БИМОДАЛЬНЫЕ И МУЛЬТИМОДАЛЬНЫЕ ПЛОТНЫЕ БОРИДНЫЕ МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ С УЛУЧШЕННЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ В ОТНОШЕНИИ ЭРОЗИИ

1. Мультимодальная металлокерамическая композиция, включающая: а) керамическую фазу и b) фазу металлического связующего, в которой
указанная керамическая фаза представляет собой борид металла с мультимодальным распределением частиц по размерам, где по меньшей мере один металл выбран из группы, состоящей из элементов группы IV, группы V, группы VI длиннопериодной Периодической системы элементов и их смесей, и
указанная фаза металлического связующего включает по меньшей мере один первый элемент, выбранный из группы, состоящей из Fe, Ni, Co, Mn и их смесей, и по меньшей мере один второй элемент, выбранный из группы, состоящей из Cr, Al, Si, Y и Ti.
2. Мультимодальная металлокерамическая композиция по п.1, в которой указанный по меньшей мере один второй элемент указанной фазы металлического связующего составляет примерно от 0,1 до 3,0 мас.% от массы указанной фазы металлического связующего.
3. Мультимодальная металлокерамическая композиция по п.1, в которой указанный по меньшей мере один второй элемент представляет собой Cr при загрузке по меньшей мере 12 мас.% от массы указанной фазы металлического связующего.
4. Мультимодальная металлокерамическая композиция по п.1, в которой указанная фаза металлического связующего представляет собой нержавеющую сталь, состав которой включает примерно от 0,1 до 3,0 мас.% Ti.
5. Мультимодальная металлокерамическая композиция по п.1, в которой указанная керамическая фаза составляет примерно от 60 до 95 об.% от объема указанной мультимодальной металлокерамической композиции.
6. Мультимодальная металлокерамическая композиция по п.5, в которой указанная керамическая фаза составляет примерно от 60 до 80 об.% от объема указанной мультимодальной металлокерамической композиции.
7. Мультимодальная бимодальная металлокерамическая композиция по п.1, в которой указанное мультимодальное распределение частиц включает частицы мелкозернистого порошка в диапазоне размеров примерно от 3 до 60 мкм и частицы крупнозернистого порошка в диапазоне размеров примерно от 61 до 800 мкм.
8. Мультимодальная металлокерамическая композиция по п.7, в которой указанное мультимодальное распределение частиц по размерам включает частицы мелкозернистого порошка со средним размером частиц примерно 15 мкм и частицы крупнозернистого порошка со средним размером частиц примерно 200 мкм.
9. Мультимодальная металлокерамическая композиция по п.8, в которой указанное мультимодальное распределение частиц по размерам включает примерно 50 об.% указанных частиц мелкозернистого порошка и примерно 50 об.% указанных частиц крупнозернистого порошка.
10. Мультимодальная металлокерамическая композиция по п.7, в которой указанное мультимодальное распределение частиц по размерам включает частицы мелкозернистого порошка со средним размером частиц примерно 10 мкм и частицы крупнозернистого порошка со средним размером частиц примерно 400 мкм.
11. Мультимодальная металлокерамическая композиция по п.10, в которой указанное мультимодальное распределение частиц по размерам включает примерно 40 об.% указанных частиц мелкозернистого порошка и примерно 60 об.% указанных частиц крупнозернистого порошка.
х
у
12. Мультимодальная металлокерамическая композиция по п.1, дополнительно включающая по меньшей мере один вторичный борид металла,МВ, в котором мольное соотношение х:у находится в диапазоне примерно от 3:1 до 1:6.
х
у
13. Мультимодальная металлокерамическая композиция по п.12, в которой М указанного по меньшей мере одного вторичного борида металла, МВ выбран из группы, состоящей из элементов IV, V, VI групп длиннопериодной Периодической системы элементов, Fe, Ni, Со, Мn, Сr, Al, Y, Si и их смесей.
14. Мультимодальная металлокерамическая композиция по п.1, дополнительно включающая фазу примеси, выбранную из группы, состоящей из фаз оксида металла, карбида металла, нитрида металла, карбонитрида металла и их сочетаний, где указанный металл выбран из группы, состоящей из Fe, Ni, Со, Мn, Al, Сr, Y, Si, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Та, Мо и W, а также их смесей.
