СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА Al-AlO Российский патент 2014 года по МПК C04B35/65 C04B35/117 B22F3/23 

Изобретение относится к технологии композиционных материалов - керметов и может быть использовано для получения уплотнительных элементов, применяемых для плотного сопряжения деталей и конструкций высокотемпературных энергетических установок. К таким уплотнительным элементам предъявляется требование сочетания значительной пластической деформации, высокой прочности и химической стойкости к агрессивным средам при повышенной температуре.

Известен способ получения композиционного материала Аl-Аl₂O₃, включающий приготовление шихты путем смешивания алюминиевого порошка ПАП-2, состоящего из частиц пластинчатой формы со стеариновым покрытием, с водным раствором поливинилового спирта, ее сушку до заданной остаточной влажности (3-10%), прессование заготовки под давлением 1,25·10^-2-2,5·10^-2 МПа, выжиг из нее органической связки, дополнительное прессование заготовки под давлением 520-600 МПа и инициирование процесса самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) путем нагрева заготовки воздушным теплоносителем до температуры 550 - 600°С с последующим ее охлаждением за счет выдержки на воздухе при комнатной температуре (RU патент №2266270, кл. С04В 35/65, B22F 3/23, 2005).

Недостатком данного способа является низкая пластическая деформация полученного материала, что не позволяет добиваться надежного сопряжения элементов конструкции в результате передачи сжимающих напряжений на уплотнительный элемент (в этом случае между сопрягаемыми элементами возможно образование микрозазоров).

Материал, полученный по данному способу, имеет достаточно высокую прочность, но низкую пластическую деформацию.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ получения композиционного материала Аl-Аl₂O₃, включающий термообработку на воздухе алюминиевого порошка, состоящего из частиц пластинчатой формы со стеариновым покрытием, его гранулирование, прессование заготовки за счет приложения давления к засыпке из гранул, инициирование процесса самораспространяющегося высокотемпературного синтеза путем нагрева заготовки воздушным теплоносителем с последующей изотермической выдержкой и охлаждение нагретого изделия на воздухе при комнатной температуре (RU №2226516, кл. С04В 35/65, 35/111, 2004).

Недостатком данного способа является низкая пластическая деформация из-за большой плотности дислокаций в металлической составляющей композиционного материала.

Предлагаемым изобретением решается задача получения композиционного материала Аl-Аl₂O₃, обладающего высокой пластической деформацией и высокой прочностью.

Техническим результатом является повышение пластической деформации материала при сохранении высокой прочности за счет уменьшения плотности дислокаций в металлической составляющей композиционного материала, увеличения деформируемости гранул и создания, вследствие этого, значительного контактного сечения в спеченном материале, воспринимающего нагрузку.

Технический результат достигается в способе получения композиционного материала Аl-Аl₂O₃, включающем термообработку на воздухе алюминиевого порошка, состоящего из частиц пластинчатой формы со стеариновым покрытием, его гранулирование путем механической обработки порошка в планетарной мельнице в течение 15-180 минут при отношении массы порошка к массе твердосплавных сферических тел от 1:20 до 1:25, термообработку засыпки из гранул в вакууме при температуре 500-600°С в течение 45-60 минут, прессование заготовки за счет приложения давления к засыпке из гранул, инициирование процесса самораспространяющегося высокотемпературного синтеза путем нагрева заготовки воздушным теплоносителем с последующей изотермической выдержкой и охлаждение нагретого изделия на воздухе при комнатной температуре. Термообработку алюминиевого порошка на воздухе проводят при температуре 300-350°С в течение 120-300 минут. Прессование заготовки проводят путем приложения к засыпке из гранул давления 400-600 МПа. Процесс самораспространяющегося высокотемпературного синтеза инициируют путем нагрева заготовки воздушным теплоносителем до температуры 550-600°С, а изотермическую выдержку проводят в течение 30-60 минут.

Отличительными признаками способа получения композиционного материала Аl-Аl₂О₃ являются проведение гранулирования путем механической обработки порошка в планетарной мельнице в течение 15-180 минут при отношении массы порошка к массе твердосплавных сферических тел от 1:20 до 1:25, термообработка засыпки из гранул в вакууме при температуре 500-600°С в течение 45-60 минут перед прессованием заготовки, проведение термообработки алюминиевого порошка на воздухе при температуре 300-350°С в течение 120-300 минут, проведение прессования заготовки путем приложения к засыпке из гранул давления 400-600 МПа, инициирование процесса самораспространяющегося высокотемпературного синтеза путем нагрева заготовки воздушным теплоносителем до температуры 550-600°С с последующей изотермической выдержкой в течение 30-60 минут. Проведение механической обработки порошка в планетарной мельнице позволяет получать гранулы за счет соединения пластинчатых порошковых частиц путем склепывания в результате ударного и истирающего воздействия на них сферических твердосплавных тел. При этом сложная кинематика движения сферических твердосплавных тел (вследствие вращения платформы и емкости в противоположных направлениях) позволяет эффективно передавать энергию удара на частицы порошка.

