СПОСОБ СПЕКАНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ БЕЗ ДАВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЕ СПОСОБА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛЫХ СФЕР Российский патент 2010 года по МПК B22F3/10 

Область техники

Настоящее изобретение относится к способу соединения спеканием металлических частиц, используемых в горячих деталях авиационных двигателей.

Предшествующий уровень техники

Звуковое излучение самолета при коммерческом использовании при взлете может достигать 155 дБ величины, большей порогового значения боли в ушах, составляющего 130 дБ. Таким образом, желательно уменьшить указанный уровень звукового излучения. Один путь для решения данной проблемы заключается в поглощении шума в одной из точек его излучения, то есть на уровне двигателей. Такая задача была решена в “холодных” частях двигателей, но “горячие” части до настоящего времени не были предметом акустической обработки. Поэтому желательно разработать материал, обладающий функцией акустического поглощения, предназначенный для горячих частей самолетных двигателей. Это возможно путем изготовления сопла, способного частично поглощать шум, производимый внутри двигателя.

Кроме того, чтобы дополнить функцию защиты предметов и людей, особый интерес представляет изготовление систем, способных поглощать много кинетической энергии, но имея при этом очень малый вес.

Система, которая может отвечать указанным различным техническим требованиям, - это использование ячеистых материалов на основе шариков.

Однако в настоящее время на рынке существуют только сферические частицы на основе никеля и керамические или органические сферические частицы. Соединение упомянутых элементов спеканием не позволяет варьировать до бесконечности сочетания, желательные для реализации вышеупомянутых задач, и, кроме того, температурные характеристики частиц предельно ограничены как на уровне механической прочности, так и на уровне устойчивости в окислительной и корродирующей окружающей среде в самолетных двигателях.

Порошковая металлургия позволяет формировать сплошной металлический сплав, в частности, авиационный суперсплав на основе никеля, начиная со спекания порошка. Способы уплотнения весьма многочисленны: динамическое и изостатическое прессование, трамбование и.т.д., причем упомянутые методы применяют при высокой температуре или при температуре, составляющей около двух третей от температуры плавления. Наоборот, уплотнение естественным спеканием при той же самой температуре, то есть без приложения внешнего давления, отличного от земного гравитационного поля, приводит к получению пористого сплава.

Чтобы разрешить указанные трудности, было решено разработать новый металлический материал, который будет обладать следующими преимуществами:

- получение, исходя из металлического суперсплава на основе никеля, путем порошковой металлургии, но уплотнение которого осуществляется без приложения внешнего давления,

- возможность иметь характеристики, предписываемые в технических требованиях, исходящих из моделирования,

- возможность использовать материал, наиболее подходящий для применения,

- возможность изготовить плотные стенки за одну операцию,

- возможность получения многофункционального материала.

Краткое изложение существа изобретения

Задачей настоящего изобретения является создание способа соединения спеканием в вакууме металлических частиц, способных вступать в эвтектическую реакцию с углеродом в присутствии органического материала, выполняющего первоначально функцию связующего.

Согласно указанному способу вышеупомянутые частицы и органический материал нагревают в вакууме ниже 10^-3Па, при этом элементарный углерод, образующийся в результате разложения органического материала, восстанавливает металлическую частицу, затем нагрев осуществляют при температуре, равной или немного большей температуры образования эвтектической смеси между углеродом и металлическими компонентами вышеупомянутых частиц, чтобы получить локальное расплавление.

Поддерживание температуры на величине, равной или немного большей температуры эвтектики, обеспечивает то, что жидкая фаза находится исключительно в зоне, где частицы контактируют с углеродом, при этом остальная часть частиц остается в твердой фазе, способной обеспечить механическую прочность частиц во время спекания.

Сохранение твердой фазы необходимо, в частности, при изготовлении полых частиц из зерен порошка суперсплава. В результате, диаметр полой частицы обычно в 10-100 раз больше толщины стенки, которая обычно в 2-10 раз превышает средний диаметр зерен, которые ее образуют.

дополнительные характеристики изобретения изложены ниже.

Вакуум ниже 10^-4 Па.

Спекание осуществляют при отсутствии механического напряжения.

Частицы представляют собой зерна порошка.

В вакууме при указанной температуре нагревают смесь металлического порошка и органического связующего, содержащую, в известных случаях, растворитель.

В вакууме при указанной температуре нагревают множество твердых зародышей из органического материала, каждый из которых покрыт смесью металлического порошка и органического клея, с получением множества полых металлических частиц, имеющих в основном форму и размеры исходных зародышей, связанных между собой спеканием.

В вакууме при указанной температуре нагревают множество полых металлических частиц, связанных между собой при помощи органического клея, при этом спекание заменяют на склеивание.

После спекания проводят обезуглероживающую обработку.

Металлические частицы состоят из никеля и/или кобальта или их сплавов, в частности, суперсплавов на основе никеля и/или кобальта.

Согласно одному аспекту изобретения, конечное изделие получают в форме или заготовке, в которую вводят металлический порошок, полученный таким образом, чтобы образовать массу или пасту, или любую другую легко инжектируемую тиксотропную смесь.

Согласно другому аспекту изобретения, металлический порошок наносят на поверхность частиц, таких как шарики, для этого наклеивают порошок сплава, требуемого для изготовления корпуса, на поверхность сферических частиц.

Таким образом, изобретение содержит следующие этапы:

приготавливают смесь порошка металлического сплава с органическим исходным веществом с получением тиксотропной смеси, пригодной для инжектирования в форму или в заготовку,

наносят полученную смесь для формирования полой сферы,

осуществляют защиту по выбору материала путем алюминирования (алитирования).

В случае изготовления полых сфер можно использовать технологии размещения навалом, не обращаясь к публикации FR 2585445 A.

Следующие предпосылки использовались для создания изобретения.

1. Органическое вещество, состоящее из молекул на основе химии углерода, когда его подвергают воздействию высокого вакуума (P<10^-3 Па) и высокой температуры (Т>150°С), переходит из твердого (или жидкого) состояния в парообразное состояние либо путем прямого испарения или сублимации, либо путем разложения на одно или несколько элементарных веществ, которые также способны переходить в парообразное состояние. Для соответствующим образом выбранных органических веществ это справедливо для более 90% материала, подвергнутого воздействию высокой температуры в вакууме. Но, если имеет место разложение, на поверхности емкости, содержащей органическое вещество, могут остаться следы элементарного углерода, имеющего высокую реакционную способность по отношению к кислороду.

2. Окисленный металлический элемент, то есть покрытый слоем оксидов, самопроизвольно образующихся в результате контактирования данного материала при комнатной температуре с атмосферой, богатой кислородом и водяным паром, приведенный в контакт с элементарным углеродом в вакууме, ниже 10^-3 Па и при температуре выше 500°С, самопроизвольно восстанавливается согласно следующим реакциям:

M_xO_y+yC→xM+yCO ↑

M_xO_y+yCO→xM+yCO₂ ↑

Это является первой функцией углерода.

3. Когда металлические элементы восстановлены на стадии 2, они находятся в непосредственном контакте с углеродом. Эвтектического плавления можно добиться, поднимая температуру и используя углерод в качестве флюса. Это является второй функцией углерода. Осуществляют, в частности, эвтектическую реакцию с углеродом: Co (T_пл=1320°С), Cr (T_пл=1534 °С), Fe (T_пл=1153°С), Ni (T_пл=1326°С), Pd (T_пл=1504°С). Таким образом, можно легко осуществить спекание, то есть в данном случае локальное плавление любого порошкообразного сплава, в частности, на основе никеля и/или кобальта, начиная с температуры, превышающей на несколько градусов температуру соответствующей эвтектики. Без восстановления плавление при указанных температурах происходить не может.

Для этого достаточно перевести сплав, который хотят получить, в порошок (преимущественно, но необязательно, около 40 мкм), приготовить массу на основе порошка, к которому добавлено связующее, которое может представлять собой, например, эпоксидный клей, разведенный этиловым спиртом, полиметилметакрилат, растворенный в ацетоне, или метилцеллюлозу в водном растворе. Полученную таким образом смесь сушат в сушильном шкафу (Т>80°С) для того, чтобы удалить растворитель (этиловый спирт, ацетон или воду, или любой полярный растворитель). Затем смесь помещают в камеру с вакуумом ниже 10^-3 Па и отжигают при температуре, выше температуры плавления эвтектики металл-углерод. По окончании реакции получают первоначальный сплав и химические анализы, проведенные на полученном небольшом слитке, показывают, что загрязнение углеродом остается в пределах допуска. Данная технология применима для изготовления полых сфер из суперсплава.

Изобретение иллюстрируется ниже примерами, не носящими ограничительного характера.

Пример 1

Спекали порошок Astroloy, суперсплава на соснове никеля, состав которого в мас.%, следующий: Cr 15, Co 17, Mo 5,3, Al 4,0, Ti 3,5, C 0,06, B 0,03, Ni, остальное - до 100, чтобы получить исходный суперсплав. Температура эвтектической смеси Astroloy с углеродом составляет 1250°С.

Для этого смешивали порошок с поливиниловым спиртом с водой в качестве растворителя. Полученная масса содержит 60 об.% металлического порошка. После горячей сушки в течение 16 часов при 80°С для удаления воды систему помещали в камеру с вакуумом ниже 10^-3 Па. Медленно (приблизительно 1°С в минуту) нагревали систему до достижения температуры разложения органического связующего (около 450°С). После, приблизительно, двухчасового горизонтального участка систему затем нагревали до 1250°С при скорости подъема температуры 100°С в минуту. После горизонтального участка, продолжительностью 10 минут, систему быстро охлаждали до комнатной температуры.

При изъятии из печи получали сплошной материал без пор. Металлографическое исследование обнаруживает классическую структуру исходного суперсплава, а именно, матрицу из гамма-никеля, в которой диспергированы осадки гамма-прим N₃(Al, Ti). Химический анализ соответствует анализу исходного материала.

Если был обнаружен избыток углерода, содержание данного элемента могло бы быть уменьшено обезуглероживающей обработкой, такой как термообработка в атмосфере влажного водорода, хорошо известная специалистам в данной области.

Пример II

Использовали технологию, заключающуюся в приклеивании порошков суперсплава непосредственно на поверхность шариков. По сравнению с композиционным электролитическим покрытием технология приклеивания позволяет получить сферы, состав которых намного ближе к составу суперсплава. Технология обеспечивает бесконечную возможность варьирования химических составов, которые связаны с природой используемого порошка.

Порошки непосредственно наклеивают на поверхность сферических основ из полистирола согласно следующей методике.

Cмешивали на часовом стекле около 90 см³ порошка Astroloy D₅₀≈10 мкм и 10 см³ эпоксидного клея марки ARALDITE 2011 при помощи пистолета-аппликатора, который позволяет дозировать различные количества клея и отвердителя с получением оптимальной смеси, рекомендуемой производителем.

На второй стадии добавляли сотню шариков из полистирола.

Затем при помощи второго часового стекла катали шарики из смеси порошок+эпоксидный клей.

Как только вся поверхность сферических основ покрыта, шарики, покрытые таким образом, размещали на перфорированной пластине и помещали в сушильный шкаф для сушки при 60°С.

Полученная толщина слоя порошок+клей составляла около 0,1 мм.

Чтобы сохранить достаточную механическую прочность сферических частиц, становящихся полыми при удалении основы, был разработан способ термообработки нового типа. Для этого шарики помещали на подложку соответствующей формы, в зависимости от конечной структуры, которую хотели получить, например, подложку в форме двугранного угла, чтобы достичь плотной укладки, затем помещали в вакуумную печь в тигле из оксида алюминия, снабженном крышкой с отверстиями, предназначенной для сохранения шариков на месте во время операций откачки. Как только вакуум достигал 10^-3 Па, проводили следующую термообработку.

Поднимали температуру со скоростью 0,5°С в минуту до температуры 450 °С.

Горизонтальный участок температурной кривой составлял 120 минут.

Осуществляли подъем температуры со скоростью 100°С в минуту до температуры 1250°С.

Горизонтальный участок температурной кривой составлял 20 минут.

Осуществляли быстрое охлаждение (от 1250°С до 600°С в течение 20 минут).

Данная процедура была выбрана из-за легкости, допускающей минимальное число стадий, ввиду возможности создания промышленной технологии для определенного применения. Во время отжига в вакууме полистирол и эпоксидный клей вносят свой вклад в обогащение поверхности каждого зерна порошка небольшим количеством элементарного углерода. Как только углерод образовался, проходит реакция восстановления каждого зерна порошка. Наконец, после достижения температуры плавления эвтектической смеси, образуемой углеродом с Ni и другими составляющими элементами суперсплава, или 1250 °С, происходит частичное плавление поверхности каждого зерна порошка. Кроме того, благодаря присутствию жидкой фазы шарики в ходе формирования соединяются между собой. Данная технология позволяет получить структуру, образованную из множества шариков из суперсплава на основе никеля.

Пример III

В данном примере осуществляли эвтектическую пайку, просто загрязняя изделия из чистого никеля углеродом. Более конкретно, следовало соединить полые сферические частицы из никеля, поставляемые фирмой ATECA.

Шарики склеивали эпоксидным клеем ARALDITE 2011, разбавленным спиртом, данное разбавление имеет целью увеличить время манипулирования с шариками перед полимеризацией. После сушки в сушильном шкафу на воздухе при температуре 80°С в течение 2 часов шарики помещали в камеру с вакуумом ниже 10^-3 Па. Затем систему подвергали следующей программе нагрева: подъем температуры со скоростью 100°С в минуту до температуры 1350°С, или температуры, на 25°С большей температуры эвтектики Ni-C, затем горизонтальный участок температурной кривой в течение 10 минут, быстрое охлаждение (от 1350°С до 600°С за 25 минут, приблизительно). После охлаждения констатировали, что шарики спаяны между собой, как это показывают мениски, образовавшиеся в точках их контактов. Шарики невозможно разделить.

Для сравнения, сферические частицы из той же самой партии были тщательно обезжирены и подвергнуты такой же термообработке в вакууме. По окончании эксперимента в точках контакта никакой мениск не образовался. Наблюдалось только небольшое взаимное проникновение в тех же самых точках контакта, но шарики легко разделялись.

Естественно, изобретение можно применять к другим металлическим материалам, отличным от материалов, упомянутых в примерах, приведенных выше, и, в частности, ко всем суперсплавам на основе никеля и/или кобальта.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению металлических сплавов спеканием без давления. Металлические частицы, способные вступать в эвтектическую реакцию с углеродом, связанные органическим материалом, нагревают в вакууме ниже 10^-3 Па. При этом элементарный углерод, образующийся в результате разложения органического материала, восстанавливает металлическую частицу. Затем нагревают при температуре, равной или немного большей температуры образования эвтектической смеси между углеродом, образовавшимся в результате разложения органического материала, и металлическими компонентами частиц, для осуществления локального плавления. Способ позволяет получить прочный, плотный материал при сниженном загрязнении углеродом. 7 з.п. ф-лы.

1. Способ соединения спеканием в вакууме металлических частиц, способных вступать в эвтектическую реакцию с углеродом, первоначально связанных между собой органическим материалом, отличающийся тем, что нагревают металлические частицы и органический материал в вакууме ниже 10^-3 Па, при этом элементарный углерод, образующийся в результате разложения органического материала, восстанавливает металлическую частицу, а затем нагревают при температуре, равной или немного большей температуры образования эвтектической смеси между углеродом, образовавшимся в результате разложения органического материала, и металлическими компонентами частиц, для осуществления локального плавления.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что поддерживают вакуум ниже 10^-4 Па.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что спекание осуществляют при отсутствии механического напряжения.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанные частицы представляют собой зерна порошка.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что нагревают в вакууме при указанной температуре множество твердых зародышей из органического материала, каждый из которых покрыт смесью из металлического порошка и органического клея, и получают множество полых металлических частиц, имеющих в основном форму и размеры исходных зародышей, связанных между собой спеканием.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагревают в вакууме при указанной температуре множество полых металлических частиц, связанных между собой посредством органического клея.

7. Способ по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что после спекания проводят обезуглероживающую обработку.

8. Способ по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что металлические частицы образованы из никеля и/или кобальта или их сплавов, в частности суперсплавов на основе никеля и/или кобальта.