15. Мультимодальная металлокерамическая композиция по п.14, в которой указанная фаза примеси составляет менее примерно 5 об.% от объема указанной мультимодальной металлокерамической композиции.
16. Мультимодальная металлокерамическая композиция по п.15, в которой указанная фаза примеси составляет менее примерно 2 об.% от объема указанной мультимодальной металлокерамической композиции.
17. Мультимодальная металлокерамическая композиция по п.1, имеющая пористость примерно до 15 об.% от объема указанной мультимодальной металлокерамической композиции.
18. Бимодальная металлокерамическая композиция, включающая:
2
a) фазу TiB с бимодальным распределение частиц в диапазоне размеров примерно от 3 до 60 мкм и примерно от 61 до 800 мкм;
2
b) фазу MB, в которой М выбран из группы, состоящей из Сr, Fe, Ni, Ti и их сочетаний;
2
c) фазу примеси, выбранную из группы, состоящей из TiO, TiC, TiN, Ti(C,N) и их сочетаний, и d) фазу металлического связующего, включающую по меньшей мере один первый элемент, выбранный из группы, состоящей из Fe, Ni, Co, Mn и их смесей, и по меньшей мере один второй элемент, выбранный из группы, состоящей из Сr, Al, Si, Y и Ti.
19. Бимодальная металлокерамическая композиция по п.18, в которой указанный по меньшей мере один второй элемент составляет примерно от 0,1 до 3,0 мас.% от массы указанной фазы металлического связующего.
2
20. Бимодальная металлокерамическая композиция по п.18, в которой указанная фаза TiB составляет примерно от 60 до 95 об.% от объема указанной бимодальной металлокерамической композиции.
21. Бимодальная металлокерамическая композиция по п.18, в которой указанное бимодальное распределение частиц по размерам включает примерно 50 об.% частиц мелкозернистого порошка и примерно 50 об.% частиц крупнозернистого порошка.
22. Бимодальная металлокерамическая композиция по п.18, в которой указанное бимодальное распределение частиц по размерам включает примерно 40 об.% частиц мелкозернистого порошка и примерно 60 об.% частиц крупнозернистого порошка.
23. Бимодальная металлокерамическая композиция по п.18, в которой указанная фаза примеси составляет менее чем примерно 5 об.% от объема указанной бимодальной металлокерамической композиции.
24. Способ защиты металлической поверхности, подверженной эрозии при температурах до 1000°С; этот способ включает стадию обеспечения поверхности металла мультимодальной металлокерамической композицией, где указанная композиция включает: а) керамическую фазу и b) фазу металлического связующего, где указанная керамическая фаза представляет собой борид металла с мультимодальным распределением частиц по размерам, где по меньшей мере один металл выбран из группы, состоящей из элементов группы IV, группы V, группы VI длиннопериодной Периодической системы элементов и их смесей, и
указанная фаза металлического связующего включает по меньшей мере один первый элемент, выбранный из группы, состоящей из Fe, Mi, Co, Mn и их смесей, и по меньшей мере один второй элемент, выбранный из группы, состоящей из Cr, Al, Si, Y и Ti.
25. Способ защиты металлической поверхности по п.24, где указанный по меньшей мере один второй элемент указанной фазы металлического связующего составляет примерно от 0,1 до 3,0 мас.% от массы указанной фазы металлического связующего.
26. Способ защиты металлической поверхности по п.24, где указанная керамическая фаза составляет примерно от 60 до 95 об.% от объема указанной мультимодальной металлокерамической композиции.
27. Способ защиты металлической поверхности по п.24, в котором указанное мультимодальное распределение частиц по размерам включает частицы мелкозернистого порошка в диапазоне размеров примерно от 3 до 60 мкм и частицы крупнозернистого порошка в диапазоне размеров примерно от 61 до 800 мкм.
х
у
х
у
28. Способ защиты металлической поверхности по п.24, дополнительно включающий по меньшей мере один вторичный борид металла, МВ, в котором мольное соотношение х:у находится в диапазоне примерно от 3:1 до 1:6, и где М указанного по меньшей мере одного вторичного борида металла, МВ, выбирают из группы, состоящей из элементов группы IV, группы V, группы VI длиннопериодной Периодической системы элементов, Fe, Ni, Co, Mn, Cr, Al, Y, Si и их смесей.
