close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY10317

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2008.02.28
(12)
(51) МПК (2006)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
C 22C 1/04
B 22F 3/12
ПОРОШКОВЫЙ МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ МОНОАЛЮМИНИДА
НИКЕЛЯ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ
(21) Номер заявки: a 20050253
(22) 2005.03.17
(43) 2005.09.30
(71) Заявитель: Государственное научное учреждение "Институт порошковой металлургии" (BY)
(72) Авторы: Беляев Андрей Васильевич;
Талако Татьяна Леонидовна; Лецко
Андрей Иванович; Витязь Петр Александрович; Ильющенко Александр
Федорович (BY)
BY 10317 C1 2008.02.28
BY (11) 10317
(13) C1
(19)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Институт порошковой металлургии" (BY)
(56) RU 2032496 C1, 1995.
РЖ Металлургия. - 2001. - № 6. 01.06-15Е.74.
Алфинцева Р.А. и др. // Порошковая
металлургия. - 2003. - № 3/4. - С. 35-44.
SU 1389325 A1, 1989.
SU 1688599 A1, 1986.
BY 6545 C1, 2004.
SU 1189124 A1, 1993.
(57)
1. Порошковый материал на основе моноалюминида никеля, содержащий 3-6 мас. %
хрома, растворенного в решетке моноалюминида никеля, полученный методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, отличающийся тем, что дополнительно содержит вторичные включения твердого раствора никеля и алюминия в α-хроме,
формирующиеся в процессе получения порошкового материала из экзотермической смеси, включающей 24-36 мас. % порошка алюминия и порошок нихромового сплава, содержащий 15-50 мас. % хрома.
2. Материал по п. 1, отличающийся тем, что он дополнительно упрочнен одним из
упрочнителей, выбранным из группы, включающей оксиды, карбиды, бориды и нитриды.
Фиг. 1
BY 10317 C1 2008.02.28
3. Способ получения порошкового материала на основе моноалюминида никеля,
включающий приготовление экзотермической смеси порошков, содержащей алюминий,
обработку смеси в высокоэнергетической мельнице в течение 0,2-4,0 часов, уплотнение
и/или компактирование и нагрев до инициирования реакции самораспространяющегося
высокотемпературного синтеза, отличающийся тем, что для приготовления экзотермической смеси берут 24-36 мас. % порошка алюминия и порошок нихромового сплава, содержащий 15-50 мас. % хрома.
4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что в экзотермическую смесь дополнительно
вводят упрочнитель, выбранный из группы, включающей оксиды, карбиды, бориды и нитриды.
Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к получению
порошковых материалов методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС).
Известны интерметаллические сплавы на основе алюминидов, характеризующиеся
уникальными свойствами для конструкционных применений при повышенной температуре в неблагоприятной окружающей среде [1]. Их достоинства включают хорошую высокотемпературную прочность, стойкость к окислению и коррозии, сравнительно низкую
плотность и высокую температуру плавления. Однако большинство интерметаллических
сплавов характеризуются хрупким разрушением и низкой ударной вязкостью при обычной температуре, и их использование в качестве конструкционных материалов ограничено
во многих случаях их низкой стойкостью к разрушению и ограниченной обрабатываемостью. Кроме того, ряд интерметаллидов чувствителен к влаге окружающей среды при пониженных температурах.
Известны композиционные материалы, представляющие собой интерметаллид, упрочненный включениями вторичных фаз, формирующимися непосредственно в процессе получения материала методом быстрой кристаллизации, причем вторичная фаза включает
борид, карбид, оксид, нитрид, силицид, сульфид и др., или интерметаллид одного или более металлов, отличных от материала матрицы [2]. Однако количество и тип упрочняющих включений ограничены предельной растворимостью легирующих элементов в
расплаве и возможностями термической обработки.
Известно, что хром является одним из наиболее широко используемых легирующих
элементов, повышающих свойства алюминидов никеля [3]. Он повышает стойкость NiAl к
окислению, подавляя формирование метастабильных модификаций оксидов алюминия в
диапазоне температур 900-1000 °С и способствуя формированию плотной мелкозернистой
защитной пленки α-Al2O3, обеспечивающей высокую коррозионную стойкость алюминидов никеля [4]; а также повышает механические свойства NiAl. Известны два механизма
упрочнения моноалюминида никеля хромом: твердорастворное упрочнение и упрочнение
тонкими включениями α-Cr [5]. Однако растворимость хрома в NiAl при комнатной температуре составляет примерно 1 ат. %. При этом атомный "мисфит", создаваемый хромом,
относительно мал. Таким образом, уровень твердорастворного упрочнения алюминида
никеля хромом сравнительно невысок. Напротив, растворимость хрома вблизи эвтектической температуры составляет около 10 ат. %, создавая потенциал для упрочнения выделениями α-Cr. Поэтому считается, что в легированных хромом фазах значительное
упрочнение обеспечивается повышенной объемной долей тонких выделений α-Cr.
