СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МНОГОСЛОЙНЫХ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ХИМИЧЕСКИ АКТИВНОГО МАТЕРИАЛА
METHOD FOR MANUFACTURING MULTILAYER PARTS FROM A REACTIVE MATERIAL

Предлагаемое изобретение относится к области технологий получения многослойных материалов для защиты от различных видов излучений и может быть использовано для изготовления слоистых изделий произвольного профиля.
Из уровня техники известен способ изготовления многослойного материала (патент РФ №2013187, МПК B22F 07/04, опубл. 28.05.1994 г.), согласно которому на основу наносят методом свободной засыпки промежуточный слой порошкообразного металлического порошка со свойством диффузионного взаимодействия с материалом основы с размером частиц 50-400 мкм, который припекают к основе и подвергают прессованию.
Однако данный способ не предусматривает получение материала для защиты от излучений.
2
Известен способ получения прессованных упрочненных деталей из химически активного материала (патент РФ №2764537, МПК B22F 3/12, публ. 18.01.2022 г.), согласно которому проводят предварительное получение формованием изделий из химически активного материала, термическую обработку полученных изделий из химически активного материала, для чего берут порошкообразный химически активный материал в виде гидрида лития природного изотопного состава, проводят формование деталей заданного профиля прессованием при удельной нагрузке прессования не менее 3 т/см при комнатной температуре, затем ведут последующую термообработку прессованных деталей при помещении их в герметичный контейнер, который вакуумируют до давления 140-170 Па и ведут подъем температуры до 500-600°С со скоростью нагрева не более 10°С/мин.
Процесс термообработки ведут в течении 1-5 часов с последующим охлаждением и выдержкой в контейнере в течение не менее 3 часов, при этом поддерживают заданную степень разряжения в герметичном контейнере в пределах 140-170 Па.
Однако известный способ не предусматривает получение многослойного нейтроннозащитного материала произвольного профиля с требуемой механической прочностью.
Актуальность решаемой проблемы обусловлена востребованностью технологий изготовления деталей радиационной защиты в виде монолитных крупногабаритных блоков сложной конфигурации с требуемыми прочностью и разноплотностью, а также многослойных деталей из химически однородных материалов с различным изотопным составом без применения клеевого соединения.
Задачей авторов изобретения является разработка эффективного способа изготовления многослойных деталей из химически активного материала, экранирующего различные виды излучений и работоспособного в условиях эксплуатации.
Технический результат, обеспечиваемый предлагаемым способом, в отличие от прототипа, заключается в обеспечении условий получения многослойного нейтроннозащитного материала произвольного профиля с прочностью, достаточной для последующей механической обработки.
2
2
Указанные задача и новый технический результат обеспечиваются тем, что в отличие от прототипа, для изготовления многослойных деталей из химически активного материала предварительно осуществляют изготовление заготовок сложнопрофильных деталей заданного типоразмера и профиля прессованием под давлением не менее 3 т/см при комнатной температуре из порошкового химически активного материала, с последующим размещением пакета из индивидуальных слоев в матрице пресс-формы для формирования сложнопрофильных (объемных) деталей, с выдерживанием термозазора между внутренними стенками матрицы и внешней поверхностью собранного пакета, затем дополняют пресс-форму пуансоном и проводят прессование давлением не менее 0,3 т/см предварительно нагретого в диапазоне температур 500-510°С пакета с выдерживанием пакета под давлением при охлаждении до 150-200°С и с последующим естественным охлаждением извлеченного из пресс-формы готового изделия до комнатной температуры.
2
2
2
Для малоразмерных деталей осуществляют изготовление заготовок деталей заданного типоразмера и профиля прессованием под давлением не менее 3 т/см при комнатной температуре из порошкового химически активного материала, с последующим размещением пакета из индивидуальных слоев в матрице пресс-формы для формирования сложнопрофильных (объемных) деталей, с выдерживанием термозазора между внутренними стенками матрицы и внешней поверхностью собранного пакета, затем дополняют пресс-форму пуансоном и проводят прессование пакета давлением не менее 0,3 т/см при нагреве пакета до температур 390-410°С и выдерживание нагретого пакета под давлением не менее 0,05 т/см при охлаждении до температур 150-200°С с последующим естественным охлаждением извлеченного из пресс-формы готового изделия до комнатной температуры.
Заявляемый способ поясняется следующим образом.
На фиг. 1 представлена схема размещения прессованных заготовок сложнопрофильных деталей в ограничительной пресс-форме, где 1 - основание; 2 - нижний пуансон; 3 - матрица; 4 - верхний пуансон; 5 - образцы; 6 - каналы для термпопар.
На фиг. 2 изображение многослойной детали из химически активного материала после изготовления.
На фиг. 3 изображение многослойной детали из химически активного материала после механической обработки.
На фиг. 4 представлен вид лабораторной установки для изготовления многослойных малоразмерных образцов, где 1 - основание; 2 - стойки; 3 - нижняя плита; 4 верхняя плита; 5 - образцы; 6 - пуансоны; 7 - динамометр; 8 - промежуточная плита; 9 - электрическая разъемная печь.
На фиг. 5 представлена схема расположения малоразмерных образцов во втулке, где 1 втулка, 2 - пуансоны, 3 - образцы, 4 - расчетный зазор (0,1 мм).
Заявляемый способ реализуется следующим образом.
2
2
Первоначально изготавливают заготовки 5 сложнопрофильных деталей заданного типоразмера и профиля прессованием пол давлением не менее 3 т/см при комнатой температуре из порошкового химически активною материала, с последующим размещением пакета из индивидуальных слоев в матрице 3 с основанием 1 пресс-формы для формирования сложнопрофильных (объемных) деталей, с выдерживанием термозазора между внутренними стенками матрицы и внешней поверхностью собранного пакета, затем дополняют пресс-форму пуансоном 4 и проводят прессование давлением не менее 0,3 т/см предварительно нагретого в диапазоне температур 500-510°С пакета с выдерживанием пакета под давлением при охлаждении до 150-200°С и с последующим естественным охлаждением извлеченного из пресс-формы готового изделия до комнатной температуры, температуру сборки при этом контролируют термопарами, размещенными в каналах 6 пресс-формы.
Для подтверждения эффективности заявляемого способа была проведена механическая обработка образца из шести слоев, каждый из которых имел диаметр 70 мм и высоту 20 мм, изготовленного по предлагаемому способу из гидрида лития природного изотопного состава. Изображение многослойного образца непосредственно после изготовления (фиг. 2) и после механической (фрезерной и токарной) обработки (фиг. 3) свидетельствует о достижении требуемой прочности. У готового изделия зафиксировано также отсутствие волосовидных трещин, которые имелись у исходных заготовок-слоев как результат напряженного состояния материала в ходе прессования и распрессовки.
Таким образом, при использовании предлагаемого способа обеспечивается новый технический результат, а именно, в отличие от прототипа, - обеспечение условий получения многослойною нейтроннозащитного материала произвольного профиля с прочностью, достаточной для последующей механической обработки.
Возможность промышленной реализации предлагаемого изобретения подтверждается следующими примерами конкретного выполнения.
Пример 1.
2
2
Детали цилиндрической формы диаметром 70 мм и высотой 20 мм из гидрида лития природного изотопного состава изготавливают методом холодного прессования в размер. Прессование деталей осуществляют при удельной нагрузке прессования 3 т/см и температуре в помещении (20±5)°С. Взятие навесок проводят в атмосфере аргона абсолютной влажности не более 0,2 г/м; засыпку навески, прессование, распрессовку, определение масс-геометрических параметров - в атмосфере воздуха при относительной влажности не более 50% с минимальным временем нахождения образца во влажной среде.
Оборку из 6 деталей, соединяемых по торцевым поверхностям, помещают в ограничительную пресс-форму согласно схеме (фиг. 1). Рабочие поверхности пресс-формы предварительно обрабатывают водно-спиртовым раствором коллоидно-графитовой смазки и тщательно просушивают в течение получаса. Термопары закрепляют в каналах пресс-формы так, чтобы чувствительные элементы термопар касались поверхности пресс-формы.
2
3
Нагревают сборку в муфельной печи до температуры 520°С. По достижении требуемой температуры пресс-форму извлекают из печи, за 2-3 минуты переносят под гидравлический пресс и оказывают усилие 11540 кгс (~0,3 т/см). Давление поддерживают во время охлаждения сборки до температуры 200°С при средней скорости охлаждения - 2,5 °/мин, далее давление с деталей снимают, после охлаждения сборки до температуры ~80°С производят разборку пресс-формы, спеченную многослойную деталь помещают в среду аргона абсолютной влажности не более 0,2 г/м.
Пример 2. В условиях примера 1, но для малоразмерных образцов предлагаемый способ реализован на лабораторной установке (фиг. 4), которая представляет собой основание 1 с вертикальными стойками 2. На стойках установлены: нижняя плита 3, передающая усилие на динамометр 7 и верхняя плита 4, перемещающаяся редуктором. Сборку образцов 5 через пуансоны 6 зажимают между верхней и нижней плитами, что позволяет измерять величину усилия, прикладываемого к торцевой поверхности образцов. На промежуточной плите 8 устанавливают разъемную электрическую печь 9. Специальными средствами обеспечивают минимальные тепловые потери при нагреве печи. Для контроля и регулирования температуры нагрева вблизи границы контакта образцов крепят термопару.
В цилиндрическую втулку 1 (фиг. 5) помещают сборку из двух образцов 3 диаметром 25 мм и высотой 20 мм из гидрида лития природного изотопного состава, спекаемых по торцевой поверхности. Сверху и снизу на сборку устанавливают пуансоны 2.
Печь нагревают до 470°С за 30 минут, что позволяет прогреть сборку до температуры 260°С. Выдерживают образцы в течение 60 минут при температуре в печи 470°С до достижения температуры сборки 396°С.
2
2
С момента начала нагрева усилие на сборку подают не выше 1480 кгс (~30 Н/мм) - вследствие теплового расширения давление образцов на оснастку постоянно растет. После отключения печи, во время охлаждения усилие на сборку поддерживают не ниже 230 кгс (~4,7 Н/мм). По достижении температуры сборки 150°С нагрузку с образцов снимают.
Как показали экспериментальные исследования заявляемого способа, при использовании условий и предлагаемых материалов у многослойного образца обеспечивается:
сдвиг
2
- средняя прочность при сдвиге стыкового соединения по результатам испытаний пяти образцов составила σ=(9,2±3,6) Н/мм при скорости нагружения - 20 мм/мин и температуре испытаний - 23,4°С. При испытаниях на сдвиг разрушение происходит по материалу, а не по стыку, что свидетельствует о достаточной прочности соединения;
- сохранение цилиндрической формы с изменением диаметра - на (0,04…0,06) мм, высоты - на (0,4…0,5) мм в меньшую сторону;
- увеличение плотности на 1,3%;
- снижение содержания основного вещества не более, чем на (0,8…1,0) масс. %.