СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ НИОБИЯ Российский патент 2015 года по МПК B22F3/15 C22C1/05 

Описание патента на изобретение RU2564648C1

Настоящее изобретение относится к области порошковой металлургии, а именно: к технологиям получения высокотемпературных композиционных материалов на основе ниобия с оксидным упрочнением. Изобретение может быть использовано для изготовления деталей и узлов неохлаждаемых турбин авиационно-космической техники, работающей при температурах около 1400-1600°C.

Увеличение мощности, кпд, экологичности и экономичности современных газовых турбин, используемых в качестве авиационных двигателей, энергетических установок и газоперекачивающих агрегатов, возможно только за счет повышения температуры рабочего газа на входе в турбину. Для этого требуется повысить предельные рабочие температуры, при которых возможна эффективная эксплуатация деталей горячего тракта, до 1400-1600°C. Поскольку такие температуры лежат за пределами работоспособности современных сложнолегированных жаропрочных сплавов на основе никеля, им на смену должны прийти новые материалы с более жаропрочной матрицей. Наиболее перспективными в этом отношении являются интерметаллиды и естественные композиты на их основе в виде направленных эвтектик, например, с ниобиевой матрицей, упрочненной интерметаллидами силицида ниобия. К преимуществам таких материалов относятся меньшая на 20% плотность по сравнению с традиционно применяемыми жаропрочными сплавами, отсутствие дефицитных легирующих элементов и более высокая температура плавления. Лопатки из подобного композиционного материала могут длительно работать при температурах приблизительно на 250-350°C выше, чем аналогичные детали из использующихся в настоящее время никелевых жаропрочных суперсплавов.

Известен способ получения тугоплавких композиционных материалов с металлической или интерметаллидной матрицей, армированной керамическими частицами, включающий приготовление исходной заготовки из порошковой смеси механическим легированием, помещение заготовки в емкость, нагрев емкости до температуры начала экзотермической реакции путем погружения ее донной части в расплав металла и последующую кристаллизацию путем дальнейшего погружения емкости в расплав металла (RU 2263089 С1, 27.10.2005).

Недостатком этого способа является то, что выделяющегося в процессе экзотермической реакции тепла недостаточно для изготовления композиционных материалов на основе интерметаллида ниобия.

Известен способ двустороннего прессования порошка в производственной линии, содержащей формовочную камеру, расположенную между первой прижимной плитой, по крайней мере, с одной мастер-моделью и второй прижимной плитой, выполненной с возможностью вращения, по крайней мере, с одной мастер-моделью, причем упомянутые пластины выполнены с возможностью встречного движения друг относительно друга. Способ включает предварительное однонаправленное сжатие формовочного материала за счет движения одной из плит, сжатие двумя плитами совместно, поворот второй плиты, позволяющий переместить заготовку за пределы формовочной камеры, и выталкивание изделия первой плитой дальше по производственной линии (US 5647424 А, 15.07.1997).

Недостатком данного способа является то, что он не предусматривает возможность укладки волокна в заданном направлении в матрицу, что во время прессовки может привести к его поломке. Кроме того, ввиду высокой температуры изготовленные формы, вплотную движущиеся по производственной линии, в случае недостаточной прессовки могут слипаться между собой.

Наиболее близким аналогом заявленного способа является способ получения композиционного материала, в котором исходную порошковую смесь для получения композиционного материала перемешивают, подвергают механическому легированию в защитной атмосфере, после чего проводят горячее изостатическое прессование (ГИП) порошковой смеси. Полученный материал имеет равномерную структуру, высокую относительную плотность при высоком выходе годного и минимальных энергетических затратах (RU 2393060 С1, 27.06.2010).

Недостаток прототипа заключается в том, что для материала, армированного волокнами, очень сложно подобрать давление прессования. Если задать малое давление, материал останется пористым. Если давление хотя бы немного превысит допустимое, в виду того, что оно действует на материал со всех сторон, волокна начинают ломаться.

Техническим результатом заявленного способа является получение композиционного материала на основе ниобия с повышенным пределом прочности, а также практической плотностью, равной не менее 95% от теоретической.

Технический результат достигается в способе получения композиционного материала на основе ниобия, в котором порошки для приготовления матрицы указанного материала перемешивают и подвергают механическому легированию в защитной атмосфере с образованием массива гранул из частиц порошка, при этом механическое легирование проводят в защитной атмосфере в течение 40-60 часов, в полученный массив гранул добавляют монокристаллические волокна α-Al2O3 и проводят двустороннее прессование полученной смеси при температуре 1400-1430°C и давлении 28-35 МПа не менее 3-х минут.

В качестве защитной атмосферы можно использовать аргон.

