Способ получения материалов на основе алюминида никеля

Изобретение относится к области металлургии, а именно к одному из ее направлений - металлотермическому совместному восстановлению оксидов исходных металлов алюминием. Интерметаллидные сплавы на основе алюминия NiAl сочетают высокую прочность и жаро- и коррозионно-стойкость, малый удельный вес и используются в качестве основы для создания новых перспективных высокотемпературных конструкционных материалов для энергетики, авиа- и автомобилестроения (М. Yamaguchi, Н. Inui and K. Ito. High-temperature structural intermetallics. Acta Materialia, v. 48, №1, 2000, p. 307-322; G. Sauthoff. Multiphase intermetallic alloys for structural applications Intermetallics, v. 8, №9-11, 2000, p. 1101-1109; F. Scheppe, P.R. Sahm, W. Hermann, U. Paul and J. Preuhs. Nickel aluminides: a step toward industrial application. Materials Science and Engineering A, v. 329-331, 2002, p. 596-601).

В этой связи возникает интерес к развитию технологий получения материалов на основе алюминидов никеля как базового сырья для электроискровой обработки металлов, поэтому разработка простых и производительных технологий получения электродных материалов на основе системы Ni-Al является актуальной научно-технической задачей.

Известен способ получения материала на основе алюминидов никеля NiAl, Ni₃Al в режиме СВС инициированием смеси порошков Ni, А1 и добавки - самофлюсующиеся порошки на основе никеля (SU 1787068 A3, B22F 3/23, С22С 1/04, 27.02.1991). Способ позволяет получать пористый материал и изделия повышенной прочности.

Недостатком способа является то, что крупные размеры частиц материала ограничивают возможности его использования, необходим нагрев и поддержание температуры, а дополнительная стадия измельчения загрязняет продукт и удлиняет общее время синтеза до 10 часов.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ получения материалов на основе алюминида никеля путем металлотермического совместного восстановления оксидов исходных металлов, который включает приготовление экзотермической смеси, путем смешивания в стехиометрическом соотношении порошков алюминия и оксида никеля и по крайней мере одной легирующей добавки, выбранной из ряда, включающего оксиды металлов, в реакторе в инертной атмосфере под давлением инертного газа аргона, при этом металлотермическая реакция инициируется электрозапалом, с последующим выделением целевого продукта (Патент РФ №2354501, B22F 3/23, С22С 1/04, опубл. 10.05.2009).

Но данный способ отличается большими энергозатратами, многостадийностью технологических циклов, малой производительностью и не всегда обеспечивает требуемое качество получаемого продукта.

Техническим результатом заявленного изобретения является снижение энерго- и трудозатрат за счет уменьшения количества технологических циклов, повышения содержания основного целевого материала, его чистоты и выхода.

Технический результат достигается тем, что в способе получения материала на основе алюминида никеля, включающем приготовление экзотермической шихты путем смешивания порошков алюминия, оксида никеля и по крайней мере одной легирующей добавки и инициирование в экзотермической шихте металлотермической реакции с обеспечением восстановления оксидов и образования алюминида никеля, согласно изобретению экзотермическую шихту готовят с добавлением балластной добавки, выполняющей роль флюса, в виде фтористого кальция, при этом порошок алюминия используют в избытке относительно стехиометрического соотношения порошков в смеси, а в качестве легирующей добавки используют оксиды хрома, или оксиды молибдена, или оксиды вольфрама, или оксиды титана в количестве не более 15 мас.%, причем металлотермическую реакцию в экзотермической шихте проводят без внешнего подогрева в реакторе или на открытом воздухе с получением материала на основе алюминида никеля в виде слитка. При этом оксид хрома или молибдена или вольфрама или титана вводят в количестве не более 15 мас.%. Металлотермическая реакция протекает без внешнего подогрева, как в реакторе, так и на открытом воздухе. Алюминий в составе шихты берется с избытком относительно расчетного, тем самым создаются необходимые для синтеза условия. Для снижения скорости горения и обеспечения полноты выхода металла в состав шихты вводят балластную добавку - фтористый кальций, которая одновременно выполняет роль флюса, улучшающего условия формирования компактных слитков металлов.

Сущность способа поясняется примерами.

Пример 1

Готовят экзотермическую смесь исходных реагентов из порошков: оксид никеля NiO (98.9% мас.), оксид хрома Cr₂O₃ (98.0% мас.), порошок алюминия (99.5% мас.), кальций фтористый CaF₂ марки "Ч".

