СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗДЕЛИЯ ИЗ СЛОИСТОГО КОМПОЗИТА НА ОСНОВЕ ПЕНОАЛЮМИНИЯ Российский патент 2012 года по МПК B22F3/11 B22F3/18 B22F7/02 C22C1/08 

Изобретение относится к области порошковой металлургии и может быть использовано при изготовлении слоистых композитов на основе пеноалюминия, обладающих таким уникальным набором свойств, как прочность, легкость, энергопоглощение, звуко- и теплоизоляция, негорючесть и экологичность.

Реализация изобретения способствует развитию технологий строительства и машиностроения, защите здоровья и жизни людей за счет внедрения спектра современных конструкционных материалов, обладающих уникальным комплексом полезных потребительских свойств для строительства, транспорта и машиностроения, специальных применений (в том числе защите от взрыва и огнестрельного оружия, пожаров, электромагнитного излучения и др.) с уровнем затрат на производство, позволяющих заместить существующие конкурирующие материалы.

Известен способ получения пористых полуфабрикатов и готовых изделий из порошков алюминиевых сплавов, включающий смешивание порошков алюминиевых сплавов с порофорами с температурой разложения, превышающей температуру солидуса-ликвидуса порошка алюминиевого сплава, засыпку полученной смеси в емкость из алюминиевого сплава, нагрев емкости со смесью порошков, горячее прессование, повторный нагрев, горячую деформацию прессованной заготовки, в частности, прокаткой, ее охлаждение и последующую высокотемпературную обработку в форме с повторным охлаждением (патент РФ №2154548, B22F 3/00, 3/24, 3/18, 1999 г.).

Недостатком этого способа является невысокая производительность вследствие значительного количества технологических операций и их значительной продолжительности и, следовательно, достаточно высокая себестоимость изделий.

Известен способ получения пористых полуфабрикатов из порошков алюминиевых сплавов, включающий смешивание порошков алюминиевого сплава с порофорами с температурой разложения, превышающей температуру расплавления порошка алюминиевого сплава, засыпку полученной смеси в емкость, нагрев емкости со смесью порошков в атмосфере инертного газа, горячее компактирование, охлаждение, прокатку листа, разрезание заготовки на мерные части, помещение их в форму со стенками из теплоизоляционного материала, последующую высокотемпературную термообработку для осуществления процесса порообразования при температуре ликвидуса порошкового сплава и повторное охлаждение. При этом указанный способ предполагает смешивание в атриттере до получения механически легированного порошкового сплава с последующим горячим непрерывным компактированием или прессованием на прокатном стане с замкнутым ручьем и горизонтальными валками (патент РФ №2200647, B22F 3/11, C22C 1/08).

Указанный способ является наиболее близким аналогом настоящего изобретения по совокупности существенных признаков (прототипом).

Недостатками указанного способа являются ограниченная возможность получения различной структуры пористых изделий и, как следствие, типовые (обычные) механические характеристики изделий, а также технологическая необходимость использования инертного газа (аргон, азот) при нагревании порошковой смеси, что усложняет технологическую цепочку и увеличивает производственные затраты.

Технической задачей предлагаемого изобретения является расширение технологических возможностей получения различных структур пористых изделий (сэндвичей) на основе пеноалюминия, типа слоистых композитов, в том числе пористого слоя, состоящего из слоев различного химического состава, пористого слоя, разделенного на слои листами металлов, обеспечение возможности упрочнения изделий различными материалами и способами (в том числе за счет формирования наноструктур в сырье и/или конечном изделии) и, как следствие, в повышении конструкционных свойств, расширении ассортимента и, соответственно, спектра применений изделий, в том числе использования для баллистической защиты.

Технический результат заключается в том, что в способе получения изделия из слоистого композита на основе пеноалюминия, включающем получение порошковой смеси смешением порошка алюминиевого сплава с порофором, температура разложения которого превышает температуру плавления порошка алюминиевого сплава, заполнение формовочного контейнера порошковой смесью, нагрев, компактирование формовочного контейнера горячей прокаткой с получением заготовки, укладку заготовки в форму для вспенивания, нагрев и вспенивание заготовки с получением изделия и охлаждение формы со вспененным изделием, заполнение формовочного контейнера производят одним или несколькими горизонтальными слоями, горячую прокатку проводят при удельном давлении 20-130 МПа, вспенивание осуществляют с выдержкой 0,5-2,0 минуты при температуре выше температуры разложения порошкообразного вспенивающего материала, суммарное время выдержки от начала разложения порошкообразного вспенивающего материала до достижения температуры ликвидуса алюминиевого сплава при охлаждении формы со вспененным изделием составляет 1,5-4,0 минуты.