Выбор вышеуказанного интервала времени механической обработки порошка является оптимальным для образования плотных округлых гранул. Уменьшение времени механической обработки порошка в планетарной мельнице (τ_м) менее 15 минут не обеспечивает образования гранул. Увеличение τ_м более 180 минут приводит к образованию крупных агрегатов из гранул с потерей сыпучести гранулята.

Выбор вышеуказанного соотношения массы порошка к массе твердосплавных сферических тел является оптимальным для эффективного гранулирования. При увеличении отношения массы порошка к массе твердосплавных сферических тел (M₁:M₂) более 1:20 не происходит полного гранулирования (с образованием плотных округлых гранул) алюминиевого порошка в полном объеме засыпки, подвергаемой механической обработке. Уменьшение отношения M₁:M₂ менее 1:25 - нецелесообразно вследствие неоправданного увеличения массы используемых твердосплавных сферических тел, приводящего к снижению их подвижности в емкости планетарной мельницы и, как следствие, к уменьшению выхода качественных гранул, имеющих четкую округлую конфигурацию.

Термообработку засыпки из гранул в вакууме производили с целью их отжига для устранения эффекта наклепа. Это необходимо для повышения способности гранул к пластической деформации и пластичности спеченного (методом СВС) материала.

Вышеуказанные температурный и временной интервалы термообработки засыпки гранул в вакууме является оптимальным. Снижение температуры и времени термообработки гранул в вакууме (Т₁ и τ₁) менее 500°С и 45 минут, соответственно, эффект наклепа не устраняется. Повышение Т₂ и τ₂ более 600°С и 60 минут нецелесообразно, поскольку при данных температурно-временных параметрах эффект наклепа максимально возможно устранен.

Выбор вышеуказанных интервалов температуры и времени термообработки исходного алюминиевого порошка на воздухе является оптимальным для удаления стеарина (за счет сгорания) с поверхности частиц порошка и ее оксидирования. Уменьшение температуры и времени термообработки (Т₁ и τ₁) менее 300°С и 120 минут соответственно не обеспечивало достаточной полноты выгорания стеарина, необходимого для соединения (путем склепывания) пластинчатых частиц в гранулы при последующей механической обработке в планетарной мельнице. Увеличение Т₁ и τ₁ более 350°С и 300 минут нецелесообразно, так как в противном случае наблюдается повышенное оксидирование поверхности алюминиевых частиц с потерей их пластичности, что значительно ухудшало их способность к соединению склепыванием и образованию гранул в процессе механической обработки.

Выбор вышеуказанного интервала давления прессования заготовки является оптимальным для получения материала, сочетающего высокую способность к пластической деформации и прочность.

Снижение давления прессования заготовки (Р) менее 400 МПа приводило к снижению прочности спеченного материала, а увеличение Р более 600 МПа не целесообразно, так как наблюдается снижение его пластичности.

Выбор интервала температуры нагрева заготовки воздушным теплоносителем является оптимальным для обеспечения стабильного протекания процесса самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС).

Нагрев заготовки воздушным теплоносителем до температуры (Т₃) менее 550°С не обеспечивает инициирования процесса СВС. Увеличение Т₃ более 600°С приводит к выбросу расплава алюминия после зажигания заготовки.

Выбор интервала времени изотермической выдержки при заданной температуре Т₃ является оптимальным для достижения сочетания высокой пластичности и прочности спеченного материала.

Уменьшение времени изотермической выдержки (τ₃) при температуре Т₃ менее 30 минут приводило к падению прочности спеченного материала, а увеличение τ₃ более 60 минут давало понижение пластичности из-за и избыточного оксидирования поверхности спекаемого материала.

Способ получения композиционного материала Аl-Аl₂O₃ осуществляется следующим образом.

Для получения материала по заявленному способу в качестве исходного сырья использовали алюминиевый порошок марки ПАП-2 (ГОСТ-5494-95), состоящий из частиц пластинчатой формы (преобладающие размеры частиц: по длине 10-100 мкм, по ширине 5-50 мкм, по толщине 0,5-1,0 мкм). Частицы порошка, как продукта промышленной поставки, покрыты тонким слоем стеарина (3% мас.), вводимым в качестве жировой добавки на этапе их измельчения в шаровой мельнице. Алюминиевый порошок (ПАП-2) предварительно термообрабатывали на воздухе для удаления стеарина с поверхности его частиц. Затем порошок гранулировали путем его механической обработки в планетарной мельнице в течение 15-180 минут при отношении массы порошка к массе твердосплавных сферических тел от 1:20 до 1:25. После чего проводили термообработку засыпки из гранул в вакууме при температуре 500-600°С в течение 45-60 минут с последующим прессованием заготовки за счет приложения давления к засыпке из гранул. Затем проводили инициирование процесса СВС путем нагрева заготовки воздушным теплоносителем с последующей изотермической выдержкой и охлаждением нагретого изделия на воздухе при комнатной температуре.