29. Способ защиты металлической поверхности по п.24, дополнительно включающий фазу примеси, выбранную из группы, состоящей из фаз оксидов металла, карбидов металла, нитридов металла, карбонитридов металла и их сочетаний, где указанный металл выбирают из группы, состоящей из Fe, Ni, Co, Mn, Al, Cr, Y, Si, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Та, Мо, W и их смесей, и где указанная фаза примеси составляет менее примерно 5 об.% от объема указанной мультимодальной металлокерамической композиции.
30. Способ защиты металлической поверхности по п.24, в котором стадия обеспечения металлической поверхности мультимодальной металлокерамической композицией включает следующие стадии:
a) смешивание указанной керамической фазы и указанной фазы металлического связующего в присутствии органической жидкости и твердого парафина с образованием текучей смеси порошков,
b) помещение указанной текучей смеси порошков в пресс-форму,
c) прессование указанной текучей смеси порошков в указанной пресс-форме с приложением усилия в направлении одной оси под давлением примерно от 40 до 80 т, с получением одноосно спрессованных заготовок и
а) нагревание указанных одноосно спрессованных заготовок в соответствии с температурным графиком процесса для выгорания указанного твердого парафина и жидкофазного спекания указанных одноосно спрессованных заготовок, с получением спеченной мультимодальной бориднной металлокерамической композиции, и
е) охлаждение указанной спеченной мультимодальной боридной металлокерамической композиции при скорости охлаждения примерно 5°С/мин с образованием плитки из мультимодальной боридной металлокерамической композиции.
31. Способ защиты металлической поверхности по п.30, дополнительно включающий стадию холодного изостатического прессования указанных одноосно спрессованных заготовок стадии d) под давлением примерно 200,25 МПа (30000 фунтов/кв. дюйм) с получением заготовок, спрессованных одноосно и способом холодного изостатического прессования, для дальнейшей обработки.
32. Способ защиты металлической поверхности по п.30, в котором указанная стадия смешивания выбрана из группы, состоящей из размола в шаровой мельнице, смешивания в V-образных смесителях, сушки при распылении, измельчения в валках и классификации, смешивания в смесителях от Littleford, смешивания в смесителях от Patterson-Kelley, измельчения в валковой мельнице и дискового гранулирования.
33. Способ защиты металлической поверхности по п.32, в котором указанная стадия смешивания представляет собой размол в шаровой мельнице с измельчающими шарами, содержащими оксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия.
34. Способ защиты металлической поверхности по п.33, в котором указанный оксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия, составляет менее 40 мас.% от общей массы керамической фазы и фазы металлического связующего.
35. Способ защиты металлической поверхности по п.30, в котором указанную стадию смешивания проводят в течение примерно 4 ч.
36. Способ защиты металлической поверхности по п.30, в котором указанный твердый парафин составляет примерно от 2 до 4 мас.% от общей массы керамической фазы и фазы металлического связующего.
37. Способ защиты металлической поверхности по п.30, в котором указанную стадию нагревания проводят под вакуумом, в инертной атмосфере или в восстановительной атмосфере.
38. Способ защиты металлической поверхности по п.37, в котором указанный температурный график процесса указанной стадии нагревания дополнительно включает следующие стадии:
а) нагревание указанных одноосно спрессованных заготовок примерно до 400°С со скоростью нагревания примерно 3°С/мин и поддержание указанной температуры около 400°С в течение примерно 100 мин,
b) нагревание указанных одноосно спрессованных заготовок примерно от 400 до 600°С со скоростью нагревания примерно 3°С/мин и поддержание указанной температуры около 600°С в течение примерно 90 мин и
c) нагревание указанных одноосно спрессованных заготовок примерно от 600°С до температуры жидкофазного спекания, составляющей примерно от 1200 до 1750°С, при скорости нагревания примерно 5°С/мин и поддержание указанной температуры жидкофазного спекания в течение примерно 180 мин.
39. Способ защиты металлической поверхности по п.30, дополнительно включающий стадию закрепления указанной плитки из мультимодальной боридной металлокерамической композиции на внутренней металлической поверхности оборудования для нефтепереработки или проведения химических процессов.
40. Способ защиты металлической поверхности по п.39, в котором указанную мультимодальную боридную металлокерамическую композицию выполняют в виде внутренней поверхности оборудования для нефтепереработки и проведения химических процессов, выбранного из группы, состоящей из технологических емкостей, линий для перемещения и технологических трубопроводов, теплообменников, циклонов, сетчатых вставок, высокотемпературных скважин, корпусов клапанов, заслонок и направляющих золотниковых клапанов и их комбинаций.
41. Способ защиты металлической поверхности, подверженной воздействию эрозии при температурах до 1000°С, бимодальной боридной металлокерамической композицией; способ включает следующие стадии:
а) обеспечение бимодальной боридной металлокерамической композиции, где указанная композиция включает:
2
i) фазу TiB с бимодальным распределением частиц в диапазоне размеров примерно от 3 до 60 мкм и примерно от 61 до 800 мкм;
2
ii) фазу MB, в которой М выбран из группы, состоящей из Cr, Fe, Ni, Ti и их сочетаний;
2
iii) фазу примеси, выбранную из группы, состоящей из ТiO, TiC, TiN, Ti(C,N) и их сочетаний, и
iv) фазу металлического связующего, содержащего по меньшей мере один первый элемент, выбранный из группы, состоящей из Fe, Ni, Со, Мn и их смесей, и по меньшей мере один второй элемент, выбранный из группы, состоящей из Cr, Al, Si, Y и Ti, где указанный второй элемент составляет примерно от 0,1 до 3,0 мас.% от массы указанной фазы металлического связующего,
b) смешивание указанной керамической фазы и указанной фазы металлического связующего в присутствии органической жидкости и твердого парафина с образованием текучей смеси порошков,
c) помещение указанной текучей смеси порошков в пресс-форму,
d) прессование указанной текучей смеси порошков в указанной пресс-форме с приложением усилия в направлении одной оси под давлением примерно от 40 до 80 т, с получением одноосно спрессованных заготовок,
e) нагревание указанных одноосно спрессованных заготовок в соответствии с температурным графиком процесса для выгорания указанного твердого парафина и жидкофазного спекания указанных одноосно спрессованных заготовок, с получением спеченной мультимодальной бориднной металлокерамической композиции,
f) охлаждение указанной спеченной бимодальной боридной металлокерамической композиции при скорости охлаждения примерно 5°С/мин с образованием плитки из бимодальной боридной металлокерамической композиции и
g) закрепление указанной плитки из бимодальной боридной металлокерамической композиции на указанной металлической поверхности, которая должна быть защищена.
42. Способ защиты металлической поверхности по п.41, дополнительно включающий стадию холодного изостатического прессования указанных одноосно спрессованных заготовок стадии d) под давлением примерно 200,25 МПа (30000 фунтов/кв. дюйм) с получением заготовок, спрессованных одноосно и способом холодного изостатического прессования, для дальнейшей обработки.
43. Способ защиты металлической поверхности по п.41, в котором указанный твердый парафин составляет примерно от 2 до 4 мас.% от общей массы керамической фазы и фазы металлического связующего.
44. Способ защиты металлической поверхности по п.41, в котором указанную стадию нагревания проводят под вакуумом, в инертной атмосфере или в восстановительной атмосфере.
45. Способ защиты металлической поверхности по п.44, в котором указанный температурный график процесса указанной стадии нагревания дополнительно включает следующие стадии:
a) нагревание указанных одноосно спрессованных заготовок примерно до 400°С при скорости нагревания примерно 3°С/мин и поддержание указанной температуры около 400°С примерно в течение 100 мин.
b) нагревание указанных одноосно спрессованных заготовок примерно от 400 до 600°С при скорости нагревания примерно 3°С/мин и поддержание указанной температуры около 600°С примерно в течение 90 мин, и
c) нагревание указанных одноосно спрессованных заготовок примерно от 600°С до температуры жидкофазного спекания, составляющей примерно от 1200 до 1750°С, при скорости нагревания примерно 5°С/мин и поддержание указанной температуры жидкофазного спекания примерно в течение 180 мин.
46. Способ защиты металлической поверхности по п.41, в котором указанную бимодальную боридную металлокерамическую композицию выполняют в виде внутренней поверхности оборудования для нефтепереработки и проведения химических процессов.