Заполнение формовочного контейнера выполняют горизонтальными слоями порошковых смесей разного состава, причем толщина горизонтальных слоев может быть различной.

Используют формовочный контейнер из плоского мерного листа металлического проката.

Используют формовочный контейнер из непрерывной ленты металлического проката, разрезаемой после горячего компактирования на мерные части.

Для приготовления смеси используют порошки алюминиевых сплавов с нанокристаллической структурой с размером зерна 20-200 нм.

Порошки алюминиевых сплавов с нанокристаллической структурой получают механическим легированием.

Порошки алюминиевых сплавов получают из вторичного алюминиевого сырья и алюминиевых отходов.

Проводят дополнительную упрочняющую термическую обработку вспененного изделия.

Нагрев заготовки осуществляют индукционным способом.

Формовочный контейнер используют в качестве плакирующего металлического слоя или слоев.

Для создания слоистой структуры изделия, в том числе для плакирования, в формовочный контейнер между слоями порошковой смеси дополнительно загружают металлические листы.

Плакирующие металлические листы подвергают предварительной термической обработке для упрочнения.

Для создания ровной поверхности слоистого композита в формовочный контейнер дополнительно загружают нижний и верхний горизонтальные слои из порошка алюминиевого сплава.

Плакирующие слои с разных сторон изделия могут иметь разный химический состав.

Плакирующие слои с разных сторон изделия выполняют разной толщины.

Плакирующий слой выполняют с одной стороны изделия.

Плакирующие слои выполняют из алюминия и его сплавов, титана и его сплавов или сталей.

В состав порошковой смеси дополнительно вводят упрочняющие добавки из порошкообразных керамических материалов.

В формовочный контейнер между слоями порошковой смеси дополнительно загружают слои упрочняющих добавок.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом.

Способ получения слоистых композитов на основе пеноалюминия состоит в том, что порошки алюминиевых сплавов смешивают с порошком или гранулами вспенивающего материала, которым является гидрид титана, в количестве от 0,5 до 1,5% (массовых) с температурой разложения, превышающей температуру плавления порошка алюминиевого сплава. Смешение происходит, например, в вибросмесителе. Полученную смесь подают ровным горизонтальным слоем в плоский металлический формовочный контейнер, по размеру соответствующий требуемому размеру конечного изделия и обеспечивают высоту слоя порошковой смеси в зависимости от требований к толщине слоистого композита. Загрузка порошковой смеси может происходить в один прием или слоями, причем слои могут иметь различный состав и толщину, например, пограничные слои с контейнером могут быть выполнены из порошка алюминиевого сплава без добавки вспенивающего материала для обеспечения ровной поверхности конечного изделия. Контейнер выполняют из стального листа и после загрузки порошковой смеси закрывают сверху плоским мерным листом с завальцовкой края контейнера по всему периметру. После этого в печи контейнер равномерно по всей площади нагревают до температуры 450-550°C в зависимости от состава порошкового материала и подают на горячее компактирование на прокатном стане в горизонтальной плоскости. При этом обеспечивают удельное давление на уровне 20-130 МПа, что при указанной температуре нагрева контейнера достаточно для обеспечения относительной плотности скомпактированной порошковой смеси - не менее 97%. Понижение давления ниже границы указанного диапазона приводит к недостаточной плотности скомпактированной заготовки, что при дальнейшем вспенивании приводит к некачественной структуре конечного изделия с трещинами и несплошностями, а повышение является избыточным, так как обеспечивает достаточную относительную плотность заготовки более 97% для получения качественных изделий при дальнейшем процессе вспенивания.

Скомпактированный контейнер охлаждают и материал контейнера механически отделяют от скомпактированной из порошка заготовки. Заготовку обрезают по краям по нужному размеру, укладывают в керамическую форму и направляют на вспенивание. Незначительное количество образующихся при обрезке заготовки отходов направляют на измельчение и возвращают на получение порошковой смеси в начало технологического процесса. Стальной материал контейнера отправляется на утилизацию как вторичное сырье.

Керамическая форма разборная и задает размер конечного изделия по периметру, а также толщину по вертикали. Для вспенивания заготовки необходимо расплавить ее материал и обеспечить разложение гидрида титана, которое происходит в зависимости от его состава при температуре 650-690°C. Поэтому температура нагрева в печи вспенивания обычно составляет 750-800°C. Важнейшим технологическим фактором, определяющим, в частности, структуру слоистого композита, является время выдержки скомпактированной заготовки выше температуры разложения порошкообразного вспенивающего материала при вспенивании, которое в настоящем способе составляет 0,5-2,0 минуты. Снижение этого времени приводит к неполному разложению вспенивающего материала и некачественной неоднородной структуре пористого слоя, а увеличение времени выше указанного диапазона приводит к неконтролируемому локальному слиянию пор, их укрупнению, образованию неоднородностей и снижению прочностных характеристик изделия. Для обеспечения фиксации получаемой в жидком состоянии пористой структуры необходимо обеспечить суммарное время выдержки от начала разложения порошкообразного вспенивающего материала до достижения температуры ликвидуса алюминиевого сплава при охлаждении формы со вспененным изделием 1,5-4,0 минуты. В противном случае увеличение времени охлаждения также приведет к изменениям в структуре пористого слоя и потере прочностных характеристик. После охлаждения изделие достают из керамической формы, которую направляют на вспенивание следующего изделия, а слоистый композит является товарным изделием.

