Способ изготовления плит из керамических и композиционных материалов Российский патент 2018 года по МПК B22F3/23 B22F3/02 B22F7/04 B32B15/04 

Описание патента на изобретение RU2657894C2

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к получению изделий в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) в сочетании с высокотемпературным сдвиговым пластическим деформированием продуктов горения в условиях их свободного сжатия. Изобретение может быть использовано для получения плит, применяемых в авиационной, металлургической промышленности, машиностроении и двигателестроении.

Известен традиционный способ получения компактных изделий из порошковых материалов методом СВС-прессования. В этом способе используют пресс-формы с неподвижными боковыми стенками, которые выдерживают достаточно высокие давления до 1000 МПа и высокие тепловые нагрузки до 2000-4000°С, а также гидравлические пресса, обеспечивающие необходимые высокие давления прессования. (А.П. Амосов, И.П. Боровинская, А.Г. Мержанов; под науч. ред. В.Н. Анциферова. Порошковая технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза материалов. Учебное пособие для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению "Металлургия" Москва, 2007. С. 218-243).

Известен способ получения изделий из порошковых материалов, включающий приготовление экзотермических смеси порошка, прессование смеси в брикет, размещение его в теплоизолирующей пористой оболочке в матрице, инициирование реакции горения и горячее прессование продуктов горения совместно с оболочкой (RU 2060866 С1, B22F 3/23, B22F 3/14, 27.05.1996).

Общими недостатками указанных технических решений является то, что прессование продуктов горения осуществляют в режиме одностороннего сжатия в условиях пристенного внешнего трения по поверхности пресс-формы, что приводит к резкому уменьшению усилия прессования по высоте порошковой заготовки и, как следствие, образование неравномерности распределения давления и пористости в изделии, особенно при соотношении высоты к диаметру исходной заготовки выше 2.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ получения компактных изделий из порошков тугоплавких неорганических соединений методом СВС-прессования, в котором совмещается самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС) и прессование продуктов горения в жесткой пресс-форме. Этот способ включает приготовление экзотермической смеси исходных порошков, прессование смеси в брикет, размещение его в теплоизолирующей пористой оболочке и в пресс-форме, инициирование реакции горения и горячее прессование продуктов горения (RU 2367541 C1, B22F 3/23, С22С 1/04, 31.01.2008).

Недостатками указанного технического решения, как и в предыдущих случаях, также является то, что прессование осуществляется в режиме одностороннего сжатия в условиях пристенного внешнего трения по поверхности пресс-формы, что приводит к резкому уменьшение усилия прессования по высоте исходной заготовки. Как следствие, возникает неоднородность распределения давления и плотности в получаемом изделии, что существенно сказывается на их качестве. Из-за внешнего трения даже при самых благоприятных условиях одностороннее прессование практически непригодно для получения изделий из исходной заготовки с отношением высоты к диаметру выше 2.

Техническим результатом предлагаемого способа является повышение качества получаемых изделий, а также получение изделий варьируемых размеров, в том числе из исходных заготовок с отношением высоты к диаметру (h/d) выше 2.

Технический результат достигается тем, что способ изготовления плит из керамических и композиционных материалов включает приготовление экзотермической смеси порошков, прессование смеси в заготовку, помещение ее в пресс-форму, инициирование реакции горения и последующее прессование продуктов горения плунжером пресса под действием осевого давления 10-50 МПа при перемещении боковых стенок пресс-формы в поперечном направлении с обеспечением свободного сжатия продуктов горения, кроме того, основание пресс-формы предварительно нагревают до 100-500°С, а также прессуют исходную заготовку при отношении высоты к диаметру выше 2.

Сущность предлагаемого способа заключается в уплотнении и формовании материала под действием постоянного невысокого осевого давления (10-50 МПа) с применением пресс-формы, в которой обеспечивается возможность высокотемпературного сдвигового пластического деформирования при свободном сжатии продуктов горения за счет поперечного перемещения боковых стенок по радиальным направляющим. В качестве исходных компонентов для приготовления реакционной смеси используют порошки металлов и неметаллов. Просушенную шихту на гидравлическом прессе прессуют в заготовки размерами, превышающими на 15-20% необходимые конечные размеры изготавливаемого изделия.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где 1 - основание пресс-формы, 2 - направляющие подвижной плиты, 3 - плунжер пресса, 4 - исходная заготовка, 5 - подвижные плиты. Заготовку помещают на основание пресс-формы. Синтез осуществляют в автоматическом режиме по команде с блока управления, с помощью которого задают параметры процесса (время инициирования, время задержки перед прессованием, время выдержки под давлением), а также давление прессования. После инициирования реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) и заданного времени задержки осуществляют сжатие материала плунжером пресса под действием постоянного осевого давления (10-50 МПа), при этом подвижные плиты перемещаются по направляющим в поперечном направлении, что позволяет реализовать условия высокотемпературного сдвигового пластического деформирования продуктов горения при свободном сжатии. После прессования образец помещают в печь для снятия термоупругих напряжений.

Использование наиболее благоприятной схемы напряженного состояния и высокотемпературного сдвигового пластического деформирования продуктов горения способствуют «залечиванию» макротрещин и пор в деформированном материале, в отличие от одноосного сжатия материала, которое характерно для прототипа в пресс-формах с неподвижными боковыми стенками. За счет отсутствия пристенного внешнего трения об стенки пресс-формы усилие при прессовании равномерно распределяется по всей высоте заготовки. Также за счет указанных особенностей по предлагаемому способу возможно получить изделия с варьируемыми размерами, в том числе с отношением высоты к диаметру исходной заготовки свыше 2 при использовании гидравлических прессов с малым усилием. Таким образом, практически устраняется вредное влияние внешнего трения о стенки пресс-формы на качество получаемого изделия, снимаются ограничения соответствия геометрических размеров пресс-формы и заготовки, появляется возможность использовать одну пресс-форму для изделий с варьируемым диаметром.

Сущность предлагаемого способа подтверждается следующими примерами.

Пример 1. Приготавливают экзотермическую смесь исходных компонент титана, сажи, кобальта, в соотношении масс. %: Ti - 56, С - 14, Со - 30, прессуют из этой смеси заготовку диаметром и высотой 25 мм (h/d=1), размещают ее на основание пресс-формы, предварительно нагретое до 100°С, инициируют реакцию горения и сжимают плунжером пресса давлением 10 МПа. В результате получают цилиндрическую плиту из синтезированного материала TiC-Со диаметром 50 мм и высотой 5 мм, с равномерным распределением плотности (5,76±0,1 г/см3) по объему изделия.

Пример 2. Приготавливают экзотермическую смесь исходных компонент титана и бора, в соотношении масс. %: Ti - 81,6, В - 18,4, прессуют из этой смеси заготовку диаметром 25 мм и высотой 27 мм (h/d=1,1), размещают ее на основание пресс-формы, инициируют реакцию горения и сжимают плунжером пресса давлением 50 МПа. В результате получена цилиндрическая плита из синтезированного материала TiB диаметром 65 мм и высотой 4 мм, с равномерным распределением плотности (4,3±0,14 г/см3) по объему изделия.

Пример 3. Приготавливают экзотермическую смесь исходных компонент титана и бора, в соотношении масс. %: Ti - 89, В - 11, прессуют из этой смеси заготовку диаметром 30 мм и высотой 70 мм (h/d=2,3), размещают ее на основание пресс-формы, инициируют реакцию горения и сжимают плунжером пресса давлением 50 МПа. В результате получена цилиндрическая плита из синтезированного материала TiB-Ti диаметром 83 мм и высотой 3 мм, с равномерным распределением плотности (4,5±0,18 г/см3) по объему изделия.

Таким образом, предлагаемая совокупность признаков изобретения позволяет получать компактные плиты заданных размеров с равномерным распределением плотности в изделии, а также с отношением высоты к диаметру исходной заготовки свыше 2 при использовании гидравлических прессов с малым усилием. Полученные плиты могут быть использованы в авиационной, металлургической промышленности, машиностроении и двигателестроении.

Похожие патенты RU2657894C2

название год авторы номер документа
Способ получения градиентных материалов на основе МАХ-фаз системы Ti-Al-C 2022
  • Бажина Арина Дмитриевна
  • Столин Павел Андреевич
  • Столин Александр Моисеевич
  • Бажин Павел Михайлович
RU2786628C1
Способ получения слоистых металлокерамических композиционных материалов 2020
  • Бажин Павел Михайлович
  • Константинов Александр Сергеевич
  • Прокопец Арина Дмитриевна
  • Столин Александр Моисеевич
RU2754419C1
Способ получения изделий из тугоплавких материалов 2015
  • Щербаков Владимир Андреевич
  • Грядунов Александр Николаевич
RU2607114C1
Способ получения тугоплавких материалов 2015
  • Щербаков Владимир Андреевич
  • Грядунов Александр Николаевич
RU2607115C1
Способ изготовления композиционных материалов на основе Ti-B-Fe, модифицированных наноразмерными частицами AIN 2020
  • Болоцкая Анастасия Вадимовна
  • Михеев Максим Валерьевич
  • Бажин Павел Михайлович
  • Столин Александр Моисеевич
RU2737185C1
Способ получения тугоплавкого материала 2023
  • Щербаков Владимир Андреевич
  • Семенчук Илья Евгеньевич
  • Грядунов Александр Николаевич
  • Алымов Михаил Иванович
  • Падалко Анатолий Георгиевич
RU2816713C1
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИНИЦИИРОВАНИЯ САМОРАСПРОСТРАНЯЮЩЕГОСЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО СИНТЕЗА (СВС) В ШИХТОВОЙ ЗАГОТОВКЕ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА В ПРЕСС-ФОРМЕ 2014
  • Вайцехович Сергей Михайлович
  • Войцехович Дмитрий Сергеевич
  • Войцехович Вероника Николаевна
  • Степанов Леонид Сергеевич
  • Иванов Андрей Анатольевич
  • Иванов Кирилл Анатольевич
  • Иванова Елена Васильевна
  • Иванова Анастасия Кирилловна
  • Кужель Артемий Сергеевич
  • Тетерина Евгения Викторовна
  • Тетерин Михаил Дмитриевич
  • Левчук Ксения Викторовна
RU2577641C2
Способ изготовления электродов для электроискрового легирования и электродуговой наплавки 2022
  • Антипов Михаил Сергеевич
  • Бажин Павел Михайлович
  • Столин Александр Моисеевич
  • Чижиков Андрей Павлович
  • Константинов Александр Сергеевич
RU2792027C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛИДА ТИТАНА 2006
  • Вадченко Сергей Георгиевич
  • Камынина Ольга Константиновна
  • Сычев Александр Евгеньевич
  • Рогачев Александр Сергеевич
RU2310548C1
Способ изготовления дисперсно-упрочненного композиционного электродного материала для электроискрового легирования и электродуговой наплавки 2016
  • Бажин Павел Михайлович
  • Столин Александр Моисеевич
  • Аверичев Олег Андреевич
  • Савельев Александр Сергеевич
RU2623942C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 657 894 C2

