СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ НИОБИЯ

Настоящее изобретение относится к области порошковой металлургии, а именно: к технологиям получения высокотемпературных композиционных материалов на основе ниобия с оксидным упрочнением. Изобретение может быть использовано для изготовления деталей и узлов неохлаждаемых турбин авиационно-космической техники, работающей при температурах около 1400-1600°C.

Увеличение мощности, кпд, экологичности и экономичности современных газовых турбин, используемых в качестве авиационных двигателей, энергетических установок и газоперекачивающих агрегатов, возможно только за счет повышения температуры рабочего газа на входе в турбину. Для этого требуется повысить предельные рабочие температуры, при которых возможна эффективная эксплуатация деталей горячего тракта, до 1400-1600°C. Поскольку такие температуры лежат за пределами работоспособности современных сложнолегированных жаропрочных сплавов на основе никеля, им на смену должны прийти новые материалы с более жаропрочной матрицей. Наиболее перспективными в этом отношении являются интерметаллиды и естественные композиты на их основе в виде направленных эвтектик, например, с ниобиевой матрицей, упрочненной интерметаллидами силицида ниобия. К преимуществам таких материалов относятся меньшая на 20% плотность по сравнению с традиционно применяемыми жаропрочными сплавами, отсутствие дефицитных легирующих элементов и более высокая температура плавления. Лопатки из подобного композиционного материала могут длительно работать при температурах приблизительно на 250-350°C выше, чем аналогичные детали из использующихся в настоящее время никелевых жаропрочных суперсплавов.

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, 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 (RU 2263089 С1, 27.10.2005).

Недостатком этого способа является то, что выделяющегося в процессе экзотермической реакции тепла недостаточно для изготовления композиционных материалов на основе интерметаллида ниобия.

Известен способ двустороннего прессования порошка в производственной линии, содержащей формовочную камеру, расположенную между первой прижимной плитой, по крайней мере, с одной мастер-моделью и второй прижимной плитой, выполненной с возможностью вращения, по крайней мере, с одной мастер-моделью, причем упомянутые пластины выполнены с возможностью встречного движения друг относительно друга. Способ включает предварительное однонаправленное сжатие формовочного материала за счет движения одной из плит, сжатие двумя плитами совместно, поворот второй плиты, позволяющий переместить заготовку за пределы формовочной камеры, и выталкивание изделия первой плитой дальше по производственной линии (US 5647424 А, 15.07.1997).

Недостатком данного способа является то, что он не предусматривает возможность укладки волокна в заданном направлении в матрицу, что во время прессовки может привести к его поломке. Кроме того, ввиду высокой температуры изготовленные формы, вплотную движущиеся по производственной линии, в случае недостаточной прессовки могут слипаться между собой.

Наиболее близким аналогом заявленного способа является способ получения композиционного материала, в котором исходную порошковую смесь для получения композиционного материала перемешивают, подвергают механическому легированию в защитной атмосфере, после чего проводят горячее изостатическое прессование (ГИП) порошковой смеси. Полученный материал имеет равномерную структуру, высокую относительную плотность при высоком выходе годного и минимальных энергетических затратах (RU 2393060 С1, 27.06.2010).

Недостаток прототипа заключается в том, что для материала, армированного волокнами, очень сложно подобрать давление прессования. Если задать малое давление, материал останется пористым. Если давление хотя бы немного превысит допустимое, в виду того, что оно действует на материал со всех сторон, волокна начинают ломаться.

Техническим результатом заявленного способа является получение композиционного материала на основе ниобия с повышенным пределом прочности, а также практической плотностью, равной не менее 95% от теоретической.

Технический результат достигается в способе получения композиционного материала на основе ниобия, в котором порошки для приготовления матрицы указанного материала перемешивают и подвергают механическому легированию в защитной атмосфере с образованием массива гранул из частиц порошка, при этом механическое легирование проводят в защитной атмосфере в течение 40-60 часов, в полученный массив гранул добавляют монокристаллические волокна α-Al₂O₃ и проводят двустороннее прессование полученной смеси при температуре 1400-1430°C и давлении 28-35 МПа не менее 3-х минут.

