способ получения высокотемпературного металлического композиционного материала на основе интерметаллида молибдена

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, ¹²⁰⁰ _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, ¹²⁰⁰ _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, ¹²⁰⁰ _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.