослойки, стенки ампулы и слоя прессуемого порошка равно: М_вв:∑М=М_вв:(М_пр+М_а+М_п)=2,85:(1,6+1,56+3,255)=0,44.

При инициировании заряда ВВ возникает ударный фронт детонации и происходит взрывное прессование изделия. После взрывного воздействия наполнитель из полости удаляется самопроизвольно. При взрывном воздействии происходит дробление материала полостеобразующего элемента, но он сохраняется в виде слоя из слабо связанных между собой тонкодисперсных частиц стекла. Специальным вибрационным инструментом этот слой легко удаляют с внутренней поверхности титанографитового изделия. Сдеформированную ампулу отделяют от поверхности изделия механической обработкой, при этом при отделении оболочки ампулы от спрессованного изделия не происходит растрескивания материала изделия. После этого готовое титанографитовое изделие с внутренней полостью может быть использовано для промышленных целей, при этом плотность изделий равномерная по объему и составляет 95-96% от теоретической, внутренняя поверхность изделия гладкая, его внутренний диаметр соответствует наружному диаметру полостеобразующего элемента до прессования, изделия не склонны к растрескиванию при использовании их в качестве электродов электролизеров.

Пример 2 (см. также таблицу).

То же, что в примере 1, но внесены следующие изменения. Наружный диаметр ампулы D_н=57 мм, толщина стенки Т_а=0,25 см, удельная масса стенки ампулы М_а=Т_а·П_а=0,25·7,8=1,95 г/см². Трубчатый полостеобразующий элемент изготавливали с наружным диаметром - 12 мм, внутренним - 10 мм. В качестве прессуемого порошка использовали смесь порошков титана ВТ1-1 и серебристого графита с содержанием титана 70% весовых, толщина порошковой смеси Т_п=2,0 см, ее плотность П_п=2,45 г/см³, удельная масса слоя прессуемого порошка М_п=Т_п·П_п=2,0·2,45=4,9 г/см².

Толщина заряда ВВ Т_вв=4 см, его плотность П_вв=0,9 г/см³, удельная масса М_вв=4·0,9=3,6 г/см². В качестве ВВ использовали смесь аммонита 6ЖВ с аммиачной селитрой в соотношении 1:1, скорость детонации заряда ВВ D_вв=2770 м/с.

Толщина песчаной прослойки Т_пр=1,5 см, ее удельная масса М_пр=Т_пр·П_пр=1,5·1,6=2,4 г/см². Соотношение удельных масс М_вв:∑М=М_вв:(М_пр+М_а+М_п)=3,6:(2,54+1,95+4,9)=0,39.

Результаты испытаний полученного изделия те же, что в примере 1, но плотность материала изделия составляет 95-97% от теоретического значения.

Пример 3 (см. также таблицу).

То же, что в примере 1, но внесены следующие изменения. Наружный диаметр ампулы D_н=68 мм, длина - 250 мм, толщина стенки Т_а=0,3 см, удельная масса стенки ампулы М_а=Т_а·П_а=0,3·7,8=2,34 г/см². Трубчатый полостеобразующий элемент изготавливали с наружным диаметром - 12 мм, внутренним - 10 мм, длиной 250 мм. В качестве прессуемого порошка использовали смесь порошков титана ВТ 1-1 и серебристого графита с содержанием титана 90% весовых, толщина порошковой смеси Т_п=2,5 см, ее плотность П_п=2,8 г/см³, удельная масса слоя прессуемого порошка М_п=Т_п·П_п=2,5·2,8=7 г/см².

Толщина заряда ВВ Т_вв=5 см, его плотность П_вв=0,82 г/см³, удельная масса М_вв=5·0,82=4,1 г/см². В качестве ВВ использовали смесь аммонита 6ЖВ с аммиачной селитрой в соотношении 3:1, скорость детонации заряда ВВ D_вв=3520 м/с.

