Способ получения микрослитков из расплава методом центробежного распыления

Авторы патента:

Ковалёв Геннадий Дмитриевич (RU)

Авдюхин Сергей Павлович (RU)

Старовойтенко Евгений Иванович (RU)

Задерей Александр Геннадьевич (RU)

B22F9/10 - с применением центробежной силы

Владельцы патента RU 2536122:

Открытое акционерное общество "Всероссийский институт легких сплавов" (ОАО "ВИЛС") (RU)

Изобретение относится к металлургии, к области производства слитков, предназначенных для последующей переработки методом горячего изостатического прессования (ГИП). Способ получения микрослитков из расплава методом центробежного распыления включает плавление литой заготовки плазменной струей, формируемой из плазмообразующего газа, подаваемой на торец быстровращающейся заготовки с образованием частиц расплава, затвердевающих при полете в атмосфере холодного плазмообразуюшего газа в микрослитки. При плавлении литой заготовки в плазменную струю вводят водород, обеспечивают его ионизацию и взаимодействие ионов водорода с окислами на поверхности расплава и микрослитков, и кислородом плазмообразующего газа, с выводом образовавшейся в результате взаимодействия влаги из холодного плазмообразующего газа методом вымораживания. При этом водород вводят в плазменную струю в количестве, обеспечивающем поддержание остаточной концентрации водорода в холодном плазмообразующем газе на уровне, не превышающем 10 ppm. Обеспечивается повышение качества получаемых микрослитков за счет снижения в них содержания кислорода, повышаются механические свойства компактного материала изделий. 1 табл.

Предполагаемое изобретение относится к металлургии, к области производства слитков, предназначенных для последующей переработки методом горячего изостатического прессования (ГИП).

Известен способ получения слитков методом плазменной плавки жаропрочных материалов с разливкой расплава в водоохлаждаемые изложницы.

Недостатком такого способа является наличие значительной химической неоднородности в слитках, полученных данным способом. Этот недостаток препятствует достижению высоких технологических свойств конечного продукта при последующей переработке. (Суперсплавы II: жаропрочные материалы для аэрокосмических и промышленных установок; под ред. Симса Ч.Т., Столоффа К.С, Хагеля У.К., пер. с англ. в 2-х книгах. Кн. 2, под ред. Шалина Р.Е.-М.: Металлургия, 1995, с.149-151).

Известен также способ получения микрослитков методом центробежного распыления, включающий плазменную плавку исходного материала, получение расплава, дозированную подачу его на быстровращающийся диск с распылением расплава на капли, последующим их охлаждением и затвердеванием в среде газа с образованием микрослитков (гранул). («Разработка установки для получения гранул центробежным распылением расплава» авт. Каринский В.Н. и др. Сб. статей «Металлургия гранул», под ред. А.Ф. Белова, вып.2, Москва, 1984 г., с.277-282).

Метод позволяет получать достаточную внутреннюю химическую однородность в микрослитках, однако на их поверхности образуется окисная пленка, не позволяющая при горячем изостатическом прессовании обеспечить полную консолидацию микрослитков в компактную заготовку (изделие).

Другим известным способом получения микрослитков является метод быстровращающейся цилиндрической заготовки, торец которой оплавляют плазменной струей. («Установка для получения порошков методом центробежного распыления вращающейся заготовки», авт. Кононов И.А. и др. в сб. «Металлургия гранул, под ред. Белова А.Ф., вып.2, Москва, 1984 г., с.242-250).

Данный способ производства микрослитков, принятый за прототип, имеет аналогичные недостатки, поскольку газ, используемый в процессе производства гранул в качестве плазмообразующей и охлаждающей среды (атмосферы), загрязняется водяными парами, кислородом воздуха и другими вредными примесями. Загрязнения газа могут быть обусловлены различными причинами. Наиболее характерными оказываются нарушения плотности в рубашках охлаждения технологической установки вследствие образования трещин, потери герметичности уплотнений, дефектов сварных швов и других причин. В конечном итоге микрослитки могут получаться окисленными.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение качества получаемой продукции - микрослитков, за счет предотвращения их окисления от контакта с окислительными компонентами в плазмообразующем газе (кислорода и влаги).

