Способ получения композиционного материала и изделия из него

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для получения композиционных материалов с металлической матрицей и покрытий. Способ получения алюмоматричного композитного материала, содержащего алюминиевую матрицу и керамический упрочнитель, включает обработку исходной смеси порошков алюминия и элементов, образующих керамический упрочнитель, путем механического легирования, при этом механическое легирование осуществляют в шаровых размольно-смесительных установках при энергонапряженности 0,02-2 кВт/л в течение 0,5-30 часов в среде аргона, обработанную смесь порошков помещают в тонкостенную трубочку из материала, аналогичного матричному с формированием электрода, нагревают его до температуры начала экзотермической реакции с последующей кристаллизацией образовавшихся капель расплава на металлической подложке путем перемещения электрода с формированием непрерывного слоя композиционного материала с заданным составом. Изобретение направлено на получение композиционного материала, содержащего металлическую матрицу и тугоплавкие упрочнители, с однородной плотной структурой. 3 з.п. ф-лы, 4 пр.

 

Изобретение относится к области металлургии, в частности, к способу получения металлических композиционных материалов (МКМ) на основе металлической или интерметаллидной матрицы, армированной упрочняющими наполнителями и изготовления изделий из этих материалов. МКМ, полученные этим способом, найдут широкое применение в разных областях промышленности, в качестве конструкционных и функциональных материалов для изготовления изделий для авиа-, ракето-, автомобиле-, судостроении и др.

Перспективность использования МКМ определена потребностями современного производства и динамикой научно-технического прогресса. В настоящее время во всем мире активизируются исследования, направленные на широкое практическое применение конструкционных и функциональных МКМ. Это обусловлено уникальным комплексом их свойств, достичь которого не представляется возможным в традиционно используемых конструкционных материалах. Анализ научно-технической, патентной литературы и иной информации об отечественных и зарубежных разработках показывает, что в настоящее время существует потребность в использовании этих материалов. Разнообразие существующих в настоящее время МКМ достаточно велико и продолжает расти.

Известен способ получения литых высокоармированных алюмоматричных композиционных материалов, включающий нагрев частиц карбида кремния в насыпном состоянии до температуры 850-900°С и инфильтрацию частиц алюминиевым расплавом, нагретым до температуры 850-900°С при механическом перемешивании. Затем полученную композиционную смесь подвергают горячему двухстороннему прессованию в нагретых до температуры приготовления композиционной смеси пресс-формах при давлении 2,0-2,2 ГПа. При этом объемная доля частиц карбида кремния в общем объеме материала составляет от 30 до 80% (Патент РФ №2356968). Недостатком данного способа являются высокая температура процесса, сложность аппаратурного оформления, невозможность использования меньшей объемной доли армируемого материала.

Известен способ получения композиционного материала, включающий приготовление экзотермической смеси двух и более порошков, помещении смеси в форму и возбуждении в ней реакции СВС путем разогрева ее внешним электромагнитным полем до температуры возникновения в смеси теплового взрыва с последующим ее компактированием, которое начинают в момент достижения экзотермической смесью максимальной температуры взаимодействия и ведут в интервале температур от максимальной температуры взаимодействия до температуры вязкопластического или вязкохрупкого, в зависимости от участвующих реагентов, перехода (Патент РФ №2082556). Недостатками этого способа является, во-первых, взрывоопасность производственного процесса, а во-вторых, необходимость использования оборудования, обеспечивающего нагрев и вакуумирование больших объемов, а также большое давление при получении изделия. Такое дорогостоящее оборудование существенно повышает стоимость продукции. Кроме того, слишком высокие температуры в зоне экзотермической реакции оказывают разрушающее воздействие на упрочняющие компоненты композиционного материала.

