Порошковый материал на основе моноалюминида никеля и способ его получения

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ПОРОШКОВЫЙ МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ МОНОАЛЮМИНИДА НИКЕЛЯ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт порошковой металлургии(72) Авторы Беляев Андрей Васильевич Талако Татьяна Леонидовна Лецко Андрей Иванович Витязь Петр Александрович Ильющенко Александр Федорович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт порошковой металлургии(57) 1. Порошковый материал на основе моноалюминида никеля, содержащий 3-6 мас.хрома, растворенного в решетке моноалюминида никеля, полученный методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, отличающийся тем, что дополнительно содержит вторичные включения твердого раствора никеля и алюминия в -хроме,формирующиеся в процессе получения порошкового материала из экзотермической смеси, включающей 24-36 мас.порошка алюминия и порошок нихромового сплава, содержащий 15-50 мас.хрома. 2. Материал по п. 1, отличающийся тем, что он дополнительно упрочнен одним из упрочнителей, выбранным из группы, включающей оксиды, карбиды, бориды и нитриды. 10317 1 2008.02.28 3. Способ получения порошкового материала на основе моноалюминида никеля,включающий приготовление экзотермической смеси порошков, содержащей алюминий,обработку смеси в высокоэнергетической мельнице в течение 0,2-4,0 часов, уплотнение и/или компактирование и нагрев до инициирования реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, отличающийся тем, что для приготовления экзотермической смеси берут 24-36 мас.порошка алюминия и порошок нихромового сплава, содержащий 15-50 мас.хрома. 4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что в экзотермическую смесь дополнительно вводят упрочнитель, выбранный из группы, включающей оксиды, карбиды, бориды и нитриды. Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к получению порошковых материалов методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). Известны интерметаллические сплавы на основе алюминидов, характеризующиеся уникальными свойствами для конструкционных применений при повышенной температуре в неблагоприятной окружающей среде 1. Их достоинства включают хорошую высокотемпературную прочность, стойкость к окислению и коррозии, сравнительно низкую плотность и высокую температуру плавления. Однако большинство интерметаллических сплавов характеризуются хрупким разрушением и низкой ударной вязкостью при обычной температуре, и их использование в качестве конструкционных материалов ограничено во многих случаях их низкой стойкостью к разрушению и ограниченной обрабатываемостью. Кроме того, ряд интерметаллидов чувствителен к влаге окружающей среды при пониженных температурах. Известны композиционные материалы, представляющие собой интерметаллид, упрочненный включениями вторичных фаз, формирующимися непосредственно в процессе получения материала методом быстрой кристаллизации, причем вторичная фаза включает борид, карбид, оксид, нитрид, силицид, сульфид и др., или интерметаллид одного или более металлов, отличных от материала матрицы 2. Однако количество и тип упрочняющих включений ограничены предельной растворимостью легирующих элементов в расплаве и возможностями термической обработки. Известно, что хром является одним из наиболее широко используемых легирующих элементов, повышающих свойства алюминидов никеля 3. Он повышает стойкостьк окислению, подавляя формирование метастабильных модификаций оксидов алюминия в диапазоне температур 900-1000 С и способствуя формированию плотной мелкозернистой защитной пленки -23, обеспечивающей высокую коррозионную стойкость алюминидов никеля 4 а также повышает механические свойства . Известны два механизма упрочнения моноалюминида никеля хромом твердорастворное упрочнение и упрочнение тонкими включениями - 5. Однако растворимость хрома впри комнатной температуре составляет примерно 1 ат. . При этом атомный мисфит, создаваемый хромом,относительно мал. Таким образом, уровень твердорастворного упрочнения алюминида никеля хромом сравнительно невысок. Напротив, растворимость хрома вблизи эвтектической температуры составляет около 10 ат. , создавая потенциал для упрочнения выделениями -. Поэтому считается, что в легированных хромом фазах значительное упрочнение обеспечивается повышенной объемной долей тонких выделений -. Однако известно, что экспериментальное увеличение предела текучести моноалюминида никеля при растворении хрома в твердом растворе составляет 287 МПа/ат., а при выделении вторичных включений - (в форме частиц размером 20 нм) - только 20 МПа/ат.3. При этом известно, что механическое легирование значительно повышает растворимость хрома в твердом соединении . 