Результат интеллектуальной деятельности: Способ получения длинномерных цилиндрических стержней из материалов на основе Ti-Al-C

Область техники

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к получению длинномерных цилиндрических стержней из материалов на основе Ti-Al-C методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) и последующего горячего пластического деформирования, и может быть использовано для получения электродных материалов при электролизе цветных металлов.

Уровень техники

Известен способ получения компактных материалов системы Ti₂AlC из исходных компонентов Ti, Al и С методом горячего спекания. Сущность метода заключается в следующем. Производят подготовку смеси порошков Ti, Al и С, добавляя диспергатор стеарат натрия в смесь, выполняют сухое размалывание шарами до механического получения сплава и мелкого порошка TiAl, TiC. Загружают полученную смесь в графитовую оболочку и спекают под давлением в аргоне или вакууме (CN 1958514 (А), С04В 35/56, 05.09.2007). Недостатками данного способа являются: низкая производительность процесса за счет использования дополнительных операций по размалыванию исходных порошков и получению механического сплава; большие энергетические затраты на нагрев и спекание смеси; использование дополнительного диспергатора стеарата натрия, что снижает чистоту полученного продукта и как следствие снижает эксплуатационные характеристики жаростойких покрытий. При этом в способе также возникают трудности при изготовлении длинномерных стержней при соотношении их длины к диаметру более 2-3.

Известен способ получения материалов системы Ti₃AlC₂ методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза при сочетании с одноосным прессованием. Сущность способа заключается в предварительном перемешивании исходных компонентов титана, алюминия и сажи, масс. %: 73,7:15,2:11,1; 67,7:23,8:8,5; 64,6:27,3:8,1, прессовании полученной смеси в исходную цилиндрическую заготовку, помещение ее между прессовыми рамами, инициирование реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, одноосное прессование синтезируемого материала (Y. Khoptiar, I. Gotman, and E.Y. Gutmanas "Pressure-Assisted Combustion Synthesis of Dense Layered Ti₃AlC₂ and Mechanical Properties", J. Am.Ceram. Soc, 2005, Vol. 88, No.1, pp. 28-33). Недостатками данного способа являются следующие признаки. При данном способе необходим нагрев прессовых рам, между которых находится спрессованная заготовка синтезируемого материала, что увеличивает энергетические затраты процесса, а также технологическое время на нагрев прессовых рам перед синтезом материала, что приводит к снижению производительности процесса.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ получения материалов на основе Ti-Al-C (RU 2479384 C1, С04В 35/56, С22С 1/03, 20.04.2013), который включает предварительное перемешивание исходных компонентов титана, алюминия и сажи, прессование полученной смеси в исходную цилиндрическую заготовку, инициирование реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, причем исходные компоненты титана, алюминия и сажи берут в соотношении, масс. %: 59,2-71,5 (Ti): 24,0-33,4 (Al): 4,5-7,4 (С) и после реакции горения производят горячее пластическое деформирование через формующую матрицу с диаметром выходного отверстия 1-20 мм при температуре 1350-1500°C и временем задержки 3-7 секунд. Недостатком указанного прототипа является сложность контролирования температуры при горении, при которой необходимо осуществить пластическое деформирование синтезированного материала.

Раскрытие изобретения

Техническим результатом предлагаемого способа является упрощение технологического процесса получения длинномерных стержней, увеличение производительности процесса, получение материалов с заданным составом.

Технический результат достигается тем, что в способе получения длинномерных цилиндрических стержней из материалов на основе Ti-Al-C, включающем предварительное перемешивание исходных компонентов смеси порошков титана, алюминия и сажи, прессование исходной cмеси в цилиндрическую заготовку, инициирование реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) и пластическое деформирование синтезированного материала через формующую матрицу, новым является то, что исходные порошки титана, алюминия и сажи берут в молярном соотношении: 3Ti-xAl-2C, где количество алюминия соответствует 1≤х≤2,5, при этом перед инициированием реакции СВС заготовку нагревают до температуры 50-300°C, а пластическое деформирование осуществляют через формующую матрицу с углом конусной части 120-180°, при скорости перемещения плунжера пресса 60-100 мм/с.