Кроме того, заполнение формовочного контейнера выполняют горизонтальными слоями порошков и/или порошковых смесей разного состава, причем толщина горизонтальных слоев может быть различной. Это позволяет формировать различную структуру изделий с заранее прогнозируемыми свойствами, а также достигать дополнительного упрочнения изделия, например, при использовании керамических частиц в отдельных слоях композита.

Кроме того, формовочный контейнер изготавливают из плоского мерного листа металлического проката. Обычно используемый прокат является стальным.

Кроме того, формовочный контейнер изготавливают из непрерывной ленты металлического проката, разрезаемой после горячего компактирования на мерные части. Размер мерных частей соответствует требуемому размеру конечного изделия.

Кроме того, в качестве сырья используют порошки алюминиевых сплавов с нанокристаллической структурой с размером зерна (областей когерентного рассеяния) 20-200 нм. Использование порошков с нанокристаллической структурой позволяет получить существенное улучшение механических свойств конечного изделия по сравнению с полученным при использовании в качестве исходного сырья рядовых порошков алюминиевых сплавов.

Кроме того, порошки алюминиевых сплавов с нанокристаллической структурой получают механическим легированием, которое заключается в обработке порошкообразных компонентов и их смесей различного состава в высокоэнергетических мельницах и последующей консолидации, вновь сформировавшейся активированной смеси, для получения полуфабриката или готовой детали. В этом случае порошки могут быть получены из вторичного сырья, например в высокоэнергетической мельнице (например, планетарной), что обеспечивает снижение стоимости исходного сырья за счет более низкой стоимости вторичного сырья. Во время обработки в высокоэнергетических мельницах происходят изменения внутренней структуры матричных твердых растворов металлических частиц. В результате мощного ударно-истирающего воздействия размер зерна и дефектность структуры твердых растворов изменяются в результате постоянного чередования пластической деформации и рекристаллизационных процессов. При этом наблюдают постепенное уменьшение размера зерна до уровня, величина которого определяется наличием в материале эффективных препятствий для перемещения дислокации и границ зерен. Зерно оказывается тем мельче, чем больше в материале керамических частиц и количество дисперсных матричных фаз, а также чем выше легированность матричного твердого раствора. В таких порошках и впоследствии скомпактированных заготовках размер зерна матричного раствора составляет 20-200 нм.

Кроме того, в способе проводят дополнительную упрочняющую термическую обработку вспененного изделия. Для этого в качестве сырья должны быть использованы порошки, полученные из термически упрочняемых алюминиевых сплавов.

Кроме того, порошки алюминиевых сплавов получают из вторичного алюминиевого сырья и алюминиевых отходов.

Кроме того, нагрев скомпактированной заготовки осуществляют индукционным способом. Индукционный нагрев обеспечивает высокую скорость прогрева заготовки, равномерность ее нагрева по объему и создает возможность реализации необходимого режима охлаждения керамической формы со вспененным изделием.

Кроме того, металл формовочного контейнера используют как слой (или слои) конечного композита, плакирующий пенометаллический слой.

Кроме того, в формовочный контейнер для создания слоистой структуры изделия, в том числе для плакирования, загружают металлические листы. Они формируют ровные плакирующие слои на боковых поверхностях изделия и улучшают конструкционные характеристики.

Кроме того, в частном случае реализации способа плакирующие металлические листы (слои) подвергают предварительной термической обработке для упрочнения.

Кроме того, для создания ровной поверхности слоистого композита нижний и верхний горизонтальные слои загружаемого в формовочный контейнер порошка выполняют из порошка только алюминиевого сплава без добавки порошкообразного вспенивающего материала. Это позволяет получить конечную структуру изделия, практически идентичную плакированной металлическими листами алюминия.

Кроме того, плакирующие слои с разных сторон изделия могут иметь неодинаковый химический состав.

Кроме того, плакирующие слои с разных сторон изделия выполняют разной толщины.

Кроме того, плакирующий слой выполняют с одной стороны изделия.

Кроме того, плакирующие слои могут быть выполнены из алюминия и его сплавов, титана и его сплавов, сталей.