Поставленная задача решается способом, который включает плавление литой заготовки плазменной струей, формируемой из плазмообразующего газа, подаваемой на торец быстровращающейся заготовки с образованием частиц расплава, затвердевающих затем в микрослитки при полете в атмосфере холодного плазмообразующего газа, при этом в плазменную струю вводят водород, обеспечивают его ионизацию и взаимодействие ионов водорода с окислами расплава, микрослитков и кислородом плазмообразующего газа, а образовавшуюся в результате взаимодействия влагу выводят затем из холодного плазмообразующего газа методом вымораживания, причем количество вводимого в плазменную струю водорода обеспечивает поддержание концентрации водорода в холодном плазмообразующем газе на уровне, не превышающем 10 ppm.

Предлагаемый способ получения из расплава микрослитков методом центробежного распыления за счет ввода в плазменную струю водорода, обеспечения его ионизации и взаимодействия ионов водорода с окислами расплава, микрослитков и кислородом плазмообразующего газа с выводом затем образовавшейся в результате взаимодействия влаги из холодного плазмообразующего газа методом вымораживания обеспечивает по сравнению с прототипом повышение качества получаемой продукции - микрослитков.

Это достигается восстановлением окислов на поверхности расплава и микрослитков при их взаимодействии с катионами водорода (Н⁺) в соответствии с реакцией: 2МеО+4Н⁺→2H₂O+2Ме

Количество вводимого при этом водорода в плазменную струю должно дозироваться в соответствии со стехиометрическими долями компонент, вступающих в реакцию восстановления, с некоторым избытком, гарантирующим полноту взаимодействия, но не приводящем в то же время к насыщению водородом расплава. С этой целью устанавливают условие дозирования избытка водорода, которое не должно превышать 10 ppm в холодном плазмообразующем газе, в котором реакции взаимодействия уже завершены. При превышении указанного уровня остаточной концентрации водорода (10 ppm) может наступить процесс наводороживания расплава.

Принципиальная схема реализации предлагаемого способа изображена на рис.1.

Вращающаяся с угловой скоростью ω заготовка (2) поступает в камеру распыления (1) под струю плазмы от плазмотрона (3).

Расплав, образующийся на торце вращающейся заготовки (2), отбрасывается в виде отдельных капель с ее периферии центробежными силами. В процессе полета в камере распыления (1) капли расплава охлаждаются в газе, заполняющем камеру, кристаллизуются и в виде микрослитков поступают в приемный бункер (8).

Плазмообразующий газ поступает в камеру (1) перед началом процесса из ресивера газовой станции (7) через клапан 9. При работе плазмообразующий газ рециркулирует через камеру (1), холодильник (12) и плазмотрон (3) с помощью компрессора (6). Охлаждение газа и вымораживание влаги из него обеспечивает холодильник (12).

Состав рециркулирующего плазмообразующего газа контролирует и корректирует блок регулирования (5), который по сигналу его датчиков посредством автоматических клапанов (9) управляет подачей компонентов газовой смеси - порции водорода от источника (10) или порции свежего газа от ресивера газовой станции (7) в смеситель (4). Смеситель (4) обеспечивает подмешивание требуемой порции газовой компоненты в поток рециркулирующего газа и доведение до требуемого уровня его состава. Рост давления в камере (1) от ввода в нее дополнительных порций газа контролирует автоматический клапан (9), действующий по сигналу от манометра (11), выпуская соответствующую порцию плазмообразующего газа в атмосферу.

Предлагаемый способ получения микрослитков был опробован экспериментально на установке центробежного распыления типа УЦР. При этом на ней была распылена партия заготовок ⌀80 мм, длиной L=700 мм в количестве 60 шт. из никелевого сплава ЭП-741НП на частицы крупностью 140 мкм, при окружной скорости вращения периферии заготовки ~50 м/сек и при скорости плавления ~100 кг/час.

В процессе распыления в плазмообразующий газ состава 10% Ar+90% Не вводили водород (Н₂) в количестве 0,3÷0,5 л/мин.

В результате в полученных микрослитках кислородосодержание было снижено с массовой доли 70 ppm, характерной при их получении на установке-прототипе (без ввода водорода), до ~20 ppm при вводе указанного выше количества Н₂.

Это пониженное содержание кислорода в микрослитках обеспечило в дальнейшем, при формировании из них компактной заготовки методом горячего изостатического прессования (ГИП), бездефектное сращивание микрослитков друг с другом с образованием совершенной структуры металла компакта и его высокие механические свойства.

В таблице 1 приведены сравнительные характеристики механических свойств материалов, полученных по способу-прототипу и предлагаемому способу на сплаве ЭП741НП.