Известен способ получения композиционного материала, содержащего матрицу из алюминия или его сплава и наполнитель из порошков борсодержащего материала и вольфрама, включающий приготовление исходной композиционной смеси порошка матричного материала с порошками наполнителя, отличающийся тем, что в качестве наполнителя используют порошок, полученный путем механического смешивания порошка борсодержащего материала, преимущественно карбида бора или нитрида бора, со средним размером частиц 0,5-5 мкм в количестве 5-15 мас. % от состава исходной композиционной смеси с порошком вольфрама со средним размером частиц 0,1-1 мкм в количестве 15-20 мас. % от состава исходной композиционной смеси, механическое смешивание полученного наполнителя с порошком алюминия или его сплавом со средним размером частиц до 100 мкм в количестве до 100 мас. % состава исходной композиционной смеси в течение 0,5-6 часов со скоростью 10-60 об/мин, холодное прессование полученной исходной композиционной смеси при давлении до 1000 Мпа на ультразвуковом гидравлическом прессе в закрытой жесткой пресс-форме с усилием, достаточным для достижения указанного давления на заданной площади гидравлического сечения изделия, с приложением к пресс-форме ультразвуковых механических колебаний частотой 18-24 кГц и амплитудой колебательного смещения формообразующих поверхностей пресс-формы 1-10 мкм. (Патент РФ №2616315). Недостатком данного способа является большое давление процесса, применение сложного оборудования - ультразвукового гидравлического пресса, трудность получения крупных заготовок.

За прототип принят способ получения алюмоматричного композитного материала, содержащего алюминидную матрицу и керамический упрочнитель, с однородной плотной структурой, включающий приготовление исходной заготовки из смеси порошков алюминия и. по крайней мере, одного керамического оксида путем механического легирования смеси порошков, после чего исходную заготовку помещают в емкость. Нагрев емкости с исходной заготовкой до температуры начала экзотермической реакции осуществляют путем погружения ее донной части в расплав металла, а кристаллизацию осуществляют путем дальнейшего погружения емкости с исходной заготовкой в расплав металла со скоростью, равной скорости распространения фронта экзотермической реакции. Механическое легирование осуществляют в шаровых размольно-смесительных установках при энергонапряженности 0,02-2 кВт/л в течение 0,5-30 часов. (Патент РФ №2263089). Недостаток способа состоит в том, что переход материала из порошковой засыпки через плавление к конечному изделию сопровождается значительными объемными изменениями. Компактный конечный материал имеет плотность, превышающую насыпную плотность исходной порошковой засыпки, что, при недостаточной возможности обеспечения стабильной подачи исходной порошковой смеси к фронту экзотермической реакции, неизбежно приведет к разрыву сплошности всех протекающих процессов и, соответственно, к формированию в объеме изделия дефектных зон с повышенной распределенной пористостью, или с крупными полостями, не содержащими конечный материал. Кроме того, кристаллизация полученного материала происходит также неравномерно по объему заготовки, так как сначала охлаждается наружная поверхность, а затем внутренняя, что способствует образованию внутри- материала дополнительной усадочной пористости. Указанные процессы приводят к формированию внутри изделия дефектных областей с рыхлой структурой и существенно пониженными механическими характеристиками изделия из этого материала.

Технической задачей данного изобретения является создание способа получения композиционных материалов и изделий (покрытий) из них за счет предварительно накопленной внутренней энергии на этапе предварительной механоактивации, реализации экзотермических химических и физических реакций, приводящих к последовательному расплавлению матрицы и ее управляемую кристаллизацию в микрообъемах, несопоставимых по объему с объемом конечного изделия, обеспечивающих интегральную однородность всего объема конечного изделия.

Для решения этой задачи предложен способ получения изделия из композиционного материала, включающий получение армирующей заготовки из материала, выбранного из группы, содержащей оксиды, карбиды, бориды, ее механоактивацию и инициацию процесса последующего расплавления матрицеобразующего металла из группы, содержащей Al, Рb Sn, In или их сплавы, и ее кристаллизацию. Исходные реакционноспособные компоненты вместе с матрицей выполняют из предварительно обработанных механической активацией металлических порошков в виде проволоки. Инициацию готовой смеси проводят низкоэнергетическим дуговым разрядом. Дуговой разряд при контакте проволоки с подложкой обеспечивает необходимый локальный разогрев проволоки для инициации экзотермической реакции и релаксации дефектов. При образовании запланированных оксидных, карбидных и боридных соединений выделяется необходимая энергия, обеспечивающая саморазогрев реакционноспособных компонентов, расплавление матрицы и смачивание подложки. Далее кончик проволоки перемещают в нужном направлении. Расплав смачивает новую область подложки, тогда как раннее полученный объем расплава кристаллизуется. Таким образом, движение кончика проволоки из исходной смеси формирует монолитную наплавку на подложке. При этом энергии дуги недостаточно для полного расплавления проволоки. Дуга только инициирует саморазогрев проволоки до расплавления матрицы и формирования в ней требуемой структуры. Весь процесс проводят в защитной атмосфере. Структура конечного материала зависит от уровня саморазогрева исходной смеси. Повышенная степень механической активации исходной смеси компонентов закономерно повышает уровень саморазогрева и увеличивает температуру расплава матрицы вплоть до крайнего состояния, при котором слишком сильный перегрев расплава может спровоцировать выход армирующих компонентов из расплава в шлаковую корочку.

