Способ получения компактных материалов, содержащих диборид титана, методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза

Авторы патента:

B22F3/23 - самораспространяющимся высокотемпературным синтезом или реакционным спеканием

Владельцы патента RU 2658566:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Удмуртский федеральный исследовательский центр Уральского отделения Российской академии наук (RU)

Группа изобретений относится к получению компактных материалов, содержащих диборид титана, с использованием самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). Способ по варианту 1 включает приготовление реакционной смеси из порошкообразных ферробора и ферротитана, компактирование реакционной смеси и инициирование СВС. Используют ферротитан с содержанием титана не менее 60 мас.% и ферробор с содержанием бора не менее 6 мас.%, при этом реакционную смесь готовят с отношением массы ферротитана к массе ферробора от 0,1 до 0,8 и добавляют к реакционной смеси клеевое связующее в количестве, не превышающем 40 мас.% от массы реакционной смеси. В способе по варианту 2 к реакционной смеси добавляют легирующие добавки в количестве до 80 мас.% от массы реакционной смеси и клеевое связующее в количестве, не превышающем 40 мас.% от массы реакционной смеси. Обеспечивается получение компактных материалов, содержащих диборид титана, без применения специальных реакторов и приложения внешних воздействий на реакционную смесь в ходе синтеза. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 пр.

Изобретение относится к металлургии, а именно к способам получения неорганических материалов, в том числе содержащих диборид титана, методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза.

Из уровня техники известен способ получения тугоплавких неорганических материалов методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, включающий приготовление реакционных смесей, их прессование и инициирование синтеза (Левашов Е.А., Рогачев А.С., Юхвид В.И., Боровинская И.П. Физико-химические и технологические основы самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. М.: «Издательство БИНОМ», 1999 г. - 176 с.). Для получения компактных материалов данные способы включают наложение внешнего воздействия на реакционные смеси в ходе синтеза (газостатическое прессование, гидравлическое прессование и др.), что влечет применение дополнительного оборудования, усложнение процесса и снижает применимость способа.

Из уровня техники известен способ получения сплава, включающий раздельное приготовление двух или более различных по составу и прочности оксидов металлов смесей с восстановителем и неметаллом, локальное воспламенение одной из смесей с последующим воспламенением образовавшимся расплавом других смесей под давлением газообразной среды до образования сплава необходимого состава (Патент РФ №2469816, МПК B22F 3/23, 20.12.2012). Недостатком данного способа является трудность контролирования протекающих реакций самораспространяющегося высокотемпературного синтеза каждой из последовательно воспламеняемых расплавом смесей, что приводит к сложности получения сплава заданного состава, применение специальных реакторов для осуществления процесса синтеза под давлением газообразной среды.

Наиболее близким по технической сущности является способ получения материалов, содержащих диборид титана методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, включающий приготовление реакционной смеси из порошка ферротитана с содержанием титана 65,79%, 73,69% и порошка ферробора с содержанием бора 14,88%, компактирование и инициирование синтеза (US 4673550 А, B22F 1/00, 15.06.1987). Недостатком известного способа является применение ограниченного количества составов системы ферротитан - ферробор за счет использования в качестве исходных реагентов ферротитана (65,79%, 73,69% Ti) и ферробора (14,88% В), что не позволяет в полной мере обеспечить формирование свойств получаемого материала (состав, структура, плотность, твердость, прочностные характеристики) и получить достаточно прочные скомпактированные порошкообразные составы.

Все это снижает универсальность известного способа.

Предлагаемый способ является более универсальным по отношению к прототипу.

Повышение универсальности способа выражается в том, что он позволяет получать, с одной стороны, компактные материалы, содержащие диборид титана, методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза с формированием требуемого комплекса характеристик (содержание боридных составляющих титана и железа, прочностные свойства, твердость, износостойкость, структура, плотность) за счет применения в качестве исходных реагентов ферротитана и ферробора различных марок с выполнением соотношения массы ферротитана к массе ферробора от 0,1 до 0,8, с другой - обеспечить повышенную прочность скомпактированных составов за счет введения в реакционную смесь клеевого связующего.