Таблица 1
Способ получения материала	Механические свойства, не менее
Способ получения материала	Временное сопротивление разрыву, σ_в, МПа	Предел текучести, σ_0,2, МПа	Относительное	Ударная вязкость, KCU, Дж/см²
удлинение, δ, %	сужение, ψ, %
Прототип	1275	883	15	17	39,4
Предлагаемый	1420	1000	15,2	18,3	40

Как следует из данных, приведенных в табл.1, предлагаемый способ получения микрослитков обеспечивает существенное (до 10÷15%) повышение механических свойств материала, получаемого методом ГИП из микрослитков, по сравнению со способом-прототипом.

Способ получения микрослитков из расплава методом центробежного распыления, включающий плавление литой заготовки плазменной струей, формируемой из плазмообразующего газа, подаваемой на торец быстровращающейся заготовки с образованием частиц расплава, затвердевающих при полете в атмосфере холодного плазмообразующего газа в микрослитки, отличающийся тем, что при плавлении литой заготовки в плазменную струю вводят водород, обеспечивают его ионизацию и взаимодействие ионов водорода с окислами на поверхности расплава и микрослитков и кислородом плазмообразующего газа с выводом образовавшейся в результате взаимодействия влаги из холодного плазмообразующего газа методом вымораживания, при этом водород вводят в плазменную струю в количестве, обеспечивающем поддержание остаточной концентрации водорода в холодном плазмообразующем газе на уровне, не превышающем 10 ppm.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению гранул магния и магниевых сплавов путем литья. .

Способ получения металлического порошка методом центробежного распыления // 2475336

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способам непрерывного получения металлического порошка. .

Устройство для получения порошка методом центробежного распыления // 2467835

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к производству металлических порошков. .

Способ получения порошка тугоплавкого материала и устройство для его осуществления // 2446915

Изобретение относится к получению порошков тугоплавких металлов, их сплавов, карбидов, боридов, нитридов, карбонитридов и т.д., которые могут использоваться в дальнейшем для получения порошковых твердосплавных изделий, износостойких композиционных покрытий.

Катодная мишень для распыления и способ ее изготовления // 2405062

Изобретение относится к способам изготовления катодных мишеней, используемых, в частности, при получении жаростойких покрытий для защиты жаропрочных сплавов на основе никеля или кобальта, устанавливаемых в установках для распыления.

Способ получения сферических порошков и гранул // 2361698

Изобретение относится к области металлургии, а именно к порошковой металлургии и способам получения металлических порошков, главным образом, из жаропрочных никелевых сплавов.

Установка для получения металлического порошка // 2356696

Изобретение относится к области металлургии, а именно к установкам для получения металлических порошков. .

Установка для получения гранул центробежным распылением расплава // 2314179

Изобретение относится к получению гранул цветных металлов, в том числе химически активных кальция или магния и их сплавов, центробежным распылением. .

Способ получения изделий из гранул жаропрочных никелевых сплавов // 2308354

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению изделий из жаропрочных никелевых сплавов, использующихся для авиационного и энерготехнического назначения.

Способ получения металлического порошка // 2302926

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способам получения металлических порошков распылением расплава. .

Установка для получения металлических порошков распылением вращающейся заготовки // 2549797

Изобретение относится к получению металлических порошков. Установка содержит камеру с накопителем заготовок и устройством их поштучной подачи на распыление, камеру с механизмом вращения заготовки в виде двух приводных опорных барабанов с нажимным роликом и механизмом продольной подачи заготовки с толкателем, камеру плавления с плазмотроном, направленным на торец распыляемой заготовки. Камера с накопителем заготовок снабжена шлюзовым затвором, отделяющим ее от камеры с механизмами вращения и продольной подачи заготовки. Камера плавления снабжена блоком рециркуляции газа, включающим вентилятор, холодильник и ловушки для вымораживания влаги. Плазмотрон снабжен механизмом перемещения в продольном и поперечном направлениях относительно заготовки, а также устройством контроля промежутка между торцом заготовки и плазмотроном. Опорные барабаны механизма вращения заготовки снабжены вибропоглощающими кольцами, контактирующими с заготовкой, а толкатель механизма продольной подачи выполнен в виде нажимного ролика с ребордой. Обеспечивается повышение надежности работы установки за счет снижения уровня виброколебаний в быстроходных механизмах, а также обеспечивается повышение качества и выхода порошка. 1 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

