Способ получения жаропрочных сплавов на основе молибдена
METHOD FOR PRODUCING MOLYBDENUM-BASED HEAT-RESISTANT ALLOYS

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности, к способам получения композиционных материалов, которые могут быть использованы в области авиационного двигателестроения для получения лопаток и защитных покрытий на бандажных полках лопаток газотурбинных двигателей и газотурбинных установок.
Известен способ получения композиционных материалов (КМ) в котором при нагреве смеси элементов Mo, Si и В и последующем быстром охлаждении формируется матрица твердого раствора на основе Мо и в ней распределены включения Mo/Si и/или Mo/Si/B. Полученные КМ обладают высокой жаропрочностью и жаростойкостью. При добавлении Nb и последующем горячем изостатическим прессовании были получены высокоплотные KM (Mo/Nb/Si/B) с температурой плавления, превышающей 1950°С (Статья "Byuna Jong Min, Bangb Su-Ryong, Kim Se Hoon, Choib Won June, Do Young. Mechanical properties of Mo-Nb-Si-B Quaternary Alloy Fabricated by Powder Metallurgical Method // Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2017. V. 65. P. 14-18").
Недостаток способа состоит в низкой его производительности, высоких энергозатратах, использовании дорогостоящего импортного оборудования.
Известен способ получения литого дисилицида молибдена, включающий приготовление реакционной смеси порошков исходных компонентов, содержащей оксид молибдена VI, алюминий, кремний и оксид кремния, помещение реакционной смеси в реактор СВС в форме из тугоплавкого материала, выполненной из кварца, графита или нержавеющей стали, воспламенение смеси с последующим реагированием ее компонентов в режиме горения под давлением газа 0,1-10 МПа, выбранного из ряда, включающего аргон, азот, воздух или их смеси, при этом реакционную смесь готовят при следующем соотношении компонентов, мас.%: оксид молибдена VI 37,0-58,0 алюминий 8,0-32,0 кремний 22,0-34,0, оксид кремния остальное (Патент №2367702 C1, С22С 29/18, B22F 3/23, 20.09.2009 г.).
Недостатком способа является невозможность получения беспористого слитка из жаропрочного материала на основе молибдена и малые размеры, ограниченные размером реактора.
Наиболее близким аналогом к заявляемому является способ получения литого КМ на основе кобальта в режиме горения, который включает приготовление реакционной смеси исходных компонентов, содержащей оксид кобальта, оксид молибдена, алюминий, углерод, оксид хрома III, оксид ниобия и оксид вольфрама, помещение реакционной смеси в тугоплавкую форму с размещенным между исходной смесью и стенкой формы функциональным слоем из оксида алюминия толщиной 5-10 мм, размещение формы на центрифуге, воспламенение смеси и проведение синтеза в режиме горения при центробежном ускорении 200-300 g с последующим отделением литого сплава на основе кобальта от продукта синтеза, при этом исходную смесь готовят при следующем соотношении компонентов, мас.%: оксид молибдена 1,1-1,8, алюминий 20,0-23,5, углерод 2,2-2,8, оксид хрома III 15,0-19,0, оксид ниобия 13,0-16,0, оксид вольфрама 1,0-2,8, оксид кобальта 35,0-45,0 (Патент №2534325 C1, B22F 3/23, С22С 1/04, 27.11.2014 г.).
Недостатком этого способа является то, что он не позволяет получать литые композиционные материалы на основе молибдена, имеющих высокую прочность при высокой температуре.
Техническим результатом заявляемого изобретения является разработка высокопроизводительной одностадийной технологии с малыми энергозатратами и высоким выходом целевого продукта, которая позволяет получать композиционные материалы на основе MoSiB.
3
2
3
2
5
Технический результат достигается тем, что способ получения жаропрочных сплавов на основе молибдена включает приготовление исходной реакционной смеси, помещение исходной реакционной смеси в тугоплавкую форму, размещение формы на центрифуге, воспламенение смеси и проведение синтеза в режиме горения при центробежном ускорении 100-200 g с последующим отделением литого сплава от шлака, при этом готовят исходную реакционную смесь при следующем соотношении компонентов в реакционной смеси, мас.%: МоО - 71,0-72,0%, Al - 26,1-27,1, Si - 1,4%, В - 0,5%, причем в приготовленную реакционную смесь может быть дополнительно введен АlO в количестве 10-15% от веса исходной реакционной смеси или может быть дополнительно введена стехиометрическая легирующая смесь NbO с Аl в количестве 6-7% от исходной смеси.
3
2
5
Сущность способа заключается в следующем. В экспериментах используют высокоэкзотермические смеси МоО, NbO, Al, Si, которые удовлетворяют следующим условиям:
1) смеси способны гореть;
2) целевыми продуктами горения смесей является жаростойких сплавов Mo/Si/B и Mo/Nb/Si/B;
2
3
3) температура горения превышает температуру плавления жаростойкого сплава и шлаковой фазы (АlO).
При выполнении условий (1) - (3) реализуется процесс, включающий следующие стадии:
- воспламенение и горение исходной смеси,
- гравитационная сепарация расплавов Mo/Si/B и Mo/Nb/Si/B и шлакового продуктов,
- охлаждение и кристаллизация расплавов.
2
3
Введение 10-15 мас.% АlO, а также воздействие центробежной силы подавляет разброс смеси при горении и приводит к сепарации расплавов металлической и шлаковой фаз продуктов горения.
3
Техническая задача решается за счет выбора состава исходной смеси, включающей МоО - 71,0-72,0%, Аl - 26,1-27,1, Si - 1,4%, В - 0,5%, и создания высокой перегрузки (100-200 g), позволяющей подавить разброс смеси при горении и реализовать высокий выход целевого продукта и получить жаростойкие и жаропрочные сплавы на основе молибдена с превышающими характеристиками промышленных сплавов. Полученные композиционные материалы Mo/Si/B и Mo/Nb/Si/B обладают уникальными свойствами; высокой стойкостью к окислению и высокой прочностью при при высокой температуре. Введение добавки 6,0 -7,0 (вес.%) стехиометрической легирующей смеси Nb2O5 и Аl позволяет уменьшить разброс смеси при горении и позволяет увеличить прочность КМ при высокой температуре.
Вне заявленных пределов по составу и величине перегрузки процесс горения сопровождается высокой потерей целевого продукта, а жаропрочный сплав формируется с низкими характеристиками по жаропрочности и жаростойкости.
Сущность способа подтверждена примерами.
Пример 1
Готовят реакционную смесь исходных компонентов при следующем соотношении, мас.%: оксид молибдена - 71,5, алюминий - 26.6, кремний - 1,4. бор - 0,5, помещают смесь в тугоплавкую форму, размещают форму в центрифуге, воспламеняют смесь и проводят синтез в режиме горения при центробежном ускорении, равном 150 g. После завершения процесса горения, продукт синтеза охлаждают и извлекают из рабочей камеры центробежной установки. Продукт горения представляет собой двухслойный слиток: верхний слой - оксидный раствор на основе корунда, нижний слой - (целевой продукт) представляет собой жаропрочный сплав. Выход целевого продукта (композиционного материала) составляет - 70 мас.% от расчетной величины. Композиционный материал содержит в своем составе (мас.%): молибден - 96,2, кремний - 2,8, бор - 1,0.
Пример 2
Готовят реакционную смесь, включающую 87,5 мас.% состава, и 12,5 мас.% оксида алюминия (Аl2O3), при следующем соотношении компонентов в составе  мас.%: оксида молибдена - 71,5, алюминий - 26.6, кремний - 1,4. бор - 0,5. Смесь помещают в тугоплавкую форму, размещают форму в центрифуге, воспламеняют смесь и проводят синтез в режиме горения при центробежном ускорении, равном 150 g. После завершения процесса горения, продукт синтеза охлаждают и извлекают из реактора. Продукт горения представляет собой двухслойный слиток: верхний слой - оксидный раствор на основе корунда, нижний слой - (целевой продукт) представляет собой жаропрочный сплав. Выход целевого продукта (композиционного материала) составляет - 90-95 мас.% от расчетной величины. Композиционный материал содержит в своем составе (мас.%): молибден - 96,2, кремний - 2,8, бор - 1,0.
Пример 3
2
5
Готовят реакционную смесь, включающую 93,5 мас.% состава, и дополнительно вводят в него 6,5% (вес.) стехиометрической легирующей смеси NbO с Аl, при следующем соотношении компонентов в составе % масс: оксида молибдена - 71,5, алюминий - 26.6, кремний - 1,4. бор - 0,5. Соотношение компонентов в стехиометрической легирующей смеси, мас.%: Nb2O5 75, Аl - 25. Смесь помещают в тугоплавкую форму, размещают форму в центрифуге, воспламеняют смесь и проводят синтез в режиме горения при центробежном ускорении, равном 150 g. После завершения процесса горения, продукт синтеза охлаждают и извлекают из реактора. Продукт горения представляет собой двухслойный слиток: верхний слой - оксидный раствор на основе корунда, нижний слой - (целевой продукт) представляет собой жаропрочный сплав. Выход целевого продукта (композиционного материала) составляет 90-95% (мас.%) от расчетной величины. Жаропрочный сплав содержит в своем составе, (мас.%): молибден - 92,8, ниобий - 3,4, кремний - 2,8, бор - 1,0. Все остальные примеры сведены в табл. 1.
Таким образом, заявляемый способ позволяет получать литые жаропрочные сплавы на основе молибдена, которые имеют перспективу промышленного освоения в авиационном двигателестроении для изготовления лопаток и защитных покрытий на бандажных полках лопаток газотурбинных двигателей и газотурбинных установок. Способ обладает высокой производительностью, малым энергопотреблением и высоким выходом целевого продукта. Способ экологически чист, т.к. в продуктах синтеза отсутствуют газообразные продукты, загрязняющие атмосферу.