Указанные различные варианты плакирования определяются в конечном счете требованиями к последующему применению изделий.

Кроме того, в состав металлической порошковой смеси включают упрочняющие добавки из порошкообразных керамических материалов.

Кроме того, упрочняющие добавки из порошкообразных керамических материалов в структуре композита расположены слоями. Использование керамических материалов в составе и структуре слоистых композитов связано с задачами в первую очередь специальных применений изделий.

Возможность осуществления изобретения, охарактеризованного приведенной выше совокупностью существенных признаков, а также возможность реализации назначения изобретения может быть подтверждена описанием следующих примеров.

Примеры реализации способа получения слоистых композитов на основе пеноалюминия применительно к производству плоских панелей (сэндвичей) состоят в следующем.

Пример 1

Порошок алюминиевого сплава марки Д16 (термически упрочняемый сплав системы Al-Cu-Mg, температура ликвидус сплава 640-645°C, температура образования легкоплавкой эвтектики 505-510°C) в количестве 100 кг смешали с 0,8 кг вспенивающего материала - порофора (гидрид титана, температура разложения 650-690°C). Смешение проводили в вибросмесителе. Смесь в количестве 10,6 кг засыпали в горизонтальный плоский стальной формовочный контейнер, выполненный из стали толщиной 0,8 мм, размером 950×950 мм и высотой 10 мм. Перед засыпкой смеси на поверхность контейнера засыпали 1,5 кг порошка алюминиевого сплава марки Д16 (без вспенивающего материала) с толщиной слоя 1 мм, и такой же слой засыпали на поверхность ровного смесевого слоя сверху. Таким образом осуществили засыпку формовочного контейнера тремя горизонтальными слоями порошка, два из которых состояли из порошка без порофора, а один (центральный) из смеси с порофором. Формовочный контейнер предварительно уплотнили и закрыли сверху стальным листом, с выполнением завальцовки по периметру.

Закрытый контейнер нагрели в печи до температуры 500°C и провели компактирование горячей прокаткой на прокатном стане при удельном давлении 30 МПа. После охлаждения кромку контейнера обрезали по периметру, контейнер открыли и получили плоскую скомпактированную заготовку толщиной 7 мм и относительной плотностью 97-98%.

Заготовку уложили в разборную керамическую форму для вспенивания размером 900×900 мм и высотой 19 мм, которую нагрели в печи до максимальной температуры 780°C и быстро охладили. При этом время выдержки скомпактированной заготовки при вспенивании выше температуры разложения гидрида титана (выше 690°C) составило 1,0-1,1 минуты, а суммарное время выдержки от начала разложения гидрида титана до достижения температуры ликвидуса алюминиевого сплава Д16 (640-645°C) при охлаждении формы со вспененным изделием составило 2,1-2,3 минуты. Для быстрого охлаждения форма со вспененным изделием была извлечена из печи. После охлаждения форма была разобрана и из нее извлечена вспененная панель. Плотность полученной панели составила 0,65-0,67 г/см³. Панель имела ровные края и плоские верхнюю и нижнюю поверхности. Размер панели составил 900×900×19 мм. Загрузка двух крайних слоев порошка алюминиевого сплава без вспенивающего материала в формовочный контейнер обеспечила формирование плакирующих слоев, образованных расплавленным порошком без порофора, и соответственно ровную поверхность панели, не требующую дополнительной обработки. Полученная панель была подвергнута механическим испытаниям на сжатие, которые показали механическую прочность 11,4 МПа (значение Rp_0,2).

Таким же способом была получена вторая панель, которая была термически упрочнена. После закалки и искусственного старения по режиму: закалка - 480-500°C в течение 8 часов и последующее искусственное старение при 190°C в течение 12 часов, упрочненная панель была подвергнута механическим испытаниям на сжатие, которые показали механическую прочность 17,3 МПа (Rp_0,2). По сравнению с исходным образцом образец после закалки и искусственного старения показал более высокую (на 50%) прочность, что свидетельствует о целесообразности термической обработки пеноалюминиевой панели, полученной из термически упрочняемых сплавов, обеспечивающей дисперсионное упрочнение в результате распада матричного твердого раствора после закалки и старения.

Таким же способом получили третью панель. Отличие способа ее получения состояло в том, что после компактирования горячей прокаткой скомпактированный контейнер был охлажден, выполнена обрезка кромки контейнера, а затем не проводили отделение контейнера от заготовки. Тем самым металл формовочного контейнера использовали как плакирующие слои заготовки. Описанным выше образом провели вспенивание плакированной заготовки в керамической форме высотой 21 мм и получили плакированную панель (слоистый композит), в котором плакировочные слои были выполнены из стали формовочного контейнера. Полученная панель была подвергнута механическим испытаниям на сжатие, которые показали механическую прочность 12,5 МПа (значение Rp_0,2).