2 10317 1 2008.02.28 В качестве прототипа выбран материал на основе алюминида никеля, получаемый механическим легированием элементарных порошков в соотношении 50-50, где 5-25 с последующей высокотемпературной обработкой, в результате которой полностью разупорядоченное соединение , формирующееся после 20 часов размола порошков, при содержании хрома 20-25 при высокой температуре распадается на нанокристаллические фазы - , -3(, ) и - 6, и способ получения алюминидов переходных металлов, включающий приготовление экзотермической смеси,содержащей по крайней мере один упрочнитель, выбранный из группы карбидов, оксидов,боридов, нитридов, причем саму смесь готовят из алюминия и объемнолегированного порошка, содержащего 2-30 об.упрочнителя и остальное - переходный металл, самораспространяющийся высокотемпературный синтез и горячее деформирование продуктов ситеза 7. Способ позволяет получать алюминиды переходных металлов с равномерным распределением упрочнителя по всему их объему, что, в свою очередь, приводит к повышению механических свойств, а именно жаропрочности. Техническая задача, которую решает предлагаемое изобретение, заключается в создании порошкового материала на основе моноалюминида никеля с повышенными механическими свойствами и жаростойкостью. Поставленная техническая задача решается тем, что порошковый материал на основе моноалюминида никеля, содержащий 3-6 мас.хрома, растворенного в решетке моноалюминида никеля, дополнительно содержит вторичные включения твердого раствора никеля и алюминия в -, формирующиеся в процессе получения порошкового материала методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза из экзотермической смеси, включающей 24-36 мас.порошка алюминия и порошок нихромового сплава, содержащий 15-50 мас.хрома. Для этого готовят смесь порошков алюминия и нихромового сплава, содержащего не менее 15 и не более 50 мас.хрома, при содержании алюминия от 24 до 36 мас. , подвергают ее предварительной обработке в высокоэнергетической мельнице в течение 1-4 часов, уплотняют и/или компактируют, и нагревают до инициирования реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Механические свойства материала можно дополнительно повысить введением в реакционную смесь частиц упрочнителя, выбранного из группы карбидов, оксидов, боридов, нитридов. Предлагаемый способ поясняется фигурами 1 и 2. на которых представлена структура порошков - (фиг. 1) и -/2 (фиг. 2), полученных по предлагаемому изобретению. Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем. В рассматриваемой системе ведущей реакцией СВС является реакция взаимодействия никеля и алюминия с образованием моноалюминида никеля,обеспечивающая необходимое для самораспространения волны горения тепловыделение. Формирование алюминида осуществляется по механизму реакционной диффузии и контролируется диффузией алюминия в решетку никеля. Однако, поскольку исходным компонентом является не элементарный никель, а нихромовый сплав, в котором часть атомов никеля замещена атомами хрома, а процесс характеризуется высокой скоростью, хром не успевает диффундировать из решетки никеля, в результате чего формируется неравновесный интерметаллид с высоким содержанием хрома, который является неустойчивым и в процессе охлаждения распадается на легированный интерметаллид и включения избыточной фазы на основе альфа-хрома. Благодаря предварительной механообработке реакционной смеси, в процессе которой достигается гомогенное распределение компонентов,очистка порошков от поверхностных оксидных пленок, увеличение контактной поверхности, создание дефектной кристаллической структуры с высокой взаимной растворимостью компонентов, а также взаимная диффузия реагентов, включения - распределены рав 3 10317 1 2008.02.28 номерно, а интерметаллид характеризуется повышенным содержанием хрома, связанным с тем, что хром в решетке алюминида никеля замещает не только положения никеля, но и алюминия. Продукт характеризуется повышенной прочностью и пластичностью при комнатной температуре и повышенной жаростойкостью. Механические