Способ характеризуется частными случаями его реализации.

Так, деформирование синтезированного материала осуществляют в кварцевый калибр, диаметр которого меньше отверстия матрицы на 0,5-2 мм, перед установкой в пресс-форму исходной цилиндрической заготовки, на матрицу могут устанавливать заглушку из алюминиевого или медного сплава толщиной 0,1-1 мм.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Смешивают исходные порошковые компоненты титана, алюминия, сажи в молярном соотношении 3Ti-xAl-2C, где количество алюминия соответствует 1<=х<=2,5. При х<1 доля пластичной фазы при горении исходных компонентов мала, из-за чего формование продуктов горения

затруднительно, либо невозможно. При х>2,5 снижается температура и скорость горения выбранного состава, что, как следствие, приводит к потере пластичности продуктов горения и закупорке выходного отверстия матрицы. При соотношении 1<=х<=2,5 материал обладает наилучшей способностью к формованию и получению готовых изделий. Из полученной смеси порошков формуют заготовку диаметром 30 мм, высотой 45-50 мм и относительной плотностью 0,5-0,7. Перед установкой в пресс-форму исходной цилиндрической заготовки, на матрицу могут устанавливать заглушку из алюминиевого или медного сплава толщиной 0,1-1 мм. При толщине менее 0,1 мм заглушка сгорает при синтезе, при толщине более 1 мм ухудшает экструзию синтезированного материала. Заглушку целесообразно использовать для минимизирования дефектной части экструдированного стержня и при их длине менее 100 мм. Полученную заготовку нагревают в печи до 50-300°C. Без предварительного нагрева исходной заготовки до 50°C синтезируемый материал не способен пластически деформироваться и закупоривает матрицу, что выводит ее из рабочего состояния. При нагреве более 300°C происходит самовоспламенение исходной заготовки в печи. В пресс-форму помещают кварцевый калибр, который улучает качество получаемого стержня. При этом диаметр калибра меньше отверстия матрицы на 0,5-2 мм для дополнительного обжатия экструдируемого материала. При этом соотношении менее 0,5 дополнительного обжатия не происходит, а при соотношении более 2 мм - качество выдавленного стержня снижается. Нагретую заготовку помещают в пресс-форму, инициируют вольфрамовой спиралью реакцию горения в режиме СВС и синтезированный материал подвергают горячему пластическому деформированию через формующую матрицу с углом конусной части 120-180°, при скорости перемещения плунжера пресса 60-100 мм/с. В результате получают длинномерные стержни из материалов на основе МАХ-фазы системы Ti-Al-C длиной до 160 мм. При угле конусной части матрицы менее 120° - качество выдавленного стержня неудовлетворительное. При скорости перемещения плунжера пресса менее 60 мм/с материал за счет быстрого остывания не успевает полностью экструдироваться через формующую матрицу, а при скоростях более 100 мм/с материал не консолидируется.

Приведенная схема процесса СВС-экструзии для данного стехиометрического состава 3Ti-xAl-2C позволяет производить выдавливание образцов при температуре, соответствующей температуре горения, без использования дополнительных датчиков температуры и дополнительной теплоизоляции, что снимает необходимость в контролировании и регулировании температуры выдавливания.

Также данная схема при указанном стехиометрическом составе позволяет увеличить выход годного продукта на 30-35% по сравнению с прототипом по причине более высокой полноты выдавливания бездефектного образца.

Варьированием количества исходных компонентов титана, алюминия и сажи в исходной заготовке, а также технологического режима процесса получения, возможно изготавливать длинномерные стержни с заданной структурой.

Сущность предлагаемого способа подтверждается следующими примерами.

Пример 1.

