Результат интеллектуальной деятельности: Способ получения порошка на основе тугоплавких соединений

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к получению порошковых материалов тугоплавких соединений способами, сочетающими горение в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) и высокотемпературное сдвиговое деформирование продуктов синтеза. Полученные предлагаемым способом материалы могут быть использованы в металлургии, химической и инструментальной промышленности, авиадвигателестроении и других областях.

Известен традиционный способ синтеза тугоплавких неорганических соединений методом СВС (SU 255 221 A1, C01G 1/00, 00.00.1969 г. (FR2088668 А5, С04В 35/56, С04В 35/500, 07.01.1972 г., US3726643 А,

С01В 13/32, С01В 21/06, С01В 21/076, С01В 25/06, 10.04.1973 г.; GB 1321084A С01В 13/32, С01В 21/06, С01В 21/076, С01В 25/06, 20.06.1973 г.; JP N 1098839, 1981 г. )), который заключается в экзотермической реакции исходных компонент в реакторах горения, с последующим остыванием продуктов синтеза и их размолом в шаровых мельницах и аттриторах.

Недостатком указанного способа, ввиду высокой твердости и прочности синтезированных материалов, является операция измельчения, которая требует больших усилий и времени, кроме того порошок загрязняется металлом.

Известен способ получения порошков неорганических соединений в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза из реакционной смеси (SU 1815934 A1, С01В 31/30, С01В 21/06, 20.09.2003 г. ), включающей составляющие соединение элементы, в замкнутом объеме с последующим измельчением полученного продукта и его химической обработкой, с целью увеличения удельной поверхности порошка соединения и повышения его чистоты, химическую обработку ведут при 40-100°С и непрерывном перемешивании в растворах кислот с концентрацией 5-30 мас. % либо в растворах щелочей с концентрацией 2-40 мас. %, либо в растворах солей с концентрацией 10-30 мас. %.

Недостатком данного способа является сложность и длительность химической обработке синтезированного материала.

Известны способы получения порошков тугоплавких соединений (RU 2161548, B22F 9/16, B22F 3/23, 10.01.2001 г.; RU 98100315 А, B22F 9/16, 27.10.1999 г. ), включающие сжигание экзотермической смеси переходного металла и неметалла (углерода, бора, кремния и др.) в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза при направленной фильтрации примесных газов, что исключает разбавление исходной шихты конечным продуктом, и при этом продукт получается в виде легкоразрушающейся пористой массы, что снижает загрязнение целевых порошков материалом мелющих тел на стадиях окончательного передела.

Недостатком данного способа является сложность аппаратного оформления, необходимость предварительного гранулирования исходных реагентов, а также необходимость последующей очистки конечных продуктов синтеза от непрореагировавших компонент.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ синтеза порошковых материалов в условиях СВС и сдвигового деформирования, который включает приготовление экзотермической смеси переходного металла и неметалла (углерода, бора, кремния, алюминия и др.), инициирование реакции, самораспространяющийся высокотемпературный синтез и последующее сдвиговое деформирование продуктов горения. (П.М. Бажин, A.M. Столин, М.В. Михеев, чл. корр. РАН М.И. Алымов. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез в условиях совместного действия давления со сдвигом/ Доклады академии наук, Химическая технология. 2017. Т. 473. №5. С. 568-571).

Недостатком прототипа является низкий выход продукта дисперсностью менее 400 мкм, что говорит о низкой производительности процесса.

Техническим результатом предлагаемого способа является усовершенствование способа и увеличение производительности процесса получения порошковых материалов.

Технический результат достигается тем, что способ получения порошка на основе тугоплавких соединений, включающий приготовление экзотермической смеси переходного металла и неметалла, размещение приготовленной смеси в цилиндрическом реакторе, инициирование реакции горения в приготовленной смеси в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), сдвиговое деформирование продуктов горения с получением порошка, отличающийся тем, что в состав экзотермической смеси дополнительно вводят 1-5 масс. % порошкового полиэтилена.

Сущность предложенного способа заключается в проведении химической реакции исходных компонент металла и неметалла с добавлением порошкового полиэтилена в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в сочетании с высокотемпературным сдвиговым деформированием. Способ осуществляют следующим образом. В графитовый или металлический цилиндрический реактор помещают предварительно перемешанную экзотермическую смесь из исходных компонент металла (титан, алюминий, железо и др.) и неметаллов (углерод, бор, кремний и др.) в насыпном виде или в виде компактной цилиндрической заготовки. Дополнительно к исходной смеси добавляют 1-5 масс. % порошкового полиэтилена (СВМПЭ). Инициируют вольфрамовой спиралью реакцию горения. Горение смеси с порошковым полиэтиленом приводит к выделению большого количества газа, который препятствует агломерированною и спеканию частиц между собой, что существенным образом снижает прочность спека. После заданного времени производят опускание вращающегося ротора до основания реактора. Таким образом, использование 1-5 масс. % порошкового полиэтилена приводит к значительному увеличению выхода доли частиц с размерами менее 400 мкм (табл.). При малом добавлении порошкового полиэтилена (менее 1 масс. %) положительный эффект не наблюдается. Увеличение в исходной смеси доли порошкового полиэтилена более 5 масс. % снижает экзотермичность смеси и не является целесообразным для низкоэкзотермичных составов, т.к. часть теплоты реакции тратится на горение полиэтилена, а остатков тепла не хватает на поддержание реакции в самораспространяющимся режиме. После синтеза порошков традиционным способом СВС без приложения сдвигового деформирования, синтезированный материал состоит из спека и для его последующего размола требуются дополнительные длительные технологические операции диспергирования при больших усилиях, при этом порошок загрязняется металлом молящих тел.

Сущность предлагаемого изобретения подтверждается следующими примерами.

Пример 1. Приготавливают экзотермическую смесь порошков исходных компонент в соотношении масс. %: (79,2) Ti - (19,8) С - (1,0) СВМПЭ, размещают приготовленную смесь в цилиндрическом реакторе, инициируют реакцию горения в приготовленной смеси в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, после прохождения волны горения опускают вращающий ротор с частотой вращения 120 об/мин. После охлаждения просеивают порошок через сита и классифицируют частицы по размерам (табл.). Полученный порошок состоит из 80 масс. % частиц дисперсностью менее 400 мкм, что в 1,5 раза больше, чем для прототипа и в 80 раз больше, чем для традиционного способа получения.

Пример 2. В условиях примера 1, отличающийся тем, что берут исходные компоненты в следующем соотношении масс. %: (76) Ti - (19) С -(5,0) СВМПЭ, после прохождения волны горения опускают вращающий ротор с частотой вращения 240 об/мин. После охлаждения просеивают синтезированный порошок через сита и классифицируют частицы по размерам (табл.). Полученный порошок состоит из 88 масс. % частиц дисперсностью менее 400 мкм, что в 1,3 раза больше, чем для прототипа и 88 раз больше, чем для традиционного способа получения.

Распределение частиц по размерам в сравнении с порошком, полученным традиционным методом СВС и по прототипу представлены в таблице.

Таким образом, предлагаемая совокупность признаков изобретения позволяет получать порошки на основе тугоплавких соединений в одну технологическую стадию с размерами частиц менее 400 мкм с массовой долей до 88%, при этом производительность процесса получения порошка возрастает в 80-88 раз по сравнению с традиционным способом получения и в 1,3-1,5 раза по сравнению с прототипом. Полученные порошки могут быть использованы в металлургии, химической и инструментальной промышленности, авиадвигателестроении и других областях при изготовлении изделий различного функционального назначения, работающих при абразивном износе, повышенных температурах и в агрессивных средах.