Способ получения изделий из пористых композиционных материалов

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способам получения изделий из пористых композиционных материалов с использованием самораспространяющегося высокотемпературного синтеза.Целью изобретения является повышение прочности изделий.Сущность изобретения состоит в следующем.Для расширения ассортимента изделий с различными показателями по прочности и пористости целесообразно использовать экзомермическую смесь, дополнительно содержащую по меньшей мере один металл, выбранный из - групп Периодической системы, либо взятые порознь или в смеси карбид, борид, силицид по меньшей мере одного металла, выбранного из И-И, Ч групп Периодической системы, или взятые порознь или в смеси оксид, нитрид по меньшей мере одного элемента, выбранного из -Ч групп Периодической системы,Размер частиц компонентов, используемых для приготовления исходной экзотермической смеси, составляет как правило 0,005-0,1 мм, Для получения качественных материалов и изделий компоненты смеси тщательно перемешиваются.Формирование заготовок осуществляют любым известным способом, например прессованием в пресс-форме, газостате или гидростате, экструзией, В зависимости от состава смеси и характеристик материала или изделия усилие формования составляет 10 - 400 МПа, Возможность получения изделий заданной формы, размеров и степени пористости достигается проведением процесса в таких условиях (исходные параметры прессованной заготовки, режим термовакуумирования, условия горения). когда изделие сохраняет после горения исходнь,е размеры, либо процесс ведется так, что и:.менение размеров является небольшим и стабильно воспроизводимым, Это позволяет в последующем свести до минимума механическую обработку пористых изделий, получающихся в результате горения, Проведение предварительной термовакуумной обработки уплотненной экзотермической смеси или заготовки необходимо для регулирования уровня примесного газовыделения в процессе горения, Поскольку порошки исходных компонентов всегда содержат значительное количество адсорбированных и растворенных газов (воды, водорода, азота, кислорода и других), то вследствие высокой температуры (1500-3500 С), возникающей в процессе горения, эти газы путем десорб 50 доводят до 700 - 1050 С для регулирования степени пористости, размера пор и механической прочности. Инициирование горения уплотненной смеси или заготовки может осуществляться в любом месте на их поверхности с помощью любого источника тепла (лазерный луч, электрическая дуга), предпочтительно электрической спиралью. Проведение процесса горения в условиях вакуума или в инертной атмосфере при давлении не более 1,5 МПа способствует газиции и испарения начинают выделяться в объем названной смеси или заготовки, скапливались в порах, С ростом температуры давление в порах быстро растет (до 5 нескольких сотен атмосфер) и при достижении предела прочности горящая уплотненная экзотермическая смесь или заготовка разрушается.Для получения в этих условиях качест венного тугоплавкого пористого материалаили изделия иэ него необходимо проведение предварительной их термовакуумной обработки с целью частичного удаления примесных газов, Регулирование количест ва газов, выделяющихся в процессе горения, необходимо для получения материала определенной степени пористости, формы, размеров, так как именно примесное газо- выделение за счет разрыхления материала 20 при истечении газов по порам приводит кполучению в процессе горения материала пористой структуры, а количество этих газов определяет степень пористости и качество изделия из тугоплавкого пористого матери ала. Оптимальный режим термовакуумнойобработки подбирают эксприментально в зависимости от состава исходной смеси, характеристик получаемого