Устройство для получения металлических гранул // 2558804

Изобретение относится к металлургии. Устройство для получения медных гранул содержит лоток для подачи расплавленного металла, емкость с охлаждающей жидкостью, съемный контейнер, выполненный в виде установленной в емкости конической корзины с сетчатым днищем, и замкнутый циркуляционный контур охлаждающей жидкости, включающий ультразвуковой центробежный диспергатор, соединенный с сопловыми насадками, установленными в емкости над уровнем охлаждающей жидкости под углом 2-5° к горизонту диаметрально и тангенциально внутренней боковой поверхности корзины с обеспечением кругового движения охлаждающей жидкости в корзине. Ультразвуковой центробежный диспергатор может быть дополнительно снабжен эжектором для подачи воздуха в поток охлаждающей жидкости, в частности в поток воды. Обеспечивается увеличение удельной поверхности получаемых металлических гранул. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Способ получения титановой дроби и устройство для его осуществления // 2564768

Группа изобретений относится к получению титановой дроби. Оплавляют торец вращающейся вокруг горизонтальной оси цилиндрической титановой заготовки плазменной струей плазмотрона с обеспечением центробежного распыления расплавленных частиц дроби в камере распыления и затвердевания их в среде рабочих газов, проводят сбор дроби из камеры распыления через приемную трубу в приемный бункер. Горячую смесь рабочих газов из камеры распыления направляют в теплообменник, далее в фильтр, затем в компрессор, после чего в ресивер и в охладитель с получением охлажденной смеси рабочих газов, которую подают в приемный бункер и через приемную трубу подают в виде восходящего потока навстречу движению расплавленных частиц титановой дроби в камеру распыления и обеспечивают охлаждение полученной титановой дроби. Предложено устройство для реализации упомянутого способа получения титановой дроби. Обеспечивается снижение температуры в камере распыления, увеличение скорости охлаждения дроби в процессе распыления и ссыпания ее в приемный бункер, улучшение теплоотвода с внутренних поверхностей приемной трубы и приемного бункера. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

Устройство для получения титановых гранул // 2574906

Изобретение относится к получению титановых гранул. Устройство содержит рабочую камеру, выполненную с возможностью заполнения ее инертным рабочим газом, плазмотрон для плавления вращающейся заготовки с обеспечением центробежного распыления капель расплавленного материала, компрессор с трубопроводами для непрерывной откачки инертного рабочего газа из рабочей камеры и соединенный с рабочей камерой приемный бункер для сбора гранул. При этом рабочая камера выполнена с возможностью подачи откаченного инертного рабочего газа в плазмотрон. Устройство содержит последовательно соединенные фильтр первичной очистки, фильтр сверхтонкой очистки, холодильную установку и компрессор, выполненные с возможностью охлаждения и очистки откаченного из камеры распыления инертного рабочего газа, а также формирователь охлаждающего газового потока, выполненный с возможностью подачи в камеру распыления навстречу распыленным каплям расплавленного материала заготовки потока охлажденного и очищенного инертного рабочего газа, откаченного из камеры распыления. Обеспечиваются снижение температуры в камере распыления, увеличение скорости охлаждения гранул и ссыпания их в приемный бункер. 12 з.п. ф-лы, 1 ил.

Способ получения ультрадисперсных порошков металла или металлических сплавов // 2588931

Изобретение относится к порошковой металлургии. Способ получения ультрадисперсного металлического порошка с размерами частиц 10-2000 мкм включает подачу металлического стержня в камеру электродугового плазмотрона постоянного тока с плазмообразующим газом аргоном, обработку его в потоке плазмы с последующим охлаждением и конденсацией порошка в приемном бункере. Размеры частиц получаемого порошка регулируют путем изменения силы постоянного тока плазмотрона в диапазоне 100-500 А и расстояния между концом стержня и выходным отверстием конфузорно-диффузионного сопла плазмотрона в диапазоне 30-120 мм. Металлический стержень может быть выполнен из титана, кремния, молибдена, меди, титанового сплава, никелевого сплава, кобальтового сплава или инструментального сплава А6. Обеспечивается получение порошка с максимальным выходом заданной фракции. 2 з.п. ф-лы, 1 табл., 48 пр.