Компактирование горячей прокаткой в зависимости от химического состава алюминиевого сырья и структуры конечного слоистого композита ведут при давлении 20-130 МПа. Уменьшение удельного давления менее 20 МПа приводит к получению плохо скомпактированной заготовки с относительной плотностью менее 95%, следствием чего при последующем вспенивании пористый слой панели будет иметь различную, нерегулярную плотность, что приведет к снижению ее механических характеристик. Увеличение удельного давления более 130 МПа при горячей деформации порошков алюминиевых сплавов при температуре 450-500°C не приводит к увеличению относительной плотности скомпактированной заготовки более 99% и соответственно последующему влиянию на структуру и характеристики вспененного изделия и поэтому не является целесообразным.

Уменьшение времени выдержки скомпактированной заготовки при вспенивании выше температуры разложения порошкообразного вспенивающего материала (для гидрида титана выше 690°C) менее 0,5 минуты не является достаточным для полного разложения порофора и формирования однородного по структуре качественного пористого слоя, а увеличение времени выдержки более 2,0 минут приводит к нецелесообразному увеличению размера пор за счет объединения газовых пузырьков в расплаве и последующему ухудшению структуры и механических характеристик конечного изделия.

Суммарное время выдержки от начала разложения порошкообразного вспенивающего материала до достижения температуры ликвидуса алюминиевого сплава при охлаждении формы со вспененным изделием менее 1,5 минут недостаточно для формирования однородного структурно качественного пористого слоя, а увеличение времени более 4,0 минут приводит к неконтролируемому увеличению размера пор при росте газовых пузырьков в расплаве и последующему ухудшению структуры и конструкционных характеристик изделия.

Использованный и отделенный от скомпактированной заготовки стальной контейнер утилизировали как вторичное сырье. Керамическая форма, применяемая при вспенивании, используется многократно в обороте.

Пример 2

В данном примере в качестве сырья использовали порошок алюминиевого сплава марки Д16 (температура ликвидус сплава 640-645°C, температура образования легкоплавкой эвтектики 505-510°C) с нанокристаллической структурой. Порошок получали в высокоэнергетической (планетарной) мельнице марки «Гефест» из сортированного вторичного сырья сплава Д16 и средним размером частиц 4-6 мм и порошка порофора. Количество сырья сплава Д16 составило 21 кг и 0,2 кг вспенивающего материала - порофора (гидрид титана, температура разложения 650-690°C). В результате высокоэнергетического воздействия происходит образование однородного порошкообразного материала, каждая частица которого имеет структуру, состоящую из матрицы с высокой плотностью дефектов кристаллической решетки и равномерно распределенных в матрице дисперсных частиц порофора (гидрида титана).

Во время обработки в высокоэнергетической мельнице происходят изменения внутренней структуры матричных твердых растворов. Исследование субструктуры алюминиевых материалов при механическом легировании алюминиевого сырья выполнено с помощью рентгеноструктурного анализа. При этом однозначная интерпретация результатов рентгеноструктурного анализа реализована вместе с электронно-микроскопическими исследованиями. В материале размер зерна матричного раствора составил 24-72 нм.

Таким образом, в примере реализован способ получения порошка алюминиевого сплава с нанокристаллической структурой механическим легированием.

Смесь после планетарной мельницы в количестве 10,6 кг засыпали в горизонтальный плоский стальной формовочный контейнер, выполненный из стали толщиной 0,8 мм, размером 950×950 мм и высотой 10 мм.

Формовочный контейнер предварительно уплотнили и закрыли сверху стальным листом, с выполнением завальцовки по периметру.

Закрытый контейнер нагрели в печи до температуры 500°C и провели компактирование горячей прокаткой на прокатном стане при удельном давлении 120 МПа. После охлаждения кромку контейнера обрезали по периметру и получили плоскую скомпактированную заготовку толщиной 6 мм и относительной плотностью 98-99%. Отделение контейнера от заготовки не проводили, и металл формовочного контейнера использовали как плакирующие слои заготовки.

Заготовку уложили в разборную керамическую форму для вспенивания размером 900×900 мм и высотой 20 мм, которую нагрели в индукционной электрической печи до максимальной температуры 780°C и быстро охладили. При этом время выдержки скомпактированной заготовки при вспенивании выше температуры разложения гидрида титана (выше 690°C) составило 1,0-1,1 минуты, а суммарное время выдержки от начала разложения гидрида титана до достижения температуры ликвидуса алюминиевого сплава Д16 (640-645°C) при охлаждении формы со вспененным изделием составило 2,5 минуты. Для быстрого охлаждения форма со вспененным изделием была извлечена из печи, а нагрев печи выключен. После охлаждения форма была разобрана и из нее извлечена вспененная панель. Плотность пенометаллического слоя полученной панели составила 0,66-0,68 г/см³. Размер панели составил 900×900×20 мм. Полученная панель была подвергнута механическим испытаниям на сжатие, которые показали механическую прочность 23,4 МПа (значение Rp_0,2).

