Способ получения композиционного материала на основе железа

Настоящее изобретение относится к порошковой металлургии. Способ получения композиционного материала на основе железа включает перемешивание порошков для матрицы материала и дисперсного порошка оксида металла, механическое легирование полученной смеси, компактирование и прокатку полученного сплава. Порошки перемешивают с получением смеси, содержащей оксида металла при его объемном содержании 1-3%, 18-21 мас.% хрома, 4,5-5,5 мас.% алюминия, 0,4-0,6 мас.% титана и железо - остальное. Механическое легирование проводят в высокоэнергетической установке для размола и смешивания в течение 40-60 часов. Компактирование проводят методом горячей экструзии при температуре 1100-1250°C с коэффициентом вытяжки 11-16. Полученный сплав в виде прутков экструдата прокатывают вдоль направления экструзии при температуре 950-1150°C с коэффициентом деформации 15-20% за один проход. Обеспечивается получение композиционного материала с практической плотностью, равной не менее 96% от теоретической и не более 7,3 г/см³, с пористостью не более 4%, с повышенной прочностью и с направленной структурой, характеризующейся значениями коэффициента неравноосности зерен от 30 до 40. 3 з.п. ф-лы, 3 пр.

 

Настоящее изобретение относится к области порошковой металлургии, а именно к технологиям получения высокотемпературных композиционных материалов на основе железа, которые могут быть использованы для изготовления неохлаждаемых деталей и узлов турбин авиационно-космической техники, работающей при температурах до 1350°С.

Дальнейшее повышение мощности, к.п.д, экологичности и экономичности современных газовых турбин, используемых в качестве авиационных двигателей, энергетических установок и газоперекачивающих агрегатов, возможно за счет повышения температуры рабочего газа на входе в турбину. Повышение рабочих температур до 1350°С исключает возможность использования современных сложнолегированных жаропрочных сплавов на основе никеля, не обладающих достаточной жаропрочностью и окалиностойкостью при указанных температурах. Наиболее перспективными материалами, устойчивыми в данных условиях, являются композиты с железной матрицей, упрочненные дисперсными частицами тугоплавких оксидов. К преимуществам таких материалов относятся меньшая плотность по сравнению с традиционно применяемыми жаропрочными сплавами, более высокая жаростойкость и температура плавления. Элементы камеры сгорания из подобного композиционного материала могут длительно работать при температурах выше на 100-150°С, чем аналогичные детали, выполненные из никелевых жаропрочных суперсплавов.

Известен литейный метод производства дисперсно-упрочненного сплава, включающий сушку нанопорошка оксида, плавление матричного металла, перемешивание порошка с матричным металлом, разливку полученного расплава в формы и их быстрое охлаждение (JP 2008189995 А, 21.08.2008).

Недостатком данного способа является трудность обеспечения равномерно распределенной оксидной фазы в объеме материала в процессе плавки и охлаждения сплава.

Также известен способ производства дисперсно-упрочненного сплава, включающий смешивание сплава с влажными солями иттрия, сушку полученной смеси, вакуумную термическую обработку для выделения оксида иттрия и компактирование полученных полуфабрикатов (KR 100960624 В1, 07.06.2010).

Недостатком указанного способа является трудоемкость процесса, обусловленная использованием влажных солей с последующей прокалкой сплава.

Известен способ получения ферритной стали, армированной дисперсными частицами оксида и имеющей следующий химический состав, масс.%: углерод - 0,05-0,25, хром - 8,0-12,0, вольфрам - 0,1-4,0, титан - 0,1-1,0, оксид иттрия - 0,1-0,5, остальное - железо. Способ включает смешивание элементарных порошков с порошком оксида иттрия, их механическое легирование, горячую экструзию полученной смеси при температуре 1150°С и термообработку (ЕР 1528113 А1, 04.05.2005).

Данный материал предназначен для применения в ядерной энергетике (трубопроводы охлаждающих систем) и не способен функционировать в условиях высокотемпературной газовой коррозии в процессе работы ГТД.

Наиболее близким аналогом является способ изготовления дисперсно-упрочненного композиционного материала на основе железа следующего состава, масс.%: Сr - 20, Аl - 4,5, Ti - 0,5, Y₂O₃ - 0,5, Fe - остальное. Метод включает механическое легирование в шаровой мельнице в защитной атмосфере аргона, дегазацию порошка сплава в капсулах в течение 1-3 дней, компактирование сплава методом горячего изостатического прессования при давлении 103 МПа и температуре 1010°С, горячую прокатку при температуре 927-1093°С и холодную прокатку при температуре 65°-93°С (US 5032190 А, 16.07.1991).