Способ получения изделий из порошков жаропрочных никелевых сплавов // 2602311

Изобретение относится к порошковой металлургии жаропрочных никелевых сплавов и используется при производстве изделий, работающих при высоких температурах с повышенным ресурсом в газотурбинных двигателях летательных аппаратов и газоперекачивающих станциях. В предложенном способе получают порошки кристаллизацией частиц порошка из расплава заданного сплава, осуществляют сепарацию порошка от посторонних металлических и неметаллических частиц, помещают порошок в стальную капсулу, вакуумируют капсулы с порошком и осуществляют горячее изостатическое прессование. Далее удаляют материал капсулы с поверхности изделия и осуществляют термическую обработку для достижения оптимальных заданных механических свойств. Причем кристаллизацию частиц порошка осуществляют со скоростью не менее 50000 градусов Кельвина в секунду с получением частиц, размер которых не превышает в диаметре 50 микрометров, а газовая среда при получении частиц порошка имеет точку росы не более, чем минус 52 градуса по Цельсию, соответствующую не более 0,0012% объемной доли водяного пара. Обеспечивается повышение экономичности производства и качества изделий. 1 табл., 1 пр.

Способ производства заготовок (полуфабрикатов) из быстрозакристаллизованных алюминиевых сплавов // 2604284

Изобретение относится к порошковой металлургии с использованием технологии быстрой кристаллизации, в частности к получению заготовок из алюминиевых сплавов. Предложенный способ включает приготовление алюминиевого расплава, центробежное литье гранул, их охлаждение и последующую ступенчатую вакуумную дегазацию в герметичных технологических капсулах, затем ведут компактирование гранул в герметичных технологических капсулах без дополнительного нагрева в контейнере пресса, нагретом до температуры не менее 400°C, и механическую обточку скомпактированных брикетов с получением компактных заготовок. При этом центробежное литье гранул и охлаждение полученных гранул ведут в среде жидкого азота при постоянной его температуре минус 196°C, при этом скорость охлаждения при кристаллизации гранул составляет от 1,05×10000 до 100000 Кельвина в секунду. Обеспечивается снижение содержания водорода и кислорода в металле заготовок, увеличение механических свойств заготовок, уменьшение себестоимости продукции. 1 табл., 1 пр.

Способ получения гранул магниевых сплавов // 2612869

Изобретение относится к получению гранул магниевых сплавов. Способ включает распыление жидкого расплава магниевого сплава в защитной газовой среде с помощью вращающегося стакана-распылителя. Распыление ведут в защитной газовой среде, расположенной между поверхностью стакана-распылителя и охлаждающей средой. В качестве защитной среды используют газообразный азот с точкой росы не более минус 50 °C, а в качестве охлаждающей среды используют 4-6-процентный щелочной водный раствор КОН. Обеспечивается повышение механических свойств магниевых сплавов. 1 табл., 1 пр.

Способ получения сферического порошка из интерметаллидного сплава // 2614319

Изобретение относится к получению сферического порошка из интерметаллидного сплава. Способ включает оплавление торца вращающейся вокруг горизонтальной оси цилиндрической заготовки из интерметаллидного сплава в камере распыления плазменной струей дугового плазмотрона с обеспечением центробежного распыления расплавленных частиц и их затвердевания при полете в среде рабочих газов, при этом производят забор горячей смеси рабочих газов из камеры распыления, охлаждают ее и подают охлажденную смесь рабочих газов в камеру распыления с обеспечением охлаждения расплавленных частиц, причем затвердевшие частицы собирают в приемном бункере. Охлажденную смесь рабочих газов подают в камеру распыления с регулируемой интенсивностью и направленностью посредством формирователей охлаждающих потоков, выполненных в виде по меньшей мере двух осевых спрейеров разного диаметра, обеспечивающих перехлестывание исходящих из спрейеров охлаждающих потоков с образованием зоны охлаждения расплавленных частиц с регулируемым температурным градиентом. Обеспечивается снижение температуры в камере распыления до необходимых нам значений, увеличение эффективности регулирования скорости охлаждения гранул. 1 ил.

Способ получения порошков из жаропрочных никелевых сплавов // 2627137

Изобретение относится к получению порошков жаропрочных никелевых сплавов. Способ включает плавление торца вращающейся цилиндрической литой заготовки потоком плазмы с обеспечением центробежного распыления расплава и образованием частиц затвердевающих в микрослитки при полете в атмосфере холодной плазмообразующей смеси газов, содержащей инертные газы и водород. В плазмообразующую смесь газов дополнительно вводят азот и поддерживают его концентрацию в смеси на уровне, обеспечивающем путем ионизации газов в потоке плазмы и взаимодействия ионов с расплавом насыщение расплава азотом до уровня, превышающего предельную растворимость его в твердом растворе, характерную для жаропрочных сплавов на никелевой основе. Охлаждают микрослитки в холодной плазмообразующей смеси газов со скоростью не менее 103 °C/с. Обеспечивается повышение прочностных характеристик жаропрочных никелевых сплавов. 1 табл., 1 ил.