Другой вариант реализации изобретения заключается в предварительном формировании композиционных реакционноспособных гранул с пониженной активностью, локальная инициация которых приводит к затухающему процессу саморазогрева. Равномерный слой такого материала на подложке может быть подвергнут инициации внешней дугой малой мощности для компенсации потерь энергии, приводящих к затуханию процесса. В этих условиях, внешняя дуга, сформированная неплавящимся электродом, будет постоянно инициировать локальный экзотермический процесс. При движении электрода, на подложке будет формироваться слой, ограниченный пятном, за пределами которого воздействие дуги падает и процесс затухает. Таким образом, возможно послойное формирование изделия или покрытия по типу аддитивных технологий.

Технологической основой для проведения процесса является процесс механической активации. Механоактивацию исходных порошков проводили в планетарной мельнице Retsch РМ 400 со скоростью 200-300 об/мин, в среде технического аргона. Продолжительность механической активации составляет 15-120 минут и зависит от армирующих компонентов.

Как было установлено, механическая активация смеси порошков металла и матрицы позволяет получить после обработки композиционные гранулы, содержащие одновременно матрицу и армирующие компоненты. Так как частицы находятся в тесном контакте друг с другом и площадь соприкасающихся поверхностей увеличивается, то активность смеси возрастает прямо пропорционально времени обработки смеси. Таким образом, можно получить исходную заготовку с желаемой степенью активности, а температуру инициирования экзотермической реакции снизить до 400°С и ниже.

Начавшаяся экзотермическая реакция и релаксация дефектов повышает температуру в зоне реакции до 1400°С и выше, и обеспечивает полное расплавление матрицы.

Преимущество предлагаемого способа состоит в том, что, во-первых, в процессе механической активации порошковой смеси происходит равномерное распределение компонентов реакции и их фиксация друг относительно друга, во-вторых, для нагрева исходной заготовки до температуры возбуждения экзотермической реакции не требуется использования мощного оборудования, наведения электромагнитных полей, индукционных токов, вакуумирования большого объема внутреннего пространства печи (а только объема кончика проволоки), в третьих, при относительно невысоких скоростях прохождения реакции и последовательной кристаллизации относительно небольших объемов получаемого материала, образуется плотная равномерная структура с улучшенными механическими свойствами изделий из этого материала. Кроме того, производственный процесс проходит в контролируемых условиях, реакция имеет управляемый характер, что делает процесс технологичным и безопасным.

Существенным отличием предлагаемого способа от известного является возможность использования внутренней энергии, запасенной на этапе предварительной механоактивации порошков и реализации экзотермических реакций для получения композиционного материала. Предлагаемый способ получения материала, позволит сократить технологические операций, снизить энергозатраты, а также повысить эффективность использования исходных материалов.

Пример 1.

Получение композиционного материала на основе алюминиевой матрицы, армированной бором, вольфрамом, цирконием и углеродом. Состав смеси, об.%: 60,0 Al -27,0 В - 9,0 С - 4,0 Zr и 67,7 Al - 15,0 В - 15,0 W - 2,4 С. Смесь армирующих компонентов и матрицы подвергают механической активации в шаровой мельнице Retch РМ 400 со скоростью 200 об/мин в течение 40 минут в среде технического аргона. Полученную активную смесь поместили в тонкостенную алюминиевую трубку, сформировав электрод, и инициировали экзотермический процесс электрической дугой. Последовательные движения кончиком электрода сначала по поверхности подложки из стали, а далее по закристаллизовавшемуся слою, позволяют сформировать образец из композиционного материала на основе алюминия, армированного карбидами циркония и бора. Образец практически не имеет адгезии по границе раздела со стальной подложкой.