Двустороннее прессование смеси массива гранул и монокристаллических волокон α-Al2O3 можно проводить в пресс-форме, на которую предварительно наносят смазывающий материал.

В качестве смазывающего материала предпочтительно использовать нитрид бора, который при высоких температурах сохраняет инертность к композиционным материалам на основе ниобия и к материалам большинства пресс-форм.

Способ осуществляют следующим образом.

Исходные порошки ниобия и других элементов перемешивают и проводят с ними механическое легирование в защитной атмосфере инертного газа в течение 40-60 часов. Для этого порошки засыпают в установку для размола и смешивания, представляющую собой вращающийся вал с насыпанными в нее металлическими шарами. При вращении за счет трения шары начинают нагреваться и, следовательно, находящиеся между ними частицы порошка под действием температуры и трения подвергаются взаимному механическому легированию, то есть атомы одного металла диффундируют в частицы порошка другого металла. В качестве инертного газа лучше всего использовать аргон, поскольку его плотность близка к плотности атмосферы, то есть, с одной стороны, он является безопасным для человека в отличие от газов с высокой плотностью, а с другой, из-за низкой степени летучести его потери во время технологического процесса будут минимальны.

Время механического легирования 40-60 часов выбрано из расчета на то, что при меньшем времени в материале остаются твердые растворы элементарных порошков, а при большем времени частицы порошков измельчаются и в силу большого трения могут загореться. Наличие твердых растворов элементарных порошков снижает прочностные характеристики материала.

После механического легирования приготовленные композиционные гранулы засыпают в пресс-форму, на которую предварительно желательно нанести смазывающий материал, предпочтительно, нитрид бора.

При высоких температурах порядка 1300-1500°C материалы на основе ниобия являются очень химически активными. В таких условиях ниобий может образовывать различные соединения с материалом пресс-формы, что значительно затруднит процесс изготовления композиционного материала и ухудшит его качество. Наряду с этим нитрид бора при высоких температурах способен сохранять инертность одновременно к композиционному материалу на основе ниобия и материалу пресс-формы, таким образом являясь барьерным покрытием между ними.

В массиве гранул размещают пакет монокристаллических волокон α-Al2O3 и проводят их горячее двухстороннее прессование в вакууме при температуре 1400-1430°C и давлении 28-35 МПа не менее 3-х минут. Монокристаллические волокна α-Al2O3 обладают высокими прочностными характеристиками при высоких температурах и низкой плотностью, что позволяет использовать их в качестве уплотнителя для композиционных материалов на основе ниобия, работающих при температурах выше 1200°C.

Изменением объемного содержания волокон можно контролировать соотношение пластичности и предела прочности материала, что необходимо при создании деталей и узлов неохлаждаемых турбин авиационно-космической техники, работающих при различных нагрузках и диапазоне температур от 1400 до 1600°C.

Температурный интервал 1400-1430°C выбран из расчета на то, что при более высокой температуре материал на основе интерметаллида ниобия начинает растекаться, а при более низкой остается высокая степень его пористости.

Давление 28-35 МПа выбрано из расчета на то, что при более низком давлении остается высокая степень пористости материала, а при более высоком наблюдается расслоение материала, что говорит об избыточно приложенном давлении прессования.

Продолжительность прессования должна быть не менее 3-х минут, поскольку при меньшем времени остается высокая степень пористости материала.

Данный способ позволяет получить материал с плотностью, равной 95-100% от теоретической, за счет того, что у матриц на основе ниобия при температурах более 1300°C наблюдается снижение сопротивления высокотемпературной ползучести. За счет этого происходит более плотное заполнение каркаса из волокон матричным материалом.

Пример 1

Получали пластину размером 65×65×10 мм, состоящую из композиционного материала состава Nb-16Si-33Ti (ат.%), армированного волокнами Al2O3.

Исходные порошки ниобия, кремния и титана смешали в соотношении, соответствующему заданному составу, и загрузили в высокоэнергетическую установку для размола и смешивания (аттритор), в котором порошок подвергали механическому легированию по следующему режиму: время обработки 50 часов, защитная атмосфера - аргон.

Необходимая масса порошковой смеси для образца размером 65×65×10 мм без наличия волокон составила 6,5·6,5·1·7=295 г.

Заданный размер слоя волокон составлял 60×60 мм при диаметре каждого волокна d=250 мкм.

Масса волокон составила 3,6 г.

Из необходимой массы порошковой смеси для образца без наличия волокон вычитали массу волокон и получили необходимую массу порошковой смеси для получаемого образца 295-3,6=291,4 г.

Затем полученные после механического легирования гранулы с уложенными волокнами подвергли горячему двухстороннему прессованию при температуре 1410°C, давлении 30 МПа в течение 3-х минут.

