Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИНТЕРМЕТАЛЛИЧЕСКОГО СОЕДИНЕНИЯ NiAl

Изобретение относится к области порошковой металлургии алюминидов никеля, в частности к высокотемпературному синтезу интерметаллида Ni₃Al в порошковой смеси чистых элементов стехиометрического состава, и может быть использовано для получения жаростойких сплавов, в частности интерметаллида Ni₃Al с повышенной прочностью и пластичностью.

Основной упрочняющей фазой никелевых жаропрочных сплавов является интерметаллическое соединение Ni₃Al (γ'-фаза, упорядоченный твердый раствор), поведение которого под нагрузкой в значительной мере определяет ресурс работы сплавов в целом. В связи с этим одним из актуальных направлений исследований в области разработки новых и улучшения существующих жаропрочных сплавов является исследование возможностей улучшения прочности и пластичности соединения Ni₃Al при повышенных (~1100°С) температурах.

С другой стороны, поскольку прочность и пластичность поликристаллического интерметаллида ограничены хрупким межкристаллитным разрушением, повышение этих характеристик возможно в случае многократного измельчения зеренной структуры интерметаллида. Однако достичь этого известными методами интенсивной пластической деформации удается только на микрообразцах в наковальнях Бриджмена (Корзников А.В., Идрисова С.Р., Димитров O.K. и др. Структура и механические свойства нанокристаллического интерметаллида Ni₃Al // ФММ. 1998. Т.85. Вып.85. С.91-96).

Альтернативным решением проблемы интенсивного пластического деформирования интерметаллидов является их интенсивная пластическая деформация в узком временном интервале термограммы теплового взрыва исходной порошковой смеси чистых элементов стехиометрического состава.

Известен способ изготовления твердосплавного инструмента методом высокотемпературного синтеза, включающий смешение исходных порошковых компонентов, прессование из порошковой смеси брикетов, инициирование локальным разогревом высокотемпературного синтеза тугоплавкого соединения в режиме послойного горения порошкового брикета и прессование продукта синтеза до получения компактного материала целевого назначения (Войцехович С.М., Мишулин А.А. Опыт изготовления твердосплавного инструмента методом СВС//Порошковая металлургия. - 1992. - №3. - С.92-97).

Основным недостатком известного способа является режим послойного горения порошкового брикета, который не обеспечивает однородность структурно-фазового состояния и равномерность плотности продукта синтеза в полученной заготовке (изделии) после компактирования термореагирующего порошкового брикета, что снижает эксплуатационные свойства синтезированного материала.

Известен способ обработки порошковых материалов (RU 2082556, B22F 3/23, опубл. 27.06.1997), включающий приготовление экзотермической смеси порошков, помещение порошковой смеси в пресс-форму, нагрев порошковой смеси объемным электромагнитным полем до ее самовоспламенения (теплового взрыва) и компактирование продукта синтеза в закрытой пресс-форме в момент достижения экзотермической смесью максимальной температуры взаимодействия с целью получения высокоплотных целевых продуктов конструкционного и инструментального назначений.

Способ обеспечивает сравнительно равномерное структурно-фазовое состояние продукта высокотемпературного синтеза в синтезированном компакте. Недостатком известного способа является невозможность реализовать условия интенсивной пластической деформации продукта синтеза в закрытой пресс-форме, инициирующей целенаправленную модификацию (измельчение) зеренной структуры полученного целевого продукта в компактном состоянии.

Наиболее близким по технической сущности решением является способ получения интерметаллического соединения Ni₃Al, включающий приготовление порошковой смеси никеля с алюминием стехиометрического 3Ni₃₊Al состава, размещение ее в пресс-форме, нагрев пресс-формы с целью инициирования в смеси реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) в режиме теплового взрыва смеси и компактирование продукта реакции, при этом компактирование продукта реакции СВС проводят с частичной его экструзией через калиброванные отверстия в нижней части пресс-формы (Овчаренко В.Е. и др. Температурная зависимость прочностных свойств деформационного интерметаллического соединения Ni₃Al. Инновационные технологии и экономика в машиностроении. Сборник трудов III Международной конференции с элементами научной школы для молодых ученых, т.1, Томск, 24-25.05.2012, с.116-119).

Недостатком известного способа является то, что в известном способе не были исследованы (определены) конкретные технологические режимы получения интерметаллического соединения Ni₃Al с повышенной прочностью и пластичностью.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка способа получения интерметаллического соединения Ni₃Al, обладающего повышенной прочностью и пластичностью.

