Способ получения агломерированных дисперсных частиц системы "металл-неметалл" износостойкого класса

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению наноструктурированных композиционных материалов с металлической матрицей, армированной наноразмерным оксидным наполнителем. Может применяться в качестве порошка для нанесения функционально-градиентных покрытий. Смесь порошка матричного металла дисперсностью 20-60 мкм и дисперсного оксидного порошка с размером частиц 3-100 нм подвергают сверхскоростному механосинтезу при ускорении частиц 450g±20g для получения агломерированных дисперсных частиц. Получены частицы со степенью армирования более 80% и высокими механическими характеристиками.

 

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способам получения наноматериалов с металлической матрицей, армированной оксидными наполнителями, применяемых для создания беспористых функционально-градиентных покрытий.

Получение эффективных функциональных покрытий с использованием только наноразмерного материала невозможно из-за образования агломератов. Для получения покрытий с высокими эксплуатационными свойствами перспективным вариантом является создание композиционных порошков, содержащих металлическую матрицу микронных размеров (20-60 мкм) и наноразмерный упрочнитель (3-100 нм), который поверхностно армирует матричный материал. Предложен способ получения таких композиционных порошков с использованием сверхскоростного механосинтеза, реализуемого в высокоскоростных дезинтеграторных установках, позволяющих обеспечивать ускорение частиц до 450g. Только при таких условиях реализуется сложный механизм получения композиционного дисперсного материала, который, в свою очередь, обеспечивает создание беспористой структуры и тем самым высокой износостойкости покрытий, полученных методом холодного газодинамического или микроплазменного напыления.

Известен способ получения композиционных порошковых материалов, содержащих частицы хрома в матрице из железа, включающий механическое смешивание порошков железа и хрома и создание на основе полученной смеси износостойкого газотермического покрытия (патент РФ №2262554).

Недостатком такого способа является то, что при прямом смешивании исходных компонентов частицы имеют склонность к расслаиваню агломератов в процессе последующих операций. Это приводит к неоднородности структуры, а следовательно, низкой когезионной и адгезионной стойкости покрытия. Кроме того, износостойкость такого покрытия не превышает 4 мг/ч, что недостаточно для конкретных конкурентноспособных изделий.

За прототип выбран способ получения композиционного материала с металлической матрицей из алюминиевого сплава, армированного корундом в качестве керамического упрочнителя. Способ включает механическое легирование порошков корунда и алюминиевого сплава в планетарных мельницах в течение 30 часов (патент РФ №2246379).

Недостатком такого способа является то, что принципиально невозможно использовать наноразмерные порошки размером 3-100 нм, которые в конечном счете обеспечивают существенное повышение износостойкости покрытия. Степень армирования не превышает 20%. В указанных материалах невозможно получать покрытия с пористостью менее 5%. Это существенно снижает износостойкость получаемых покрытий. Кроме того, процесс измельчения составляет 30 часов в планетарной, шаровой мельнице, при этом существенно удорожает процесс получения дисперсного материала и не удается получить композиционный порошок с наноразмерным упрочнителем.

Техническим результатом изобретения является разработка способа получения наноструктурированного композиционного материала с металлической матрицей, армированной оксидным наноразмерным упрочнителем методом сверхскоростного механосинтеза, что обеспечивает получение агломерированных дисперсных частиц системы «металл-неметалл» со степенью армирования более 80%, улучшенными механическим характеристиками и предназначенных для создания функционально-градиентного покрытия с пористостью менее 5% и повышенными эксплуатационными свойствами.

Сущностью изобретения является то, что упрочнитель берется в виде наноразмерного порошка дисперсностью 3-100 нм и подвергается сверхскоростному механосинтезу путем совместной обработки в универсальных дезинтеграторно-активаторных установках при ускорении частиц до 450g±20g с матричным металлом в виде порошка дисперсностью 20-60 мкм.

Сверхскоростной механосинтез предварительно полученной смеси проводят в универсальных дезинтеграторно-активаторных установках при энергонапряженности 0,01 кВт/л в течение 5 мин. Особенностью процесса является использование двух автономно работающих дозаторов, в одном из которых находится матричный металл в виде порошка указанной фракции, а во втором - наноразмерный упрочнитель. Характеристикой энергонапряженности процесса сверхскоростного механосинтеза служит затрачиваемая мощность, отнесенная к единице объема используемого устройства. В процессе сверхскоростного механосинтеза происходит армирование наноразмерными частицами упрочнителя металлической матрицы, исчезает неравномерный характер структуры, происходит образование плотных, хорошо сформированных частиц композиционного материала. В ходе исследований было установлено, что с увеличением числа обработок до 3 крат наблюдается повышение прочностных и пластических характеристик покрытия, полученного из образовавшихся порошковых гранул. Процесс сверхскоростного механосинтеза является мгновенным (0,1-1 с) процессом.

