Способ получения комплексно-легированного материала на основе алюминидов никеля с карбидной и боридной фазами вольфрама Российский патент 2021 года по МПК B22F3/23 C22C1/05 

Изобретение относится к области металлургии. Интерметаллидные сплавы на основе NiAl сочетают высокую прочность и жаро- и коррозионную стойкость, малый удельный вес используют в качестве основы для создания новых перспективных высокотемпературных конструкционных материалов для энергетики, авиа- и автомобилестроения.

Известен способ получения материала на основе алюминидов никеля (NiAl, Ni₃Al) в режиме СВС-металлургии инициированием смеси порошков Ni, Al и добавки - самофлюсующиеся порошки на основе никеля. (SU 1787068 A3, B22F 3/23, С22С 1/04, 27.02.1991). Способ позволяет получать пористый материал и изделия повышенной прочности.

Недостатком способа является то, что крупные размеры частиц материала ограничивают возможности его использования, необходим нагрев и поддержание температуры, а дополнительная стадия измельчения загрязняет продукт и удлиняет общее время синтеза до 10 часов.

Известен способ получения материалов на основе алюминида никеля путем металлотермического совместного восстановления оксидов исходных металлов (Патент РФ №2354501, B22F 3/23, С22С 1/04, опубл. 10.05.2009), который включает приготовление экзотермической смеси, путем смешивания в стехиометрическом соотношении порошков алюминия и оксида никеля и по крайней мере одной легирующей добавки, выбранной из ряда, включающего оксиды металлов, в реакторе в инертной атмосфере под давлением инертного газа аргона, при этом металлотермическая реакция инициируется электрозапалом, с последующим выделением целевого продукта.

Недостатками способа являются большие энергозатраты, многостадийность технологических циклов, малая производительность и не всегда обеспечивается требуемое качество получаемого продукта.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ получения материалов на основе алюминида никеля металлотермического совместного восстановления оксидов исходных металлов (Патент РФ №2632341 С2, B22F 3/23, С22С 1/04, опубл. 04.10.2017, Бил. №8), который включает приготовление экзотермической шихты путем смешивания порошков алюминия, оксида никеля и по крайней мере одной легирующей добавки и инициирование в экзотермической шихте металлотермической реакции с обеспечением восстановления оксидов и образования алюминида никеля, согласно изобретению экзотермическую шихту готовят с добавлением балластной добавки, выполняющей роль флюса, в виде фтористого кальция, при этом порошок алюминия используют в избытке относительно стехиометрического соотношения порошков в смеси, а в качестве легирующей добавки используют оксиды хрома, или оксиды молибдена, или оксиды вольфрама, или оксиды титана в количестве не более 15 мас.%, причем металлотермическую реакцию в экзотермической шихте проводят без внешнего подогрева в реакторе или на открытом воздухе с получением материала на основе алюминида никеля в виде слитка. При этом оксид хрома или молибдена или вольфрама или титана вводят в количестве не более 15 мас.%. Металлотермическая реакция протекает без внешнего подогрева, как в реакторе, так и на открытом воздухе. Алюминий в составе шихты берется с избытком относительно расчетного, тем самым создаются необходимые для синтеза условия. Для снижения скорости горения и обеспечения полноты выхода металла в состав шихты вводят балластную добавку фтористый кальций, которая одновременно выполняет роль флюса, улучшающего условия формирования компактных слитков металлов.

Технической задачей заявленного изобретения является снижение энерго- и трудозатрат, уменьшение технологических циклов, повышение содержания основного целевого материала, его чистоты и выхода.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в способе получения комплексно-легированного материала на основе алюминидов никеля (AlNi+Al₂Ni₃), включающего приготовление экзотермической шихты путем смешивания порошков алюминия (А1), оксида никеля (NiO), оксида вольфрама (WO₃) и балластной добавки в виде фтористого кальция (CaF₂) и инициирование в экзотермической шихте металлотермической реакции, согласно изобретению при приготовлении экзотермической смеси в нее дополнительно вводят карбид бора (В₄С), обеспечивают соотношение компонентов в экзотермической смеси NiO:WO₃:B₄C:Al:CaF₂ = 1 1:0,25:1,1:0,5, металлотермическую реакцию в экзотермической шихте проводят без внешнего подогрева на открытом воздухе с получением материала на основе алюминидов никеля (AlNi+Al₂Ni₃), содержащего упрочняющие фазы карбида вольфрама (WC) и борида вольфрама (W₂B₅).

