способ получения композиционного материала

Формула изобретения

1. Способ получения композиционного материала, содержащего металлическую матрицу и керамический упрочнитель, включающий приготовление смеси порошка матричного металла с керамическим упрочнителем, брикетирование полученной смеси и горячую экструзию брикетов, отличающийся тем, что керамический упрочнитель берут в виде порошка, а приготовленную смесь матричного металла и керамического упрочнителя перед брикетированием подвергают механическому легированию с получением композиционных гранул и последующей дегазации в вакууме при температуре выше температуры солидуса матричного сплава.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что механическое легирование проводят в шаровых размольно-смесительных установках при энергонапряженности 0,02-0,2 кВт/л в течение 0,5-30 ч.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве матричного металла выбран металл из группы, содержащей алюминий, медь, железо, титан, никель или их сплавы, или их интерметаллиды.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве керамического упрочнителя могут быть выбраны карбиды, оксиды, бориды или нитриды с дисперсностью 1-20 мкм.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам получения композиционных материалов, в частности к способам получения материалов с металлической матрицей, армированной тугоплавкими наполнителями, методами порошковой металлургии, применяемых в качестве конструкционных элементов летательных аппаратов.

Для получения композиционных материалов на основе металлической матрицы, содержащей армирующие наполнители, применяется много способов, в том числе литье под давлением, пропитка пористых керамических преформ, замешивание керамических частиц в расплав, непосредственное окисление расплавленных металлов, реактивная пропитка и методы порошковой металлургии. Материалы, получаемые методами порошковой металлургии, то есть путем приготовления порошковых смесей, содержащих как матричный металл, так и армирующие керамические компоненты, и компактирования этих смесей при температуре и давлении до образования однородного композиционного материала, обладают удовлетворительной суммой свойств, таких как прочность, модуль упругости, износостойкость, а также могут подвергаться операциям деформирования и механической обработки на промышленном оборудовании, что, в сочетании с низким удельным весом, делает их привлекательными для применения в движущихся конструкциях.

Известен способ получения изделий из металлического композиционного материала, содержащего карбидные частицы в матрице из алюминиевого сплава, включающий смешивание порошков алюминия и тугоплавкого наполнителя, выбранного из группы, содержащей кремний, карбид бора, карбид кремния, гексаборид кремния и нитрид алюминия; компактирование этой смеси, вакуумирование полученной заготовки, изостатическое прессование ее, вакуумный обжиг полученного полуфабриката и его прессование (патент США №6042779).

Недостатком этого способа является то, что при простом перемешивании исходных компонентов частицы имеют склонность к расслаиванию и агломерации в процессе последующих операций, что приводит к неоднородности структуры, а следовательно, и свойств готового изделия. Кроме того, хотя в процессе вакуумирования компактированная заготовка избавляется от воздуха и других газов, находящихся между частицами, однако, из-за того, что частицы порошка алюминиевого сплава имеют всегда на своей поверхности гидратированную оксидную пленку, а в процессе вакуумирования содержащийся в этой пленке водород не покидает заготовку, то это приводит к расслоению материала, образованию газовых пузырей и других дефектов в процессе дальнейшей обработки материала из-за высокого газонасыщения материала.

Известен способ получения композиционного материала с металлической матрицей из алюминиевого сплава, армированной карбидом бора в качестве керамического упрочнителя, включающий перемешивание сухих порошков карбида бора и алюминиевого сплава до получения однородной смеси, компактирование этой смеси в твердый брикет горячим прессованием, нагрев полученного брикета до температуры расплавления металлической матрицы, перемешивание расплава с помощью крыльчатки с одновременным удалением шлака с поверхности расплава, дегазацию путем продувания расплава сухим аргоном и охлаждение расплава (Патент США №5.722.033).

Недостатком этого способа является необходимость расплавления брикета, в котором включения карбида бора, которые на предыдущей стадии были равномерно распределены в алюминиевой матрице путем перемешивания, в процессе перемешивания расплава крыльчаткой вновь перераспределяются, создавая зоны агломерации и зоны, обедненные упрочнителем. Кроме того, данный способ весьма энергоемкий, поэтому материал и изделия из этого материала будут дорогими и не смогут найти широкого применения.