изделия, Для различного рода названных материалов или 30 изделий он находится в следующих пределах: температура 300-700 С при давлении (13,3 - 1,3) 10 Па и длительности 5 - 30 мин, Отклонение параметров термовакуумной обработки от оптимальных приводит к ухуд шению качества изделий, неравномернойпористости, образованию раковин и трещин, искажению формы и размеров, а в случае значительного отклонения - к разрушению иэделий. Так, при температуре 40 ниже 300 С происходит слабое удалениепримесных газов, в материале и заготовке после горения проявляются трещины и даже происходит их разрушение, При температуре выше 700 С получаемый материалили изделие сильно спекается, труднее идет процесс инициирования и управления параметрами пористой структуры,После термовакуумной обработки температуру уплотненной смеси или заготовкификации различного рода примесей и обеспечивает тем самым получение пористых тугоплавких изделий по существу с полностью открытым характером пор за счет разрыхления экзотермической смеси при истечении примесных газов. Целесообразно охлаждение в вакууме или среде инертных газов, нагретых до высоких температур (1500 - 3500 С) материала или изделия, поскольку исключается окисление их кислородом воздуха. При реализации способа получаемые изделия не только не загрязняются примесями, как это происходит при печном синтезе, а идет их очистка от целого ряда примесей путем испарения этих примесей в волне горения.Проведение процесса горения и охлаждения под давлением инертного газа не более 1,5 МПа обеспечивает получение качественных изделий из тугоплавких пористых материалов (без трещин и раковин) в случае использования исходных порошкообразных компонентов, содержащих в виде примесей большое количество химически связанного кислорода (свыше 1,5 мас. ф).Для получения изделий из тугоплавкого порисгого материала с общей пористостью 25 45 об.о в процессе горения на уплотненную зкэотермическую смесь или заготовку воздействуют давлением 0,2-3.5 МПа в направлении перемещения фронта горения, Структура изделия формируется за счет деформации слоя жидкой фазы, возникающей в процессе горения и состоящей из расплавленных исходных компонентов и жидких полупродуктов реакции.Способ иллюстрируется следующими и римерами.П р и м е р 1, В условиях прототипа готовят зкэотермическую" смесь порошков титана и углерода, имеющих дисперсность частиц менее 0,1 мм, предпочтительно 0,02 мм, при следующем соотношении компонентов; 79,6 мас.,4 Т 1 и 20,4 мас,о С. Приготовленную смесь уплотняют путем прессования до плотности 2,8 10 кг/м и помещают ее в вакуумную камеру, снабженную нагревателем и системой инициирования горения, Камеру вакуумируют до остаточного давления 0,133 Па, нагревают уплотненную экзотермическую смесь до .700 С и проводят ее термовакуумную обработку в течение 10 мин, поддерживая откачкой давление 0,133 Па. После этого смесь охлаждают до 400 С и при давлении 0,133 Па в смеси электрической спиралью влюбом месте локально инициируют горение, Линейная скорость распространения фронта горения при этом составляет 2,8 10 5 10 15 20 25 30 35 40 45 м/с, После охлаждения в вакууме до 200" С готовое иэделие иэ тугоплавкого пористого материала извлекают из камеры. Полученный материал состоит из карбида титана, Плотность материала 2,5 10 кг/м, общая пористость составляет 49 об., доля открытых пор - 99,7 от общей пористости. Поры имеют вытянутую форму с поперечными размерами 0,02-0,08 мм, Материал состоит из плотно прилегающих друг к другу круглых зерен карбида титана размером 0,005-0,02 мм, образующих сплошную массу толщиной 0,02-0,08 мм. Предел прочности на сжатие полученного тугоплавкого пористого материала составляет 35 МПа.П р и м е р 2, Готовят смесь порошков кобальта, молибдена, бора, имеющих дисперсность частиц менее 0,01 мм, при следующем соотношении компонентов, мас,: Со:Мо:В = 67,5:18:14,5. Из смеси прессуют заготовку 1 (см, чертеж) в форме цилиндра с пальцевым выступом диаметром 20 мм, высотой 30 мм, диаметром кольцевого выступа 30 мм и плотностью 3,3 10 кг/м. Иэ этой же смеси прессуют накладку в форме полого цилиндра 2 с наружным диаметром 30 мм и внутренним диаметром 20 мм высотой 25 мм, плотностью 3,3 10 кг/м, Накладку 2 устанавливают на заготовку 1, образуя при этом сборную заготовку 3 цилиндрической формы диаметром 30 мм и высотой 30 мм. Заготовку 3 помещают в вакуумную камеру и к ее торцу со стороны заготовки 1 подводят электрическую спираль 4 системы инициирования горения, Камеру вакуумируют до остаточного давления 1,3 10 Па, нагревают сборную заготовку до 300 С и проводят ее термовакуумную обработку в течение 25 мин, поддерживая откачкой давление 1,3 10 Па. Затем сборную заготовку 3 охлаждают до 200 С, создают в камере давление гелием 13,3 Па и электрической спиралью инициируют в ней горение. Процесс взаимодействия компонентов смеси происходит за счет тепла, выделяющегося в результате реакции горения, Скорость горения 11 10 м/с, После охлаждения извлекают сборную заготовку 3 и отделяют -изделие от накладки 2. В результате получают изделие в форме цилиндра с кольцевым выступом с размерами, по существу равными размерам прессованной заготовки 1, и плотностью материала 3,3 10 кг/м . Тугоплавкий пористый материал изделия имеет состав: 80 мас,% СоВ и 20 мас,% МоВ, Пористость материала 57 об. , доля открытых пор 99,7 оь от общей пористости, размер пор 0,02-0,08 мм, предел прочности на сжатие 16 МПа, Согревшая накладка 2 имеет разме 1826300ры, по существу равные размерам прессованной накладки 2, и состоит из материала аналогичного по составу и свойствам материалу изделия. Она может быть использована либо непосредственно в форме цилиндра, либо размолота на порошок для , применения в порошковой металлургии,П р и м е р 3, Готовят экзотермическую смесь порошков титана, углерода и карбида хрома, иглеющих дисперсность частиц менее 0,1 мм, предпочтительно 0,015 мм, при следуощем соотношении компонентов, мас.%: Т;С;Сг;СгзС 2 = 63,7:17,6;8,7;10. Приготовленную смесь уплотняют до плотности 2,6 10 кг/м и помещают в вакуумную камеру, Камеру вакуумируютдо остаточного давления 1,3 10 Па, смесь нагревают до.з650"С и проводят ее термовакуумную обработку в течение 15 мин, поддерживая откачкой давление 1,3 10 Па, По окончании-зтермовакуумной обработки уплотненную смесь в течение 2 мин подогревают до 1050"С и одновременно в камере создают давление инертного газа (предпочтительно аргона) в 1,5 МПа, после чего в уплотненной экзотермической смеси электрической спиралью локально инициируют горение. Скорость распространения фронта горения составляет 10,5 мм/с, Изделие из пористого тугоплавкого материала охлаждают в инертной атмосфере.Состав материала: 80 мас,% ТС и 20 мас,% СгзС 2 в виде их твердого раствора друг в дзоуге, Плотность этого материала 1.65 10 кг/м, общая пористость,70 об.%, доля открытых пор 99,6% от общей пористости, Размер пор 0,07-0,2 мм. Предел прочности на сжатие составляет 5,5 МПа,П р и м е р 4, Готовят экзотермическую смесь порошков молибдена, кремния, алюминия и окиси алюминия, имеющих дисперсность менее 0,02 мм, при следующем соотношении компонентов, мас,%; Мо: Б :А 1:А 120 з = 53,3:31,5:10:5, П риготовленную смесь уплотняют до плотности 3 10 кг/м и помещают ее в вакуумную камеру, снабженную нагревателем, системой инициирования горения и системой подпрессовки материалов, Камеру вакуумипуют до остаточного давления 1,33 Па, нагревают эту смесь до 700 С и проводят ее термовакууглную обработку в течение 5 мин, поддерживая откачкой давление 1,33 Па, Затегл при той же температуре в уплотненной смеси путем прессования прикладываютдавление 3,5 МПа и одновременно в смеси электрической спиралью локально инициируют горение так, чтобы направление перемещения фронта горения совпадало с направлени 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 ем давления, С одинаковым усилием в 3,5 МПа на горящую смесь воздействуют в течение всего процесса горения, а после окончания процесса горения давление снимают. Скорость распространения фронта горения составляет 15 мм/с, Состав полученного тугоплавкого пористого материала: 85 мас,% Мо, 10 мас,% А и 5 мас,% А 20 з, Плотность материала 3 10 кг/м, общая пористость 25 об.%, доля открытых пор 91,5% от общей пористости, Размер пор 0,01 - 0,05 мм, Предел прочности на сжатие 45 МПа.Ниже в табл. 1 представлены примеры 5 - 20 осуществления способа с указанием исходного состава экзотермической смеси и условий процесса. В табл, 2 представлены свойства изделий из тугоплавкого пористого материала.П р и м е р 21. Готовят экзотермическую смесь порошков тантала и углерода с дисперсностью частиц менее 0,01 мм при следующем соотношении компонентов, мас.%: Та,С = 93,8:6,2. Из полученной смеси прессуют заготовку в форме кольца с внешним диаметром 20 мм, внутренним диаметром 15 мм, высотой 30 мм и плотностью 6,5 10 кг/м . Готовят экзотермическую смесь порошков титана, углерода и карбида титана с дисперсностью компонентов менее 0,04 мм при следующем соотношении компонентов, мас.о/: Т 1:С:ТС = 63,7:16,3;20. Из второй смеси прессуют накладку в форме цилиндра диаметром 15 мм, высотой 30 мм, плотностью 2 10 кг/мз, Затем накладку помеща-зют в отверстие кольцевой заготовки с образованием сборной заготовки в форме цилиндра диаметром 20 мм и высотой 30 мм, Эту заготовку помещают в вакуумную камеру и к торцу накладки присоединяют электрическую спираль, Камеру вакуумируют до остаточного давления 0,013 Па, нагревают сборную заготовку до 700 С и проводят ее термовакуумную обработку в течение 20 мин, поддерживая откачкой давление 0,013 Па. Затем заготовку нагревают до 1050 С, создают в камере давление аргоном 1,5 МПа и с помощью электрической спирали инициируют в ней горение. Сначала фронт горения со скоростью 12 мм/с перемещается по накладке, а затем, дойдя до кольцевой заготовки, инициирует горение в ней с ее внутренней боковой поверхности. Скорость перемещения фронта горения по кольцевой заготовке составляет 1,8 мм/с, По окончании процесса горения полученное изделие вместе с накладкой охлаждают в атмосфере инертного газа до 200 С и отделяют его от нее, Получают изделие в форме кольца, материал которого - карбид тантала, при этомМеталл МеталлЧ 1группы В И группы Ч группы Т 79,6 20,4 Сг 86,7 Мо 90,0 Сг 8,7 Мо 45 13,3 10,0 Т 71,7 19,6 9 10 ИЬ 45,0 10,0 Т 75,2 16,3 3,1 5,4 Та 84,4Ч 38,1 11 12 13 5,6 41.9 Ег 61,7 гг 12,4 Т 39,8 Т 41,3 8,3 14 Ч 5,0 Мо 31,0 В 10,0 Ее 10,0 26,1 15 16 17 10,2 18,7 Мо 37,8 22,2 Т 1 47,8 18 19 20 12,2 Сг 60,7Сг 4,3 9,3 1,0 Т 1 33,3 Та 4,7 Со 5,0 Й 5,0 14,0 2,7 оно имеет внутренний диаметр 15 мм, внешний диаметр 20 мм и высоту 30,2 мм. Материал характеризуется плотностью 6,45 10 кг/м, пористостью 55 об., долей открытыхзпор 99,7 от общей пористости, размером пор 0,01 - 0,025 мм, пределом прочности на сжатие 17 МПа, Накладка имеет форму цилиндра состоит из карбида титана. при этом его диаметр 14,7 мм, высота 29,4 мм. Материал накладки харзактеризуется плотностью 2,2 10 кг/м, пористостью 55 об., долей открытых пор 99,7 от общей пористости, размером пор 0,04-0,14 мм, пределом прочности на сжатие 20 МПа. Накладка может быть также использована в форме изделия.