способ получения высокотемпературного металлического композиционного материала на основе интерметаллида молибдена

Классы МПК:B22F3/20 выдавливанием (экструзией)
C22C1/05 смеси металлического порошка с неметаллическим
C22C27/04 сплавы на основе вольфрама или молибдена
Автор(ы):, ,
Патентообладатель(и):Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) (RU),
Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") (RU)
Приоритеты:
подача заявки:
2009-10-28
публикация патента:

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению композиционных материалов на основе интерметаллида молибдена. Может использоваться для деталей, предназначенных для длительной эксплуатации при высоких температурах в условиях значительных механических и термических нагрузок, таких как жаростойкие детали ГТД, в частности рабочие и сопловые лопатки, элементы жаровых труб. Путем размола в два этапа получают порошок кремния, при этом на первом этапе металлический кремний размалывают до частиц размером около 100 мкм, а затем до размера менее 40 мкм. Готовят смесь из порошков молибдена, бора и кремния и подвергают ее механическому легированию при 40-50°С в защитной рабочей жидкости. Горячее компактирование порошковой смеси осуществляют методом экструзии при температуре 1100-1200°С с коэффициентом вытяжки не менее 1:6. Способ позволяет получить композиционный материал на основе интерметаллида молибдена с высоким уровнем прочностных свойств, заданным химическим составом и высоким уровнем выхода годного, при сокращении времени его получения.

Формула изобретения

Способ получения высокотемпературного металлического композиционного материала на основе интерметаллида молибдена, включающий смешивание порошков молибдена, бора и кремния, механическое легирование смеси в защитной атмосфере и последующее горячее компактирование порошковой смеси, отличающийся тем, что порошок кремния получают путем размола металлического кремния в два этапа, при этом на первом этапе металлический кремний размалывают до частиц размером около 100 мкм, а затем до размера менее 40 мкм, механическое легирование осуществляют при температурах 40-50°С, в качестве защитной атмосферы используют рабочую жидкость, а горячее компактирование порошковой смеси осуществляют методом экструзии при температуре 1100-1200°С с коэффициентом вытяжки не менее 1:6.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам получения композиционных материалов на основе интерметаллида молибдена, предназначенных для длительной эксплуатации при высоких температурах в условиях значительных механических и термических нагрузок. Такие металлические композиционные материалы могут быть использованы в качестве жаростойких деталей ГТД: рабочих и сопловых лопаток, элементов жаровых труб, а также других деталей машин, работающих при температурах до 1400°С.

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 и 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 (Патент РФ № 2263089).

Недостатком этого способа является то, что тепла, выделяющегося в процессе экзотермической реакции, недостаточно для образования упрочняющих фаз и, следовательно, для изготовления металлических композиционных материалов на основе молибдена.

Известен способ получения композиционного материала на основе интерметаллидной металлической матрицы, содержащей карбид кремния в качестве керамического упрочнителя. Карбид кремния берут в форме нитевидных кристаллов. В качестве матричного материала используют дисилицид молибдена. Способ заключается в приготовлении смеси порошка матричного материала и керамического упрочнителя в скоростном смесителе типа кофемолки и дальнейшем горячем прессовании (Патент США № 4,927,792).

Недостатком этого способа является высокая стоимость нитевидных кристаллов карбида кремния, которая делает продукцию из этого материала неоправданно дорогой, тогда как в процессе помола эти усы все равно измельчают, а стоимость порошков кремния и бора в сотни раз ниже стоимости нитевидных кристаллов этого материала. Кроме того, после горячего прессования относительная плотность полученного материала составляет 97%, что не позволяет получать композиционный материал с высокими механическими свойствами.

За прототип принят способ получения высокотемпературного металлического композиционного материала на основе интерметаллида молибдена, включающий перемешивание порошков молибдена, бора, кремния, механическое легирование смеси в защитной атмосфере (водород) при температуре 100-150°С, горячее компактирование (прессование и штамповку) осуществляют при температуре 1100-1900°С, деформацию в суперпластичном состоянии при температуре 1000-1600°С, с последующей термообработкой при 1400-1900°С (Заявка США № 2006/0285990).

