СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРОШКА КВАЗИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА
METHOD OF QUASI-CRYSTALLINE MATERIAL POWDER RECEIVING

Изобретение относится к способам получения порошков металлических материалов с квазикристаллической структурой.
Квазикристаллы - интерметаллидные соединения, атомная структура которых характеризуется наличием осей симметрии 5, 8, 10 и 12 порядков. Известно, что соединения металлов с такой кристаллографической структурой обладают уникальными свойствами:
высокой твердостью, высокой износостойкостью и антифрикционными свойствами, низкой теплопроводностью и высокой коррозионной стойкостью. Квазикристаллы могут найти широкое применение в качестве наполнителей композиционных материалов для повышения износостойкости изделий из них, в качестве антифрикционных теплозащитных коррозионностойких покрытий, в качестве добавок к горючесмазочным материалам для увеличения срока службы подшипников качения и снижения расхода смазки. Возможность получения порошкового квазикристаллического материала промышленным недорогим способом - основная цель данного изобретения.
Основными способами получения порошков квазикристаллических материалов являются распыление из расплава и смешение исходных порошковых материалов, образующих квазикристаллическую структуру, с последующей термообработкой и фракционированием по требуемым классам частиц.
Известен способ получения порошка квазикристаллического сплава, по которому сферические частицы порошка с квазикристаллической структурой размером 1-100 мкм получают при распылении расплава соответствующего состава, перегретого на 100-300°С выше точки плавления, в струе инертного газа под давлением (Патент США №5433978).
Недостатком данного способа является вероятность получения порошка неквазикристаллической структуры, так как при недостаточных скоростях кристаллизации капель расплава возможно обратное разложение квазикристаллической структуры, а контроль во время производственного цикла затруднен.
65
23
12
Известен способ получения порошка квазикристаллического сплава AlCuFe, по которому элементную порошковую смесь соответствующего состава подвергают помолу с механическим легированием в планетарной мельнице в течение 2-4 часов с последующим отжигом (Journal of Non-Crystalline Solids, v.312-314, октябрь 2002 стр.522-526).
Недостатком данного способа является чрезмерное газонасыщение при продолжительном механическом легировании частиц, что способствует образованию дефектов и получению порошка низкого качества.
За прототип предлагаемого способа принят способ получения однофазного квазикристаллического порошкового сплава системы Al-Cu-Fe, состоящий в том, что исходную смесь порошков Al, Cu и Fe, взятых в нужном соотношении, перемешивают на воздухе и нагревают в бескислородной атмосфере до 800-1100°С и выдерживают при этой температуре 1-2 часа, после завершения процесса полученное спекшееся образование измельчают в порошок нужного размера. Перемешивание проводят вручную в среде жидкого испаряющегося пластификатора под тягой не менее 1 часа до получения однородной смеси и повышения ее вязкости. (Патент РФ №2244761).
Недостатком данного способа является то, что при указанной термообработке не успевает выравниваться состав промежуточного соединения (прекурсора), переходящего впоследствии в квазикристаллическую форму. Частицы порошка, содержащие металлы, образуют сначала механическое объединение, затем за счет твердофазной диффузии образуют интерметаллиды, которые при определенных условиях термообработки могут образовать квазикристаллическую структуру. При быстром нагреве до высокой температуры более легкоплавкие компоненты частиц начинают плавиться и перекристаллизовываться, тогда как процесс диффузии не закончился. Поэтому порошок, получаемый данным способом, может иметь недостаточное качество и не на 100% состоять из квазикристаллов требуемого состава. Кроме того, в известном способе перемешивание порошков осуществляют вручную, пестиком в ступке, что не позволяет достигнуть, во-первых, воспроизводимости процесса, а во-вторых, высокой производительности для получения промышленного количества получаемого материала. Использование жидкого пластификатора (изопропилового спирта, этилового спирта, бензина «калоша») при таком способе перемешивания вызывает необходимость дополнительных мероприятий по охране труда и экологии.
Технической задачей данного изобретения является изыскание способа получения порошка квазикристаллического материала требуемого химического состава высокого качества и с высокой производительностью в промышленном производстве.
Для решения поставленной задачи предложен способ получения порошка квазикристаллического материала, включающий получение исходной смеси порошков требуемого состава, перемешивание исходной смеси порошков, ее нагревание и выдержку в бескислородной атмосфере и последующее измельчение опека до получения порошка нужного размера, отличающийся тем, что перемешивание проводят путем механического активирования смеси порошков в высокоэнергетической установке, а нагрев и выдержку проводят по ступенчатому режиму, причем на первой ступени - при температуре и времени, достаточных для образования переходной фазы прекурсора, а на второй - при температуре и времени, достаточных для превращения переходной фазы прекурсора в квазикристаллическую форму.