П р и м е р 22. Готовят экэотермическую смесь состава и плотности по примеру 4, Условия термовакуумной обработки аналогичны примеру 4, Единственное отличие -на заготовку в течение всего процесса горения воздействуют давлением в 1 МПа, Скорость распространения фронта горения составляет 14 мм/с. Состав полученного ту гоплавкого пористого материала: 85 мас,Мои, 10 мас,А 1 и 5 мас.АгОз Общая пористость материала 40, доля открытых 98, размер пор 0,01 - 0,06 мкм. Предел прочности на сжатие 32 МПа.10 П р и м е р 23. Состав смеси, плотностьи условия термовакуумной обработки аналогичны примерам 4 и 22, Отличие - на заготовку в течение всего процесса горения воздействуют давлением в 0,2 МПа. Скоро сть горения составляет 14 мм/с, Состав материала аналогичен примерам 4 и 22, Общая пористость материала 45, доля открытых пор 99, размер пор 0,01 - 0,07 мм. Предел прочности на сжатие 28 МПа.1826300 12 Продолжение табл. 1 Пример Металлгруппы МеталлИ группы Карбид металлов ЧЧ, ЧИ групп Металл И группыБорид металлов ЧЧ групп Силицид Нитрид металлов элемента Ч-Ч групп И-Ч групп Со 10,0 11 12 13 14 15 Мд 20,0 Со 15,0Со 5,0 У 15,0 А 5,0 Мд 5,0 ИЬС 10,0ТС 20,0СгзС 2 10,0 ТВг 20,0 МоВ 10,0 ТаВ 10,0 Т 92 10,0МоЯ 2 20,0 ЧЯ 10,0 Тй 20,0 ИЬй 10,0 АР 4 10,0 АЮ 2,5 Ад 2,5 Мд 2,5 . .а 5,0 19 ИЬс 5,0 МоВ 2,5 ТьЯз 5,0 Продолжение табл, 1 При- мер Оксид элемента ИЧ групп Плотность уп- лотненной смеси кгlсм10-3 Условия термовакуумной обработкиСкорость перемещения фронта горения О, мм/с г;мин Т,С Р,Па Р,Па 13,3 13,3 0,013 0,13 0,013 1,33 1,33 0,13 0,013 0,13 0,013 0,013 0,13 1,33 13,313 14 1826300 Таблица 2 Фаза, мас, % Пример Характеристика тугоплавкого пористого материала Плотность,кгlм 10-3 Предел прочности на сжатие,МПа Размермм 10 Доля открытых пор, А Общаяпористость,об. % ТС 45,0 1-4 99,5 50 2,5 СгзОг 10-20 14,0 99,7 99,5 70 53 2,0 МоВ 1-4 1,5 3,9 90 ТССгзС 2МоВ-ЙЬВ80 Т 1-10 Т 82-10 Т 3290 ТаС 10 Со 3-10 32 99,7 55 50 2,25 6 88 14 12 35 32 99,6 3,9 10 11 12 13 14 3,0 98,0 40 55 58 50 45 2-4 99.0 6,7 80 Ч 92-20 Мд90 2 гССцУ 4-8 99,2 1,8 3-8 99,5 3,9 50 Мо Я 2-202 гЯ 23-9 93 3,1 10 й 1-5 Ч, Сц, Мд,А 180 Т 1 СИ Ь СС гз С 2 15 2-9 99,6 50 2,7 41 99,5 63 2-6 85 3,5 18 19 99,5 2-10 35 20 54 50 2,6 99,1 3,0 20 99,6 50 2,5 2-6 14 Формула изобретения 1. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗДЕЛИЙИЗ ПОРИСТЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХМАТЕРИАЛОВ, включающий приготовление смеси, содержащей по меньшеймере один металл 1 Ч - Ч 1, ЧИ группПериодической системы и по меньшеймере один неметалл, выбранный из ряда: бор, углерод, кремний при их соотношении, обеспечивающем ее самостоятельное горение, формование заготовки,термовакуумную обработку, локальноеинициирование горения в химическиинертной среде и последующее охлаждение, отличающийся тем, что. с цельюповышения прочности, инициированиепроводят от 700 до 1050 С,2. Способ по и. 1, отличающийсятем, что в смесь дополнительно вводят 80 МоЯ 2-10 Т 512-10 Ч 5160 Т СТ МЬ йА М70 СгзС 2-15 А 120 зг 0245 Т 1 ВТа ССгзСг 5 Т 5 2-5 Т 53 95%-2,5 Ад,5 Мд 51 аИЬС,5 МоВ 2,5 А 1 йг 02 взятые порознь или в смеси порошки карбида, борида, силицида по меньшей мере одного металла 1 Ч - Ч 1, Ч 11 групп Периодической системы, оксида, нитрида по меньшей мере одного элемента 111 - Ч групп Периодической системы, металла 1 - 111 групп Периодической системы, причем порошки вводят в количестве до 40 мас.%.Э, Способ по пп, 1 и 2, отличающийся тем, что в качестве химически инертной среды используют инертный гаэ при давлении не более 1,5 МПа,4. Способ по пп. 1 и 2. отличающийся тем, что в процессе горения к заготовке прикладывают давление 0,2 3,5 МПа в направлении перемещения фронта горения.1826300 Составитель Е. ЛевашовТехред М.Моргентал Корректор едак ь Тираж Подписно НПО "Поиск" Роспатента3035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 Заказ 1 бб 2 Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина,