КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ (ЕГО ВАРИАНТЫ) И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ Российский патент 1999 года по МПК C22C30/00 C22C1/04 B22F3/16 

Изобретение относится к получению жаропрочных композиционных материалов, способных работать в напряженных узлах двигателей в окислительной атмосфере.

Известны композиции из одноосно ориентированной вольфрамовой проволоки или вольфрамовых (молибденовых) волокон, запеченных в моноалюминид никеля [Банных О.А., Поварова К.Б. Интерметаллиды - новый класс легких жаропрочных и жаростойких материалов // Технология легких сплавов - 1992. - N 5. - С. 26-32] . За счет тугоплавкости вольфрама (молибдена) они сохраняют прочность до 1200^oC, но подвержены риску быстрого выгорания вольфрамовой (молибденовой) проволоки (или волокон) при растрескивании алюминидного покрытия, так как оксиды вольфрама (или молибдена) при этих температурах испаряются. В композиции NiAl - (10-40)% вольфрама в виде проволоки рабочее напряжение составляет 110 МПа при 1100^oC.

Задачей было создание жаропрочной композиции, имеющей рабочую температуру выше 1100^oC и не подверженную в окислительной атмосфере выгоранию компонентов при повреждении поверхности.

Предлагаемая композиция представляет собой трехмерную микроскопическую сетку (случайные соты) из тугоплавкого металла, ячейки которой заполнены моноалюминидом никеля или сплавами на его основе. Количество алюминия в композиции 35-48% атомных. Толщина стенок ячеек сетки 1-5 мкм. В качестве тугоплавкого металла материал содержит вольфрам и/или молибден при следующем соотношении компонентов, атм.%:
Алюминий - 35 - 48
Никель - 35 - 48
Вольфрам и/или молибден - 30 - 4
При указанных количестве алюминия и толщине стенок ячеек образующаяся по мере нагрева на воздухе пленка оксида Al₂O₃ сплошная и закрывает также и выходы на поверхность металла сетки. Такая пленка защищает композицию от окисления, а при повреждениях самовосстанавливается. Защита от окисления достигается за счет того, что вольфрам и молибден испаряются в виде оксида с постоянной скоростью (глубина образующейся щели пропорциональна времени). В то же время пленка оксида алюминия на обнажившейся поверхности интерметаллида нарастает со временем по параболическому закону. Тогда достаточно узкая щель между частицами зарастает оксидом алюминия, прежде чем частица интерметаллида окислится со всех сторон. Поэтому существует верхний предел полезной толщины слоя металла - как найдено, около 5 мкм. Нижний предел (1 мкм) ограничен возможностями всестороннего равномерного покрытия частиц интерметаллида вольфрамом и/или молибденом при указанной технологии.

Нижняя граница содержания алюминия определяется тем, что в сплавах, содержащих менее 35% атомных алюминия, сплошная пленка его оксида не образуется. Верхняя граница установлена в 48% атомных алюминия, поскольку с ростом содержания интерметаллида падает объемная доля тугоплавкого металла и прочность. Границы для содержания никеля установлены так, чтобы получать постоянное стехиометрическое соотношение, соответствующее химической формуле интерметаллида. Тем самым содержание интерметаллида задано, вольфрам и/или молибден составляют остальное.

Соответствующие количества, пересчитанные в массовые проценты, различаются в зависимости от заданной пропорции вольфрам: молибден (чем больше вольфрама, тем выше прочность, но вместе с тем и плотность композиции; оптимум зависит от назначения материала).

Композиционный материал, содержащий тугоплавкий металл и моноалюминид никеля, отличается еще тем, что до 12% атомных никеля могут быть заменены на ниобий или титан при следующем соотношении компонентов, атм.%:
Алюминий - 35 - 48
Никель - 23 - 48
Ниобий и/или титан - До 12
Вольфрам и/или молибден - 30 - 4
Ниобий и/или титан вводятся в состав за счет никеля, чтобы получить двухфазное состояние интерметаллида (с фазой Гейслера или Лавеса) для замедления ползучести. Верхний предел для них указан в связи с худшей холодной пластичностью двухфазного интерметаллида.

Достигаемый технический результат: повышение рабочей температуры материала до 1200^oC при пределе текучести не ниже 100 МПа и возможности длительной работы на воздухе.

Пример 1. Моноалюминид никеля приготавливался распылением расплава и отсевом нужной фракции. Перед компактированием тугоплавкий металл (вольфрам) наносился на поверхность гранул термическим разложением паров соответствующего карбонила в фонтанирующем слое [Ермилов А.Г., Рупасов С.И., Сафонов В.В. , Кулифеев А.В. Капсулирование порошковых материалов в условиях термоциклирования // Изв. Вузов. Цветная металлургия. - 1996. - N 4. - С 51-56]. Гранулы моноалюминида никеля размером 10-20 мкм покрывали слоем вольфрама толщиной 1-3 мкм. Компактирование проводилось методом горячего прессования при температуре 1200^oC.

После компактирования вольфрам образовал сплошную сетку, ячейки которой заполнены моноалюминидом никеля. Предел текучести композиции при сжатии составил 110 МПа при 1200^oC. Окисление при непрерывном нагреве на воздухе композиции и чистого компактного моноалюминида никеля не различалось, заметное по привесу окисление началось только выше 1250^oC.

Пример 2. На гранулы моноалюминида никеля, легированного титаном, наносили тем же способом последовательно слой вольфрама и слой молибдена той же толщины. Дальнейшая обработка и конечная структура такие же, как в примере 1.

Изобретение относится к жаропрочным композиционным материалам, способным работать в напряженных узлах двигателей в окислительной атмосфере при температурах выше 1100^oС. Композиционный материал содержит тугоплавкий металл вольфрам и/или молибден и моноалюминид никеля, структура материала выполнена в виде трехмерной сетки тугоплавкого металла с ячейками, заполненными моноалюминидом никеля, с толщиной стенки ячейки 1-5 мкм при следующем соотношении компонентов, атм.%: алюминии 35-48, никель 35-48, вольфрам и/или молибден 30-4, при этом до 12% атомных никеля могут быть заменены на ниобий и/или титан при следующем соотношении компонентов, атм.%: алюминий 35-48, никель 23 - 48, ниобий и/или титан до 12, вольфрам и/или молибден 30 - 4. Способ включает приготовление порошкообразного моноалюминида никеля, нанесение на поверхность частиц моноалюминида никеля покрытия из тугоплавкого металла вольфрама и/или молибдена толщиной 1-5 мкм, его компактирование и спекание. Предел текучести материала при сжатии составил 110 МПа при 1200^oС. Окисление при непрерывном нагреве на воздухе материала и чистого компактного моноалюминида никеля не различалось. 3 с. п. ф-лы.

1. Композиционный материал, содержащий тугоплавкий металл вольфрам и/или молибден и моноалюминид никеля, отличающийся тем, что структура материала выполнена в виде трехмерной сетки тугоплавкого металла с ячейками, заполненными моноалюминидом никеля, с толщиной стенки ячейки 1 - 5 мкм при следующем соотношении компонентов, атм.%:
Алюминий - 35-48
Никель - 35-48
Вольфрам и/или молибден - 30 - 4
2. Композиционный материал, содержащий тугоплавкий металл вольфрам и/или молибден и моноалюминид никеля, отличающийся тем, что структура материала выполнена в виде трехмерной сетки тугоплавкого металла с толщиной стенок ячеек 1 - 5 мкм, при этом до 12 атм.% никеля заменены на ниобий и/или титан при следующем соотношении компонентов, атм.%:
Алюминий - 35-48
Никель - 23 - 48
Ниобий и/или титан - до 12
Вольфрам и/или молибден - 30 - 4
3. Способ получения композиционного материала, включающий приготовление порошкообразного моноалюминида никеля, его компактирование и спекание, отличающийся тем, что перед компактированием на поверхность частиц моноалюминида никеля наносят покрытие из тугоплавкого металла вольфрама и/или молибдена толщиной 1 - 5 мкм.