Квазикристаллическая форма интерметаллидного соединения является особой формой состояния твердого тела, не являющейся ни кристаллической, ни аморфной. В отличие от кристаллов, обладающих трансляционным порядком направления, в квазикристаллах существует мозаичный порядок направления. В отличие от аморфных систем, у них существует дальний порядок в пространственном расположении атомов. Квазикристаллы могут иметь квазипериодическое расположение атомов в плоскостях, перпендикулярных осям симметрии второго, третьего, пятого, восьмого, десятого и двенадцатого порядков и упакованных периодически вдоль этих осей. Принадлежность квазикристалла к какому-то симметрийному типу определяется не только системой образующих материал элементов, но и способом его получения. Для достижения технической задачи изобретения, а именно требуемого для получения квазикристаллической формы уровня атомной структуры, необходимы определенные условия обработки в высокоэнергетической установке и отжига. Механическое активирование, проводимое в высокоэнергетической установке с использованием керамических шаров из оксида алюминия или оксида циркония, позволяет производить перемешивание одновременно с помолом, во время которого происходит механическая активация смеси. Элементные металлы, составляющие исходную смесь порошков, активизируются и образуют механические объединения частиц. Во время нагрева и выдержки в бескислородной атмосфере на первой ступени происходит образование интерметаллидных соединений и формирование переходной фазы прекурсора с выделением тепла. Образуется фаза, предшествующая квазикристаллической, в которой состав метастабильных промежуточных интерметаллидных соединений несколько отличается от состава квазикристаллов. На второй ступени происходит превращение переходной фазы прекурсора в стабильную кавазикристаллическую форму.
Преимуществом данного способа является то, что прекурсор порошка квазикристаллического материала, получаемый на первой ступени термообработки, успевает выравняться по составу, а на второй - полностью перейти в квазикристаллическую форму.
Примеры осуществления
65
22
13
Пример 1. Получение порошка квазикристаллического материала AlCuFe
-1
Для получения 1000 г исходной смеси взяли 460 г порошка алюминия, 360 г меди и 180 г железа. Средний размер порошков составлял 80 мкм. Полученную смесь порошков поместили в вибросмеситель СмВ-0,65 и провели перемешивание с использованием механического активирования в воздушной среде. После перемешивания смесь в алундовом тигле поместили в вакуумную печь (вакуум не ниже 10 мм рт.ст.) для проведения нагрева и выдержки. На первом этапе смесь нагревали до 500°С и выдерживали при этой температуре 1 час для получения переходной фазы прекурсора. Затем температуру подняли до 800°С и выдерживали 1 час для перехода прекурсора в квазикристаллическую форму. Полученный после нагрева и выдержки спек механически измельчили в порошок нужной фракции.
Исследование дифрактограммы полученного порошка показало, что он имеет квазикристаллическую структуру.
6
4
Пример 2. Получение порошка квазикристаллического материала AlMgCu
Для получения 1000 г смеси взяли 500 г порошка алюминия, 300 г порошка магния и 200 г порошка меди. Далее способ осуществляли по примеру 1, при времени перемешивания 30 мин, температуре первой ступени нагрева 400°С, а второй - 600°С.
68
26
6
Пример 3. Получение порошка квазикристаллического материала TiFeSi
Для получения 1000 г смеси взяли 670 г порошка титана, 300 г порошка железа и 30 г порошка кремния. Далее способ осуществляли по примеру 1, только температура первой ступени нагрева составляла 600°С, а второй - 900°С.
65
22
13
Пример 4 - по способу-прототипу. Получение порошка квазикристаллического материала AlCuFe
2
-5
Исходную смесь порошков брали в соотношении: Al - 65 ат %; Cu-22 ат %; Fe - 13 ат %. Исходные порошки поместили в алундовую ступку, в нее добавили изопропиловый спирт и провели перемешивание алундовым пестиком под тягой. Длительность перемешивания составляла 1 час. Когда вязкость смеси повысилась за счет испарения изопропилового спирта, смесь извлекли из ступки и высушили под тягой. Из высушенной смеси сформовали таблетки в пресс-форме одностороннего действия при давлении 500 кг/см. Полученные таблетки нагревали в алундовом тигле в вакуумной печи (вакуум 5·10 мм рт ст) до 800°С и выдерживали 2 часа. После термообработки спекшееся образование механически измельчили до порошка нужного размера.
В таблице представлены показатели технологического процесса
Таблица
Пример
Состав материала
Содержание квазикристаллической фазы
Производительность кг/ч
1
Al<sub>65</sub>Cu<sub>22</sub>Fe<sub>13</sub>
100
0,340 кг/ч
2
Al<sub>6</sub>Mg<sub>4</sub>Cu
100
0,380 кг/ч
3
Ti<sub>68</sub>Fe<sub>26</sub>Si<sub>6</sub>
100
0,320 кг/ч
4 (по прототипу)
Al<sub>65</sub>Cu<sub>22</sub>Fe<sub>13</sub>
87
0,01 кг/ч
Из таблицы видно, что при использовании предлагаемого способа получают порошок квазикристаллического материала с практически 100% содержанием квазикристаллической фазы, существенно повышается производительность процесса (~ в 30 раз) за счет исключения ручных операций и увеличения объема одной загрузки исходной смеси порошков, а кроме того, предлагаемый способ легко осуществим в промышленных условиях, легко воспроизводим и не требует использования жидких пластификаторов, что способствует улучшению условий труда и экологии.
Применение полученного порошка квазикристаллического материала в качестве антифрикционной добавки в композиционном материале на основе полимерной матрицы существенно снижает коэффициент трения и уменьшает износ ответного тела в 2-3 раза. Применение этого порошка в качестве антифрикционной добавки в моторное масло увеличивает срок службы подшипников качения и снижает расход горюче-смазочных материалов.
Таким образом, применение предлагаемого способа позволяет получать в промышленных условиях качественный порошок квазикристаллического материала, который найдет широкое применение в качестве наполнителей композиционных материалов для повышения износостойкости изделий из них, в качестве антифрикционных теплозащитных коррозионностойких покрытий, в качестве добавок к моторным маслам для увеличения срока службы подшипников качения и снижения расхода смазки и в других областях техники.