Теоретическая плотность материала, вычисленная по табличным данным, составила 7,21 г/см3. Методом гидростатического взвешивания образца в этиловом спирте по объему вытесненной жидкости определялась практическая плотность, которая составила 6,9 г/см3, то есть 95,7% от теоретической. Объемное содержание волокон составило 23%.

Предел прочности измеряли методом трехточечного изгиба. Он составил 652 МПа.

Пример 2

Получали пластину размером 65×65×10 мм, состоящую из композиционного материала состава Nb-16Si-33Ti (ат.%), армированного волокнами Al2O3.

Исходные порошки ниобия, кремния и титана смешали и полученную порошковую смесь подвергли механическому легированию в высокоэнергетической установке для размола и смешивания (аттриторе) по следующему режиму: время обработки 55 часов, защитная атмосфера - аргон.

Необходимая масса порошковой смеси для образца размером 65×65×10 мм без наличия волокон составила 6,5·6,5·1·7=295 г.

Заданный размер слоя волокон составил 65×65 мм при диаметре каждого волокна d=250 мкм.

Масса волокон составила 4,23 г.

Из необходимой массы порошковой смеси для образца без наличия волокон вычитали массу волокон и получили необходимую массу порошковой смеси для получаемого образца 295-3,6=290,77 г.

Затем полученные после механического легирования гранулы подвергли горячему двухстороннему прессованию при температуре 1420°C, давлении 30 МПа в течение 3-х минут. Теоретическая плотность материала составляла 7,21 г/см3.

Практическая плотность составила 6,95 г/см3, то есть 96,4% от теоретической. Объемное содержание волокон 26%.

Предел прочности составил 653 МПа.

Пример 3

Получили пластину размером 65×65×10 мм, состоящую из композиционного материала состава Nb-16Si-24Ti-4Hf-6Cr-3Al (ат.%), армированного волокнами Al2O3.

Для ее получения использовали элементарные порошки Nb, Si, Ti, Hf, Cr и Al. Исходную порошковую смесь подвергли механическому легированию в высокоэнергетической установке для размола и смешивания (аттриторе) по следующему режиму: время обработки 50 часов, защитная атмосфера - аргон. Необходимая масса порошковой смеси для образца размером 65×65×10 мм без наличия волокон составила 6,5·6,5·1·7,2=304,2 г.

Заданный размер слоя волокон составлял 60×60 мм при диаметре каждого волокна d=250 мкм.

Масса волокон составила 3,6 г.

Из необходимой массы порошковой смеси для образца без наличия волокон вычитали массу волокон и получили необходимую массу порошковой смеси для получаемого образца 304,2-3,6=300,6 г.

Затем полученные после механического легирования гранулы подвергли горячему двухстороннему прессованию при температуре 1410°C, давлении 33 МПа в течение 3-х минут. Теоретическая плотность материала составила 7,31 г/см3.

Практическая плотность составила 6,98 г/см3, то есть 95,5% от теоретической. Объемное содержание волокон составляло 23%.

Предел прочности - 655 МПа.

Как показали полученные данные, предложенный способ обеспечивает получение композиционных материалов на основе ниобия с высокой прочностью, а также плотностью, равной не менее 95% от теоретической.