Таким же способом, отличающимся уменьшенным количеством загружаемой смеси, после планетарной мельницы в контейнер высотой 4 мм, после горячего компактирования и вспенивания заготовки в форме высотой 6 мм был получен слоистый композит толщиной 6 мм и плотностью 0,78-0,80 г/см³. Полученная панель была подвергнута механическим испытаниям на сжатие, которые показали механическую прочность 30,2 МПа (значение Rp_0,2).

Использование индукционной печи для нагрева скомпактированной заготовки при вспенивании позволяет обеспечивать необходимый быстрый эффективный нагрев по всему изделию при выполнении требуемых режимов охлаждения, что определяет формирование качественной структуры пенометаллического слоя и структуры слоистого композита в целом. Индукционный нагрев также позволяет обеспечить требуемый режим интенсивного охлаждения формы с готовым изделием после вспенивания заготовки.

Возможность формирования нанокристаллической структуры в сырье и скомпактированной заготовке позволяет получать качественную структуру пеноалюминия с дисперсными, равномерно распределенными по размерам порами, а также высокое качество границ раздела «металлический слой - пеноалюминий» в структуре слоистого композитного изделия. Механическая прочность изделия, полученного из сырья с нанокристаллической структурой, превышает прочность панели, полученной из рядового изделия в два и более раза, что подтверждает заявленный технический результат изобретения.

Пример 3

В данном примере реализовано получение слоистого композита с различными вариантами плакирующих слоев.

Смесь порошка алюминиевого сплава марки Д16 (температура ликвидус сплава 640-645°C, температура образования легкоплавкой эвтектики 505-510°C) и вспенивающего материала (гидрид титана, температура разложения 650-690°C), полученную при реализации примера 1, в количестве 10,6 кг засыпали в горизонтальный плоский стальной формовочный контейнер, выполненный из стали толщиной 0,8 мм, размером 950×950 мм и высотой 10 мм. Перед засыпкой смеси на поверхность контейнера помещали плоский титановый лист по размеру контейнера толщиной 0,5 мм и такой же титановый лист помещали на поверхность ровного смесевого слоя сверху. Таким образом осуществили засыпку формовочного контейнера одним горизонтальным слоем порошка между двумя плакирующими слоями (листами) из металлического титана. Формовочный контейнер предварительно уплотнили и закрыли сверху стальным листом, с выполнением завальцовки по периметру.

Закрытый контейнер нагрели в печи до температуры 500°C и провели компактирование горячей прокаткой на прокатном стане при удельном давлении 50 МПа. После охлаждения кромку контейнера обрезали по периметру, контейнер открыли и получили плоскую скомпактированную заготовку толщиной 7 мм и относительной плотностью 97-98%, состоящую из двух слоев металлического титана и скомпактированной порошковой смеси.

Заготовку уложили в разборную керамическую форму для вспенивания размером 900×900 мм и высотой 21 мм, которую нагрели в индукционной печи до максимальной температуры 780°C и быстро охладили. При этом время выдержки скомпактированной заготовки при вспенивании выше температуры разложения гидрида титана (выше 690°C) составило 1,8-2,0 минуты, а суммарное время выдержки от начала разложения гидрида титана до достижения температуры ликвидуса алюминиевого сплава Д16 (640-645°C) при охлаждении формы со вспененным изделием составило 3,8-4,0 минуты. Для быстрого охлаждения форма со вспененным изделием была извлечена из печи, а нагрев печи выключен. После охлаждения форма была разобрана и из нее извлечена вспененная панель. Плотность пенометаллического слоя полученной панели составила 0,65-0,67 г/см³. Панель имела ровные края и плоские верхнюю и нижнюю поверхности. Размер панели составил 900×900×21 мм. Загрузка двух крайних слоев в формовочный контейнер из плоского титанового листа обеспечила формирование плакирующих слоев из титана и соответственно ровную поверхность панели, не требующую дополнительной обработки. Полученная панель была подвергнута механическим испытаниям на сжатие, которые показали механическую прочность 12,8 МПа (значение Rp_0,2).