свойства материала можно дополнительно повысить введением в реакционную смесь частиц упрочнителя, выбранного из группы оксидов, карбидов, боридов, нитридов. Установленные ограничения на относительное содержание алюминия в реакционной смеси связаны с границами получения моноалюминида никеля. При использовании нихромового сплава с меньшим содержанием хрома не наблюдается дополнительного упрочнения материала включениями -,при содержании хрома более 50 концентрации никеля недостаточно для синтеза материала в режиме СВС. Уменьшение времени механохимической активации менее 1 часа не приводит к требуемому уровню гомогенизации и механоактивации. Обработка реакционной смеси более 4 часов может приводить к началу взаимодействия непосредственно в мельнице. При этом теряется часть химической энергии, падает общее тепловыделение, температура и скорость горения, приводя к неполноте превращения в системе. Изобретение дает возможность получать СВС - порошковые материалы на основе моноалюминида никеля с повышенными механическими свойствами и жаростойкостью за счет повышенного содержания растворенного в решетке алюминида никеля хрома и большого количества упрочняющих включений твердого раствора на основе -, равномерно распределенных в структуре материала. Сущность изобретения иллюстрируется следующими примерами. Пример 1 Готовили реакционную смесь порошков 20-А 1 с относительным содержанием алюминия 30 мас. . Смесь подвергали механохимической активации в аттриторе в течение 3 часов при скорости вращения импеллера 190 об/мин и соотношении массы шаров и порошка 41. Реакционную смесь засыпали в контейнер, уплотняли, помещали последний в нагревательное устройство и осуществляли нагрев до температуры воспламенения. После окончания реагирования и остывания материала контейнер разгружали, спек подвергали дроблению на щековой дробилке с последующим размолом и классификацией. Структура полученного порошка представлена на фиг. 1. Фазовый состав материала согласнои МРСА включает интерметаллиди вторичные включения твердого раствора на основе -. Интерметаллид содержит 3-6 хрома, а вторичные включения на основе хрома - до 25 никеля и до 15 алюминия. Микротвердость материала составляет в среднем 4,2 ГПа (по сравнению с 3,2-3.5 ГПа для моноалюминида никеля, полученного по традиционной технологии СВС из смеси порошковпри содержании алюминия в реакционной шихте 30 мас. ). При этом не наблюдается характерного для неупрочненногорастрескивания при индентировании и формирования окислов вдоль определенных границ зерен, вызывающих последующее разрушение интерметаллида. Пример 2 В условиях примера 1 в реакционную смесь дополнительно вводили 3 об.порошка 2 с размером частиц 0,5-3 мкм. Структура полученного порошка представлена на фиг. 2. Материал дополнительно содержит тонкие оксидные включения. Микротвердость материала составляет - 4,7 ГПа. Растрескивания при индентировании и избирательного межзеренного окисления материала также не наблюдается. Пример 3 В условиях примера 2 вместо порошка 2 в реакционную смесь дополнительно вводили 2 об.порошка . Получали композиционный порошок -/ со структурой, аналогичной представленной на фиг. 2, и микротвердостью 4,5 ГПа. 10317 1 2008.02.28 Пример 4 В условиях примера 2 вместо порошка 2 в реакционную смесь дополнительно вводили 3 об.порошка 2. Получали композиционный порошок -/2 со структурой, аналогичной представленной на фиг. 2, и микротвердостью 4,9 ГПа. Пример 5 В условиях примера 2 вместо порошка 2 в реакционную смесь дополнительно вводили 2 об.порошка 34. Получали композиционный порошок -/34 со структурой, аналогичной представленной на фиг. 2, и микротвердостью 4,8 ГПа. Благодаря повышенному содержанию растворенного в решетке алюминида никеля хрома и большому количеству упрочняющих включений твердого раствора на основе- полученные порошковые материалы характеризуются повышенными механическими свойствами и жаростойкостью. Источники информации 1.С.Т. , . , , . Н. . .// . - 5 (1997). - 579-596. 2.4915905,22 1/00, С 22 С 32/00, 1990. 3. , .- //, .. ,,. 1993. - . 513-522. 4. .// . - 1999. - . 7. - . 1153-1158. 5. , , , , . .// . - 1999.-. 7. - . 523-532. 6. . ,,,. Исследование механического легирования системы//. . 2000. - 36. о. 8. - . 883-888 (прототип). 7.2032496, В 22 3/14, С 22 С 1/05, 1995 // Бюл.10 (прототип). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5