За прототип выбран способ получения композиционного материала на основе металлической матрицы, содержащей карбид кремния в качестве керамического упрочнителя. Карбид кремния берут в форме нитевидных кристаллов. Способ заключается в приготовлении смеси порошка матричного металла и керамического упрочнителя, формовании брикета из этой смеси и экструдировании полученного брикета. В качестве матричного металла может быть выбран металл из группы, содержащей алюминий, магний, титан, свинец, цинк, олово, железо, никель, медь или их сплавы, а также стекло, керамика или пластмасса (патент США №4.463.058)

Недостатком этого способа является, во-первых, 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 порошка карбида бора в сотни раз ниже стоимости нитевидных кристаллов этого материала, а, во-вторых, в данном способе в процессе дальнейшей обработки экструдированных заготовок, например термообработки или сварки, возникают дефекты, такие как расслоение, образование газовых пузырей и др., из-за присутствия в нем водорода и других газов, содержащихся в оксидных пленках порошков, что не позволяет получать композиционный материал с высокими механическими свойствами.

Технической задачей данного изобретения является разработка способа получения недорогого композиционного материала с металлической матрицей, армированной керамическими упрочнителями, методами порошковой металлургии с улучшенными механическими характеристиками, без дефектов структуры.

Для достижения поставленной цели предложен способ получения композиционного материала, содержащего металлическую матрицу и керамический упрочнитель, включающий приготовление смеси порошка матричного металла и керамического упрочнителя, брикетирование полученной смеси и горячую экструзию брикетов, отличающийся тем, что керамический упрочнитель берут в виде порошка, а приготовленную смесь матричного металла и керамического упрочнителя перед брикетированием подвергают механическому легированию с получением композиционных гранул и последующей их дегазации в вакууме при температуре выше температуры солидуса матричного сплава.

Механическое легирование исходных порошков проводят в шаровых размольно-смесительных установках (аттриторах, вибромельницах, шаровых и планетарных мельницах) при энергонапряженности 0,02-0,2 кВт/л в течение 0,5-30 ч. Характеристикой энергонапряженности процесса механического легирования служит затрачиваемая мощность, отнесенная к единице объема используемого устройства. В процессе механического легирования происходит внедрение керамических частиц в металлические, их перемешивание, агломерация и деагломерация, постепенно неравномерный характер структуры исчезает, происходит образование плотных, хорошо сформированных частиц композиционного материала, полностью завершающееся после 30 часов обработки. В ходе исследований было установлено, что с увеличением времени механического легирования наблюдается повышение прочностных и пластических характеристик материала, полученного из образовавшихся гранул.

Дегазацию полученных гранул проводят в вакууме при температуре выше температуры солидуса матричного сплава. Дегазация - одно из условий обеспечения высоких механических свойств порошковых материалов. Особенно эта обработка важна в случае использования механически легированных материалов. Если содержание водорода в промышленно выпускаемых порошковых алюминиевых сплавах обычно не превышает 1-2 см³ на 100 г материала, то содержание водорода в композиционных гранулах достигает 20-24 см³ на 100 г материала. Оксидная пленка толщиной от 50 до 100 , находившаяся первоначально на поверхности порошка алюминиевого сплава, в процессе механического легирования разрушается и попадает также и внутрь композиционных гранул. Адсорбированная на ней влага вызывает впоследствии у материала снижение коэффициента удлинения и ударной вязкости. Традиционно дегазация композиционных гранул проводилась путем выдержки их при температуре не выше температуры плавления матричного металла в вакууме при помешивании. Такая процедура может занимать много часов или даже суток, однако не позволяет удалить водород из внутренней зоны гранул. Чтобы удалить водород не только с поверхности гранул, но и из внутреннего объема, каждой грануле дают возможность пройти расплавленное состояние и вновь затвердеть.

В качестве матричного металла может быть выбран металл из группы, содержащей алюминий, медь, железо, титан, никель или их сплавы, или интерметаллиды.

В качестве керамических упрочнителей могут быть выбраны карбиды, оксиды, бориды или нитриды с дисперсностью 1-20 мкм.

Примеры осуществления.