Таблица
Номер при мера	Способ получения материала	Параметры ампулы	Параметры полостеобразующего элемента и наполнителя	Параметры демпфирующей песчаной прослойки	Параметры прессуемого порошка	Параметры взрывчатого вещества	Соотношение удельных масс Мвв:∑М	Результаты испытаний полученных изделий
1	Предлагаемый способ	Материал - сталь Ст3, длина 200 мм, Dн=44 мм, Та=0,2 см, Па=7,8 г/см3, Ма=1,56 г/см2	Материал - стекло, длина 200 мм, наружный диаметр - 10 мм, внутренний - 8 мм, наполнитель - вода	Материал - речной песок, Тпр=1 см, Ппр=1,6 г/см3,Мпр=1,6 г/см2	Смесь порошков титана ВТ1-1 и серебристого графита с 60% вес. титана. Тп=1,5 см, Пп=2,17 г/см3, Мп=3,255 г/см2	Смесь аммонита 6ЖВ с селитрой 1:2, Твв=3 см, Пвв=0,95 г/см3, Dвв=2000 м/с, Мвв=2,85 г/см2	0,44	Плотность изделий равномерная по объему и составляет 95-96% от теоретической, внутренняя поверхность изделия гладкая, его внутренний диаметр соответствует наружному диаметру полостеобразующего элемента до прессования, изделия не склонны к растрескиванию при использовании их в качестве электродов электролизеров.
2	Предлагаемый способ	Материал - сталь Ст3, длина 200 мм, Dн=57 мм, Ta=0,25 см, Па=7,8 г/см3, Ма=1,95 г/см2	Материал - стекло, длина 200 мм, наружный диаметр - 12 мм, внутренний - 10 мм, наполнитель - вода	Материал - речной песок, Тпр=1,5 см, Ппр=1,6 г/см3,Мпр=2,4 г/см2	Смесь порошков титана ВТ1-1 и серебристого графита с 70% вес. титана. Тп=2,0 см, Пп=2,45 г/см3, Мп=4,9 г/см2	Смесь аммонита 6ЖВ с селитрой 1:1,Твв=4 см, Пвв=0,9 г/см3, Dвв=2770 м/с, Мвв=3,6 г/см2	0,39	Результаты испытаний полученного изделия те же, что в примере 1, но плотность материала изделия составляет 95-97% от теоретического значения.

Продолжение таблицы
Номер при мера	Способ получения материала	Параметры ампулы	Параметры полостеобразующего элемента и наполнителя	Параметры демпфирующей песчаной прослойки	Параметры прессуемого порошка	Параметры взрывчатого вещества	Соотношение удельных масс Мвв:∑М	Результаты испытаний полученных изделий
3	Предлагаемый способ	Материал - сталь Ст3, длина 250 мм, Dн=68 мм, Та=0,3 см, Па=7,8 г/см3, Ма=2,34 г/см2	Материал - стекло, длина 250 мм, наружный диаметр - 12 мм, внутренний - 10 мм, наполнитель - вода	Материал - речной песок, Тпр=2 см, Ппр=1,6 г/см3,Мпр=3,2 г/см2	Смесь порошков титана ВТ1-1 и серебристого графита с 90% вес. титана. Тп=2,5 см, Пп=2,8 г/см3, Мп=7,0 г/см2	Смесь аммонита 6ЖВ с селитрой 3:1, Твв=5 см, Пвв=0,82 г/см3, Dвв=3520 м/с, Мвв=4,1 г/см2	0,33	Результаты испытаний полученного изделия те же, что в примере 1, но плотность материала изделия составляет 96-98% от теоретического значения.
4	Прототип	Функции ампулы выполняет трубчатая облицовка из латуни Л80. Наружный диаметр - 16 мм, внутренний - 12,8 мм, длина - 250 мм, удельная масса 1,4 г/см2	Материал - медь M1, наружный диаметр - 6 мм, внутренний - 4 мм. Длина - 250 мм	Материал прослойки - глинозем с средним размером частиц 3-7 мкм, удельная масса - 0,44 г/см2	Порошок сверхпроводящего материала состава:YBa2Cu3O7-x с насыпной плотностью 3 г/см3, толщина слоя 3,4 мм, удельная масса - 1,02 г/см2	Смесь аммонита 6ЖВ с селитрой 1:1, Dвв=2660 м/с, Мвв=3,5 г/см2	Используется иное соотношение удельных масс	Способ непригоден для получения пустотелых порошковых изделий без металлических облицовочных слоев. При необходимости удаления металлического полостеобразующего элемента из полученного изделия возможно растрескивание спрессованного порошкового слоя.

1. Способ получения композиционных титанографитовых порошковых изделий с внутренней полостью, включающий соосное размещение в цилиндрической ампуле трубчатого полостеобразующего элемента, заполненного жидким удаляемым наполнителем, заполнение прессуемым порошком промежутка между стенкой ампулы и полостеобразующим элементом, размещение демпфирующей прослойки между ампулой и зарядом взрывчатого вещества (ВВ), инициирование заряда ВВ, расположенного снаружи прослойки, и взрывное прессование, отличающийся тем, что трубчатый полостеобразующий элемент выполняют из хрупкого материала, дробящегося в процессе прессования, в качестве демпфирующей прослойки используют песок, а заряда ВВ - заряд ВВ со скоростью детонации 2000-3520 м/с, при этом обеспечивают отношение удельной массы заряда ВВ к сумме удельных масс песчаной прослойки, стенки ампулы и слоя прессуемого порошка, равное 0,33-0,44, а после взрывного прессования материал полостеобразующего элемента удаляют.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что трубчатый полостеобразующий элемент выполняют из стекла.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве жидкого наполнителя полостеобразующего элемента используют воду.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют стальную ампулу.