Сущность способа поясняется примером. Готовят экзотермическую смесь исходных реагентов из порошков: оксид никеля NiO (98.9 мас.% Ni): WO₃ (98,5 мас.%): В₄С:Al (ПА4): CaF₂(ч) = 1:1:0,25:1,1:0,5. Порошки смешивают до однородной по составу смеси. Приготовленную смесь (шихту) загружают в алундовый тигель. Тигель с шихтой помещают на асбестовый лист. Металлотермическая реакция, инициируемая электрозапалом, далее протекает на воздухе без внешнего подогрева. После окончания процесса горения тигель и продукты горения охлаждают. В результате плавки образуются продукты двух видов: металлическая фаза в форме компактного слитка и шлак, легко отделяющиеся друг от друга. По данным рентгенофазового анализа материал состоит из алюминидов никеля AlNi и Al₂Ni₃, карбида WC и борида вольфрама W₂B₅. Микротвердость NiAl соответствует 7100 МПа, карбида вольфрама WC - 19500 МПа, борида вольфрама W₂B₅ - 29200 МПа. Микроструктура сплава представлена фазами интерметаллидов NiAl и Ni₂Al₃ с отдельными мелкодисперсными включениями карбида и борида вольфрама, алюминиды никеля NiAl+Ni₂Al₃ имеют высокие значения нанотвердости. Химический состав синтезированного комплексно-легированного сплава:

ат. %: 45,99 Ni; 39,54 Al; 11,60 W; 2,74 В; 1,25 С.

мас. %: 61,12 Ni; 24,15 Al; 11,39 W; 3,15 В; 0,1 С.

Таким образом, показана возможность получения на открытом воздухе и без внешнего подогрева порошков интерметаллидов NiAl и Ni₂Al₃ с отдельными мелкодисперсными включениями карбида и борида вольфрама при использовании карбида бора в составе экзотермической шихты, что позволяет решить техническую задачу изобретения.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к интерметаллидным сплавам на основе NiAl, которые имеют высокую прочность, жаро- и коррозионную стойкость, малый удельный вес, и могут быть использованы в качестве конструкционных материалов для энергетики, авиа- и автомобилестроения. Способ получения комплексно-легированного материала на основе алюминидов никеля (AlNi+Al₂Ni₃), включающий приготовление экзотермической шихты путем смешивания порошков алюминия (Al), оксида никеля (NiO), оксида вольфрама (WO₃) и балластной добавки в виде фтористого кальция (CaF₂) и инициирование в экзотермической шихте металлотермической реакции. При приготовлении экзотермической смеси в нее дополнительно вводят карбид бора (В₄С), обеспечивают соотношение компонентов в экзотермической смеси NiO:WO₃:B₄C:Al:CaF₂ = 1:1:0,25:1,1:0,5, металлотермическую реакцию в экзотермической шихте проводят без внешнего подогрева на открытом воздухе с получением материала на основе алюминидов никеля (AlNi+Al₂Ni₃), содержащего упрочняющие фазы карбида вольфрама (WC) и борида вольфрама (W₂B₅). Обеспечивается повышение содержания основного целевого материала, его чистоты и выхода годного, уменьшается количество технологических циклов.

Способ получения комплексно-легированного материала на основе алюминидов никеля (AlNi+Al₂Ni₃), включающий приготовление экзотермической шихты путем смешивания порошков алюминия (Al), оксида никеля (NiO), оксида вольфрама (WO₃) и балластной добавки в виде фтористого кальция (CaF₂) и инициирование в экзотермической шихте металлотермической реакции, отличающийся тем, что при приготовлении экзотермической смеси в нее дополнительно вводят карбид бора (В₄С), обеспечивают соотношение компонентов в экзотермической смеси NiO:WO₃:B₄C:Al:CaF₂ = 1:1:0,25:1,1:0,5, металлотермическую реакцию в экзотермической шихте проводят без внешнего подогрева на открытом воздухе с получением материала на основе алюминидов никеля (AlNi+Al₂Ni₃), содержащего упрочняющие фазы карбида вольфрама (WC) и борида вольфрама (W₂B₅).