Однако известно, что экспериментальное увеличение предела текучести моноалюминида никеля при растворении хрома в твердом растворе составляет 287 МПа/ат. % Cr, а
при выделении вторичных включений α-Cr (в форме частиц размером 20 нм) - только
20 МПа/ат. % Cr [3]. При этом известно, что механическое легирование значительно повышает растворимость хрома в твердом соединении NiAl.
2
BY 10317 C1 2008.02.28
В качестве прототипа выбран материал на основе алюминида никеля, получаемый механическим легированием элементарных порошков в соотношении Ni50-Al50-x-Crx, где
x = 5-25 % с последующей высокотемпературной обработкой, в результате которой полностью разупорядоченное соединение NiAl(Cr), формирующееся после 20 часов размола
порошков, при содержании хрома 20-25 % при высокой температуре распадается на нанокристаллические фазы β-NiAl (Cr), γ-Ni3(Al, Cr) и α-Cr [6], и способ получения алюминидов переходных металлов, включающий приготовление экзотермической смеси,
содержащей по крайней мере один упрочнитель, выбранный из группы карбидов, оксидов,
боридов, нитридов, причем саму смесь готовят из алюминия и объемнолегированного порошка, содержащего 2-30 об. % упрочнителя и остальное - переходный металл, самораспространяющийся высокотемпературный синтез и горячее деформирование продуктов
ситеза [7]. Способ позволяет получать алюминиды переходных металлов с равномерным
распределением упрочнителя по всему их объему, что, в свою очередь, приводит к повышению механических свойств, а именно жаропрочности.
Техническая задача, которую решает предлагаемое изобретение, заключается в создании порошкового материала на основе моноалюминида никеля с повышенными механическими свойствами и жаростойкостью.
Поставленная техническая задача решается тем, что порошковый материал на основе
моноалюминида никеля, содержащий 3-6 мас. % хрома, растворенного в решетке моноалюминида никеля, дополнительно содержит вторичные включения твердого раствора
никеля и алюминия в α-CR, формирующиеся в процессе получения порошкового материала методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза из экзотермической смеси, включающей 24-36 мас. % порошка алюминия и порошок нихромового
сплава, содержащий 15-50 мас. % хрома. Для этого готовят смесь порошков алюминия и
нихромового сплава, содержащего не менее 15 и не более 50 мас. % хрома, при содержании алюминия от 24 до 36 мас. %, подвергают ее предварительной обработке в высокоэнергетической мельнице в течение 1-4 часов, уплотняют и/или компактируют, и
нагревают до инициирования реакции самораспространяющегося высокотемпературного
синтеза. Механические свойства материала можно дополнительно повысить введением в
реакционную смесь частиц упрочнителя, выбранного из группы карбидов, оксидов, боридов, нитридов.
Предлагаемый способ поясняется фигурами 1 и 2. на которых представлена структура
порошков NiAl(Cr)-αCr (фиг. 1) и NiAl(Cr)-αCr/SiO2 (фиг. 2), полученных по предлагаемому изобретению.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем. В рассматриваемой
системе ведущей реакцией СВС является реакция взаимодействия никеля и алюминия с
образованием моноалюминида никеля:
Ni + Al→NiAl,
обеспечивающая необходимое для самораспространения волны горения тепловыделение.
Формирование алюминида осуществляется по механизму реакционной диффузии и контролируется диффузией алюминия в решетку никеля. Однако, поскольку исходным компонентом является не элементарный никель, а нихромовый сплав, в котором часть атомов
никеля замещена атомами хрома, а процесс характеризуется высокой скоростью, хром не
успевает диффундировать из решетки никеля, в результате чего формируется неравновесный интерметаллид с высоким содержанием хрома, который является неустойчивым и в
процессе охлаждения распадается на легированный интерметаллид и включения избыточной фазы на основе альфа-хрома. Благодаря предварительной механообработке реакционной смеси, в процессе которой достигается гомогенное распределение компонентов,
очистка порошков от поверхностных оксидных пленок, увеличение контактной поверхности, создание дефектной кристаллической структуры с высокой взаимной растворимостью
компонентов, а также взаимная диффузия реагентов, включения α-Cr распределены рав3
BY 10317 C1 2008.02.28
номерно, а интерметаллид характеризуется повышенным содержанием хрома, связанным
с тем, что хром в решетке алюминида никеля замещает не только положения никеля, но и
алюминия.
Продукт характеризуется повышенной прочностью и пластичностью при комнатной
температуре и повышенной жаростойкостью. Механические свойства материала можно
дополнительно повысить введением в реакционную смесь частиц упрочнителя, выбранного из группы оксидов, карбидов, боридов, нитридов.
Установленные ограничения на относительное содержание алюминия в реакционной
смеси связаны с границами получения моноалюминида никеля. При использовании нихромового сплава с меньшим содержанием хрома не наблюдается дополнительного упрочнения материала включениями α-Cr, a при содержании хрома более 50 % концентрации никеля недостаточно для синтеза материала в режиме СВС.