В связи с тем, что в прототипе взят композиционный материал на основе алюминиевой матрицы с керамическим упрочнителем в виде усов карбида кремния, в предлагаемых примерах для сравнения свойств были получены композиционные материалы с аналогичной матрицей, армированной порошком карбида кремния.

Пример №1

Взяли 1000 г порошковой смеси, состоящей из 900 г порошка алюминиевого сплава Д16 с размером частиц 20-40 мкм и 100 г порошка карбида кремния с размером частиц 1-7 мкм. Смесь подвергли механическому легированию в вибромельнице с энергонапряженностью 0,02 кВт/л в течение 10 часов в среде технического аргона. В качестве рабочих тел использовали стальные шары диаметром 15 мм. Полученные в результате обработки композиционные гранулы размером 0,5-3 мм дегазировали в вакууме при температуре 660°С. Дегазированные гранулы брикетировали в капсуле из чистого алюминия на гидравлическом прессе при температуре 480-500°С и давлении 500 МПа. Полученные брикеты обтачивали и экструдировали на пруток. Готовый материал содержал 90% сплава Д16 и 10% SiC. Прочность на разрыв полученного материала составила 550-600 МПа, модуль упругости 80-90 ГПа, относительное удлинение 7-8%, дефектов не обнаружено.

Пример №2

Взяли 1000 г порошковой смеси, содержащей 800 г алюминия и 200 г порошка карбида кремния, подвергли ее механическому легированию в течение 15 часов в атмосфере технического аргона. Полученные в результате обработки композиционные гранулы размером 0,4-2 мм обрабатывали далее по примеру 1. Полученный материал содержал 80% алюминия и 20% SiC. Прочность на разрыв полученного материала составила 650-700 МПа, модуль упругости 100-110 ГПа, относительное удлинение 5-6%, композиционный материал дефектов структуры не имеет.

Пример №3

Взяли 1000 г порошковой смеси, содержащей 700 г сплава В95 и 300 г порошка карбида кремния, подвергли ее механическому легированию в течение 30 часов в атмосфере технического аргона.

Полученные в результате обработки композиционные гранулы размером 0,2-0,5 мм обрабатывали далее по примеру 1. Полученный материал содержал 70% алюминиевого сплава В95 и 30% SiC. Прочность на разрыв полученного материала составила 650-700 МПа, модуль упругости 110-130 ГПа, относительное удлинение 3-4%. Дефектов структуры не обнаружено.

Пример №4

Взяли 1000 г порошковой смеси, состоящей из 800 г порошка сплава Д16 и 200 г нитевидных кристаллов карбида кремния. Смесь подвергли перемешиванию, сформовали из нее брикет, подвергли брикет прессованию и экструдированию.

Таблица
№ примера	Состав композиционного материала	Предел прочности, МПа	Модуль упругости ГПа	Отн. удлинение, %
1	90%обД16+10%обSiС	550-600	80-90	7-8
2	80%oбA1+20%oбSiC	650-700	100-110	5-6
3	70%oбB95+30%oбSiC	650-700	110-130	3-4
4 (прототип)	80%обД16+20%oбSiC	600	90	2

Из таблицы видно, что применение представленного способа обеспечивает повышение удлинения полученного материала в 2-3 раза по сравнению с материалом, полученным известным способом, уровень прочностных и упругих характеристик не ниже или превышает аналогичные характеристики материала-прототипа. Кроме того, на образце №4 (прототип) при термообработке после экструдирования появились дефекты поверхности в виде каверн.

Предлагаемым способом также получали композиционный материал из порошка никеля в качестве металлической матрицы и порошка оксида алюминия в качестве керамического упрочнителя. Полученный материал содержал 70% Ni и 30% Аl₂О ₃.

Таким же способом получили композиционный материал на основе интерметаллидной матрицы Ni₃Al, содержащей TiC в качестве керамического упрочнителя. Полученные материалы обладают повышенными механическими характеристиками и не имеют дефектов в виде пузырей и пустот.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет получать недорогие изделия из композиционного материала на основе металлической матрицы, армированной керамическими упрочнителями, повышенного качества, с более высокими механическими свойствами, характеризующиеся более коротким по времени циклом производства. Применение таких материалов возможно также в деталях повышенного износа, например, в конструкциях рольгангов грузовых транспортеров.