Смешивают исходные порошки титана (ПТМ), алюминия (АСД-1) и сажи в молярном соотношении: 3(Ti):l(Al):2(C). Далее формуют из смешанных порошков заготовку диаметром 30 мм, высотой 50 мм и массой 50 г, нагревают в печи до 150°C. Нагретую заготовку помещают в пресс-форму, инициируют вольфрамовой спиралью волну горения в режиме СВС. После времени задержки 3 секунды при скорости перемещения плунжера пресса 60 мм/с, происходит приложение давления плунжером пресса, при этом синтезированный материал подвергают горячему пластическому деформированию через формующую матрицу с диаметром выходного отверстия 8 мм и углом конусной части 180°. В результате получен цилиндрический стержень диаметром 8 мм и длиной 130 мм. Фазовый состав полученного стержня соответствует масс %.: 90(Ti3AlC2), 10(TiC).

Пример 2.

Смешивают исходные порошки титана (ПТМ), алюминия (АСД-1) и сажи в молярном соотношении: 3(Ti):1(Al):2(C). Далее формуют из смешанных порошков заготовку диаметром 30 мм, высотой 50 мм и массой 50 г, нагревают в печи до 50°C. Перед установкой нагретой заготовки в пресс-форму на матрицу устанавливают заглушку из алюминиевого сплава толщиной 0,1 мм. Нагретую заготовку помещают в пресс-форму, инициируют вольфрамовой спиралью волну горения в режиме СВС. После времени задержки 2,8 секунды при скорости перемещения плунжера пресса 80 мм/с, происходит приложение давления плунжером пресса, при этом синтезированный материал подвергают горячему пластическому деформированию через формующую матрицу с диаметром выходного отверстия 10 мм при использовании направляющего калибра диаметром 8 мм (диаметр калибра меньше диаметра матрицы на 2 мм) и углом конусной части 120°. В результате получен цилиндрический стержень диаметром 8 мм и длиной 120 мм. Фазовый состав полученного стержня соответствует масс %.: 85(Ti3AlC2), 15(TiC).

Пример 3.

В условиях примера 1, формуют из смешанных порошков заготовку диаметром 30 мм, высотой 45 мм и массой 50 г, нагревают в печи до 50°C. Перед установкой нагретой заготовки в пресс-форму на матрицу устанавливают заглушку из медного сплава толщиной 0,5 мм. Нагретую заготовку помещают в пресс-форму, инициируют вольфрамовой спиралью волну горения в режиме СВС. После времени задержки 1 секунды при скорости перемещения плунжера пресса 100 мм/с, происходит приложение давления плунжером пресса, при этом синтезированный материал подвергают горячему пластическому деформированию через формующую матрицу с диаметром выходного отверстия 10 мм и углом конусной части 160° при использовании направляющего кварцевого калибра диаметром 8 мм (диаметр калибра меньше диаметра матрицы на 2 мм). В результате получен цилиндрический стержень диаметром 8 мм и длиной 90 мм. Фазовый состав полученного стержня соответствует масс %.: 80(Ti3AlC2), 20(TiC).

Пример 4.

Смешивают исходные порошки титана (ПТМ), алюминия (АСД-1) и сажи в молярном соотношении: 3(Ti):1,5(Al):2(C). Далее формуют из смешанных порошков заготовку диаметром 30 мм, высотой 50 мм и массой 50 г, нагревают в печи до 300°C. Перед установкой нагретой заготовки в пресс-форму на матрицу устанавливают заглушку из алюминиевого или медного сплав толщиной 1 мм. Нагретую заготовку помещают в пресс-форму, инициируют вольфрамовой спиралью волну горения в режиме СВС. После времени задержки 4 секунды при скорости перемещения плунжера пресса 100 мм/с, происходит приложение давления плунжером пресса, при этом синтезированный материал подвергают горячему пластическому деформированию через формующую матрицу с диаметром выходного отверстия 10 мм, кварцевым направляющем калибром диаметром 8 мм (диаметр калибра меньше диаметра матрицы на 2 мм) и углом конусной части 180°. В результате получен цилиндрический стержень диаметром 8 мм и длиной 90 мм. Фазовый состав полученного стержня соответствует масс %.: 86(Ti3AlC2), 9 (TiC), 5(TiAl3).

