СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ НАНОСТРУКТУРИРОВАННОГО КОНСТРУКЦИОННОГО МАТЕРИАЛА С ОБЪЕМНОЙ НАНОСТРУКТУРОЙ
METHOD OF PRODUCING NANOSTRUCTURED STRUCTURAL MATERIAL WITH 3D NANOSTRUCTURE

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к получению жаропрочного наноструктурированного конструкционного материала методом гранульной металлургии.
В настоящее время большое внимание уделяется поиску новых материалов, способных объединить высокую пластичность, теплопроводность с высокой термостойкостью, твердостью и износостойкостью.
Так, к конструкционным материалам, применяемым для изготовления теплонагруженных элементов ракетных двигателей, например внутренних паяных огневых стенок, предъявляются требования: высокие теплопроводность, жаропрочность и жаростойкость.
Этими свойствами обладают используемые в настоящее время жаропрочные легированные сплавы на основе меди БрХ08, БрХЦрТ (Справочник Металлические материалы, хладостойкие до -196 и -253°С. /Под ред. Ю.И.Русинович, И.К.Успенская, Т.А.Власова // ГОНТИ №1, 1982), которые позволяют обеспечить лишь определенный уровень требований. Однако работоспособность перспективных энергонапряженных ракетных двигателей не может быть обеспечена применением таких материалов, так как при температурах" порядка 0,5 температуры плавления меди происходит их разупрочнение и рекристаллизация.
2
3
2
2
Известен способ получения композиционных материалов, содержащих порошковые частицы АlО, ZrO, SiO и других оксидов, частицы TiC или других карбидов, нитридов, боридов, а также частицы интерметаллида NiAl (патент США 5482673). Способ включает смешивание исходной смеси порошков и уплотнение полученной смеси при температуре и давлении, достаточных для получения плотного керамического композита. Недостатком материала, получаемого данным способом, является его пониженная стойкость к окислению при высоких температурах из-за присутствия в составе материала керамической фазы карбидов или нитридов, склонных к окислению.
2
3
Известен также способ получения композиционного материала, состоящего из взаимопроникающих связанных каркасов керамической фазы АlО и интерметаллидной фазы Ti-Al-Nb или Ti-Al-V. Материал получают совместным высокоэнергетическим помолом порошков титана, алюминия, оксида алюминия с добавлением ванадия или ниобия, с последующим компактированием и спеканием при нормальном давлении (Journal of the American Ceramic Society, т.84, №7, июль 2001 г.). Недостатком данного способа является высокая вероятность опережающего спекания металлической фазы с образованием недостаточно связанного керамического каркаса, что приводит к снижению высокотемпературных свойств материала и изделия из него.
Известен способ изготовления композиционного материала с объемной наноструктурой (см. Заявка на изобретение RU №2007116914 кл., МПК B22F 1/00 опубл. 11.10.2008 г.). Способ включает подготовку основы материала, введения в нее наноструктурирующего компонента и термообработку. Указанные операции производят путем подготовки основы прессованием порошкового материала в диапазоне давлений 0,1-0,3% модуля нормальной упругости и предварительного спекания в течение 1-2 час в диапазоне температур 60-70% его абсолютной температуры плавления в защитно-восстановительной газообразной среде, в водороде или диссоциированном аммиаке. Введение наноструктурирующего компонента осуществляют путем вакуумной пропитки основы суспензией наночастиц в жидкости. Термообработку композиции производят в газообразной защитно-восстановительной среде в два этапа: при температуре 80-90% абсолютной температуры кипения защитной жидкости и 80-95% абсолютной температуры плавления материала основы с выдержкой в течение 1-2 час по каждому этапу. При введении в медную матрицу наночастиц тугоплавкого материала, например хрома, прессование производят в диапазоне давлений 100-300 МПа, предварительное и окончательное спекание производят в диапазоне температур 540-680°С и (810-1020)°С соответственно. Данный метод обеспечивает получение жаропрочного материала. Недостаток: невысокая теплопроводность.
Наиболее близким является способ изготовления наноструктурного конструкционного материала на медной основе, обладающего повышенной теплопроводностью, раскрытый в заявке Японии №10-168502, B22F 1/00, опубл. 23.06.1998 - прототип. Известный способ включает получение рабочей смеси, содержащей порошок на основе меди и углеродные нанотрубки в качестве наноструктурного компонента, и компактирование при одновременном воздействии на рабочую смесь температуры и давления. Недостатком является недостаточно высокая теплопроводность.
Целью изобретения является устранение указанного недостатка, а именно получение конструкционного материала с повышенной теплопроводностью и сохранением свойств по жаропрочности.
Поставленная цель достигается путем применения способа изготовления наноструктурированного конструкционного материала, включающего операцию смешения основы (матрицы) с наноструктурным компонентом, причем, согласно изобретению, приготовленную рабочую смесь помещают в капсулы и подвергают одновременному воздействию температур, равных 0,7-0,95 температуры плавления материала основы, и давлений 1100÷1500 атм, и выдерживают в течение 2-5 часов. При температурах менее указанного интервала спекание неэффективно, а выше -нецелесообразно из-за возможности нарушения целостности частиц (оплавления). При смешении компонентов активацию поверхностей компонентов проводят за счет физического воздействия путем деформации, например, в шаровой планетарной мельнице или химического воздействия за счет введения поверхностно-активных веществ. Для повышения эффективности консолидации производят предварительное прессование приготовленной рабочей смеси в стальных пресс-формах при комнатной температуре в диапазоне давлений 0,1-0,5% модуля нормальной упругости. Давления ниже этого интервала не дают необходимой на этой технологической стадии плотности и пористости, а превышение увеличивает энергоемкость процесса.
Оптимальными условиями получения наноструктурированного конструкционного материала является, например: приготовление порошковой смеси на медной основе в шаровой планетарной мельнице в течение 30 мин, последующая подпрессовка до плотности 50% при 0,2 модуля нормальной упругости (225 МПа) и горячее изостатическое компактирование по режиму: температура 950°С, давление - 1400°С, время выдержки на режиме 4 час.
Реализация указанного выше технологического решения позволила получить жаропрочный наноструктурированный конструкционный материал с объемной наноструктурой, у которого повышен предел текучести в 2,5 и 1,5 раза в сравнении с чистой медью и сплавом БрХЦрТ при сохранении пластичности материала на уровне 25%, что соответствует пластичности промышленно освоенного сплава БрХЦрТ. По уровню теплопроводности λ=260 Вт/м·К соответствует чистой меди, удельное электросопротивление - 2,7 мкOм·см. В состав наноструктурированного материала входили: медь и углеродные нанотрубки - до 1 мас.%.
Предлагаемый способ позволяет повысить жаропрочность медных сплавов в 2-3 раза при сохранении тепло- и электропроводности на уровне чистой меди, добиться хорошей свариваемости. Получаемые по данному способу наноструктурированный конструкционный материал может подвергаться дополнительной обработке давлением с целью получения проката различного сортамента, труб, листов, лент, поковок или штамповок, что обеспечит широкое применение материала в различных отраслях индустрии.
Причем данные конструкционные материалы являются экологически чистыми продуктами, не содержащими экологически вредных химических соединений.