Термообработку алюминиевого порошка на воздухе проводили при температуре 300-350°С в течение 120-300 минут. Прессование заготовки проводили путем приложения к засыпке из гранул давления 400-600 МПа. Процесс самораспространяющегося высокотемпературного синтеза инициировали путем нагрева заготовки воздушным теплоносителем до температуры 550-600°С, а изотермическую выдержку проводили в течение 30-60 минут.

Пример 1

Исходный порошок (марки ПАП-2) помещали в алюминиевую емкость и нагревали в сушильном шкафу на воздухе до температуры (Т₁) 350°С с последующей изотермической выдержкой в течение времени (τ₁), равного 120 мин. Полученный порошок (навеску в 100 грамм) загружали в горячепрессованную корундовую емкость мельницы планетарного типа «Санд-4». В эту же емкость загружали 2 кг твердосплавных сферических тел, в качестве которых использовали шары диаметром 5-15 мм (отношение массы загрузки порошка к массе загрузки шаров - М₁:М₂ составляло 1:20). Механическую обработку порошка производили в течение (τ_м) 15 минут при скорости вращения платформы мельницы, с установленной на ней емкостью, равной 120 об/мин.

После завершения механической обработки в емкости образовывались округлые гранулы (10-50 мкм), которые загружали в корундовый тигель и помещали в вакуумную печь. Термообработку засыпки из гранул проводили в вакууме при температуре (Т₂) - 500°С в течение времени (τ₂), равного 45 мин.

Прессование засыпки из гранул проводили в стальной пресс-форме под давлением (Р) - 400 МПа.

Полученную прессованием заготовку помещали в муфельную печь и нагревали воздушным теплоносителем до температуры (Т₃) - 550°С. После инициирования процесса СВС заготовку выдерживали в печи при фиксированной температуре Т₃ в течение (τ₃) 30 мин, затем извлекали ее из печного пространства и охлаждали при комнатной температуре.

По данным РФА фазовый состав спеченного материала был следующим (% об.): Аl - 88%, γ-Аl₂O₃ - 12%.

Пример 2

Все технологические операции и их последовательность совпадают с описанными в примере 1.

Исходный порошок (марки ПАП-2) термообрабатывали на воздухе при Т₁ - 300°С и τ₁, - 300 мин.

В емкость планетарной мельницы «Санд-4» загружали 100 грамм полученного порошка и 2,25 кг твердосплавных шаров (М₁:М₂ - 1:22,5). Механическую обработку порошка производили при τ_м - 97,5 минут.

Полученные округлые гранулы (20-120 мкм) термообрабатывали в вакууме при Т₂ - 550°С и τ₂ - 52,5 мин.

Прессование засыпки из гранул проводили при Р - 500 МПа. Спекание полученной заготовки (в режиме СВС) проводили при Т₃ - 575°С и τ₃ - 45 мин.

По данным РФА фазовый состав спеченного материала был следующим (% об.): Аl - 90%, γ-Аl₂O₃ - 10%.

Пример 3

Все технологические операции и их последовательность совпадают с описанными в примере 1.

Исходный порошок (марки ПАП-2) термообрабатывали на воздухе при Т₁ - 325°С и τ₁ - 210 мин.

В емкость планетарной мельницы «Санд-4» загружали 100 грамм полученного порошка и 2,5 кг твердосплавных шаров (М₁:М₂ - 1:25). Механическую обработку порошка производили при τ_м - 180 минут.

Полученные округлые гранулы (100-300 мкм) термообрабатывали в вакууме при Т₂ - 600°С и τ₂ - 60 мин.

Прессование засыпки из гранул проводили при Р - 600 МПа. Спекание полученной заготовки (в режиме СВС) проводили при Т₃ - 600°С и τ₃ - 60 мин.

По данным РФА фазовый состав спеченного материала был следующим (% об.): Аl - 92%, γ-Аl₂O₃ - 8%.

Предел прочности при изгибе определяли на призматических образцах размером 8×8×50 (мм) по трехточечной схеме нагружения.

Для оценки способности материала к пластической деформации в поверхность цилиндрических образцов (диаметром - 30 мм, высотой 7 мм) вдавливали алмазную пирамидку (с углом при вершине - 136°) - индентор Виккерса, прикладывая нагрузку - 1Н. Показателем величины пластической деформации служила длина диагонали отпечатка индеитора Виккерса, которую определяли под оптическим микроскопом (чем больше длина диагонали, тем глубже вдавливается индентор при заданной нагрузке, тем, соответственно, выше пластичность материала).