Использование данного метода не позволяет получать композиционный материал, обладающий высокой прочностью и высоким выходом годного. Кроме того, использование в качестве защитной атмосферы газа, в частности водорода, что делает сам процесс чрезвычайно взрывоопасным.

Технической задачей данного изобретения является разработка способа получения высокотемпературного металлического композиционного материала на основе интерметаллида молибдена с равномерной структурой, высокой относительной плотностью и высокой прочностью, который обеспечивает высокий выход годного при минимальных материальных и энергетических затратах.

Для достижения поставленных задач предложен способ получения высокотемпературного металлического композиционного материала на основе интерметаллида молибдена, включающий смешивание порошков молибдена, бора, кремния, механическое легирование смеси в защитной атмосфере и последующее горячее компактирование порошковой смеси, отличающийся тем, что порошок кремния получают путем размола металлического кремния в 2 этапа, на первом этапе металлический кремний размалывают до частиц размером около 100 мкм, а на втором этапе - до размера менее 40 мкм, механическое легирование смеси осуществляют при температурах 40-50°С, в качестве защитной атмосферы используют рабочую жидкость, а горячее компактирование порошковой смеси осуществляют методом экструзии при температуре 1100-1200°С с коэффициентом вытяжки не менее 1:6, с предварительным капсулированием порошковой смеси и дегазацией в вакууме при температуре 1200-1250°С до полного прекращения газовыделения.

Порошковую смесь предварительно капсулируют и дегазируют в вакууме при температуре 1200-1250°С до полного прекращения газовыделения.

Так как мелкодисперсный порошок кремния чрезвычайно гигроскопичен, размол проводят непосредственно перед операцией смешивания. Таким образом, время хранения порошка сводится к минимальному, что, в свою очередь, снижает количество воды, абсорбированной порошком из воздуха, и, как следствие это положительно сказывается на качестве материала и его свойствах.

В качестве рабочей жидкости используют абсолютный спирт (этиловый, изопропиловый). При использовании газа в качестве защитной атмосферы в рабочей камере аттритора появляются «мертвые» зоны, в которых скапливается материал и не подвергается механическому легированию (МЛ). Для исчезновения мертвых зон необходим большой промежуток времени, что увеличивает общее время проведения процесса МЛ. Также существует «неудаляемая» мертвая зона (в районе отверстия выгрузки аттритора), которая влияет на качество материала, т.к. скопившийся там материал (100-200 г) вообще не участвует в процессе МЛ и при выгрузке добавляется в следующую партию загружаемого материала. Для предотвращения появления таких зон предложено использовать в качестве защитной атмосферы инертную жидкость. При использовании жидкости в рабочей камере аттритора образуется суспензия спирта и шихты, которая при вращении вала аттритора циркулирует по всему объему рабочей камеры, тем самым препятствует образованию «мертвых» зон. Таким образом, при использовании жидкости вся загружаемая шихта подвергается процессу МЛ с самого начала обработки (без образования мертвых зон), тем самым позволяя сократить время проведения МЛ. Также при использовании жидкости не требуется применять защитные устройства при выгрузке аттритора, тогда как при выгрузке без жидкости образуется смесь воздуха (газа) и выгружаемого порошка, которая может быть пожаровзрывоопасна (температура в рабочей камере аттритора при использовании газа достигает 100-120°С, а при использовании рабочей жидкости 40-50°С).

Компактирование механически легированной смеси порошков осуществляют методом экструзии (температура экструзии 1100-1200°С) с предварительным капсулированием и дегазацией при температуре 1200-1250°С, что обеспечивает предотвращение взаимодействия механически легированного порошка с атмосферой, исключение появления хрупких оксидов в структуре материала, а также при экструзии зерна композиционного материала вытягиваются вдоль направления экструзии, что положительно сказывается на прочностных свойствах готового материала. Температуру экструзии определили эмпирическим путем, она составила 1100-1200°С.

Предложенный способ получения композиционного материала позволяет получать композиционные гранулы с заданным химическим составом и равномерно распределенным по объему каждой гранулы фазовым составом после проведения процесса механического легирования в течение выбранного интервала времени, а компактные образцы с высоким уровнем плотности и прочностных свойств после экструзии в выбранном интервале температур.

