СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОБРАЗЦОВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ИЗ ПОРОШКОВ СПЛАВОВ, КОМПОНЕНТЫ КОТОРЫХ ОБРАЗУЮТ ИНТЕРМЕТАЛЛИДЫ
PROCESS OF MANUFACTURE OF SAMPLES FOR MEASUREMENT OF PHYSICAL AND MECHANICAL PROPERTIES FROM PREALLOYS POWDERS, COMPONENTS OF WHICH FORM INTERMETALLIC STRUCTURE

Изобретение относится к области порошковой металлургии и может быть использовано для отработки технологии, режимов получения и обработки наноструктурных, высокопрочных и прецизионных материалов с особыми физическими, магнитными и механическими свойствами, а именно материалов, относящихся к числу сплавов, в которых возможно образование интерметаллических соединений.
Известен способ получения высокоплотных структур вещества при высоких давлениях, который реализуется посредством двух поверхностей, в центре у одной из которых выполнена лунка, и включает последовательно многократно выполняемые операции, заключающиеся в подаче порошкообразного вещества в лунку и над лункой горкой, обжатие его сближением поверхностей до заранее заданного зазора между ними, отвод обжимающих поверхностей в первоначальное положение (Патент Российской федерации RU 3032891 С1. Опубликовано: 10.04.1995. Бюл. №10).
Однако такой способ получения высокоплотных структур заключается в последовательном многократном выполнении операций прессования, что приводит к затратам как времени, так и энергии, необходимой для получения образцов заданной плотности.
Известен способ получения образцов, включающий приготовление шихты в высокоэнергетической шаровой планетарной мельнице, прессование полученной шихты с усилием не более 150 МПа и поэтапным спеканием в среде водорода до температуры восстановительной выдержки 800°С, выдержку не менее 1 часа и продолжение нагрева до окончательной температуры спекания со скоростью не более 10°С в минуту с выдержкой не менее 0.5 часа. Результатом является получение материала плотностью не менее 98% (Патент Российской Федерации RU 2292988 С1. Опубликовано: 10.02.2007. Бюл. №4).
Однако при таком способе получения высокоплотных структур вследствие влияния высоких температур происходит потеря совокупности тех свойств и структурных параметров, которые были получены после операции механохимического синтеза в шаровой планетарной мельнице, в том числе и потеря образованного в порошке наноструктурного и/или аморфного состояния.
Задачей настоящего изобретения является объединение операций механохимического синтеза и процесса консолидации порошка с целью получения объемных компактов, обеспечивающих возможность измерения приобретенных в ходе механохимического синтеза физических и механических свойств. Кроме того, посредством полученных объемных компактов могут быть исследованы важные и для магнитных и для механических свойств процессы релаксации.
пл
пл
Данная задача решается за счет сохранения достаточно высокого уровня схватывания частиц порошка и установившегося в ходе операции механохимического синтеза уровня активации. Технология включает в себя получение порошка сплава путем механической активации смеси порошков исходных компонентов при температуре, не превышающей 150°С, непосредственно после активации проведение прессования при давлении не меньше 510 МПа при комнатной температуре или 0,2 Т, где Т - температура плавления наиболее легкоплавкого компонента порошковой смеси.
Предлагаемый способ изготовления образцов для измерения физических и механических свойств сохраняет уровень упрочнения (включающий максимальный) и особенности соответствующих структурных состояний (в частности, наноструктурное), что достигается при минимальных деформационных статических нагружениях и минимальных термических воздействиях.
Технология получения сплавов в виде порошков методом механохимического синтеза (механического сплавления) представляет собой процесс, при котором происходит одновременная совместная деформация исходных компонентов смеси в виде порошка. Эта технология широко используется в настоящее время для приготовления порошков интерметаллидов, твердых растворов, а также аморфных порошков, т.е. для приготовления материалов сложного химического состава, характеризующихся особыми физико-механическими свойствами из-за высокой степени дисперсности структуры, возникшей вследствие деформации. Именно деформация приводит к усложнению состава и образованию наноструктуры объемного характера. Таким образом, продукт механохимического синтеза имеет заданный состав и специфическое структурное состояние (возбужденное, наноструктурное состояние), это состояние термодинамически определяется как метастабильное. Отработка методики механохимического синтеза требует изучения фазового состава и структурного состояния продукта, но развитие этой технологии и области ее применения, а также разработка новых сплавов связана с необходимостью оценки конкретных физических и механических свойств материалов, получаемых в ходе реакции механохимического синтеза.
Измерение ряда важных характеристик материала, в частности: магнитных, механических свойств, плотности, осуществить на порошках чрезвычайно затруднительно, поэтому в литературе существуют способы консолидации порошков и получения определенной формы образцов. Но поскольку объекты исследования могут быть получены компактированием порошков, то метод получения компактов не должен существенно менять структурное состояние и состав материалов. Прежде всего, надо ограничить возможные области температур, до которых может происходить нагрев материала при компактировании. Не допустимо выходить за пределы температур, при которых материал теряет свои свойства. Это относится как к аморфным материалам, так и к ультрамелкозернистым вплоть до наноструктурных. В исследованиях аморфных сплавов существенным является предупреждение аморфных изменений ближнего, композиционного и топологического порядка. Особого внимания требует обращение с материалами, которые должны иметь объемное наноструктурное состояние.
В основе предлагаемого метода получения массивных консолидированных образцов из порошков использовалась интенсивная пластическая деформация либо дополнительная интенсивная пластическая деформация уже полученных порошков, для того, чтобы возникло возбужденное состояние и способность материала к схватыванию.
Пример 1.
Смеси порошков Ni - 71% (по массе), Ti - 29% (по массе) и Fe - 39% (по массе), Ti - 61% (по массе) подвергались обработке в шаровой планетарной мельнице (типа АГО-2С), в течение 10, 30 и 60 минут. Согласно оценке энергонапряженность измельчения в мельнице составляла 8 Вт/г. Фоновая температура реактора в ходе механохимического синтеза не превышала 100-150°С. Сразу после реакции механохимического синтеза извлеченный из реакторов порошок делился на две равные части. Одна из частей незамедлительно подвергалась исследованиям (фазовый анализ, анализ тонкой кристаллической структуры, определение размера блоков, анализ микротвердости) и статическому прессованию давлением 510 МПа. Вторая часть порошка подвергалась вылеживанию в течение одного месяца, а затем подвергалась аналогичным, что и первая часть порошков, исследованиям и прессованию.
Плотность спрессованных образцов равнялась 80-90% от теоретической плотности (ошибка измерений ±3%).
Спрессованные образцы (диаметром 15 мм и толщиной 2,3 мм) проверялись на прочность, подвергаясь статическому разрушению.
Результаты испытаний образцов на прочность.
Прессование после механохимического синтеза
Прессование после вылеживания порошка 1 месяц
Время МА, мин
10
30
60
10
30
60
Прочность образцов*, грамм/мм<sup>2</sup>
Fe39 Ti61
96.77
32.69
62.07
29.82
7.80
10.32
Ni71 Ti29
88.75
75.33
20.36
30.96
8.80
5.04
* Прочность рассчитана как отношение приложенной нагрузки до разрушения образца к площади новой поверхности, образующейся при разрушении.
Из представленных в таблице результатов испытаний следует, что метод консолидации порошков предложенным способом обеспечивает получение сравнительно прочных образцов, пригодных для физико-механических испытаний без значительных потерь свойств, приобретенных в ходе механохимического синтеза. Увеличение времени вылеживания между операциями механохимического синтеза и консолидацией приводит к уменьшению активации порошков, т.е. к уменьшению способности их к схватыванию.
Пример 2.
Смеси порошков Ni - 71% (по массе), Ti - 29% (по массе) и Fe - 39% (по массе), Ti - 61% (по массе) подвергались механохимическому синтезу по режимам, указанным в примере 1. Сразу после реакции механохимического синтеза извлеченные из реакторов порошки делились на две равные части и подвергались аналогичным, что и в примере 1, исследованиям.
пл
пл
Отличительной особенностью этого способа получения консолидированных образцов от предыдущего заключается в том, что статическое прессование порошка проводили под давлением 510 МПа с подогревом, равным 0.2 Т + выдержка 30 минут, Т - температура плавления наиболее легкоплавкого компонента порошковой смеси.
При подогреве происходит незначительное изменение структуры практически без изменения фазового состава, но качество полученных образцов намного выше, чем у образцов, получение которых описано в примере 1. В результате получается объемный монолитный образец в наноструктурном и/или аморфном состоянии, высокой плотности (96-98% от теоретической), кроме всего прочего, пригодный для приготовления шлифов и проведения металлографического анализа. Таким образом, подогрев при прессовании приводит к увеличению способности материала к схватыванию, тем самым повышаются плотность и прочность образцов.
Следует отметить, что в случае, когда не требуется существенного сохранения структурного состояния и фазового состава материала, полученного в процессе механохимического синтеза, температуру подогрева при прессовании можно повысить и до более высоких температур (температур кристаллизации аморфной фазы или чуть меньше), при этом подогрев нужно проводить в вакууме (или защитной атмосфере). В этом случае при подогреве происходит значительное изменение структуры и фазового состава. Изменение фазового состава происходит за счет перераспределения компонентов смеси порошков, а также за счет кристаллизации аморфной фазы. Химический состав образовавшихся фаз будет соответствовать составу смеси порошков, закладываемому перед началом процесса механохимического синтеза. Качество полученных таким способом образцов должно быть намного выше, чем у образцов, получение которых описано выше. В результате может получиться объемный монолитный образец в наноструктурном состоянии (размер структурных составляющих (блоков) не превысит 70-90 нм) и высокой плотности (99-100% от теоретической). Таким образом, значительный подогрев при прессовании может привести, с одной стороны, к потере полученной в процессе механохимического синтеза структуры и фазового состава, а с другой стороны, - к большему увеличению способности материала к схватыванию, тем самым еще больше повышается плотность и прочность образцов с сохранением нанокристаллической структуры.
Время выдержки и скорость нагрева в процессе прессовании с подогревом зависят от геометрических размеров получаемых объемных образцов, а также от состава, полученного в процессе механохимического сплава. Кроме того, время выдержки и скорость нагрева не должны приводить к значительному увеличению размеров полученной в процессе механохимического синтеза структуры (блоков, зерен).
Необходимо еще раз подчеркнуть, что интервал времени между окончанием процесса механохимического синтеза и прессованием должен быть сведен к минимуму. Технология получения образцов в варианте механохимический синтез + консолидация или механохимический синтез + консолидация с подогревом должна выполняться в рамках ограничения времени и области температур, которые должны специально подбираться.