Реферат патента 2018 года Способ изготовления плит из керамических и композиционных материалов

Изобретение относится к изготовлению плит из керамических и композиционных материалов. Способ включает приготовление экзотермической смеси порошков, прессование смеси в заготовку, помещение ее в пресс-форму, инициирование реакции горения и последующее прессование продуктов горения. Процесс прессования ведут плунжером пресса под действием осевого давления 10-50 МПа при перемещении боковых стенок пресс-формы в поперечном направлении с обеспечением свободного сжатия продуктов горения. Обеспечивается повышение качества получаемых изделий за счет более равномерного распределения давления и плотности при прессовании продуктов горения. 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 3 пр.

Формула изобретения RU 2 657 894 C2

1. Способ изготовления плит из керамических и композиционных материалов, включающий приготовление экзотермической смеси порошков, прессование смеси в заготовку, помещение ее в пресс-форму, инициирование реакции горения и последующее прессование продуктов горения, отличающийся тем, что процесс прессования ведут плунжером пресса под действием осевого давления 10-50 МПа при перемещении боковых стенок пресс-формы в поперечном направлении с обеспечением свободного сжатия продуктов горения.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что основание пресс-формы предварительно нагревают до 100-500°С.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что прессуют исходную заготовку при отношении высоты к диаметру выше 2.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2018 года RU2657894C2

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ 2008
  • Кванин Вадим Леонидович
  • Балихина Надежда Тихоновна
  • Мержанов Александр Григорьевич
RU2367541C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ 1994
  • Амосов А.П.
  • Федотов А.Ф.
RU2060866C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ЭКЗОТЕРМИЧЕСКИХ ПОРОШКОВЫХ СМЕСЕЙ 1995
  • Амосов А.П.
  • Федотов А.Ф.
RU2102187C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПОРИСТЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ 1988
  • Мержанов А.Г.
  • Боровинская И.П.
  • Блошенко В.Н.
  • Бокий В.А.
SU1826300A1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЗАГОТОВОК ИЗ ПОРОШКОВЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ И КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ 2013
  • Исламгалиев Ринат Кадыханович
  • Нестеров Константин Михайлович
  • Шундалов Владимир Алексеевич
  • Михайлов Игорь Николаевич
  • Шарафутдинов Альфред Васимович
RU2533578C1
СПОСОБ ПРЕССОВАНИЯ ШТАБИКОВ ИЗ ПОРОШКОВ ТУГОПЛАВКИХ МЕТАЛЛОВ И ПРЕСС-ФОРМА ДЛЯ ИХ ПРЕССОВАНИЯ 2007
  • Мымрин Сергей Александрович
  • Барков Леонид Андреевич
  • Чаплыгин Борис Александрович
  • Дятлов Владимир Николаевич
RU2381870C2
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ДИСКОВЫХ ФРЕЗ 1991
  • Дорофеев Ю.Г.
  • Деревянных А.П.
  • Ютишев А.С.
RU2094173C1
ПРЕСС-ФОРМА ДЛЯ ПРЕССОВАНИЯ БРИКЕТОВ ИЗ ПОРОШКООБРАЗНОГО МАТЕРИАЛА 2012
  • Вайцехович Сергей Михайлович
  • Кривенко Георгий Георгиевич
  • Бараев Алексей Викторович
  • Ефременко Геннадий Петрович
  • Красуля Андрей Анатольевич
  • Домрачев Георгий Михайлович
RU2510308C1
СПОСОБ ОБЪЕМНОГО ПРЕССОВАНИЯ БРИКЕТОВ ИЗ ПОРОШКООБРАЗНОГО МАТЕРИАЛА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА 2014
  • Вайцехович Сергей Михайлович
  • Войцехович Дмитрий Сергеевич
  • Кужель Артемий Сергеевич
  • Михалевич Владимир Маркусович
  • Михалевич Алексей Владимирович
  • Степанов Леонид Сергеевич
RU2572268C1

RU 2 657 894 C2

Авторы

Бажин Павел Михайлович

Столин Александр Моисеевич

Чижиков Андрей Павлович

Стельмах Любовь Семёновна

Даты

2018-06-18Публикация

2016-11-09Подача