Похожие патенты RU2564648C1

название год авторы номер документа
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ МОЛИБДЕНА 2014
  • Каблов Евгений Николаевич
  • Гращенков Денис Вячеславович
  • Ефимочкин Иван Юрьевич
  • Щетанов Борис Владимирович
  • Мурашёва Виктория Владимировна
  • Родионов Антон Игоревич
  • Бурковская Наталия Петровна
  • Севостьянов Николай Владимирович
  • Савельев Андрей Николаевич
  • Мишин Евгений Викторович
RU2570273C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА 2009
  • Абузин Юрий Алексеевич
  • Ефимочкин Иван Юрьевич
  • Светлов Игорь Леонидович
RU2393060C1
ВОЛОКНИСТЫЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ С МАТРИЦЕЙ НА ОСНОВЕ НИОБИЯ 2014
  • Каблов Евгений Николаевич
  • Щетанов Борис Владимирович
  • Мурашева Виктория Владимировна
  • Ефимочкин Иван Юрьевич
  • Щеглова Тамара Михайловна
RU2568407C1
Высокотемпературный слоисто-волокнистый композит, армированный оксидными волокнами, и способ его получения 2020
  • Кийко Вячеслав Михайлович
  • Коржов Валерий Поликарпович
  • Стрюков Дмитрий Олегович
  • Шикунов Сергей Леонидович
  • Шикунова Ирина Алексеевна
  • Курлов Владимир Николаевич
RU2751062C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА 2014
  • Каблов Евгений Николаевич
  • Гращенков Денис Вячеславович
  • Ефимочкин Иван Юрьевич
  • Черепанин Роман Николаевич
  • Родионов Антон Игоревич
RU2560484C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОПЛОТНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ Al2O3 - TiCN 2020
  • Веселов Сергей Викторович
  • Янпольский Василий Васильевич
  • Карагедов Гарегин Раймондович
  • Тюрин Андрей Геннадиевич
  • Кузьмин Руслан Изатович
  • Лазарев Алексей Олегович
  • Квашнин Вячеслав Игоревич
  • Зыкова Екатерина Дмитриевна
  • Карпович Захар Алексеевич
  • Виноградов Алексей Александрович
  • Максимов Руслан Александрович
  • Батаев Владимир Андреевич
  • Батаев Анатолий Андреевич
  • Буров Владимир Григорьевич
RU2741032C1
ЖАРОПРОЧНЫЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ ПОРОШКОВЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ ИНТЕРМЕТАЛЛИДА NiAl И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ 2008
  • Поварова Кира Борисовна
  • Дроздов Андрей Александрович
  • Скачков Олег Александрович
  • Пожаров Сергей Владимирович
  • Морозов Алексей Евгеньевич
RU2371496C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО МЕТАЛЛИЧЕСКОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ ИНТЕРМЕТАЛЛИДА МОЛИБДЕНА 2009
  • Ефимочкин Иван Юрьевич
  • Королев Алексей Викторович
  • Наймушин Андрей Иванович
RU2410201C1
Способ получения композиционного материала SiC-TiN 2018
  • Леонов Александр Владимирович
  • Севостьянов Михаил Анатольевич
  • Лысенков Антон Сергеевич
  • Царева Алена Михайловна
  • Насакина Елена Олеговна
  • Баикин Александр Сергеевич
  • Сергиенко Константин Владимирович
  • Колмаков Алексей Георгиевич
  • Опарина Ирина Борисовна
RU2681332C1
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МАТЕРИАЛА ДЛЯ ДУГОГАСИТЕЛЬНЫХ И РАЗРЫВНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОНТАКТОВ И МАТЕРИАЛ 2013
  • Гершман Иосиф Сергеевич
  • Гершман Евгений Иосифович
RU2522584C1

Реферат патента 2015 года СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ НИОБИЯ

Изобретение относится к области порошковой металлургии, а именно к получению высокотемпературных композиционных материалов на основе ниобия с оксидным упрочнением. Порошки для приготовления матрицы перемешивают и подвергают механическому легированию в защитной атмосфере с образованием массива гранул из частиц порошка. Механическое легирование проводят в защитной атмосфере в течение 40-60 часов. В полученный массив гранул добавляют монокристаллические волокна α-Al2O3 и проводят двустороннее прессование полученной смеси при температуре 1400-1430°C и давлении 28-35 МПа не менее 3-х минут. Обеспечивается повышение предела прочности композиционного материала на основе ниобия, при этом материал имеет плотность, составляющую не менее 95% от теоретической. 3 з.п. ф-лы, 3 пр.

Формула изобретения RU 2 564 648 C1

1. Способ получения композиционного материала на основе ниобия, включающий перемешивание порошков для приготовления матрицы материала на основе ниобия и механическое легирование в защитной атмосфере с образованием массива гранул из частиц порошка, отличающийся тем, что механическое легирование проводят в защитной атмосфере в течение 40-60 часов, в полученный массив гранул добавляют монокристаллические волокна α-Al2O3 и проводят двустороннее прессование полученной смеси при температуре 1400-1430°C и давлении 28-35 МПа не менее 3-х минут.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве защитной атмосферы используют аргон.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что двустороннее прессование смеси массива гранул и монокристаллических волокон α-Al2O3 проводят в пресс-форме, на которую предварительно наносят смазывающий материал.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что в качестве смазывающего материала используют нитрид бора.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2015 года RU2564648C1

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА 2009
  • Абузин Юрий Алексеевич
  • Ефимочкин Иван Юрьевич
  • Светлов Игорь Леонидович
RU2393060C1
JP 2001226734 A, 21.08.2001
JP 5117823 A, 14.05.1993

RU 2 564 648 C1

Авторы

Каблов Евгений Николаевич

Гращенков Денис Вячеславович

Ефимочкин Иван Юрьевич

Щетанов Борис Владимирович

Родионов Антон Игоревич

Мурашёва Виктория Владимировна

Купцов Роман Сергеевич

Большакова Александра Николаевна

Даты

2015-10-10Публикация

2014-07-01Подача