Пример 2.

Изготавливают композиционные гранулы аналогично примеру 1 и в готовую смесь добавляют порошок флюса для алюминиевого расплава. Последовательные движения кончиком электрода по поверхности подложки из алюминия, позволяют сформировать покрытие на алюминиевой подложке из композиционного материала на основе алюминия, армированного карбидами циркония и бора. Покрытие имеет высокую адгезию по границе раздела с алюминиевой подложкой, повышает ее механические характеристики, и может играть роль защитного слоя от ионизирующего гамма и нейтронного излучения.

Пример 3.

Изготавливают композиционные гранулы аналогично примеру 1 и в готовую смесь добавляют порошок флюса для алюминиевого расплава. Композиционные гранулы равномерным слоем располагают на алюминиевой подложке. Неплавящимся электродом возбуждают дугу низкой энергии, не способной полностью расплавить композиционные гранулы. За счет суммарного энергетического эффекта, исходная смесь непосредственно под дуговым разрядом расплавляется и образует надежную связь с подложкой. Последовательные движения дугового пятна с перекрытием позволяют сформировать на алюминиевой подложке надежное покрытие из композиционного материала на основе алюминия, армированного карбидами циркония и бора. Покрытие имеет высокую адгезию по границе раздела с алюминиевой подложкой, повышает ее механические характеристики, и может играть роль защитного слоя от ионизирующего гамма и нейтронного излучения.

Пример 4.

Изготавливают композиционные гранулы аналогично примеру 1 и в готовую смесь добавляют порошок флюса для алюминиевого расплава. Композиционные гранулы равномерным слоем располагают на алюминиевой подложке. Неплавящимся электродом возбуждают дугу низкой энергии, не способной полностью расплавить композиционные гранулы. За счет суммарного энергетического эффекта, исходная смесь непосредственно под дуговым разрядом расплавляется и образует надежную связь с подложкой. Движение дугового пятна по определенной траектории приведет к формированию монолитного слоя с конфигурацией, повторяющей траекторию движения дуги. Далее снова засыпают поверхность композиционными гранулами равномерным слоем и повторяют движение дуги. Слой компактного материала удвоился по толщине, аналогично процессам селективного спекания в аддитивных технологиях. Таким образом, возможно формирование детали из композиционного материала на основе алюминия, армированного карбидами циркония и бора. Конечное изделие обладает высокой когезией слоев, обуславливающих ее высокие механические характеристики.

Таким образом, предложенный способ позволяет получать целый ряд металломатричных композиционных изделий сложной конфигурации с высокими прочностными характеристиками, с равномерным распределением свойств, с возможностью их варьирования в зависимости от требований, предъявляемых к данному изделию, без утраты упрочняющих свойств армирующих элементов, без необходимости применения специального оборудования, высоких давлений, высоких температур, специальной атмосферы. Применение предлагаемого способа позволит повысить качество и надежность изделий из МКМ.

1. Способ получения алюмоматричного композитного материала, содержащего алюминиевую матрицу и керамический упрочнитель, включающий обработку исходной смеси порошков алюминия и элементов, образующих керамический упрочнитель, путем механического легирования, отличающийся тем, что механическое легирование осуществляют в шаровых размольно-смесительных установках при энергонапряженности 0,02-2 кВт/л в течение 0,5-30 часов в среде аргона, обработанную смесь порошков помещают в тонкостенную трубочку из материала, аналогичного матричному с формированием электрода, нагревают его до температуры начала экзотермической реакции с последующей кристаллизацией образовавшихся капель расплава на металлической подложке путем перемещения электрода с формированием непрерывного слоя композиционного материала с заданным составом.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для нагрева электрода используют электрическую дугу, лазерное или световое излучение, а также твердый контактный нагреватель.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве элементов для армирующего керамического упрочнителя используют вольфрам, бор, углерод, цирконий, ниобий.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что композиционный материал формируют в виде монолита или покрытия.