Способ получения смеси микро- и наночастиц бинарных сплавов
METHOD OF PRODUCING MIXTURE OF MICRO- AND NANOPARTICLES OF BINARY ALLOYS

Изобретение относится к порошковой металлургии, а именно к получению порошковых смесей бинарных сплавов, в частности, для получения порошковых смесей микро- и наночастиц бинарных сплавов Ti-Al, Ni-Al, Fe-Al для аддитивных технологий синтеза деталей сложных систем.
Известны устройство и способ для получения порошковых материалов на основе нано- и микрочастиц путем электрического взрыва проволоки из RU2675188, опубл. 2018 [1]. Группа изобретений относится к получению металлического порошка на основе нано- и микрочастиц. Способ включает электрический взрыв металлической проволоки в реакторе и сепарацию частиц по размерам. В реакторе обеспечивают принудительную циркуляцию газовой среды при скорости газового потока на входе в реактор в интервале от 1,5 м/с до 2,5 м/с. Электрический взрыв проволоки ведут при давлении газовой среды в реакторе от 1 до 3 атм и величине энергии, введенной в проволоку, в интервале от 0,6 до 0,9 энергии сублимации металла проволоки, а сепарацию полученных частиц порошка ведут с выделением мелкой фракции с размерами частиц менее 5 мкм. Обеспечивается эффективное разделение частиц в газовом потоке на две фракции.
Недостатком данного способа получения смеси микро- и наночастиц является ограниченная номенклатура получаемых порошков по содержанию химических элементов. В данном способе используются одиночные проволоки сплавов, выпускаемые с тем или иным содержанием химических элементов, обеспечивающим заданные конструкционные или функциональные свойства сплава. Изменение исходного элементного состава проволок сплавов требует проведения трудоемких операций, основанных на покрытии поверхности проволоки слоем необходимого металла заданной толщины, что в ряде случаев не представляется возможным.
Известен способ получения металлических порошков из RU2075371, опубл. 1997 [2].
Изобретение направлено на получение порошков сплавов и интерметаллических соединений в ультрадисперсном состоянии. Способ включает электрический взрыв заготовок из разнородных металлов, причем заготовки из разнородных металлов перед взрывом размещают коаксиально, а соотношение масс заготовок выбирают в соответствии со стехиометрическим составом получаемого порошка.
Недостатком данного способа является необходимость нанесения покрытия на поверхность проволоки, элементный состав которого обеспечивает получение необходимого химического соединения. Процесс нанесения покрытия усложняет технологию получения проволок с заданным содержанием химических элементов, а для некоторых пар металлов (несмешивающихся металлов) не может быть осуществим.
Известен способ получения высокодисперсных порошков неорганических веществ из RU2048277, опубл. 1995 [3].
Сущность изобретения: способ получения высокодисперсных порошков неорганических веществ заключается в том, что взрывают металлические заготовки диаметром 0,2-0,7 мм под воздействием импульса тока при плотности энергии, передаваемой на заготовку, равной от 0,9 энергии сублимации металла до энергии его ионизации, в течение не более 15 мкс в газовой среде под давлением 0,5 10 атм. В качестве металлической заготовки используют металлы и сплавы, имеющие отношение энергии ионизации к энергии сублимации, равное или более 0,9, и отношение удельных сопротивлений металла в жидком и твердом состоянии, равное или более 1. В качестве газовой среды используют газы, выбранные из группы газов.
Недостатком данного способа изобретения является невозможность получения смесей микро- и наночастиц бинарных сплавов с заданным химическим составом. Для реализации способа используются одиночные металлические заготовки либо металлов, либо сплавов.
Технической проблемой предлагаемого изобретения является разработка способа получения порошковой смеси микро- и наночастиц бинарных сплавов методом совместного электрического взрыва двух проволок разнородных металлов.
Техническим результатом изобретения является получение порошковой смеси нано- и микрочастиц бинарных сплавов с размерами менее 10 мкм.
Указанный техническитй результат достигается тем, что способ получения порошковой смеси микро - и наночастиц бинарных сплавов, включает электрический взрыв металлических заготовок в газовой среде при давлении, при этом используют металлические заготовки разнородных металлов в виде двух скрученных проволок различных диаметров, при этом шаг скрутки проволок составляет 2-3 витка/оборота на сантиметр длины проволоки, регулируют дисперсный и фазовый состав смеси изменением диаметров проволок, причем к проволокам к моменту их взрыва вводят значения энергии Е/Ес, равной для каждой из проволок 0,35-2,45, где Е - энергия, вводимая в проволоку к моменту взрыва, Ес - энергия сублимации металла проволоки.
При этом качестве заготовки разнородных металлов используют проволоки металлов, выбранные из ряда: алюминий, титан, никель и железо, предпочтительно, в сочетании Ti-Al, Ni-Al, Fe-Al, используют проволоки металлов диаметром 0,1-0,5 мм, предпочтительное соотношение диаметров, равно 0,52/0,48–0,58/0,42.
5
Проводят электрический взрыв в устройстве с емкостью накопителя 2,0-3,5 мкФ, с зарядным напряжением 21-32, в газовой инертной среде, например, аргон, гелий, при давлении 1-5*10Па, при этом проволоки разнородных металлов взрывают последовательно в различные моменты времени (несинхронный взрыв).
Временной интервал между последовательными электрическими взрывами проволок равен 0,2-5,0 мкс.
Сущность предлагаемого способа заключается в получении порошковой смеси микро -и наночастиц бинарных сплавов в результате совместного электрического взрыва двух проволок разнородных металлов в инертной среде при заданном давлении. Различие теплофизических свойств металлов и диаметров проволок приводит к тому, что в условиях нагрева импульсом тока, проволоки различных металлов могут взрываться последовательно в различные моменты времени (несинхронный взрыв). Временной интервал между последовательными электрическими взрывами проволок лежит в интервале от 0,2 до 5,0 микросекунд (мкс). В результате последовательного электрического взрыва двух проволок разнородных металлов формируется смесь микро - и наночастиц бинарных сплавов.
Отличительными признаками предлагаемого способа являются:
- используются металлические заготовки разнородных металлов в виде двух скрученных проволок различных диаметров, при этом шаг скрутки проволок составляет 2-3 витка/оборота на сантиметр длины проволоки;
- к проволокам к моменту их взрыва вводятся значения энергии Е/Ес, равной для каждой из проволок 0,35-2,45, где Е - энергия, вводимая в проволоку к моменту взрыва, Ес - энергия сублимации металла проволоки;
- регулирование фазового состава смеси достигается изменением диаметров проволок и величины энергии, вводимой в проволоки, обеспечивающих необходимое содержание компонент и дисперсный состав в продуктах электрического взрыва проволок.
Изобретение осуществляется следующим образом
Для реализации предлагаемого способа получения смеси микро- и наночастиц используется устройство, с емкостью накопителя 2,0-3,5 мкФ, с зарядным напряжением 21-32 кВ.
5
Предлагаемый способ получения смесей микро - и наночастиц бинарных сплавов основан на электрическом взрыве двух проволок разнородных металлов в инертной среде (например, аргон или гелий) при давлениях от 1-5*10 Па.
Для получения порошковых смесей микро- и наночастиц бинарных сплавов методом электрического взрыва двух проволок используются металлические заготовки разнородных металлов в виде двух скрученных проволок различных диаметров. Шаг скрутки проволок составляет 2-3 витка/оборота на сантиметр длины проволоки. Уменьшение числа витков на единицу длины проволоки не позволяет обеспечить необходимую прочность механического контакта поверхностей двух проволок. Увеличение числа витков на единицу длины проволоки приводит к отклонению от цилиндрической симметрии расширяющихся продуктов взрыва проволок, что препятствует эффективному перемешиванию продуктов взрыва и формированию микро- и наночастиц бинарных сплавов.
Диаметр проволок может изменяться в интервале от 0,1-0,5 мм. Изменение диаметров проволок позволяет регулировать дисперсный и фазовый состав микро - и наночастиц бинарных сплавов.
Так, изменение диаметров проволок позволяет регулировать изменение содержания металлов в продуктах взрыва, а изменение содержания металлов в продуктах взрыва проволок позволяет получать бинарные сплавы с различным фазовым составом.
s
С увеличением энергии E (величина которой также зависит от диаметра проволоки), вводимой в проволоки к моменту взрыва средний размер частиц (a), определяемый по данным удельной поверхности частиц, уменьшается. Наряду с уменьшением среднего размера частиц, уменьшается средний размер частиц микронной фракции.
Изобретение иллюстрируется фигурами 1-5.
с
с
На фиг. 1 представлены характерные изображения микро- и наночастиц Ti-Al, а также их массовое распределение, полученных при разных значениях E/E. Из представленных данных следует, что с увеличением E/E массовая доля частиц микронной фракции снижается.
с.
На фиг. 2 представлены данные рентгеноструктурного анализа микро- и наночастиц Ti-Al, полученных при различных значениях E/E
На фиг. 3 представлены характерные изображения микро- и наночастиц Ni-Al, а также массовое распределение частиц.