Указанный технический результат достигается тем, что как известный, так и в предлагаемый способ получения интерметаллического соединения Ni₃Al включает приготовление порошковой смеси никеля с алюминием стехиометрического (3Ni+Al) состава, размещение ее в пресс-форме, нагрев пресс-формы для инициирования в смеси реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) интерметаллического соединения Ni₃Al в режиме теплового взрыва смеси и компактирование для пластического деформирования интерметаллического продукта реакции СВС.

Новым является то, что компактирование продукта реакции СВС проводят при приложении давления прессования до 400-500 МПа с задержкой по времени 1-2 секунды с момента теплового взрыва с экструзией продукта реакции СВС через одно или несколько калиброванных отверстий в нижней части пресс-формы.

Сущность изобретения заключается в следующем.

В результате компактирования интерметаллического продукта реакции СВС при приложении давления до 400-500 МПа с задержкой по времени 1-2 секунды с момента теплового взрыва с экструзией продукта реакции СВС через одно или несколько калиброванных отверстий в нижней части пресс-формы основная масса интерметаллического продукта реакции СВС подвергается интенсивной пластической деформации во внутреннем объеме пресс-формы, в результате которой происходит измельчение зеренной структуры синтезированного интерметаллического соединения Ni₃Al, в результате которого повышаются прочность и пластичность синтезированного интерметаллида.

На примере высокотемпературного синтеза интерметаллического соединения Ni₃Al с пластической деформацией интерметаллического продукта высокотемпературного синтеза в пресс-форме конусной формы сущность изобретения поясняется следующими чертежами.

На фиг.1 представлена схема пластического деформирования интерметаллического продукта высокотемпературного синтеза в конусной пресс-форме с частичной экструзией продукта синтеза на стадии охлаждения после теплового взрыва порошковой смеси никеля с алюминием стехиометрического состава.

На фиг.2 представлена микродифракционная картина, полученная с образцов интерметаллического соединения Ni₃Al, синтезированного в конусной пресс-форме с пластической деформацией продукта высокотемпературного синтеза. Сверхструктурные рефлексы {001} и {110} показывают, что основной фазой всех исследованных образцов интерметаллического соединения является интерметаллид Ni₃Al. На фиг.2 представлены сверхструктурные рефлексы {001} (указаны темными стрелками) и {110} (указаны светлыми стрелками).

Синтезированный в конусной пресс-форме конический компакт интерметаллида был извлечен из пресс-формы и разделен по горизонтали на пять равных по толщине слоев (фиг.3), из которых были вырезаны образцы на растяжение. Испытания на растяжение проводили при комнатной температуре на машине INSTRON 3369 со скоростью деформирования 0,2 мм/мин.

Степень пластической деформации интерметаллического продукта синтеза в отдельных слоях конусного компакта определяли по формуле:

где r₀ - радиус нижнего основания конической пресс-формы, α - половина угла конуса пресс-формы, Δh - расстояние, на которое переместился в сечение r₂ находившийся в сечении радиуса r₁ продукт высокотемпературного синтеза.

Степень пластической деформации интерметаллического продукта синтеза для каждого указанного слоя представлена в таблице 1.

Полученные кривые растяжения образцов интерметаллида с различной величиной пластической деформации интерметаллического продукта высокотемпературного синтеза в конусной пресс-форме показывают, что с повышением величины пластической деформации интерметаллического продукта синтеза повышаются прочность и пластичность синтезированного интерметаллида Ni₃Al (фиг.4а, б).

На фиг.4а представлены кривые растяжения образцов интерметаллического соединения Ni₃Al, полученных из поперечных слоев конусного компакта с различной степенью пластической деформации (а): 1 - 4,2%, 2 - 5,6%, 3 - 7,4%, 4 - 10,6%, 5 - 15,2% и зависимости значений предела прочности и деформации до разрушения при растяжении (4б) от степени пластической деформации интерметаллического продукта синтеза в пресс-форме.

Установлено, что с увеличением степени пластической деформации продукта высокотемпературного синтеза в пресс-форме изменяется и характер зеренной структуры синтезированного интерметаллического соединения (фиг.5). Основной особенностью новой зеренной структуры является образование отдельных зерен, состоящих из микрозерен субмикронного диапазона размерности и имеющие четкие границы как с обычными зернами микрометровой размерности, так и с другими подобными им микрозернами. Зерна интерметаллида, состоящие из множества микрозерен, можно рассматривать как мультизерна. Средний размер отдельных микрозерен в мультизернах составляет 0,1-0,5 мкм. Численные оценки объемного содержания в синтезированном интерметаллическом соединении Ni₃Al мультизерен показали, что их объемное содержание повышается с увеличением степени пластической деформации продукта высокотемпературного синтеза.