В качестве защитной атмосферы можно использовать аргон.

Двустороннее прессование смеси массива гранул и монокристаллических волокон α-Al₂O₃ можно проводить в пресс-форме, на которую предварительно наносят смазывающий материал.

В качестве смазывающего материала предпочтительно использовать нитрид бора, который при высоких температурах сохраняет инертность к композиционным материалам на основе ниобия и к материалам большинства пресс-форм.

Способ осуществляют следующим образом.

Исходные порошки ниобия и других элементов перемешивают и проводят с ними механическое легирование в защитной атмосфере инертного газа в течение 40-60 часов. Для этого порошки засыпают в установку для размола и смешивания, представляющую собой вращающийся вал с насыпанными в нее металлическими шарами. При вращении за счет трения шары начинают нагреваться и, следовательно, находящиеся между ними частицы порошка под действием температуры и трения подвергаются взаимному механическому легированию, то есть атомы одного металла диффундируют в частицы порошка другого металла. В качестве инертного газа лучше всего использовать аргон, поскольку его плотность близка к плотности атмосферы, то есть, с одной стороны, он является безопасным для человека в отличие от газов с высокой плотностью, а с другой, из-за низкой степени летучести его потери во время технологического процесса будут минимальны.

Время механического легирования 40-60 часов выбрано из расчета на то, что при меньшем времени в материале остаются твердые растворы элементарных порошков, а при большем времени частицы порошков измельчаются и в силу большого трения могут загореться. Наличие твердых растворов элементарных порошков снижает прочностные характеристики материала.

После механического легирования приготовленные композиционные гранулы засыпают в пресс-форму, на которую предварительно желательно нанести смазывающий материал, предпочтительно, нитрид бора.

При высоких температурах порядка 1300-1500°C материалы на основе ниобия являются очень химически активными. В таких условиях ниобий может образовывать различные соединения с материалом пресс-формы, что значительно затруднит процесс изготовления композиционного материала и ухудшит его качество. Наряду с этим нитрид бора при высоких температурах способен сохранять инертность одновременно к композиционному материалу на основе ниобия и материалу пресс-формы, таким образом являясь барьерным покрытием между ними.

В массиве гранул размещают пакет монокристаллических волокон α-Al₂O₃ и проводят их горячее двухстороннее прессование в вакууме при температуре 1400-1430°C и давлении 28-35 МПа не менее 3-х минут. Монокристаллические волокна α-Al₂O₃ обладают высокими прочностными характеристиками при высоких температурах и низкой плотностью, что позволяет использовать их в качестве уплотнителя для композиционных материалов на основе ниобия, работающих при температурах выше 1200°C.

Изменением объемного содержания волокон можно контролировать соотношение пластичности и предела прочности материала, что необходимо при создании деталей и узлов неохлаждаемых турбин авиационно-космической техники, работающих при различных нагрузках и диапазоне температур от 1400 до 1600°C.

Температурный интервал 1400-1430°C выбран из расчета на то, что при более высокой температуре материал на основе интерметаллида ниобия начинает растекаться, а при более низкой остается высокая степень его пористости.

Давление 28-35 МПа выбрано из расчета на то, что при более низком давлении остается высокая степень пористости материала, а при более высоком наблюдается расслоение материала, что говорит об избыточно приложенном давлении прессования.

Продолжительность прессования должна быть не менее 3-х минут, поскольку при меньшем времени остается высокая степень пористости материала.

Данный способ позволяет получить материал с плотностью, равной 95-100% от теоретической, за счет того, что у матриц на основе ниобия при температурах более 1300°C наблюдается снижение сопротивления высокотемпературной ползучести. За счет этого происходит более плотное заполнение каркаса из волокон матричным материалом.

Пример 1

Получали пластину размером 65×65×10 мм, состоящую из композиционного материала состава Nb-16Si-33Ti (ат.%), армированного волокнами Al₂O₃.