На фиг. 4 представлены данные рентгеноструктурного анализа микро- и наночастиц Ni-Al.
На фиг. 5 представлены характерные изображения микро- и наночастиц Fe-Al, а также данные рентгеноструктурного анализа, полученных при различных соотношениях диаметров проволок с целью регулирования фазового состава.
Пример 1.
-1
5
Используют бинарную заготовку из алюминиевой проволоки диаметром 0,35 мм длиной 100 мм и титановой проволоки диаметром 0,32 мм длиной 100 мм, с скрученные с шагом скрутки проволок 2-3 витка/оборота на сантиметр длины проволоки. Перед заполнением аргоном, устройство предварительно вакуумируется до остаточного давления 10Па. После вакуумирования устройство заполняется аргоном до давления 3*10Па.
Емкость накопителя энергии 2,8 мкФ, зарядное напряжение 20 кВ. Энергия сублимации алюминиевой проволоки Ес (Аl)=312 Дж, энергия сублимации титановой проволоки Ес (Ti)=332 Дж. К моменту взрыва в алюминиевую проволоку вводится энергия (Е), равная 350 Дж, в титановую проволоку к моменту взрыва вводится энергия (Е), равная 110 Дж. Значения Е/Ес для алюминиевой и титановой проволок соответственно равны 1,12 и 0,33. Временной интервал между последовательными взрывами проволок алюминия и титана составляет 0,57 мкс.
Наработан порошок, представляющий собой порошковую смесь микро- и наночастиц бинарного сплава состава Ti-Al. Средний размер частиц, определенный по данным удельной поверхности составил 290 нм Характерные изображения микро- и наночастиц Ti-Al, а также массовое распределение частиц приведены на рисунках 1а и 1б соответственно.
Пример 2.
-1
5
Используют бинарную заготовку из алюминиевой проволоки диаметром 0,35 мм длиной 100 мм и титановой проволоки диаметром 0,32 мм длиной 100 мм, с скрученные с шагом скрутки проволок 2-3 витка/оборота на сантиметр длины проволоки. Перед заполнением аргоном, устройство предварительно вакуумируется до остаточного давления 10Па. После вакуумирования устройство заполняется аргоном до давления 3*10Па.
Емкость накопителя энергии 2,8 мкФ, зарядное напряжение 24 кВ. Энергия сублимации алюминиевой проволоки Ес (Аl)=312 Дж, энергия сублимации титановой проволоки Ес (Ti)=332 Дж. К моменту взрыва в алюминиевую проволоку вводится энергия (Е), равная 467 Дж, в титановую проволоку к моменту взрыва вводится энергия (Е), равная 287 Дж. Значения Е/Ес для алюминиевой и титановой проволок соответственно равны 1,50 и 0,86. Временной интервал между последовательными взрывами проволок алюминия и титана составляет 0,41 мкс.
Наработан порошок, представляющий собой порошковую смесь микро- и наночастиц бинарного сплава состава Ti-Al. Средний размер частиц, определенный по данным удельной поверхности составил 182 нм. Характерные изображения микро- и наночастиц Ti-Al, а также массовое распределение частиц приведены на рисунках 1в и 1г соответственно.
Пример 3.
-1
5
Используют бинарную заготовку из алюминиевой проволоки диаметром 0,35 мм длиной 100 мм и титановой проволоки диаметром 0,32 мм длиной 100 мм, с скрученные с шагом скрутки проволок 2-3 витка/оборота на сантиметр длины проволоки. Перед заполнением аргоном, устройство предварительно вакуумируется до остаточного давления 10Па. После вакуумирования устройство заполняется аргоном до давления 3*10Па.
Емкость накопителя энергии 2,8 мкФ, зарядное напряжение 27 кВ. Энергия сублимации алюминиевой проволоки Ес (Аl)=312 Дж, энергия сублимации титановой проволоки Ес (Ti)=332 Дж. К моменту взрыва в алюминиевую проволоку вводится энергия (Е), равная 577 Дж, в титановую проволоку к моменту взрыва вводится энергия (Е), равная 363 Дж. Значения Е/Ес для алюминиевой и титановой проволок соответственно равны 1,85 и 1,1. Временной интервал между последовательными взрывами проволок алюминия и титана составляет 0,30 мкс.
Наработан порошок, представляющий собой порошковую смесь микро- и наночастиц бинарного сплава состава Ti-Al. Средний размер частиц, определенный по данным удельной поверхности составил 121 нм. Характерные изображения микро- и наночастиц Ti-Al, а также массовое распределение частиц приведены на рисунках 1д и 1е соответственно.
Фазовый состав образцов, полученных в примерах 1-3 при, приведен на Фиг.2. Фазовый состав всех образцов представлен фазами: αTi, α2-Ti3Al, и γ-TiAl.
Пример 4.
-1
5
Используют бинарную заготовку из алюминиевой проволоки диаметром 0,25 мм длиной 90 мм и никелевой проволоки диаметром 0,35 мм длиной 90 мм, с скрученные с шагом скрутки проволок 2-3 витка/оборота на 1 сантиметр длины проволоки. Перед заполнением аргоном устройство предварительно вакуумируется до остаточного давления 10Па. После вакуумирования устройство заполняется аргоном до давления 3*10Па.
Емкость накопителя энергии 2,8 мкФ, зарядное напряжение 25 кВ. Энергия сублимации алюминиевой проволоки Ес=145 Дж, энергия сублимации никелевой проволоки Ес=600 Дж. К моменту взрыва в алюминиевую проволоку вводится, равная энергия (E), 250 Дж, в никелевую проволоку к моменту взрыва вводится энергия (E), равная 570 Дж. Значения Е/Ес для алюминиевой и никелевой проволок соответственно равны 1,72 и 0,95. Временной интервал между последовательными электрическими взрывами проволок равен составляет 0,3 мкс.
Наработан порошок, представляющий собой порошковую смесь микро- и наночастиц бинарного сплава состава Ni-Al. Характерные изображения частиц, а также массовое распределение частиц приведены на фиг. 3а, 3б.
3
Фазовый состав полученного образца смеси микро- и наночастиц бинарного сплава состава Ni-Al, приведен на Фиг.4. Фазовый состав представлен фазами: Ni и NiAl.
Пример 5.
-1
Используют бинарную заготовку из алюминиевой проволоки диаметром 0,25 мм длиной 80 мм и никелевой проволоки диаметром 0,30 мм длиной 80 мм, с скрученной с шагом скрутки проволок 2-3 витка/оборота на сантиметр длины проволоки. Перед заполнением аргоном устройство предварительно вакуумируется до остаточного давления 10Па.
Емкость накопителя энергии 2,0 мкФ, зарядное напряжение 24 кВ. Энергия сублимации алюминиевой проволоки Ес=130 Дж, энергия сублимации железной проволоки Ес=350 Дж. К моменту взрыва в алюминиевую проволоку вводится, равная энергия (E), 220 Дж, в железную проволоку к моменту взрыва вводится энергия (E), равная 307 Дж. Значения Е/Ес для алюминиевой и железной проволок соответственно равны 1,69 и 0,88. Временной интервал между последовательными электрическими взрывами проволок равен составляет 0,37 мкс.
Наработан порошок, представляющий собой порошковую смесь микро- и наночастиц бинарного сплава состава Fe-Al. Характерные изображения частиц, а также массовое распределение частиц приведены на микрофотографии смеси микро- и наночастиц Fe-Al на фиг. 5а, 5в .
3
100-x
x
Фазовый состав полученного образца смеси микро- и наночастиц бинарного сплава состава Fe-Al, представлен фазами: FeAl и твердым раствором на основе железа (FeAl).
Пример 6.
-1
Используют бинарную заготовку из алюминиевой проволоки диаметром 0,5 мм длиной 80 мм и железной проволоки диаметром 0,10 мм длиной 80 мм, с скрученной с шагом скрутки проволок 2-3 витка/оборота на сантиметр длины проволоки. Перед заполнением аргоном устройство предварительно вакуумируется до остаточного давления 10Па.
Емкость накопителя энергии 3,2 мкФ, зарядное напряжение 32 кВ. Энергия сублимации алюминиевой проволоки Ес=500 Дж, энергия сублимации железной проволоки Ес=60 Дж. К моменту взрыва в алюминиевую проволоку вводится, равная энергия (E) 1217 Дж, в железную проволоку к моменту взрыва вводится энергия (E), равная 101 Дж. Значения Е/Ес для алюминиевой и железной проволок соответственно равны 2,43 и 1,68. Временной интервал между последовательными электрическими взрывами проволок равен составляет 1,7 мкс.
Наработан порошок, представляющий собой порошковую смесь микро- и наночастиц бинарного сплава состава Fe-Al. Характерные изображения частиц, а также массовое распределение частиц приведены на микрофотографии смеси микро- и наночастиц Fe-Al на фиг. 5б, 5г.
2
Фазовый состав полученного образца смеси микро- и наночастиц бинарного сплава состава Fe-Al, представлен фазами: FeAl и твердым раствором на основе Al.