Объемное содержание мультизерен в синтезированном интерметаллиде повышается с увеличением степени пластической деформации продукта высокотемпературного синтеза (фиг.6) при одновременном повышении его микротвердости (фиг.7). При минимальных значениях пластической деформации микротвердость синтезированного интерметаллида практически соответствует микротвердости интерметаллида аналогичного состава, полученного вакуумной плавкой, и с увеличением степени деформации продукта в пресс-форме увеличивается.

Полученные данные о влиянии пластической деформации продукта высокотемпературного синтеза в конусной пресс-форме на прочность и пластичность синтезированного интерметаллида Ni₃Al полностью согласуются с результатами исследования влияния пластической деформации продукта высокотемпературного синтеза в цилиндрической пресс-форме, что поясняется следующими чертежами.

На фиг.8 представлена схема высокотемпературного синтеза интерметаллического соединения Ni₃Al с пластической деформацией продукта синтеза в цилиндрической пресс-форме.

На фиг.9 представлены зависимости предела прочности (а) и деформации до разрушения (б) образцов интерметаллического соединения Ni₃Al от степени деформации продукта синтеза в конусной и цилиндрической пресс-формах.

Из сравнения зависимостей предела прочности и деформации до разрушения образцов интерметаллического соединения Ni₃Al, синтезированных с пластической деформацией продукта синтеза в конусной и цилиндрической пресс-формах, можно констатировать, что с увеличением степени деформации продукта синтеза, независимо от конструкции пресс-формы, предел прочности и величина деформации образцов до разрушения увеличиваются.

Таким образом, пластическая деформация продукта высокотемпературного синтеза формирует в синтезированном интерметаллическом соединении Ni₃Al бимодальную зеренную структуру, состоящую из зерен микрометровой размерности и мультизерен, состоящих из микрозерен субмикронной размерности. Величина объемной доли мультизерен в зеренной структуре синтезированного интерметаллида находится в прямой зависимости от степени пластической деформации продукта высокотемпературного синтеза в пресс-форме - с увеличением степени деформации продукта синтеза увеличивается объемное содержание мультизерен в зеренной структуре синтезированного интерметаллида. Эффективным методом модификации зеренной структуры интерметаллического соединения Ni₃Al и повышения его прочностных характеристик является высокотемпературный синтез интерметаллида с пластической деформацией продукта синтеза в цилиндрической пресс-форме.

Изобретение осуществляется следующим образом.

Из порошков никеля и алюминия микронного диапазона дисперсности готовится порошковая смесь стехиометрического состава 3Ni+Al. Полученная порошковая смесь засыпается в стальную пресс-форму, имеющую одно или несколько калиброванных отверстий в ее нижней части. После подпрессовки порошковой смеси на гидравлическом прессе до пористости 30-40% стальная пресс-форма нагревается токами высокой частоты с заданной скоростью нагрева, обеспечивающей нагрев порошковой смеси с минимальным градиентом температуры по объему порошковой прессовки до температуры ее самовоспламенения в режиме теплового взрыва (градиент температуры по объему прессовки контролируется термопарами, помещенными в центральную и периферийную части порошковой прессовки). С задержкой по времени 1-2 секунды от момента теплового взрыва пуансон пресс-формы нагружают гидравлическим прессом с давлением прессования до 400-500 МПа, обеспечивающего пластическую деформацию интерметаллического продукта высокотемпературного синтеза непосредственно в пресс-форме с его частичной экструзией через калиброванные отверстия в нижней части пресс-формы.

В таблицах 2, 3 приведены сводные данные о влиянии величины пластической деформации интерметаллического продукта синтеза в пресс-формах конусной и цилиндрической конфигурации на прочность и величину деформации до разрушения интерметаллического соединения Ni₃Al.

Можно констатировать, что независимо от геометрической конфигурации пресс-формы пластическая деформация интерметаллического продукта высокотемпературного синтеза в пресс-форме приводит к повышению прочности и пластичности синтезированного интерметаллида Ni₃Al и тем в большей степени, чем выше степень пластической деформации интерметаллического продукта высокотемпературного синтеза в пресс-форме.