Способ осуществляется следующим образом.

Реакционную смесь, состоящую из порошкообразных ферротитана, с содержанием титана не менее 60%, и ферробора с содержанием бора не менее 6%, взятых в отношении массы ферротитана к массе ферробора от 0,1 до 0,8, компактируют любым доступным способом (гидравлическое прессование, изостатическое прессование, компактирование при помощи шнека и др.), после чего инициируют протекание самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). Для улучшения компактирования способ предусматривает добавление к порошкообразной реакционной смеси клеевого связующего в количестве, не превышающем 40% от массы сухой смеси. Добавление клеевого связующего в количестве, превышающем 40% от массы сухой смеси, приводит к значительному газовыделению в ходе синтеза и, как следствие, к появлению трещин и пор в материале.

Инициирование реакции СВС осуществляют различными способами, в зависимости от технического оснащения - путем объемного нагрева смеси в индукционных печах, либо печах сопротивления, путем локального нагрева искровым, дуговым либо плазменным разрядом и др. Применение ферросплавов позволяет получать компактные материалы, содержащие диборид титана методом СВС без приложения внешних воздействий на систему в ходе синтеза, поскольку железо, входящее в состав ферросплавов, служит связкой и препятствует развитию усадочных процессов и возникновению трещин. Применение ферротитана с содержанием титана менее 60% не позволяет инициировать реакцию СВС в реакционной смеси. Применение ферробора с содержанием бора менее 6% затрудняет начало синтеза между компонентами реакционной смеси; недостаток бора приводит к получению материала, содержание диборида титана в котором минимально, что снижает его твердость и ухудшает свойства. Реакционная смесь с отношением массы ферротитана к массе ферробора, равным 0,1, позволяет применять для получения компактных материалов ферротитан с содержанием титана более 60% и ферробор с содержанием бора 6%. В данной системе титан, взаимодействуя с бором, образует диборид титана (TiB₂), а его избыток, взаимодействуя с железом (компонентом ферросплавов), образует интерметаллид FeTi. Реакционная смесь с отношением массы ферротитана к массе ферробора, равным 0,8, позволяет применять для получения компактных материалов ферротитан с содержанием титана 60% и ферробор с содержанием бора 20%. Данная система оказывается более обогащенной диборидом титана за счет значительного содержания бора в реакционной смеси. Варьирование отношения массы ферротитана к массе ферробора от 0,1 до 0,8 позволяет получать компактные материалы методом СВС с различным содержанием диборида титана. Для улучшения условий протекания синтеза в реакционной системе, способ допускает применение порошкообразных ферросплавов с крупностью частиц не более 1 мм. Применение порошкообразных материалов с размером частиц более 1 мм значительно ухудшает протекание синтеза.

Для получения компактных материалов, содержащих диборид титана с минимальной пористостью, и расширения области применения за счет формирования других структурных составляющих, способ предусматривает добавление к реакционной смеси, наряду с клеевым связующим, порошкообразных легирующих добавок в количестве до 80% от массы реакционной смеси. Применение в качестве легирующих добавок порошкообразных никеля или меди позволяют повысить пластичность материала; добавление хрома и феррохрома - формировать, наряду с диборидом титана, бориды хрома.

Готовую реакционную смесь компактируют и инициируют реакцию СВС. После протекания синтеза образуется компактный материал, содержащий диборид титана.

Пример конкретного исполнения

Реакционную смесь, содержащую 70% ферротитана и 17% ферробора, взятых в отношении массы ферротитана к массе ферробора равным 0,52, компактировали в пресс-форме на гидравлическом прессе в цилиндры диаметром 20 мм и высотой 10 мм. Для улучшения компактирования и предохранения от разрушения спрессованной порошкообразной реакционной смеси, в нее до компактирования дополнительно ввели клеевое связующее - раствор жидкого стекла в количестве 10% от массы сухой реакционной смеси. После компактирования спрессованный материал, содержащий клеевое связующее, предварительно прогрели в печи при температуре 300°C, после чего инициировали синтез путем объемного нагрева. Полученный в ходе синтеза компактный материал (цилиндры диаметром 20 мм и высотой 10 мм) имел незначительную пористость и содержал диброид титана (TiB₂), бориды железа (Fe₂B, FeB) и незначительное количество интерметаллида FeTi. За счет образования боридных составляющих материал обладал значительной твердостью - 897÷1163 HV_0,05 (67÷71 HRC).

1. Способ получения компактных материалов, содержащих диборид титана, методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), включающий приготовление реакционной смеси из порошкообразных ферробора и ферротитана, компактирование реакционной смеси и инициирование СВС, отличающийся тем, что используют ферротитан с содержанием титана не менее 60 мас.% и ферробор с содержанием бора не менее 6 мас.%, при этом реакционную смесь готовят с отношением массы ферротитана к массе ферробора от 0,1 до 0,8 и добавляют к реакционной смеси клеевое связующее в количестве, не превышающем 40 мас.% от массы реакционной смеси.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что крупность порошкообразных компонентов реакционной смеси не превышает 1 мм.

3. Способ получения компактных материалов, содержащих диборид титана, методом СВС, включающий приготовление реакционной смеси из порошкообразных ферробора и ферротитана, добавление к реакционной смеси порошкообразных легирующих добавок, компактирование полученной смеси и инициирование СВС, отличающийся тем, что используют ферротитан с содержанием титана не менее 60 мас.% и ферробор с содержанием бора не менее 6 мас.%, при этом реакционную смесь готовят с отношением массы ферротитана к массе ферробора от 0,1 до 0,8, добавляют к реакционной смеси легирующие добавки в количестве до 80 мас.% от массы реакционной смеси и клеевое связующее в количестве, не превышающем 40 мас.% от массы реакционной смеси.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что крупность компонентов реакционной смеси и легирующих добавок не превышает 1 мм.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к составам материалов, используемых для изготовления изделий, работающих в печах, тепловых агрегатах. Спеченный жаростойкий материал содержит, мас.

Шихта для получения порошка композитного материала на основе железа // 2623544

Изобретение относится к получению порошка композитного материала на основе железа и карбида титана методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС).

Керамический композит и шихта для его получения // 2622276

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению керамических композитов на основе тугоплавких боридов металлов IV VI групп периодической системы элементов методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), и может быть использовано для изготовления режущего инструмента, тугоплавких и износостойких изделий, мишеней для нанесения композитных покрытий и других целей.

Способ получения ультравысокотемпературного керамического композита mb2/sic, где m = zr, hf // 2618567

Изобретение относится к технологии получения окислительно-стойких ультравысокотемпературных керамических композиционных материалов состава MB2/SiC, где М=Zr и/или Hf с нанокристаллическим карбидом кремния, которые могут быть использованы в качестве окислительно-, химически- и эрозионно-стойких материалов в потоках воздуха при температурах выше 2000°С, для создания авиационной, космической и ракетной техники, отопительных систем, теплоэлектростанций, а также в технологиях атомной энергетики, в химической и нефтехимической промышленности.

Способ получения композиционного порошка mb2-sic, где m=zr, hf // 2615692

Изобретение относится к неорганической химии и неорганическому материаловедению, конкретно к получению порошковых материалов состава MB2-SiC, где М = Zr, Hf, содержащих нанокристаллический карбид кремния.

Композиционный материал, содержащий благородный металл, способ получения и применение такого материала // 2578305

Изобретение относится к композиционному материалу, содержащему благородные металлы, и способу его производства. Композиционный материал содержит сплав золота и алюминия и керамику на основе бора с температурой плавления выше, чем у золота, и плотностью, максимально равной 4 г/см3.

Мишень из диборида титана // 2561624

Изобретение относится к области металлургии, в частности к мишени из диборида титана, и может быть использовано при формировании покрытий. Мишень из диборида титана для физического осаждения из паровой фазы содержит углерод и частицы одного или более металлов из группы, состоящей из железа, никеля, кобальта и хрома.

Способ получения металлоборидных композиционных порошков молибдена или вольфрама // 2455377

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению порошковых композиционных материалов на основе боридов молибдена, вольфрама. .

Эрозионностойкая керметная облицовка для применения в разведке, очистке и химической переработке нефти и газа // 2437950

Изобретение относится к способам защиты металлических поверхностей, подвергаемых абразивной эрозии твердыми частицами при температурах до 1000°С. .

Неорганические соединения // 2423319

Изобретение относится к получению электропроводящих соединений металлов. .

Способ изготовления плит из керамических и композиционных материалов // 2657894

Изобретение относится к изготовлению плит из керамических и композиционных материалов. Способ включает приготовление экзотермической смеси порошков, прессование смеси в заготовку, помещение ее в пресс-форму, инициирование реакции горения и последующее прессование продуктов горения.

Способ получения электродов из сплавов на основе алюминида никеля // 2644702

Изобретение относится к области специальной металлургии, в частности к получению электродов из высоколегированных сплавов на основе алюминидов никеля. Способ включает получение полуфабриката методом центробежного СВС-литья с использованием реакционной смеси, содержащей оксид никеля, алюминий, легирующие и функциональные добавки, и последующий двухстадийный переплав полуфабриката с получением на первой стадии рафинированного дегазированного слитка, а на второй стадии - электрода.

Способ получения модифицирующей лигатуры al - ti // 2637545

Изобретение относится к производству алюминия, в частности к получению титансодержащих алюминиевых сплавов и лигатур, и может быть использовано в алюминиевой, авиационной, автомобильной и других отраслях промышленности, изготавливающих модифицированные деформируемые и литейные алюминиевые сплавы и изделия из них.

Способ получения компактных материалов, содержащих карбиды хрома и титана, методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (варианты) // 2637198

Группа изобретений относится к получению компактных материалов, содержащих карбиды хрома и титана, методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза.

Способ изготовления мишени из гидроксиапатита для ионно-плазменного напыления покрытий // 2634394

Изобретение относится к способу изготовления мишени из гидроксиапатита для ионно-плазменного напыления покрытий и может быть использовано для напыления кальций-фосфатных покрытий на поверхность медицинских имплантатов.

Способ получения композиционного материала al2o3-al // 2632346

Изобретение относится к получению композиционного материала Al2O3 - А1. Способ включает гранулирование алюминиевого порошка, состоящего из частиц пластинчатой формы со стеариновым покрытием, прессование заготовки из гранулированного порошка и ее спекание.

Способ получения материалов на основе алюминида никеля // 2632341

Изобретение относится к получению материала на основе алюминида никеля. Способ включает приготовление экзотермической шихты путем смешивания порошков алюминия, оксида никеля и по крайней мере одной легирующей добавки и инициирование в экзотермической шихте металлотермической реакции с обеспечением восстановления оксидов и образования алюминида никеля.

Способ легирования отливок // 2630990

Изобретение относится к металлургии, а именно к легированию металлических отливок, получаемых методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) в условиях избыточного давления газовой среды на стадии их формообразования.

Реактор для получения самораспространяющимся высокотемпературным синтезом тугоплавких неорганических соединений // 2625922

Изобретение относится к реакторам для получения самораспространяющимся высокотемпературным синтезом тугоплавких неорганических соединений. Реактор содержит корпус в виде трубы с водяной рубашкой охлаждения и грибковыми затворами, закрывающими трубу с образованием камеры для размещения порошковой экзотермической реакционной смеси, инициирующее устройство, размещенное в упомянутой камере, и станину, выполненную в виде двух квадратных опорных плит, связанных между собой четырьмя колоннами.

Способ получения изделий из порошковых материалов и устройство для его осуществления // 2625920

Группа изобретений относится к получению изделия из порошкового экзотермического материала самораспространяющимся высокотемпературным синтезом. Способ включает размещение порошкового материала в виде спрессованного в оболочке брикета в контейнере, который заполняют сыпучим теплоизолирующим материалом, и инициирование горения брикета.