Порошки смешивают до однородной по составу смеси. Приготовленную смесь (шихту) загружают в алундовый тигель. Тигель с шихтой помещают на асбестовый лист. Металлотермическая реакция, инициируемая электрозапалом, далее протекает на воздухе без внешнего подогрева. После окончания процесса горения тигель и продукты горения охлаждают. В результате плавки образуются продукты двух видов: металлическая фаза в форме компактного слитка и шлак, легко отделяющиеся друг от друга. Полученный продукт представляет собой компактный слиток темно-серого цвета. По данным рентгенофазового анализа это алюминид никеля, соответствующий формуле NiAl, легированный хромом.

Пример 2

Готовят экзотермическую смесь исходных реагентов из порошков: оксид никеля NiO (98.9% мас.), оксид молибдена MoO₃ (98.5% мас.), порошок алюминия (99.5% мас.), кальций фтористый CaF₂ марки "Ч".

Порошки смешивают до однородной по составу смеси. Приготовленную смесь (шихту) загружают в алундовый тигель. Тигель с шихтой помещают в реактор для синтеза, после чего реактор герметизируют и заполняют аргоном. Процесс горения инициируют путем воспламенения шихты с помощью поджигающей спирали. Металлотермическая реакция протекает без внешнего подогрева. После окончания процесса горения реактор и продукты горения охлаждают, выгружают из реактора. В результате плавки образуются продукты двух видов: металлическая фаза в форме компактного слитка и шлак, легко отделяющиеся друг от друга. Полученный продукт представляет собой компактный слиток серого цвета. По данным рентгенофазового анализа он представляет собой алюминид никеля, соответствующий формуле NiAl, легированный молибденом.

Пример 3

Готовят экзотермическую смесь исходных реагентов из порошков: оксид никеля NiO (98.9% мас.), оксид титана TiO₂ (98.0% мас.), порошок алюминия (99.5% мас.), кальций фтористый CaF₂ марки "Ч".

Порошки смешивают до однородной по составу смеси. Приготовленную смесь (шихту) загружают в алундовый тигель. Перемешивание порошков, синтез и охлаждение продукта синтеза проводят аналогично примеру 1. В результате плавки образуются продукты двух видов: металлическая фаза в форме компактного слитка и шлак, легко отделяющиеся друг от друга. Полученный продукт представляет собой компактный слиток серого цвета. По данным рентгенофазового анализа это алюминид никеля, соответствующий формуле (NiAl), легированный титаном.

Пример 4

Готовят экзотермическую смесь исходных реагентов из порошков: оксид никеля NiO (98.9% мас.), оксид молибдена WO₃ (98.5% мас.), порошок алюминия (99.5% мас.), кальций фтористый CaF₂ марки "Ч".

Порошки смешивают до однородной по составу смеси. Перемешивание порошков, синтез и охлаждение продукта синтеза проводят аналогично примеру 2. В результате плавки образуются продукты двух видов: металлическая фаза в форме компактного слитка и шлак, легко отделяющиеся друг от друга. Полученный продукт представляет собой компактный слиток темно-серого цвета. По данным рентгенофазового анализа он представляет собой алюминид никеля, соответствующий формуле NiAl, легированный вольфрамом.

Примеры 1 и 3 отличаются от примеров 2 и 4 тем, что в пп. 1 и 3 металлотермическая реакция протекает на воздухе, а в пп. 2 и 4 реакция протекает в реакторе.

Таким образом, заявленная совокупность признаков при правильно подобранном соотношении компонентов экзотермической смеси позволяет получать компактный слиток целевого продукта, обладающий высоким содержанием основной фазы (NiAl) и легирующего компонента (Cr, Мо, W, Ti). Такие материалы могут найти применение в металлургии в качестве электродного материала для нанесения покрытий на детали машин, работающие в сложных условиях эксплуатации.

Способ получения материалов характеризуется высокой производительностью и выходом. Тепловые эффекты экзотермических реакций, характерные для этих процессов, позволяют в ряде случаев отказаться от печных установок для нагрева шихты. Это существенно упрощает технологию и снижает себестоимость продукции.

Изобретение может быть использовано также для получения широкой номенклатуры композиционных материалов на основе алюминидов никеля, обладающих рядом ценных свойств, таких как: тугоплавкость, жаростойкость, жаропрочность, износостойкость, коррозионная стойкость.