Таким же способом получили вторую панель. Отличие способа ее получения состояло в том, что первоначально в формовочный контейнер был помещен плоский алюминиевый лист толщиной 1,0 мм по размеру формовочного контейнера, на который засыпали горизонтальным слоем 10,6 кг смеси порошка алюминиевого сплава с порофором, и сверху поместили второй плакирующий лист из металлического титана толщиной 0,5 мм. После горячего компактирования при удельном давлении 50 МПа была получена заготовка, плакированная с разных сторон металлическим алюминием и титаном с разными толщинами плакирующих листов.

Описанным выше образом провели вспенивание плакированной заготовки в керамической форме высотой 21 мм и получили плакированную панель (слоистый композит), в котором плакировочные слои были выполнены из металлического алюминия и титана. Полученная панель была подвергнута механическим испытаниям на сжатие, которые показали механическую прочность 12,6 МПа (значение Rp_0,2).

Таким же способом получили третью панель. Отличие способа ее получения состояло в том, что первоначально в формовочный контейнер так же, как в примере 1, перед засыпкой 10,6 кг смеси на поверхность контейнера засыпали 1,5 кг порошка алюминиевого сплава марки Д16 (без вспенивающего материала) с толщиной слоя 1 мм, а на верхнюю поверхность засыпанного слоя смеси порошка алюминиевого сплава с порофором помещали титановый лист толщиной 1 мм по размеру формовочного контейнера. Таким образом осуществили засыпку формовочного контейнера двумя горизонтальными слоями порошка, один из которых состоял из порошка без порофора, а второй - из смеси с порофором, с плакированием с одной стороны титановым листом.

После горячего компактирования при удельном давлении 100 МПа была получена заготовка, плакированная с разных сторон металлическим титаном и слоем металлического алюминия, сформированным из порошка.

Описанным выше образом провели вспенивание плакированной заготовки в керамической форме высотой 20 мм и получили плакированную панель (слоистый композит), в котором плакировочные слои были выполнены из металлического алюминия и титана. Полученная панель была подвергнута механическим испытаниям на сжатие, которые показали механическую прочность 12,5 МПа (значение Rp_0,2).

Пример 4

В данном примере реализовано получение слоистого композита с несколькими упрочняющими керамическими материалами, предназначенного для специального использования в баллистической защите.

Смесь порошка алюминиевого сплава марки Д16 (температура ликвидус сплава 640-645°C, температура образования легкоплавкой эвтектики 505-510°C) и вспенивающего материала (гидрид титана, температура разложения 650-690°C), полученную при реализации примера 1, в количестве 1,2 кг засыпали двумя слоями разной толщины в горизонтальный плоский стальной формовочный контейнер, выполненный из стали толщиной 0,8 мм, размером 350×350 мм и высотой 30 мм. Перед засыпкой смеси на поверхность контейнера выкладывали плоский титановый лист по размеру контейнера толщиной 1,0 мм, затем засыпали 0,5 кг порошковой смеси, накрывали пластиной карбида бора (керамический материал) толщиной 8 мм, которую накрывали листом титана толщиной 1 мм по размеру контейнера, затем засыпали второй слой порошковой смеси в количестве 0,8 кг, и плакировали сверху листом нержавеющей стали толщиной 0,8 мм по размеру контейнера. Таким образом осуществили загрузку формовочного контейнера двумя горизонтальными слоями порошковой смеси алюминиевого сплава и вспенивающего материала между двумя плакирующими слоями (листами) из металлического титана и стали с размещением между горизонтальными порошковыми слоями двух промежуточных слоев из карбида бора и титана разной толщины. Формовочный контейнер уплотнили и закрыли сверху стальным листом, с выполнением завальцовки по периметру.

Закрытый контейнер нагрели в печи до температуры 490°C и провели компактирование горячей прокаткой на прокатном стане при удельном давлении 120 МПа. После охлаждения кромку контейнера обрезали по периметру, контейнер открыли и получили плоскую скомпактированную заготовку толщиной 7 мм и относительной плотностью порошковых слоев 98-99%, состоящую из шести слоев различного состава.

Заготовку уложили в разборную керамическую форму для вспенивания размером 330×330 мм и высотой 28 мм, которую нагрели в индукционной печи до максимальной температуры 760°C и быстро охладили. При этом время выдержки скомпактированной заготовки при вспенивании выше температуры разложения гидрида титана (выше 690°C) составило 2,0 минуты, а суммарное время выдержки от начала разложения гидрида титана до достижения температуры ликвидуса алюминиевого сплава Д16 (640-645°C) при охлаждении формы со вспененным изделием составило 3,8-4,0 минуты. Для быстрого охлаждения форма со вспененным изделием была извлечена из печи, а нагрев печи выключен. После охлаждения форма была разобрана и из нее извлечена вспененная панель. Плотность пенометаллического слоя полученной панели составила 0,70 г/см³. Панель имела ровные края и плоские верхнюю и нижнюю поверхности. Размер панели составил 330×330×28 мм. Полученная панель была подвергнута специальному тесту, выполненному специализированной организацией, по баллистической защите от выстрела. Был получен положительный результат, заключавшийся в полной задержке пули внутри образца слоистого композита, что было достигнуто вследствие указанной слоистой структуры композита, выполненного из плотных слоев и пенометаллического слоя, эффективно задерживающих пулю и рассеивающих ее энергию.

Описанные примеры реализации изобретения в соответствии с различными вариантами способа обеспечивают возможность реализации назначения изобретения и достижения указанного технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны, но при этом не исчерпывают всех возможностей осуществления изобретения, охарактеризованного совокупностью признаков, приведенных в формуле изобретения.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению изделий из слоистых композитов на основе пеноалюминия. Порошковую смесь, содержащую порошок алюминиевого сплава и порофор, одним или несколькими горизонтальными слоями размещают в контейнере. Контейнер нагревают и проводят горячую прокатку при удельном давлении 20-130 МПа с получением заготовки. Заготовку помещают в форму для вспенивания, нагревают, вспенивают при выдержке 0,5-2,0 мин с получением изделия и охлаждают форму со вспененным изделием. Суммарное время выдержки от начала разложения порошкообразного вспенивающего материала до достижения температуры ликвидуса алюминиевого сплава при охлаждении формы со вспененным изделием 1,5-4,0 минуты. Способ обеспечивает расширение технологических возможностей получения различных структур пористых изделий, возможность упрочнения изделий и повышение конструкционных свойств. 18 з.п. ф-лы, 4 пр.

1. Способ получения изделия из слоистого композита на основе пеноалюминия, включающий получение порошковой смеси смешением порошка алюминиевого сплава с порофором, температура разложения которого превышает температуру плавления порошка алюминиевого сплава, заполнение формовочного контейнера порошковой смесью, нагрев, компактирование формовочного контейнера горячей прокаткой с получением заготовки, укладку заготовки в форму для вспенивания, нагрев и вспенивание заготовки с получением изделия и охлаждение формы со вспененным изделием, отличающийся тем, что заполнение формовочного контейнера производят одним или несколькими горизонтальными слоями, горячую прокатку проводят при удельном давлении 20-130 МПа, вспенивание осуществляют с выдержкой 0,5-2,0 мин при температуре, выше температуры разложения порошкообразного вспенивающего материала, при этом суммарное время выдержки от начала разложения порошкообразного вспенивающего материала до достижения температуры ликвидуса алюминиевого сплава при охлаждении формы со вспененным изделием составляет 1,5-4,0 мин.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что заполнение формовочного контейнера выполняют горизонтальными слоями порошковых смесей разного состава, причем толщина горизонтальных слоев может быть различной.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют формовочный контейнер из плоского мерного листа металлического проката.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют формовочный контейнер из непрерывной ленты металлического проката, разрезаемой после горячего компактирования на мерные части.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что для приготовления смеси используют порошки алюминиевых сплавов с нанокристаллической структурой с размером зерна 20-200 нм.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что порошки алюминиевых сплавов с нанокристаллической структурой получают механическим легированием.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что порошки алюминиевых сплавов получают из вторичного алюминиевого сырья и алюминиевых отходов.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что проводят дополнительную упрочняющую термическую обработку вспененного изделия.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагрев заготовки осуществляют индукционным способом.

10. Способ по любому из пп.1, 3 или 4, отличающийся тем, что формовочный контейнер используют в качестве плакирующего металлического слоя или слоев.

11. Способ по п.1, отличающийся тем, что для создания слоистой структуры изделия, в том числе для плакирования, в формовочный контейнер между слоями порошковой смеси дополнительно загружают металлические листы.

12. Способ по п.11, отличающийся тем, что плакирующие металлические листы подвергают предварительной термической обработке для упрочнения.

13. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что для создания ровной поверхности слоистого композита в формовочный контейнер дополнительно загружают нижний и верхний горизонтальные слои из порошка алюминиевого сплава.

14. Способ по п.11 или 12, отличающийся тем, что плакирующие слои с разных сторон изделия могут иметь разный химический состав.

15. Способ по п.11 или 12, отличающийся тем, что плакирующие слои с разных сторон изделия выполняют разной толщины.

16. Способ по п.11, отличающийся тем, что плакирующий слой выполняют с одной стороны изделия.

17. Способ по любому из пп.11, 15 или 16, отличающийся тем, что плакирующие слои выполняют из алюминия и его сплавов, титана и его сплавов или сталей.

18. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что в состав порошковой смеси дополнительно вводят упрочняющие добавки из порошкообразных керамических материалов.

19. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что в формовочный контейнер между слоями порошковой смеси дополнительно загружают слои упрочняющих добавок.