Пример 5.

Смешивают исходные порошки титана (ПТМ), алюминия (АСД-1) и сажи в молярном соотношении: 3(Ti):2(Al):2(C). Далее формуют из смешанных порошков заготовку диаметром 30 мм, высотой 43 мм и массой 50 г, нагревают в печи до 300°C. Нагретую заготовку помещают в пресс-форму, инициируют вольфрамовой спиралью волну горения в режиме СВС. После времени задержки 4,9 секунды при скорости перемещения плунжера пресса 100 мм/с, происходит приложение давления плунжером пресса, при этом синтезированный материал подвергают горячему пластическому деформированию через формующую матрицу с диаметром выходного отверстия 10 мм, кварцевым направляющем калибром диаметром 8 мм (диаметр калибра меньше диаметра матрицы на 2 мм) и углом конусной части 180°. В результате получен цилиндрический стержень диаметром 8 мм и длиной 150 мм. Фазовый состав полученного стержня соответствует масс %.: 53 (Ti3AlC2), 40(TiC), 7(TiAl3).

Пример 6.

Смешивают исходные порошки титана (ПТМ), алюминия (АСД-1) и сажи в молярном соотношении: 3(Ti):2,3(Al):2(C). Далее формуют из смешанных порошков заготовку диаметром 30 мм, высотой 48 мм и массой 50 г, нагревают в печи до 300°C. Нагретую заготовку помещают в пресс-форму, инициируют вольфрамовой спиралью волну горения в режиме СВС. После времени задержки 8 секунды при скорости перемещения плунжера пресса 100 мм/с, происходит приложение давления плунжером пресса, при этом синтезированный материал подвергают горячему пластическому деформированию через формующую матрицу с диаметром выходного отверстия 12 мм, кварцевым направляющем калибром диаметром 11 мм (диаметр калибра меньше диаметра матрицы на 1 мм) и углом конусной части 180°. В результате получен цилиндрический стержень диаметром 11 мм и длиной 115 мм. Фазовый состав полученного стержня соответствует масс %.: 46 (Ti3AlC2), 42(TiC), 12 (TiAl3).

Пример 7.

Смешивают исходные порошки титана (ПТМ), алюминия (АСД-1) и сажи в молярном соотношении: 3(Ti):2,5(Al):2(C). Далее формуют из смешанных порошков заготовку диаметром 30 мм, высотой 50 мм и массой 50 г, нагревают в печи до 300°C. Нагретую заготовку помещают в пресс-форму, инициируют вольфрамовой спиралью волну горения в режиме СВС. После времени задержки 4,1 секунды при скорости перемещения плунжера пресса 100 мм/с, происходит приложение давления плунжером пресса, при этом синтезированный материал подвергают горячему пластическому деформированию через формующую матрицу с диаметром выходного отверстия 9,5 мм, кварцевым направляющем калибром диаметром 8 мм (диаметр калибра меньше диаметра матрицы на 0,5 мм) и углом конусной части 180°. В результате получен цилиндрический стержень диаметром 8 мм и длиной 200 мм. Фазовый состав полученного стержня соответствует масс %.: 49 (Ti3AlC2), 36(TiC), 15(TiAl3).

Таким образом, предлагаемая совокупность признаков изобретения позволяет получать длинномерные цилиндрические стержни из материалов на основе Ti-Al-C без контролирования температуры, при которой необходимо пластически деформировать синтезированный материал через формующую матрицу, что позволяет упростить технологический процесс получения длинномерных стержней, и соответственно увеличить производительность заявляемого способа. Полученные материалы могут быть использованы в качестве электродных материалов при электролизе цветных металлов.