СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ
PRODUCTION OF HIGH-TEMPERATURE NICKEL-BASED COMPOSITE

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способам получения высокотемпературных композиционных материалов на основе никеля для изготовления деталей горячего тракта газотурбинных двигателей (ГТД).
Основной проблемой дальнейшего увеличения эксплутационных характеристик современных ГТД является сохранение механических свойств используемых материалов при повышении рабочих температур двигателя. Легирование никелевой матрицы позволяет увеличить окалиностойкость материала с одновременным увеличением низкотемпературной прочности. Повышение жаропрочности никелевых сплавов возможно за счет введения наноразмерных частиц тугоплавких оксидов в объем матрицы, обеспечивающих связь на границах зерен и уменьшения межзеренного проскальзывания.
Известен способ получения композиционного материала, включающий приготовление экзотермической смеси порошков переходного металла и алюминия, а также дополнительного упрочнителя из группы карбидов, оксидов, боридов, нитридов, получение сплава методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза и горячее деформирование полученного сплава. Способ позволяет получать алюминиды переходных металлов с равномерным распределением упрочнителя по объему (RU 2032496 С1, 10.04.1995).
Недостатками описанного способа являются взрывоопасность производственного процесса, использование дорогостоящего оборудования и операций нагрева и вакуумирования больших объемов компонентов сплава.
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, 27.10.2005).
Недостатком этого способа является использование трудоемких процессов плавления и кристаллизации сплава.
Известен способ получения композиционного материала состава, ат.%: алюминий 35-48, никель 23-48, ниобий и/или титан до 12, вольфрам и/или молибден 30-4. Способ включает приготовление порошкообразного моноалюминида никеля, его компактирование и спекание, при этом перед компактированием на поверхность частиц моноалюминида никеля наносят покрытие из тугоплавкого металла вольфрама и/или молибдена толщиной 1-5 мкм (RU 2135619 С1, 27.08.1999).
Данный способ получения отличается высокой трудоемкостью и многостадийностью, а рабочие температуры композиционного материала не превышают 1200°C.
2
3
Наиболее близким аналогом является способ получения композиционного материала на основе моноалюминида никеля, упрочненного частицами YO, заключающийся в смешивании порошка сплава матрицы и оксида иттрия, экструдировании полученной смеси при температуре 1100-1200°C с коэффициентом вытяжки не менее 15 и последующей термической и механической обработки продуктов экструзии. Полученный сплав обладает прочностью ~190 МПа при 1100°C (RU 2371496 С1, 27.10.2009).
2
Недостатком этого способа является низкая вязкость разрушения при комнатной температуре получаемых композиционных материалов (8-10 МПа·м).
3
Техническим результатом заявленного способа является получение композиционного материала на основе никелевой матрицы, упрочненного оксидом алюминия, с прочностью на растяжение при комнатной температуре не менее 900 МПа и плотностью ≤8,0 г/см.
Технический результат достигается в предложенном способе получения композиционного материала на основе никеля, включающем перемешивание порошков для приготовления матрицы материала и дисперсного порошка оксида металла, механическое легирование полученной смеси, компактирование и прокатку полученного сплава, при этом порошки перемешивают с получением смеси, содержащей: 7,5-8,5 мас. % алюминия, 4-5 мас. % хрома, 2-2,5 мас. % вольфрама, 2,5-3,5 мас. % кобальта, 0,8-1,5 мас. % титана, объемное содержание оксида металла - 1-3,5%, Ni - остальное, механическое легирование проводят в высокоэнергетической установке для размола и смешивания в защитной атмосфере в течение 40-60 часов, компактирование проводят методом горячей экструзии при температуре 1100-1250°C и с коэффициентом вытяжки 11-16, полученный сплав в виде прутков экструдата прокатывают вдоль направления экструзии при температуре 950-1150°C и коэффициенте деформации 15-20% за один проход.
Порошок для приготовления матрицы материала предпочтительно получать путем выплавки никеля, алюминия, титана, хрома, вольфрама, молибдена, кобальта и дальнейшего распыления полученного расплава. Предварительное плавка и распыление матричного сплава позволяет значительно уменьшить содержание газов в получаемом материале.
В качестве дисперсного порошка оксида металла можно использовать, например, порошки оксида иттрия или оксида циркония, однако предпочтительно использовать наноразмерный порошок оксида алюминия или оксида гафния. Указанные оксиды обладают высокой термодинамической устойчивостью и не взаимодействуют с матрицей получаемого материала.