Исходные порошки ниобия, кремния и титана смешали в соотношении, соответствующему заданному составу, и загрузили в высокоэнергетическую установку для размола и смешивания (аттритор), в котором порошок подвергали механическому легированию по следующему режиму: время обработки 50 часов, защитная атмосфера - аргон.

Необходимая масса порошковой смеси для образца размером 65×65×10 мм без наличия волокон составила 6,5·6,5·1·7=295 г.

Заданный размер слоя волокон составлял 60×60 мм при диаметре каждого волокна d=250 мкм.

Масса волокон составила 3,6 г.

Из необходимой массы порошковой смеси для образца без наличия волокон вычитали массу волокон и получили необходимую массу порошковой смеси для получаемого образца 295-3,6=291,4 г.

Затем полученные после механического легирования гранулы с уложенными волокнами подвергли горячему двухстороннему прессованию при температуре 1410°C, давлении 30 МПа в течение 3-х минут.

Теоретическая плотность материала, вычисленная по табличным данным, составила 7,21 г/см³. Методом гидростатического взвешивания образца в этиловом спирте по объему вытесненной жидкости определялась практическая плотность, которая составила 6,9 г/см³, то есть 95,7% от теоретической. Объемное содержание волокон составило 23%.

Предел прочности измеряли методом трехточечного изгиба. Он составил 652 МПа.

Пример 2

Получали пластину размером 65×65×10 мм, состоящую из композиционного материала состава Nb-16Si-33Ti (ат.%), армированного волокнами Al₂O₃.

Исходные порошки ниобия, кремния и титана смешали и полученную порошковую смесь подвергли механическому легированию в высокоэнергетической установке для размола и смешивания (аттриторе) по следующему режиму: время обработки 55 часов, защитная атмосфера - аргон.

Необходимая масса порошковой смеси для образца размером 65×65×10 мм без наличия волокон составила 6,5·6,5·1·7=295 г.

Заданный размер слоя волокон составил 65×65 мм при диаметре каждого волокна d=250 мкм.

Масса волокон составила 4,23 г.

Из необходимой массы порошковой смеси для образца без наличия волокон вычитали массу волокон и получили необходимую массу порошковой смеси для получаемого образца 295-3,6=290,77 г.

Затем полученные после механического легирования гранулы подвергли горячему двухстороннему прессованию при температуре 1420°C, давлении 30 МПа в течение 3-х минут. Теоретическая плотность материала составляла 7,21 г/см³.

Практическая плотность составила 6,95 г/см³, то есть 96,4% от теоретической. Объемное содержание волокон 26%.

Предел прочности составил 653 МПа.

Пример 3

Получили пластину размером 65×65×10 мм, состоящую из композиционного материала состава Nb-16Si-24Ti-4Hf-6Cr-3Al (ат.%), армированного волокнами Al₂O₃.

Для ее получения использовали элементарные порошки Nb, Si, Ti, Hf, Cr и Al. Исходную порошковую смесь подвергли механическому легированию в высокоэнергетической установке для размола и смешивания (аттриторе) по следующему режиму: время обработки 50 часов, защитная атмосфера - аргон. Необходимая масса порошковой смеси для образца размером 65×65×10 мм без наличия волокон составила 6,5·6,5·1·7,2=304,2 г.

Заданный размер слоя волокон составлял 60×60 мм при диаметре каждого волокна d=250 мкм.

Масса волокон составила 3,6 г.

Из необходимой массы порошковой смеси для образца без наличия волокон вычитали массу волокон и получили необходимую массу порошковой смеси для получаемого образца 304,2-3,6=300,6 г.

Затем полученные после механического легирования гранулы подвергли горячему двухстороннему прессованию при температуре 1410°C, давлении 33 МПа в течение 3-х минут. Теоретическая плотность материала составила 7,31 г/см³.

Практическая плотность составила 6,98 г/см³, то есть 95,5% от теоретической. Объемное содержание волокон составляло 23%.

Предел прочности - 655 МПа.

Как показали полученные данные, предложенный способ обеспечивает получение композиционных материалов на основе ниобия с высокой прочностью, а также плотностью, равной не менее 95% от теоретической.