Пример 1

Получение композиционного материала состава Мо-15Si-5В (вес.%).

Для получения высокотемпературного металлического композиционного материала на основе интерметаллида молибдена использовали элементарные промышленные порошки молибдена, бора, кремния. Порошок кремния получали размолом металлического кремния: вначале размалывали на гидравлическом прессе до размера частиц менее 100 мкм, а затем в валковой мельнице до размера менее 40 мкм. Исходные порошки в количествах, соответствующих химическому составу, смешивали. Исходную порошковую смесь подвергли механическому легированию в высокоэнергетической установке для размола и смешивания (атритторе) по следующему режиму: время обработки - 20 ч, защитная атмосфера - абсолютированный этиловый спирт, температура в рабочей камере - 50°С. Затем капсулировали с последующей дегазацией при температуре 1250°С и экструдировали при температуре 1200°С, коэффициент вытяжки 1:6. Относительная плотность полученного материала составила 0,99, способ получения высокотемпературного металлического композиционного   материала на основе интерметаллида молибдена, патент № 2410201 1200способ получения высокотемпературного металлического композиционного   материала на основе интерметаллида молибдена, патент № 2410201 в=500-600 МПа, при заданном химическом составе (основа твердый р-р Мо плюс упрочняющие фазы) и равномерно распределенными по объему композиционного материала фазами Mo3Si Mo 5SiB2. Равномерность распределения фазового состава определяют путем исследования микроструктуры методами растровой электронной микроскопии. Время получения композиционного материала 35-40 ч, выход годного - 95%.

Пример 2

Получение композиционного материала состава Мо-15Si-5В (вес.%).

Для получения высокотемпературного металлического композиционного материала на основе интерметаллида молибдена использовали элементарные промышленные порошки молибдена, бора, кремния. Порошок кремния получали размолом металлического кремния: вначале размалывали на гидравлическом прессе до размера частиц мене 80 мкм, а затем в валковой мельнице до размера менее 40 мкм. Исходные порошки в количествах, соответствующих химическому составу, смешивали. Исходную порошковую смесь подвергли механическому легированию в высокоэнергетической установке для размола и смешивания (атритторе) по следующему режиму: время обработки - 20 ч, защитная атмосфера - абсолютированный изопропиловый спирт, температура в рабочей камере - 40°С. Затем капсулировали с последующей дегазацией при температуре 1200°С и экструдировали при температуре 1100°С коэффициент вытяжки 1:6. Относительная плотность полученного материала составила 0,98, способ получения высокотемпературного металлического композиционного   материала на основе интерметаллида молибдена, патент № 2410201 1200способ получения высокотемпературного металлического композиционного   материала на основе интерметаллида молибдена, патент № 2410201 в=500-600 МПа, при заданном химическом составе (основа твердый раствор Мо плюс упрочняющие фазы) и равномерно распределенными по объему композиционного материала фазами Mo 3Si Mo5SiB2. Время получения композиционного материала 30-35 ч, выход годного - 97%.

Пример 3 (по прототипу)

Получение композиционного материала состава Мо-15Si-5В (вес.%)

Для получения высокотемпературного металлического композиционного материала на основе интерметаллида молибдена использовали элементарные промышленные порошки молибдена, бора, кремния. Исходные порошки в количествах, соответствующих химическому составу, смешивали. Исходную порошковую смесь подвергли механическому легированию в высокоэнергетической установке для размола и смешивания (атритторе) по следующему режиму: время обработки - 40 ч, защитная атмосфера - аргон, температура в рабочей камере - 100-150°С. Затем порошки подвергли горячему компактированию: прессованию по режиму: температура - 1450°С, давление - 20 МПа, время - 3 мин, с последующей штамповкой при температуре 1500°С и термообработкой в вакууме при 1600°С в течение 2 ч. Относительная плотность полученного материала составила 0,99, способ получения высокотемпературного металлического композиционного   материала на основе интерметаллида молибдена, патент № 2410201 1200способ получения высокотемпературного металлического композиционного   материала на основе интерметаллида молибдена, патент № 2410201 в=350-380 МПа, при заданном химическом составе (основа твердый р-р Мо плюс упрочняющие фазы) и неравномерно распределенными по объему композиционного материала фазами Mo 3Si, Mo5SiB2. Время получения композиционного материала около 70 ч, выход годного - 85%.