В таблице представлены результаты испытаний материала, полученного по заявленному способу, в сравнении с материалами, изготовленными по способу-аналогу и способу-прототипу.

Таблица

Свойства композиционного материала Al-Аl₂O₃

Свойства**
Материал ρ, г/см³ σ_изг, МПа d, мкм По заявленному способу*       № T₁, °С τ₁ мин М₁:М₂ τ_М, мин T₂, °С τ₂, мин Р, МПа Т₃, °С τ₃, мин 1 350 120 1:20 15 500 45 400 550 30 2,38 150 500 2 300 300 1:22,5 97,5 550 52,5 500 575 45 2,42 180 420 3 325 210 1:25 180 600 60 600 600 60 2,47 200 350   По способу-прототипу 1,90-2,30 120-200 150-200 По способу-аналогу 2,40-2,53 250-300 100-130

*Т₁ - температура термообработки порошка ПАП-2 на воздухе, τ₁ - время изотермической выдержки при Т₁, М₁:М₂ - отношение массы порошка ПАП-2 к массе твердосплавных сферических тел, τ_М - время механообработки, Т₂ - температура термообработки засыпки из гранул в вакууме, τ₂ - время изотермической выдержки при Т₂, Р - давление прессования, Т₃ - температура воздушного теплоносителя для инициирования СВС, τ₃ - время изотермической выдержки при Т₃.
** ρ - плотность материала, σ_изг - предел прочности при изгибе, d - длина диагонали отпечатка индентора Виккерса.  

Как видно из приведенных в таблице данных, достигается повышение способности к пластической деформации материала (полученного по предложенному способу, в сравнении с материалом, изготовленным по способу-прототипу) при сохранении достаточно высокой прочности (длина диагонали отпечатка индентора Виккерса выше в 1,7-3 раза, а прочность при изгибе - сопоставима с материалом по прототипу).

Повышение пластичности материала связано со значительным уменьшением плотности дислокаций в алюминиевой матрице композиционного материала благодаря отжигу гранул в вакууме. Сохранение высокой прочности обеспечивается повышенной деформируемостью отожженных гранул и созданием значительного контактного сечения спеченного материала, воспринимающего нагрузку.

Предлагаемый способ получения композиционного материала Аl-Аl₂O₃ позволяет увеличить способность материала к пластической деформации при сохранении высокой прочности.

Способ получения композиционного материала Аl-Аl₂O₃ относится к технологии композиционных материалов - керметов и может быть использовано для получения уплотнительных элементов, применяемых для плотного сопряжения деталей и конструкций высокотемпературных энергетических установок. В соответствии с заявленным способом алюминиевый порошок (марки ПАП-2) предварительно термообрабатывали на воздухе для удаления стеарина с поверхности его частиц. Далее его гранулировали путем механической обработки в планетарной мельнице в течение 15-180 минут при отношении массы порошка к массе твердосплавных сферических тел от 1:20 до 1:25, проводили термообработку засыпки из гранул в вакууме при температуре 500-600°С в течение 45-60 минут с последующим прессованием заготовки при давлении 400-600 МПа. Полученную заготовку нагревали воздушным теплоносителем до температуры 550-600°С для инициирования процесса самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) с последующей изотермической выдержкой в течение 30-60 минут и охлаждением нагретого изделия на воздухе при комнатной температуре. Способ позволяет получить материал с высокой способностью к пластической деформации при сохранении высокой прочности. 3 з.п. ф-лы, 3 пр., 1 табл.

1. Способ получения композиционного материала Аl-Аl₂O₃, включающий термообработку на воздухе алюминиевого порошка, состоящего из частиц пластинчатой формы со стеариновым покрытием, его гранулирование, прессование заготовки за счет приложения давления к засыпке из гранул, инициирование процесса самораспространяющегося высокотемпературного синтеза путем нагрева заготовки воздушным теплоносителем с последующей изотермической выдержкой и охлаждение нагретого изделия на воздухе при комнатной температуре, отличающийся тем, что гранулирование производят путем механической обработки порошка в планетарной мельнице в течение 15-180 минут при отношении массы порошка к массе твердосплавных сферических тел от 1:20 до 1:25, при этом перед прессованием заготовки проводят термообработку засыпки из гранул в вакууме при температуре 500-600°С в течение 45-60 минут.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что термообработку алюминиевого порошка на воздухе проводят при температуре 300-350°С в течение 120-300 минут.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что прессование заготовки проводят путем приложения к засыпке из гранул давления 400-600 МПа.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что процесс самораспространяющегося высокотемпературного синтеза инициируют путем нагрева заготовки воздушным теплоносителем до температуры 550-600°С, а изотермическую выдержку проводят в течение 30-60 минут.