способ получения композиционного материала al-al2o3

Классы МПК:C04B35/65 реакция спекания составов, содержащих свободный металл или свободный кремний
C04B35/117 композиты
B22F3/23 самораспространяющимся высокотемпературным синтезом или реакционным спеканием
Автор(ы):, , , , , ,
Патентообладатель(и):Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт стандартизации и унификации" ФГУП "НИИСУ" (RU)
Приоритеты:
подача заявки:
2012-12-25
публикация патента:

Способ получения композиционного материала Аl-Аl 2O3 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.

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-Аl2O 3, 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-Аl 2О3 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 (способ получения композиционного материала al-al2o3, патент № 2521009 м) менее 15 минут не обеспечивает образования гранул. Увеличение способ получения композиционного материала al-al2o3, патент № 2521009 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 способ получения композиционного материала al-al2o3, патент № 2521009 1) менее 500°С и 45 минут, соответственно, эффект наклепа не устраняется. Повышение Т2 и способ получения композиционного материала al-al2o3, патент № 2521009 2 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 способ получения композиционного материала al-al2o3, патент № 2521009 1) 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 способ получения композиционного материала al-al2o3, патент № 2521009 1 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 (способ получения композиционного материала al-al2o3, патент № 2521009 3) при температуре Т3 менее 30 минут приводило к падению прочности спеченного материала, а увеличение способ получения композиционного материала al-al2o3, патент № 2521009 3 более 60 минут давало понижение пластичности из-за и избыточного оксидирования поверхности спекаемого материала.

Способ получения композиционного материала Аl-Аl 2O3 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 (Т 1) 350°С с последующей изотермической выдержкой в течение времени (способ получения композиционного материала al-al2o3, патент № 2521009 1), 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 - М12 составляло 1:20). Механическую обработку порошка производили в течение (способ получения композиционного материала al-al2o3, патент № 2521009 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 (Т 2) - 500°С в течение времени (способ получения композиционного материала al-al2o3, патент № 2521009 2), 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 (способ получения композиционного материала al-al2o3, патент № 2521009 3) 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%, способ получения композиционного материала al-al2o3, патент № 2521009 -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 способ получения композиционного материала al-al2o3, патент № 2521009 1, - 300 мин.

В емкость планетарной мельницы «Санд-4» загружали 100 грамм полученного порошка и 2,25 кг твердосплавных шаров (М12 - 1:22,5). Механическую обработку порошка производили при способ получения композиционного материала al-al2o3, патент № 2521009 м - 97,5 минут.

Полученные округлые гранулы (20-120 мкм) термообрабатывали в вакууме при Т2 - 550°С и способ получения композиционного материала al-al2o3, патент № 2521009 2 - 52,5 мин.

Прессование засыпки из гранул проводили при Р - 500 МПа. Спекание полученной заготовки (в режиме СВС) проводили при Т3 - 575°С и способ получения композиционного материала al-al2o3, патент № 2521009 3 - 45 мин.

По данным РФА фазовый состав спеченного материала был следующим (% об.): Аl - 90%, способ получения композиционного материала al-al2o3, патент № 2521009 -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 способ получения композиционного материала al-al2o3, патент № 2521009 1 - 210 мин.

В емкость планетарной мельницы «Санд-4» загружали 100 грамм полученного порошка и 2,5 кг твердосплавных шаров (М12 - 1:25). Механическую обработку порошка производили при способ получения композиционного материала al-al2o3, патент № 2521009 м - 180 минут.

Полученные округлые гранулы (100-300 мкм) термообрабатывали в вакууме при Т2 - 600°С и способ получения композиционного материала al-al2o3, патент № 2521009 2 - 60 мин.

Прессование засыпки из гранул проводили при Р - 600 МПа. Спекание полученной заготовки (в режиме СВС) проводили при Т3 - 600°С и способ получения композиционного материала al-al2o3, патент № 2521009 3 - 60 мин.

По данным РФА фазовый состав спеченного материала был следующим (% об.): Аl - 92%, способ получения композиционного материала al-al2o3, патент № 2521009 -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-Аl 2O3

Свойства**

Материал
способ получения композиционного материала al-al2o3, патент № 2521009 , г/см3способ получения композиционного материала al-al2o3, патент № 2521009 изг, МПаd, мкм
По заявленному способу* способ получения композиционного материала al-al2o3, патент № 2521009 способ получения композиционного материала al-al2o3, патент № 2521009 способ получения композиционного материала al-al2o3, патент № 2521009
T1, °С способ получения композиционного материала al-al2o3, патент № 2521009 1 минМ1 2способ получения композиционного материала al-al2o3, патент № 2521009 М, минT2, °Сспособ получения композиционного материала al-al2o3, патент № 2521009 2, минР, МПа Т3, °Сспособ получения композиционного материала al-al2o3, патент № 2521009 3, мин
1 3501201:20 1550045 40055030 2,38150500
2300 3001:22,597,5 55052,5 50057545 2,42180420
3 325210 1:25180 60060 600600 602,47 200350
способ получения композиционного материала al-al2o3, патент № 2521009
По способу-прототипу 1,90-2,30120-200 150-200
По способу-аналогу2,40-2,53 250-300100-130

1 - температура термообработки порошка ПАП-2 на воздухе, способ получения композиционного материала al-al2o3, патент № 2521009 1 - время изотермической выдержки при Т 1, М12 - отношение массы порошка ПАП-2 к массе твердосплавных сферических тел, способ получения композиционного материала al-al2o3, патент № 2521009 М - время механообработки, Т2 - температура термообработки засыпки из гранул в вакууме, способ получения композиционного материала al-al2o3, патент № 2521009 2 - время изотермической выдержки при Т 2, Р - давление прессования, Т3 - температура воздушного теплоносителя для инициирования СВС, способ получения композиционного материала al-al2o3, патент № 2521009 3 - время изотермической выдержки при Т 3.

** способ получения композиционного материала al-al2o3, патент № 2521009 - плотность материала, способ получения композиционного материала al-al2o3, патент № 2521009 изг - предел прочности при изгибе, d - длина диагонали отпечатка индентора Виккерса.
способ получения композиционного материала al-al2o3, патент № 2521009

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.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ получения композиционного материала Аl-Аl2 O3, 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.


Скачать патент РФ Официальная публикация
патента РФ № 2521009

patent-2521009.pdf
Патентный поиск по классам МПК-8:

Класс C04B35/65 реакция спекания составов, содержащих свободный металл или свободный кремний

Патенты РФ в классе C04B35/65:
способ получения композиционного материала на основе силицида ниобия nb5si3 (варианты) -  патент 2511206 (10.04.2014)
способ изготовления изделий из углерод-карбидокремниевого материала -  патент 2487850 (20.07.2013)
способ получения керамики и композиционных материалов на основе ti3sic2 -  патент 2486164 (27.06.2013)
способ получения композиционного материала al2o3-al -  патент 2461530 (20.09.2012)
способ создания конструкционного керамического материала -  патент 2450998 (20.05.2012)
композиционный материал на основе субоксида бора -  патент 2424212 (20.07.2011)
способ получения жаростойкого цирконсодержащего материала -  патент 2400451 (27.09.2010)
способ получения безусадочного конструкционного керамического изделия -  патент 2399601 (20.09.2010)
способ получения композиционного материала al2o3-al -  патент 2398037 (27.08.2010)
способ получения бета-сиалона -  патент 2384546 (20.03.2010)

Класс C04B35/117 композиты

Класс B22F3/23 самораспространяющимся высокотемпературным синтезом или реакционным спеканием



Наверх