СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА
METHOD OF PRODUCING COMPOSITE MATERIAL

Изобретение относится к способам получения тугоплавких, стойких к удару композиционных материалов с интерметаллидной матрицей, используемых в авиационной, космической, судостроительной и других областях промышленности.
Развитие современной техники выдвигает на первый план задачу получения материалов, способных объединить такие разные свойства, как твердость, прочность и пластичность, в сочетании с малым удельным весом.
Известен способ получения композиционного материала с металлической или интерметаллидной матрицей, включающий приготовление исходной заготовки из порошковых материалов, ее механическую обработку в мельнице, нагрев исходной заготовки до температуры начала экзотермической реакции и последующую кристаллизацию (Патент РФ №2263089).
Однако данный способ разработан для получения анизотропной структуры и использует в качестве исходных компонентов порошковые материалы, поэтому зоны металла и интерметаллида расположены не слоями, а в виде отдельных включений, в результате чего получаемый материал не будет обладать противоударными свойствами.
Известен способ получения изделия из композиционного материала на основе интерметаллидной матрицы, армированной монокристаллическими керамическими пластинами. Способ включает сборку покрытых слоями первого и второго металлов монокристаллических керамических пластин в чередующемся порядке в слоистую заготовку и нагрев полученной заготовки до температуры, при которой металлические слои на керамических пластинах образуют между собой интерметаллидное соединение. В зависимости от требуемого состава интерметаллида, между пластинами можно дополнительно размещать слои фольги одного из металлов. В результате изделие содержит интерметаллидную матрицу и жаропрочный керамический упрочнитель в виде чередующихся слоев (Патент РФ №2283727).
Недостатком данного способа является то, что получаемому материалу трудно придать сложную форму, так как керамические пластины не поддаются пластической деформации, что ограничивает область их применения.
Известен способ получения интерметаллидного композиционного материала с возможностью получения разнообразных сложных форм и регулирования состава, по которому металлическую фольгу разных металлов (например, 100 слоев титановой фольги и 100 слоев никелевой фольги) укладывают в чередующемся порядке и полученную слоистую заготовку подвергают прессованию при высокой или низкой температуре с последующим диффузионным отжигом при 950°С в течение 8 часов (Заявка JP №1031938).
Недостатком данного способа является то, что получаемый в результате материал не имеет слоистую структуру, а представляет собой интерметаллид. Кроме того, необходимое время его обработки достаточно длительное, поэтому материал будет дорогим, а производительность способа низкой.
За прототип принят способ получения композиционного материала с интерметаллидной матрицей, включающий сборку в пакет чередующихся слоев фольги первого металла, такого как Ti, Ni, V, Fe, и фольги второго металла, такого как алюминий и его сплавы, способного образовывать с первым металлом интерметаллидное соединение, с последующим прессованием полученной исходной заготовки в механическом прессе при определенных температуре и давлении в течение времени не менее 10 часов, в результате чего второй металл (алюминий) полностью реагирует с первым и становится зоной интерметаллидного соединения, а итоговый материал представляет собой монолитный материал, в котором зоны первого металла (например, титана) чередуются с интерметаллидными зонами (алюминидом титана) (Патент США №6357332).
Недостатком этого способа является сложность и технологическая длительность, необходимая для полного проведения твердофазной диффузии исходных материалов, в результате чего стоимость такого материала будет очень высокой, а технологический процесс неоправданно длительным. При формировании материала таким способом возможно очаговое схватывание по границе раздела слоев, что характеризует резкое снижение свойств конечного продукта. Также существует возможность окисления титановой фольги и, как следствие, получения дефектного материала.
Технической задачей данного изобретения является изыскание простого способа получения тугоплавкого, стойкого к удару композиционного материала, состоящего из слоев металла и интерметаллида, достижение высокого уровня выхода годного с минимальным временем формирования материала.
Для достижения поставленной задачи предложен способ получения композиционного материала, включающий сборку пакета, состоящего из слоев, выполненных в виде фольги из одного или более металлов, выбранных из группы Ti, Ni, V, Fe или их сплавов, и последующее прессование пакета при температуре и давлении, необходимых для получения интерметаллидного соединения, отличающийся тем, что на верхнюю и нижнюю сторону каждого слоя фольги предварительно наносят покрытие из порошка Al или его сплава методом холодного газодинамического напыления.
Существенным отличием является то, что вместо фольги второго металла, такого как алюминий и его сплавы, используют порошок алюминия или его сплава, который наносится на поверхность фольги металла, такого как Ti, Ni, V, Fe или их сплавы холодным газодинамическим напылением. При этом за счет нанесения алюминиевого порошка или его сплава на поверхность фольги из указанного металла образуется металлическая связь по границе раздела двух металлов, которая ведет к снижению времени формирования композиционного материала при прессовании. К тому же исключается необходимость в проведении подготовки поверхности фольги (механическая зачистка, химическое травление и т.д.), что в свою очередь упрощает технологический процесс, увеличивает начальную температуру прессования на (150-200)°С и, тем самым, сокращает производственный цикл. При этом размер порошка влияет только на толщину наносимого слоя. Выбор соотношений толщин матричного слоя и интерметаллидного слоя определяется на этапе формирования материала в зависимости от поставленной задачи. После чего производится сборка фольги с напыленным на них алюминием или алюминиевым сплавом, с последующим прессованием полученной исходной заготовки в прессе при определенной температуре и давлении в течение 3-4 часов, в результате чего алюминий полностью реагирует с металлом фольги и становится зоной инерметаллидного соединения, а итоговый материал представляет собой монолитный материал, в котором зоны металла фольги (Ti, Ni, V, Fe или их сплавы) чередуются с интерметаллидными зонами.
В итоге, благодаря нанесению на поверхность фольги из металла, такого как Ti, Ni, V, Fe или их сплавов порошка алюминия или его сплавов исключается возможность окисления поверхности фольги металла, формируется качественный контакт по всей поверхности раздела с последующим образованием интерметаллидного слоя при относительно малом времени прессования. При этом время использования полуфабриката увеличивается до 30 суток.
Пример 1
Получение композиционного материала состава Ti-TiAl.
окис
Исходную титановую фольгу марки ВТ1-0 толщиной 0,02 мм покрывали с двух сторон слоем порошка алюминия толщиной 10-100 мкм методом холодного газодинамического напыления при Т<Т. Нарезали 100 заготовок из указанной фольги марки ВТ1-0 размером 150×150 мм. Проводили их обезжиривание этиловым спиртом и сушку в сушильном шкафу при 120°С в течение 30 мин. Полученные заготовки укладывали в пакет и подвергали холодной штамповке для получения заготовки требуемой формы. Далее форму с отштампованной заготовкой нагревали и выдерживали при температуре 650°С в прессе под давлением в течение 180 минут и охлаждали до комнатной температуры. Полученный полуфабрикат извлекали из пресс-формы и подвергали механической доработке с торцов. При получении композиционного материала предложенным способом, выход годного составил 95%.
Пример 2
Получение композиционного материала состава Ni-NiAl.
Исходную никелевую фольгу толщиной 0,02 мм покрывали с двух сторон слоем порошка алюминиевого сплава марки Д16 толщиной 10-100 мкм. Нарезали 100 заготовок из указанной фольги размером 150×150 мм. Полученные заготовки укладывали в пакет и подвергали холодной штамповке для получения заготовки требуемой формы. Далее форму с отштампованной заготовкой нагревали, выдерживали при температуре 650°С в прессе под давлением в течение 40 минут и охлаждали до комнатной температуры. Полученный полуфабрикат извлекали из пресс-формы и подвергали механической доработке с торцов. При получении композиционного материала предложенным способом, выход годного составил 93%.
Пример 3
Получение гибридного композиционного материала состава Ti-TiAl-Ni-NiAl.
Исходную титановую фольгу марки ВТ1-0 толщиной 0,02 мм покрывали с двух сторон слоем порошка алюминия толщиной 10-100 мкм. Нарезали 50 заготовок из указанной фольги марки ВТ1-0 размером 150×150 мм. Исходную никелевую фольгу толщиной 0,02 мм покрывали с двух сторон слоем порошка алюминия толщиной 10-100 мкм. Нарезали 50 заготовок из указанной фольги размером 150×150 мм. Проводили их обезжиривание этиловым спиртом и сушку в сушильном шкафу при 120°С в течение 30 мин. Полученные заготовки укладывали в пакет и подвергали холодной штамповке для получения заготовки требуемой формы. Далее форму с отштампованной гибридной заготовкой нагревали, выдерживали при температуре 650°С в прессе под давлением в течение 180 минут и охлаждали до комнатной температуры. Полученный полуфабрикат извлекали из пресс-формы и подвергали механической доработке с торцов. При получении композиционного материала предложенным способом, выход годного составил 91%.
Пример 4 (по прототипу). Получение образца слоистого материала Ti-TiAl
Взяли 40 слоев фольги алюминия толщиной 0,025 мм и 40 слоев титановой фольги толщиной 0,125 мм. Уложили их в чередующемся порядке в форме механического пресса и производили постепенный нагрев заготовки до 600°С в присутствии атмосферных газов под давлением 4 МПа. Нагрев и выдержку проводили таким образом, чтобы не допустить разбрызгивания слоев алюминия: после 3 часов нагрева, когда алюминий начал размягчаться, давление уменьшили до 2 МПа, а температуру поднимали до 700°С. По истечении 10 часов давление вновь увеличили до 4 МПа, температуру - до 750°С, при этих условиях выдержали еще 4 часа. После 14 часов обработки образцу дали остыть под давлением. При получении композиционного материала известным способом, выход годного составил 85%.
Результаты свойств материалов, полученных по вышеописанным примерам, представлены в таблице.
Таблица свойств
Выход годного, %
Время прессования, мин
Характер формирования слоев
Пример 1
95
180
Сплошное
Пример 2
93
40
Сплошное
Пример 3
91
180
Сплошное
Пример 4 по прототипу
85
840
Очаговое
Таким образом, предложенный способ позволяет получать целый ряд металлических композиционных материалов с высоким уровнем твердости, прочности, пластичности, малым удельным весом, высоким уровнем выхода годного без применения специального оборудования и малом времени формирования слоевого композиционного материала. Применение предлагаемого способа позволит повысить качество и надежность изделий из МКМ.
Благодаря применению предложенного способа, можно получать целый ряд композиционных материалов с высоким сопротивлением удару.