Недостатком данного способа является использование дорогостоящей операции горячего изостатического прессования, а также длительность подготовительного процесса дегазации перед прессованием.

Предложенный способ позволяет устранить данные недостатки.

Задачей предложенного изобретения является разработка способа получения легкого и прочного композиционного материала на основе железа, обладающего качественной равномерной структурой, а также упрощение данного способа.

Техническим результатом заявленного изобретения является получение композиционного материала на основе железа с практической плотностью, равной не менее 96% от теоретической и не более 7,3 г/см³, с пористостью не более 4%, с повышенной прочностью для указанной выше практической плотности, а также с направленной структурой, характеризующейся значениями коэффициента неравноосности зерен от 30 до 40.

Технический результат достигается в предложенном способе получения композиционного материала на основе железа, включающем перемешивание порошков для приготовления матрицы материала и дисперсного порошка оксида металла, механическое легирование полученной смеси, компактирование и прокатку полученного сплава, при этом порошки перемешивают с получением смеси, содержащей: 18-21 мас.% хрома, 4,5-5,5 мас.% алюминия, 0,4-0,6 мас.% титана, объемное содержание оксида металла - 1-3%, железо - остальное, механическое легирование проводят в высокоэнергетической установке для размола и смешивания в течение 40-60 часов, компактирование проводят методом горячей экструзии при температуре 1100-1250°C с коэффициентом вытяжки 11-16, полученный сплав в виде прутков экструдата прокатывают вдоль направления экструзии при температуре 950-1150°C с коэффициентом деформации 15-20% за один проход.

В качестве порошков для приготовления матрицы материала лучше использовать порошок лигатуры железо-алюминий-титан, порошок хрома и порошок железа.

Порошок лигатуры железо-алюминий-титан лучше предварительно измельчить вместе с дисперсным порошком оксида металла.

В качестве дисперсного порошка оксида металла лучше использовать наноразмерный порошок оксида иттрия.

Вначале перемешивают исходную порошковую смесь компонентов, рассчитанную для получения материала следующего состава: Сr - 18-21 мас.%, Аl - 4,5-5,5 мас.%, Ti - 0,4-0,6 мас.%, объемное содержание оксида металла - 1-3%, Fe - остальное.

Поскольку алюминий и титан имеют высокую реакционную активность и быстро окисляются кислородом воздуха, их лучше вводить в смесь на стадии механического легирования в виде порошка лигатуры железо-алюминий-титан.

В качестве дисперсного порошка оксида металла можно использовать, например, порошки Al₂O₃, ZrO₂, НfO₂, однако предпочтительно использовать наноразмерный порошок Y₂O₃. Оксид иттрия обладает высокой термодинамической устойчивость и не взаимодействует с матрицей получаемого материала.

Дисперсный порошок оксида металла рекомендуется добавлять во время предварительного измельчения лигатуры Fe-Al-Ti для обеспечения равномерности распределения армирующей фазы и уменьшения времени последующего механического легирования.

После перемешивания порошков и оксида металла проводят механическое легирование смеси в высокоэнергетической установке для размола и смешивания (аттриторе) с защитной атмосферой инертного газа. Высокоэнергетический помол обеспечивает механическое активирование порошка матричного материала, а также позволяет производить перемешивание одновременно с помолом, во время которого происходит механическая активация смеси, увеличивается контакт между частицами порошка, уменьшается пористость, происходит деформация или разрушение отдельных частиц порошка.

Оптимальное время механического легирования, при котором происходит необходимое измельчение и перемешивание компонентов сплава, составляет 40-60 часов.

Готовый порошок экструдируют с коэффициентом вытяжки 11-16 при температуре 1100-1250°С для обеспечения направленной структуры сплава.

Анализ структуры с помощью растрового электронного микроскопа показал, что после экструзии в указанных режимах частицы оксидов металлов равномерно распределены в объеме материала, структура на поперечном шлифе - равноосная, на продольном - направленная. Однако в образцах наблюдалось наличие пор и рыхлот.

С целью усовершенствования структуры полученные прутки прокатывают вдоль направления экструзии при температуре 950-1150°С и коэффициенте деформации 15-20% за один проход. Наилучший результат по структуре материала наблюдается при его прокатке до толщины 3-9 мм, что можно осуществить за три и более прохода прокатки.

Пример 1.

Получали композиционный материал на основе Fe, армированный дисперсными частицами оксида иттрия.