Уменьшение времени механохимической активации менее 1 часа не приводит к требуемому уровню гомогенизации и механоактивации. Обработка реакционной смеси более
4 часов может приводить к началу взаимодействия непосредственно в мельнице. При этом
теряется часть химической энергии, падает общее тепловыделение, температура и скорость горения, приводя к неполноте превращения в системе.
Изобретение дает возможность получать СВС - порошковые материалы на основе моноалюминида никеля с повышенными механическими свойствами и жаростойкостью за
счет повышенного содержания растворенного в решетке алюминида никеля хрома и
большого количества упрочняющих включений твердого раствора на основе α-Cr, равномерно распределенных в структуре материала.
Сущность изобретения иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1
Готовили реакционную смесь порошков NiCr20-А1 с относительным содержанием
алюминия 30 мас. %. Смесь подвергали механохимической активации в аттриторе в течение 3 часов при скорости вращения импеллера 190 об/мин и соотношении массы шаров и
порошка 4:1. Реакционную смесь засыпали в контейнер, уплотняли, помещали последний
в нагревательное устройство и осуществляли нагрев до температуры воспламенения. После окончания реагирования и остывания материала контейнер разгружали, спек подвергали дроблению на щековой дробилке с последующим размолом и классификацией.
Структура полученного порошка представлена на фиг. 1. Фазовый состав материала согласно PCA и МРСА включает интерметаллид NiAl(Cr) и вторичные включения твердого
раствора на основе α-Cr. Интерметаллид содержит 3-6 % хрома, а вторичные включения
на основе хрома - до 25 % никеля и до 15 % алюминия. Микротвердость материала составляет в среднем 4,2 ГПа (по сравнению с 3,2-3.5 ГПа для моноалюминида никеля, полученного по традиционной технологии СВС из смеси порошков Ni + Al при содержании
алюминия в реакционной шихте 30 мас. %). При этом не наблюдается характерного для
неупрочненного NiAl растрескивания при индентировании и формирования окислов вдоль
определенных границ зерен, вызывающих последующее разрушение интерметаллида.
Пример 2
В условиях примера 1 в реакционную смесь дополнительно вводили 3 об. % порошка
SiO2 с размером частиц 0,5-3 мкм. Структура полученного порошка представлена на
фиг. 2. Материал дополнительно содержит тонкие оксидные включения. Микротвердость
материала составляет - 4,7 ГПа. Растрескивания при индентировании и избирательного
межзеренного окисления материала также не наблюдается.
Пример 3
В условиях примера 2 вместо порошка SiO2 в реакционную смесь дополнительно вводили 2 об. % порошка TiC. Получали композиционный порошок NiAl(Cr)-αCr/TiC со
структурой, аналогичной представленной на фиг. 2, и микротвердостью 4,5 ГПа.
4
BY 10317 C1 2008.02.28
Пример 4
В условиях примера 2 вместо порошка SiO2 в реакционную смесь дополнительно вводили 3 об. % порошка TiB2. Получали композиционный порошок NiAl(Cr)-αCr/TiB2 со
структурой, аналогичной представленной на фиг. 2, и микротвердостью 4,9 ГПа.
Пример 5
В условиях примера 2 вместо порошка SiO2 в реакционную смесь дополнительно вводили 2 об. % порошка Si3N4. Получали композиционный порошок NiAl(Cr)-αCr/Si3N4 со
структурой, аналогичной представленной на фиг. 2, и микротвердостью 4,8 ГПа.
Благодаря повышенному содержанию растворенного в решетке алюминида никеля
хрома и большому количеству упрочняющих включений твердого раствора на основе
α-Cr полученные порошковые материалы характеризуются повышенными механическими
свойствами и жаростойкостью.
Источники информации:
1.С.Т. Liu, J. Stringer, J.N. Mundy, L.L Нorton. P. Angelini. Ordered intermetallic alloys:
an assessment // Intermetallics. - 5 (1997). - 579-596.
2. US 4915905, C 22C 1/00, С 22С 32/00, 1990.
3. J.D. Cotton, R.D. Noebe and M.J. Kaufman. Ternary alloying effects in polycrystalline
β-NiAl // Structural intermetallics, ed. by R. Darolia, the Minerals, Metals & Materials Society. 1993. - P. 513-522.
4. H.J. Grabke. Oxidation of NiAl and FeAl // Intermetallis. - 1999. - V. 7. - P. 1153-1158.
5. W.S. Walston, R.D. Field, J.R. Dobbs, D.F. Lahrman, R. Darolia. Microstructure and high
temperature strength of NiAl alloys // Intermetallis. - 1999.-V. 7. - P. 523-532.
6. Yang. Fubao, Guo Jianting, Li Gusong, Zhou Jiyang. Исследование механического легирования системы NiAl (Cr) // Acta met. sin. 2000. - 36. Nо. 8. - P. 883-888 (прототип).
7. RU 2032496, В 22F 3/14, С 22С 1/05, 1995 // Бюл. № 10 (прототип).
Фиг. 2
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
5
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
1 224 Кб
Теги
by10317, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа