СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ИРИДИЯ
METALLIC IRIDIUM ARTICLES PRODUCTION METHOD

Изобретение относится к порошковой металлургии и может быть использовано для получения различных изделий из иридия.
Иридий - тугоплавкий металл платиновой группы. Сочетание таких качеств, как высокая температура плавления и наивысшая среди металлов химическая инертность, делает его незаменимым конструкционным материалом для эксплуатации в условиях повышенных температур (до 2200°С) и агрессивных сред. Это единственный металл, из которого делают изделия специального назначения:
- тигли для выращивания крупногабаритных оксидных монокристаллов, применяемых в микроэлектронике и лазерной технике;
- прокат для изготовления корпусов малогабаритных ядерных реакторов и контейнеров термоэлектрических генераторов на основе диоксида плутония для межпланетных космических полетов;
- диски для изготовления источников радиоизотопов, применяемых в приборах неразрушающего контроля и лечения онкологических заболеваний;
- проволока для изготовления термопар с диапазоном измеряемых температур не ниже 2200°С;
- электроды для автомобильных свечей зажигания, обеспечивающих более 250 тыс. км пробега.
Мировой спрос на иридиевые изделия в 2010 году увеличился в 4 раза и составил 10,5 тонн при увеличении цены иридия в 2,5 раза. Устойчивый промышленный спрос на иридиевую продукцию обеспечивает устойчивую ценовую стабильность и в настоящее время.
Главной проблемой в изготовлении продукции из иридия является высокая чувствительность его технологических и эксплуатационных свойств к наличию даже незначительных количеств примесных элементов, которые являются основной причиной хрупкого разрушения иридия. Традиционная технология изготовления иридиевых изделий предусматривает в качестве исходных заготовок при производстве иридиевого проката использование монокристалла иридия с содержанием примесей не более 0,003%, полученного с помощью предварительно многостадийного и энергозатратного пирометаллургического рафинирования с использованием электронно-лучевого переплава в вакууме (ЭЛП). Промышленной технологией получения такого металла обладает ограниченное число производителей, среди которых компании Johnson Matthey PLC (Великобритания), W.C. Heraeus GmbH (Германия), Национальная лаборатория в Окридже (США), Engelhard-Clal Corporation (США), ОАО «Екатеринбургский завод по обработке цветных металлов (ЕЗОЦМ)», ЗАО «УРАЛИНТЕХ» Россия.
Высокочистый металлический нанопорошок иридия (МНПИ) предназначен для создания новых конструкционных материалов с заданным набором физико-химических свойств и потребительских качеств, дает возможность создания принципиально новых эффективных технологических процессов изготовления иридиевых изделий с повышенными эксплуатационными характеристиками.
2
2
МНПИ получен в результате оригинального сочетания гидрометаллургических, электрохимических и пирометаллургичсских процессов и представляет собой черные частицы металла химической чистотой не менее 99,990% и размером 20-70 нанометров, с удельной поверхностью в диапазоне 3-7 м/г и насыпной плотностью 0,4-0,9 г/см. Термически устойчив до 200°С в атмосфере воздуха, не пирофорен.
По сравнению с отечественным и зарубежным промышленным порошком иридия предлагаемый МНПИ на порядок превосходит по химической чистоте, в 5-10 раз по насыпной плотности, характеризующей расход единицы массы на единицу объема, и в 200-400 раз по удельной поверхности, характеризующей каталитическую активность.
В США разрабатываются процессы нанесения иридия на изделия, эксплуатируемые в жестких условиях, в частности на ракетные сопла. Нанесение жаропрочного коррозионно-стойкого покрытия на рабочую поверхность камеры сгорания и сопла ракетного двигателя обеспечит повышение температуры с 1300°С (выпускаемые двигатели) до 2000-2100°С и тем самым повысит эффективность использования топлива и полезную нагрузку (см.www.fazwest.com).
Для достижения этой цели ими выбран метод химического осаждения из паровой фазы (CVD) с использованием сложных органических соединений иридия, эти металлорганические соединения дороги в изготовлении и требуют особых условий синтеза, а сам газофазный процесс с применением этих соединений трудно локализуем в зоне нанесения. Поэтому 70-80% иридия ассимилируется стенками камеры и только 20-30% на нужной поверхности.
Известна классическая технология изготовления иридиевых тиглей (см. Тимофеев Н.И., Ерамаков А.В., Дмитриев В.А., Панфилов П.Е. Основы металлургии и технологии производства изделий из иридия. Екатеринбург: УрО РАН, 1996 - прототип), которая состоит из следующих операций:
- Получение металлического компакта прессованием исходного порошка ГОСТ 12338-81;
- Индукционная окислительная плавка в периклазовом тигле;
- Обработка в автоклаве;
- Ковка слитка;
- Электронно-лучевая вакуумная плавка в горизонтальном кристаллизаторе;
- Бестигельная электронная зонная плавка - выращивание монокристалла;
- Ковка (2000-1100°С), изготовление сутунки;
- Проварка в царской водке;
- Прокатка (1000-800°С), изготовление пластин;
- Проварка в царской водке;
- Изготовление обечайки тигля (600-800°С);
- Проварка в соляной кислоте;
- Сварка обечайки и приварка к ней дна;
- Отжиг тигля при 1100°С;
- Полировка.
Выход металла в готовое изделие 60-65% с безвозвратными потерями до 1,3%.
Изделия, изготавливаемые по известному способу, не обладают достаточной прочностью и соответственно долговечностью. Также, по известному способу невозможно изготовить бесшовное изделие сложной формы.
Другие недостатки: большое количество операций, малый выход готовой продукции, высокая себестоимость.
Техническая проблема заявляемого изобретения состоит в разработке новой технологии изготовления изделий из металлического иридия, которая обеспечивает:
- повышение качества изделий;
- исключение дорогостоящего оборудования по ЭЛП и выращиванию монокристалла иридия;
- повышение выхода металла в готовое изделие в 1,5 раза;
- сокращение в несколько раз производственного цикла;
- существенное уменьшение безвозвратных потерь иридия;
- снижение себестоимости изготовления изделий в 1,5-2 раза;
- сопряжение с традиционной технологией на любой стадии.
Техническим результатом заявляемого изобретения является получение бесшовного изделия из химически высокочистого иридия, имеющего изотропную структуру и обладающего высокой прочностью. Также техническим результатом является обеспечение возможности изготовления бесшовных изделий сложной формы.
Для решения поставленной задачи в способе получения бесшовного изделия из химически высокочистого иридия с чистотой не ниже 99,99 мас. %, имеющего изотропную структуру с размером зерен 100-300 нм, проводят изостатическое прессование иридия в виде порошка с дисперсностью менее 100 нм с давлением 150-350 МПа при комнатной температуре и последующее спекание при температуре 1000-1350°С.
Использование высокочистого нанопорошка улучшает потребительские характеристики изделий по причине отсутствия примесей внедрения и сварных швов, являющихся причиной выхода изделия из строя.
Таким образом, можно добавить, что применение иридия будет связано с процессами, где он незаменим (выращивание оксидных кристаллов), или с изделиями, имеющими минимальную материалоемкость, но эксплуатирующимися в очень жестких условиях:
192
- в источниках гамма-излучения Ir, в качестве наконечников в свечах зажигания двигателей внутреннего сгорания, в высокотемпературных термопарах и коррозионно-стойких покрытиях анодов;
- создание композиционных материалов на основе благородных металлов, применяемых в медицине (в кардио- и нейростимуляторах), а также промышленных композиционных материалов на основе никеля и титана, используемых прежде всего в авиации, что обусловлено позитивным влиянием даже небольших добавок этого металла на технологические и эксплуатационные свойства получаемых из этих материалов изделий. Применение МНПИ позволяет изготавливать бесшовные трубные заготовки из иридия, которые горячей прокаткой доводятся до нужных размеров ракетного вкладыша.
Примеры получения изделий из иридия
1. Способ получения изделий из иридия - контейнерный материал (тигель) для производства оптических монокристаллов лазерной техники и микроэлектроники.
Высокочистый нанопорошок иридия загружают в эластичную герметичную оболочку, виброуплотняют в течение 30 мин при частоте вибрации 50 гЦ и изостатическим прессованием с давлением 150-350 МПа при комнатной температуре формируют изделие с последующим спеканием при температуре 1000-1350°С.
2. Способ получения изделия - иридиевой проволоки.
Высокочистый нанопорошок иридия загружают в эластичную герметичную оболочку, виброуплотняют в течение 30 мин при частоте вибрации 50 гЦ и изостатическим прессованием с давлением 150-350 МПа при комнатной температуре формируют заготовку в виде прутка цилиндрической формы с последующим спеканием при температуре 1000-1350°С. Далее пруток используют для получения иридиевой проволоки нужного диаметра.
Таким образом, заявляемый способ позволяет изготовить изделия из химически высокочистого иридия с изотропной структурой, что в свою очередь позволяет выпускать изделия сложной формы и повышенной прочности без использования сварных швов.