Способ получения металлокерамической порошковой композиции
METHOD FOR PRODUCING METAL-CERAMIC POWDER COMPOSITION

Изобретение относится к порошковой металлургии, а именно к получению сферической мелкодисперсной металлокерамической порошковой композиции типа «ядро-оболочка» с равномерным точечным распределением армирующих наночастиц типа MeCN и/или МеС (где Me - элементы Ni, Ti, Та, Mo, Hf, V, Si) по поверхности сферических гранул высокожаропрочного никелевого сплава. Материал может применяться в ракетной, авиационной и автомобильной промышленности для изготовления деталей силовых крепежных элементов горячей зоны ГТД методом аддитивных технологий, в том числе послойного синтеза (3D печать).
Традиционные методы получения металлокерамических порошковых композиций (МКПК) не пригодны для получения деталей методом аддитивных технологий, так как МКПК получают либо из расплава, что приводит к образованию конгломератов армирующих частиц, либо получение МКПК механическим синтезом приводит к формированию осколочной формы матричных гранул и неравномерному распределению армирующих частиц по объему (невозможно получить гранулы типа «ядро-оболочка»)
Из уровня техники известен литейный метод производства МКПК дисперсно-упрочненного сплава, включающий сушку нанопорошка оксида, плавление матричного металла, перемешивание порошка с матричным металлом, разливку полученного расплава в формы и их быстрое охлаждение (JP 2008189995 А, С22С 1/10, 21.08.2008).
Недостатком данного способа является трудность обеспечения равномерного распределенной упрочняющей фазы. Она распределяется по объему, а не по поверхности порошка матрицы, что не позволяет достигнуть композиции типа «ядро-оболочка».
Известен способ получения тугоплавких композиционных материалов с металлической или интерметаллидной матрицей, армированной керамическими частицами, включающий приготовление исходной смеси порошков механическим легированием, сплавление порошков в емкости путем погружения ее донной части в расплав металла и последующую кристаллизацию (RU 2263089 С1, С04B 35/65, 27.10.2005).
Недостатком этого способа является использование трудоемких процессов плавления и кристаллизации сплава, а также невозможность изготовления изделий сложной формы.
Известен способ получения композиционного материала на основе интерметаллида ниобия, включающий перемешивание исходной порошковой смеси, далее проводят ее механическое легирование в аттриторе в защитной атмосфере в течение 40-50 ч, и после горячее изостатическое прессование проводят при температуре 1450-1550°C и давлении 25-35 МПа не более 5 мин (RU 2393060 С1, B22F 3/15, 27.06.2010).
Недостатком данного способа является высокая длительность процесса изготовления металлокерамического порошка, также в процессе механического легирования в аттриторе происходят процессы «наклепа-скалывания», в результате чего обрабатываемый материал приобретает осколочную форму частиц.
Наиболее близким техническим решением к заявленному способу является способ получения композиционного материала на основе карбосилицида титана, включающий приготовление порошковой смеси, состоящей из титана, кремния, углерода или соединений, их содержащих; механический синтез порошковой смеси в планетарной мельнице в прерывистом режиме при частоте вращения барабана 260-330 об/мин при массовом соотношении порошковой смеси и мелющих тел 1:30; горячее прессование механосинтезированной порошковой смеси при давлении прессования 10-15 МПа и выдержке в течение 0,5-3,0 ч при температуре 1350-1450°C в вакууме или атмосфере инертного газа (RU 2372167, B22F 3/14, 20.05.2009).
Недостатком указанного способа является намол нежелательных примесей в процессе механосинтеза порошковой смеси, снижающих сферичность в целевом продукте, а также невозможность получения порошка с поверхностным точечным распределением армирующих наночастиц.
Технической задачей изобретения является разработка способа получения металлокерамической порошковой композиции типа «ядро-оболочка» с равномерным точечным распределением армирующих наночастиц на поверхности гранул матрицы из сплава на основе никеля с минимальным изменением морфологии исходных гранул (сохранение сферической формы, удаление сателлитов).
Технический результат заявленного изобретения заключается в разработке способа получения композиционного порошкового материала с точечным равномерным распределением армирующих тугоплавких наночастиц по поверхности матричных гранул из высокожаропрочного сплава на основе никеля.
Композиция, полученная заявленным способом, имеет текучесть менее 29 сек, высокую степень сферичности гранул и высокий выход годного (более 80%) по фракции 10-63 мкм для применения МКПК в качестве материала для послойного синтеза.
Для достижения заявленного технического результата предложен способ получения металлокерамической порошковой композиции, включающий приготовление порошковой смеси и механический синтез смеси в планетарной мельнице. В качестве исходных компонентов порошковой смеси используют порошок высокожаропрочного сплава на основе никеля и порошок армирующих наночастиц типа MeCN и/или МеС, где Me - элементы Ni, Ti, Та, Mo, Hf, V, Si. Механический синтез порошковой смеси проводят в планетарной мельнице при частоте вращения 200-250 об/мин в течение 15-30 минут в среде аргона в размольных кюветах с применением размольных шаров из стали ШХ15 диаметром 5 мм. Соотношение массы обрабатываемой смеси и шаров составляет 1:8. Соотношение объема шаров к объему размольной кюветы составляет - 1:5.
Предпочтительно фракция порошка высокожаропрочного сплава на основе никеля составляет 10-63 мкм, а фракция порошка армирующих наночастиц типа MeCN и/или МеС, где Me - элементы Ni, Ti, Та, Mo, Hf, V, Si, составляет 50-400 нм.
Предпочтительное соотношение порошка высокожаропрочного сплава на основе никеля к порошку армирующих наночастиц составляет 1:0,1-1:0,5 масс % соответственно, что повышает механические характеристики сплава-матрицы при высоких температурах, увеличивает рабочую температуру и исключает образование плотной оболочки армирующих наночастиц на поверхности матричных гранул, препятствующей рекристаллизации при последующей обработке готового материала (горячее изостатическое, 3D-синтез и т.д.).
Механический синтез проводят в планетарной мельнице в размольных кюветах, наполненных размольными шарами диаметром 5 мм из стали типа ШХ15, соотношение массы обрабатываемого материала и шаров - 1:8, соотношение объема шаров к объему размольной кюветы - 1:5. Данные соотношения позволяют снизить разброс температур при соударении размольных шаров и порошка и сохранить исходную сферическую форму матричных гранул.
об
мин
Обработка при частоте вращения 200-250 / обеспечивает равномерное нанесение армирующих наночастиц на поверхность матричных гранул без образования агломератов армирующего наполнителя. Также во время обработки по данному режиму сохраняется сферическая форма гранул обрабатываемого материала и снижается количество дефектов на поверхности исходных гранул (стираются сателлиты, налипания).
Обработку проводят в течение 15-30 минут, дальнейшее увеличение продолжительности процесса приводит к изменению формы гранул и размолу обрабатываемого материала.
Указанные параметры процесса обеспечивают температуру внутри размольных кювет при соударении порошковой смеси и мелющих тел (шаров), не превышающую температуру начала пластической деформации матричного никелевого сплава, что позволяет сохранить сферическую форму исходных матричных гранул.
Примеры осуществления изобретения
Пример 1
Исходный матричный порошок из сплава ВЖ175 (Со 14,8-16,0, Cr 9,4-11,0, W 2,9-3,4, Мо 4,0-4,8, Al 3,5-4,0, Ti 2,3-2,8, Nb 4,1-4,6, V 0,4-0,8, С 0,04-0,08, Ni - остальное) фракции 10-63 мкм и порошок армирующих наночастиц TiCN фракции 50-400 нм засыпают в мольную кювету объемом 220 мл при массовом соотношении 1:0,1-1:0,5, масс. % соответственно. Далее в размольную кювету засыпают шары из стали ШХ15 диаметром 5 мм, при соотношении массы обрабатываемой смеси и шаров 1:8 и соотношении объема шаров к объему размольной кюветы 1:5. Механический синтез приготовленной порошковой смеси производят на планетарной шаровой мельнице Retsch РМ400. Загруженные кюветы устанавливают в гнезда планетарной мельницы и закрепляют их. Включают установку. Задают рабочую скорость вращения 200 об/мин, время обработки - 15 минут, вращение соосное. Далее кюветы заполняют аргоном и проводят обработку.
об
мин
Пример 2 аналогичен примеру 1, но в качестве армирующих наночастиц использовали ТаС в количестве 0,2 масс. %, скорость вращения размольных кювет 250 /, время обработки 30 минут.
об
мин
Пример 3 аналогичен примеру 1, но в качестве армирующих наночастиц использовали HfC в количестве 0,15 масс. %, скорость вращения размольных кювет 220 /, время обработки 20 минут.
об
мин
Примет 4 аналогичен примеру 1, но в качестве армирующих наночастиц использовали TiC и TiCN суммарно 0,5 масс. %, скорость вращения размольных кювет 230 /, время обработки 25 минут.
об
мин
Примет 5 аналогичен примеру 1, но в качестве армирующих наночастиц использовали МоС 0,1 масс. %, скорость вращения размольных кювет 210 /, время обработки 15 минут.
об
мин
Примет 6 аналогичен примеру 1, но в качестве армирующих наночастиц использовали SiC и VC суммарно 0,4 масс. %, скорость вращения размольных кювет 250 /, время обработки 30 минут.
Пример 7 в соответствии со способом по прототипу, но в качестве компонентов смеси использовали порошки никелевого сплава ВЖ175 и армирующих наночастиц Ni-TiCN в соотношении 1:0,25 масс % соответственно.
Предлагаемый способ позволяет получать МКПК типа «ядро-оболочка» с матрицей из высокожаропрочного сплава на основе никеля и равномерным точечным распределением армирующих тугоплавких наночастиц типа MeCN и/или МеС по поверхности гранул. Способ имеет высокий выход годного по фракции 10-63 мкм и времени процесса. МКПК имеет сферическую форму и текучесть менее 29 сек (таблица 1), что подходит для использования в качестве материалов для послойного синтеза.
Предлагаемый способ позволяет изготавливать композиционные порошковые материалы типа «ядро-оболочка» для создания высоконагруженных сложнопрофильных деталей для ГТД с повышенными температурами эксплуатации за счет ввода тугоплавких армирующих и пригодных для использования в аддитивном производстве, в том числе для послойного синтеза (3D печать).