После перемешивания порошков и оксида металла проводят механическое легирование смеси в высокоэнергетической установке для размола и смешивания (аттриторе) с защитной атмосферой инертного газа. Высокоэнергетический помол обеспечивает механическое активирование порошка матричного материала, а также позволяет производить перемешивание одновременно с помолом, во время которого происходит механическая активация смеси, увеличивается контакт между частицами порошка, уменьшается пористость, происходит деформация или разрушение отдельных частиц порошка.
Оптимальное время механического легирования, при котором происходит необходимое измельчение и перемешивание компонентов сплава, составляет 40-60 часов.
Готовый порошок экструдируют с коэффициентом вытяжки 11-16 при температуре 1100-1250°C для обеспечения направленной крупнозернистой микроструктуры сплава.
Анализ структуры с помощью растрового электронного микроскопа показал, что после экструзии в указанных режимах частицы оксидов металлов равномерно распределены в объеме материала, структура на поперечном шлифе - равноосная, на продольном - направленная. Однако в образцах наблюдалось наличие значительного количества пор и рыхлот.
С целью усовершенствования структуры полученные прутки прокатывают вдоль направления экструзии при температуре 950-1150°C и коэффициенте деформации 15-20% за один проход.
Примеры осуществления изобретения.
Пример 1
Получали композиционный материал на основе никеля, армированный дисперсными частицами оксида алюминия.
Проводили смешивание порошков до получения смеси следующего состава, масс. %: Al - 8,5, Cr - 5, Mo - 5, W - 2,2, Со - 3, Ti - 0,9, Ni - остальное, объемное содержание оксида алюминия - 2,5%.
Полученную порошковую смесь подвергали механическому легированию в высокоэнергетической установке для размола и смешивания (аттриторе) по следующему режиму: время обработки 40 часов, защитная атмосфера - аргон. Готовый порошок сплава экструдировали при температуре 1200°C с коэффициентом вытяжки 11. Полученные прутки сплава прокатывали в листы толщиной 8 мм вдоль направления экструзии при температуре 1100°C.
3
Полученный материал имел плотность - 7,23 г/см и прочность на растяжение 980 МПа при температуре 20°C.
Пример 2
Получали композиционный материал на основе никеля, армированный дисперсными частицами оксида гафния.
Проводили смешивание порошков для получения смеси следующего состава, масс. %: Al - 8,5, Cr - 5, Mo - 5, W - 2,2, Со - 3, Ti - 0,9, Ni - остальное, объемное содержание оксида гафния - 2,5%.
Полученную порошковую смесь подвергали механическому легированию в высокоэнергетической установке для размола и смешивания (аттриторе) по следующему режиму: время обработки 60 часов, защитная атмосфера - аргон. Готовый порошок сплава экструдировали при температуре 1100°C с коэффициентом вытяжки 15. Полученные прутки сплава прокатывали в листы толщиной 8 мм вдоль направления экструзии при температуре 1150°C.
3
Полученный материал имел плотность - 7,25 г/см и прочность на растяжение 950 МПа при температуре 20°C.
Пример 3
Получали композиционный материал на основе никеля, армированный дисперсными частицами оксида иттрия.
Проводили смешивание порошков до получения смеси следующего состава, масс. %: Al - 8,5, Cr - 5, Mo - 5, W - 2,2, Со - 3, Ti - 0,9, Ni - остальное, объемное содержание оксида иттрия - 3,5%.
Полученную порошковую смесь подвергали механическому легированию в высокоэнергетической установке для размола и смешивания (аттриторе) по следующему режиму: время обработки 50 часов, защитная атмосфера - аргон. Готовый порошок сплава экструдировали при температуре 1250°C с коэффициентом вытяжки 15. Полученные прутки сплава прокатывали в листы толщиной 8 мм вдоль направления экструзии при температуре 1000°C.
3
Полученный материал имел плотность - 7,29 г/см и прочность на растяжение 920 МПа при температуре 20°C.
Как показали экспериментальные данные, предложенный способ позволяет получать легкие композиционные материалы на основе никелевой матрицы с оксидным упрочнением с высокой прочностью на растяжение при комнатной температуре, которые могут применяться для изготовления деталей горячего тракта газотурбинных двигателей.