Проводили смешивание порошков до получения смеси следующего состава: Сr - 19,5 масс.%, Аl - 4,6 масс.%, Ti - 0,47 масс.%, объемное содержание Y₂O₃ - 1,3%, Fe - остальное. Полученную порошковую смесь подвергали механическому легированию в высокоэнергетической установке для размола и смешивания (аттриторе) по следующему режиму: время обработки 40 часов, защитная атмосфера - аргон. Готовый порошок сплава экструдировали при температуре 1100°С с коэффициентом вытяжки 11. Полученные прутки сплава прокатывали в листы толщиной 8 мм вдоль направления экструзии при температуре 1100°С.

Полученный материал имел практическую плотность 7,28 г/см³, равную 98% от теоретической.

Прочность на разрыв материала вдоль направления экструзии при Τ=25°С составил σ_Β=745 МПа.

Объемная пористость составила 2%.

Пример 2.

Получали композиционный материал на основе Fe, армированный дисперсными частицами оксида иттрия.

Проводили смешивание порошков до получения смеси следующего состава: Сr - 19,5 масс.%, Аl - 4,6 масс.%, Ti - 0,47 масс.%, объемное содержание Y₂O₃ - 2,8%, Fe - остальное. Полученную порошковую смесь подвергали механическому легированию в высокоэнергетической установке для размола и смешивания (аттриторе) по следующему режиму: время обработки 40 часов, защитная атмосфера - аргон. Готовый порошок сплава экструдировали при температуре 1100°C с коэффициентом вытяжки 16. Полученные прутки сплава прокатывали в листы толщиной 3 мм вдоль направления экструзии при температуре 1100°С.

Полученный материал имел практическую плотность 7,26 г/см³, равную 99% от теоретической.

Прочность на разрыв материала вдоль направления экструзии при Τ=25°С составил σ_Β=720 МПа.

Объемная пористость составила 1%.

Пример 3.

Получали композиционный материал на основе Fe, армированный дисперсными частицами оксида гафния.

Проводили смешивание порошков до получения смеси следующего состава: Сr - 18 мас.%, Аl - 5,5 мас.%, Ti - 0,6 мас.%, объемное содержание НfO₂ - 3%, Fe - остальное. Полученную порошковую смесь подвергали механическому легированию в высокоэнергетической установке для размола и смешивания (аттриторе) по следующему режиму: время обработки 60 часов, защитная атмосфера - аргон. Готовый порошок сплава экструдировали при температуре 1200°C с коэффициентом вытяжки 14. Полученные прутки сплава прокатывали в листы толщиной 8 мм вдоль направления экструзии при температуре 970°С.

Полученный материал имел практическую плотность 7,25 г/см³, равную 98% от теоретической.

Прочность на разрыв материала вдоль направления экструзии при Τ=25°С составил σ_Β=700 МПа.

Объемная пористость составила 2%.

Анализ микроструктуры образцов после прокатки показал направленную структуру зерен с равномерным распределением оксидной фазы вдоль их границ. Расположение зерен характеризовалось большой степенью коэффициента их неравноосности от 30 до 40.

Стабилизатором данной структуры служили закрепленные на стыках субграниц упрочняющие наноразмерные частицы тугоплавких оксидов.

Таким образом, предложенный способ позволяет добиться высоких показателей прочности композиционного материала на основе железа с низкой плотностью, равной не менее 96% от теоретической и не более 7,3 г/см³, с пористостью не более 4% и с направленной структурой, характеризующейся большими значениями неравноосности зерен.

1. Способ получения композиционного материала на основе железа, включающий перемешивание порошков для матрицы материала и дисперсного порошка оксида металла, механическое легирование полученной смеси, компактирование и прокатку полученного сплава, отличающийся тем, что порошки перемешивают с получением смеси, содержащей оксид металла с его объемным содержанием 1-3%, 18-21 мас. % хрома, 4,5-5,5 мас. % алюминия, 0,4-0,6 мас. % титана, железо - остальное, механическое легирование проводят в высокоэнергетической установке для размола и смешивания в течение 40-60 часов, компактирование проводят методом горячей экструзии при температуре 1100-1250°C с коэффициентом вытяжки 11-16, полученный сплав в виде прутков экструдата прокатывают вдоль направления экструзии при температуре 950-1150°C с коэффициентом деформации 15-20% за один проход.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве порошков для матрицы материала используют порошок лигатуры железо-алюминий-титан, порошок хрома и порошок железа.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что порошок лигатуры железо-алюминий-титан предварительно измельчают вместе с дисперсным порошком оксида металла.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве дисперсного порошка оксида металла используют наноразмерный порошок оксида иттрия.