Таким образом, предложенный способ позволяет получать композиционные материалы на основе интерметаллида молибдена с высоким уровнем прочностных свойств, заданным химическим составом и высоким уровнем выхода годного, при этом сокращая время получения композиционного материала. Применение предлагаемого способа позволит снизить материальные и энергетические затраты, а следовательно, себестоимость продукции, в частности лопаток ГТД и ГТУ нового поколения.

Скачать патент РФ Официальная публикация
патента РФ № 2410201

patent-2410201.pdf

Класс B22F3/20 выдавливанием (экструзией)

пресс-инструмент для проходного прессования порошковых материалов -  патент 2529329 (27.09.2014)
способ получения модификатора для алюминиевых сплавов -  патент 2528598 (20.09.2014)
способ получения композиционного материала -  патент 2509818 (20.03.2014)
способ получения контактных вставок троллейбусов -  патент 2508177 (27.02.2014)
способ получения модификатора для доэвтектических алюминиево-кремниевых сплавов -  патент 2475334 (20.02.2013)
способ экструзии термоэлектрического материала на основе халькогенидов висмута и сурьмы -  патент 2475333 (20.02.2013)
содержащие связующее термопластичные массы для изготовления металлических формованных изделий -  патент 2446031 (27.03.2012)
способ получения керамических изделий с наноразмерной структурой -  патент 2414991 (27.03.2011)
способ получения композиционного материала на металлической матрице, армированной квазикристаллами -  патент 2413781 (10.03.2011)
разжимная пресс-шайба -  патент 2359769 (27.06.2009)

Класс C22C1/05 смеси металлического порошка с неметаллическим

спеченная твердосплавная деталь и способ -  патент 2526627 (27.08.2014)
композиционный электроконтактный материал на основе меди и способ его получения -  патент 2525882 (20.08.2014)
способ получения поликристаллического композиционного материала -  патент 2525005 (10.08.2014)
шихта для изготовления материала для сильноточных электрических контактов и способ изготовления материала -  патент 2523156 (20.07.2014)
твердосплавное тело -  патент 2521937 (10.07.2014)
способ получения беспористого карбидочугуна для изготовления выглаживателей -  патент 2511226 (10.04.2014)
способ получения композиционного материала -  патент 2509818 (20.03.2014)
порошковый композиционный материал -  патент 2509817 (20.03.2014)
спеченный материал для сильноточного скользящего электроконтакта -  патент 2506334 (10.02.2014)
наноструктурный композиционный материал на основе чистого титана и способ его получения -  патент 2492256 (10.09.2013)

Класс C22C27/04 сплавы на основе вольфрама или молибдена

термическое формование хирургических игл из тугоплавких сплавов -  патент 2480306 (27.04.2013)
лигатура для выплавки жаропрочного титанового сплава и способ ее изготовления -  патент 2470084 (20.12.2012)
способ производства литой мишени для магнетронного распыления из сплава на основе молибдена -  патент 2454484 (27.06.2012)
способ получения составной мишени для распыления из сплава вольфрам-титан-рений -  патент 2454482 (27.06.2012)
способ получения составной мишени для распыления из сплава вольфрам-титан-кремний -  патент 2454481 (27.06.2012)
способ получения монокристаллов сплава вольфрам-тантал -  патент 2453624 (20.06.2012)
способ изготовления спеченных пористых изделий из псевдосплава на основе вольфрама -  патент 2444418 (10.03.2012)
способ улучшения механических свойств порошковых изделий из тяжелых сплавов на основе вольфрама и порошковое изделие с механическими свойствами, улучшенными этим способом -  патент 2442834 (20.02.2012)
способ обработки молибденитового концентрата (варианты) -  патент 2434066 (20.11.2011)
способ изготовления спеченных пористых изделий из псевдосплава на основе вольфрама -  патент 2414329 (20.03.2011)
Наверх