Проведенные эксперименты показывают, что происходит поверхностное армирование матричного металла. Гранулометрический состав полученных наноструктурированных композиционных порошковых материалов составляет 20-60 мкм, доля армирования составляет 70-90%. При использовании порошков, в которых содержатся частицы размером выше или ниже указанного предела, происходит ряд негативных явлений в функциональных покрытиях, полученных на их основе. Крупные частицы (более 60 мкм) засоряют сопло напыляющих установок, что приводит к нарушению процесса напыления и вынужденному ремонту установки. Мелкие частицы (менее 20 мкм) склонны в гетерофазном потоке к образованию конгломератов, что создает в покрытиях капельную фазу, которая является центром образования трещин. Экспериментально установлено, что армирование наноразмерным порошком (дисперсностью 3-100 нм) металлической матрицы (дисперсностью 20-60 мкм) обеспечивает получение покрытий с минимальной пористостью менее 0,5%. Использование оксидных порошков более 100 нм увеличивает пористость до 5%, а порошки более 1 мкм, как указано выше, повышают пористость более 5%. Следует особо отметить, что известные ранее модификации дезинтеграторных установок (Дези-15, Дези-1А34) со скоростями вращения роторов до 12000 об/мин и ускорением частиц 250g±20g не давали возможность провести эффективное армирование композиционного порошка. Только новая конструкция дезинтегратора (Дези-18), обеспечивающая ускорение частиц до 450g±20g, позволила реализовать механизм армирования наночастицами металлической матрицы.

Сопоставительный анализ предлагаемого решения с прототипом показал, что предлагаемый способ получения наноструктурированного композиционного порошкового материала отличается от прототипа тем, что:

- в качестве упрочнителя используется наноразмерный порошок (нанокорунд) размером 3-100 нм;

- получение поверхностноармированного композиционного порошка достигается при соударении частиц с ускорениями 450g;

- в качестве матричного материала используется металлический порошок размером 20-60 мкм.

Пример 1

Взяли 1000 г порошковой смеси, содержащей 900 г нанокорунда и 100 г порошка алюминия фракцией 20 мкм, подвергли ее сверхскоростному механосинтезу при двухкратном режиме обработки в течение 10 мин в воздушной среде. Полученный в результате обработки наноструктурированный композиционный порошок размером 20 мкм содержал в себе 80% корунда. Покрытие, полученное методом холодного газодинамического напыления, имело твердость 400 HV и износостойкость 2,5 мг/ч.

Пример 2

Взяли 1000 г порошковой смеси, содержащей 900 г нанокорунда и 100 г порошка алюминия фракцией 40 мкм, подвергли ее сверхскоростному механосинтезу при трехкратном режиме обработки в течение 15 мин в воздушной среде, в результате обработки наноструктурированный композиционный порошок размером 40 мкм содержал в себе 87% корунда. Покрытие, полученное методом холодного газодинамического напыления, имело твердость 500 HV и износостойкость 1,5 мг/ч.

Пример 3

Взяли 1000 г порошковой смеси, содержащей 900 г нанокорунда и 100 г порошка алюминия фракцией 60 мкм, подвергли ее сверхскоростному механосинтезу при трехкратном режиме обработки в течение 15 мин в воздушной среде, в результате обработки наноструктурированный композиционный порошок размером 40 мкм содержал в себе 95% корунда. Покрытие, полученное методом холодного газодинамического напыления, имело твердость 550 HV и износостойкость 1,1 мг/ч.

Технико-экономические преимущества предлагаемого способа получения агломерированных частиц системы «металл-неметалл» износостойкого класса по сравнению с прототипом выражаются в том, что механические свойства получаемого материала превосходят прототип в 3 и более раз, пористость покрытий менее 5%, процесс получения является более энергетически выгодным.

Способ получения агломерированных частиц системы «металл-неметалл» износостойкого класса, содержащих металлическую матрицу и оксидный упрочнитель, включающий приготовление смеси порошка матричного металла с оксидным упрочнителем и сверхскоростной механосинтез, отличающийся тем, что оксидный упрочнитель берут в виде наноразмерного дисперсного порошка с дисперсностью 3-100 нм, а матричный металл в виде порошка дисперсностью 20-60 мкм и подвергают совместной обработке с помощью сверхскоростного механосинтеза при ускорении обрабатываемых частиц до 450g±20g.