Устройство для получения изделия из металломатричного композиционного материала

Полезная модель относится к устройствам для получения изделий из металломатричных композиционных материалов, в частности, к устройствам для пропитки расплавом матричного металла проницаемой пористой преформы из керамического материала упрочнителя. Технической задачей данной полезной модели является создание устройства для получения изделия из металломатричного композиционного материала методом пропитки под давлением с более низкой стоимостью и со значительным сокращением времени технологического цикла, обеспечивающего получение изделий с плотной бездефектной структурой. Для решения поставленной задачи предложено устройство для получения изделия из металломатричного композиционного материала, включающее прессовый сосуд, тигель для расплава матричного металла, емкость с материалом упрочнителя, систему вакуумирования и подачи газа, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит нижнюю неподвижную плиту, на которую устанавливают прессовый сосуд, и верхнюю подвижную плиту, которая герметично соединена с торцами прессового сосуда, тигель для расплава матричного металла расположен в нижней части прессового сосуда, а в верхней его части расположен держатель, предназначенный для погружения емкости с материалом упрочнителя в тигель с расплавом матричного металла. Предлагаемое устройство существенно сокращает продолжительность технологического процесса (до 5 мин), что дает возможность организовать непрерывное производство. Кроме того, простота устройства позволяет снизить стоимость технологического процесса и, следовательно, снизить стоимость производимых на устройстве изделий. Осуществление герметизации прессового сосуда с помощью верхней плиты позволяет использовать прессовые сосуды различного диаметра и объема, в зависимости от размеров получаемых изделий, что расширяет возможности устройства (Фиг.1).

Полезная модель относится к устройствам для получения изделий из металломатричных композиционных материалов, в частности, к устройствам для пропитки расплавом матричного металла проницаемой пористой преформы из керамического материала упрочнителя.

Известно устройство для получения изделия из металломатричного композиционного материала методом принудительной пропитки, включающее прессовый сосуд с герметичной крышкой, емкость для материала упрочнителя и приспособление для подачи газа в прессовый сосуд. В прессовый сосуд помещают емкость с вибрационно уплотненным керамическим порошком, сверху наливают расплав матричного металла и обеспечивают в прессовом сосуде высокое давление газа. Матричный металл принудительно заполняет поры материала упрочнителя и кристаллизуется, образуя металломатричный композиционный материал (Патент США 6502623).

Устройство может быть выполнено в двух вариантах. В первом случае прессовый сосуд имеет нагреватели, а матричный металл в виде блока размещают на поверхности материала упрочнителя. Нагреватели включают, нагревают содержимое прессового сосуда, пока не расплавится матричный металл. После этого прессовый сосуд наполняют газом, обеспечивая высокое давление. Когда матричный металл заполнит поры керамического материала упрочнителя, нагреватели отключают для его кристаллизации. Во втором варианте прессовый сосуд не снабжен нагревателями, расплавление матричного металла и нагрев материала упрочнителя происходит вне прессового сосуда. Емкость с материалом упрочнителя ставят на дно прессового сосуда, на его поверхность наливают расплав матричного металла, закрывают герметичную крышку и подают в прессовый сосуд давление газа.

Матричный металл проникает в поры материала упрочнителя и кристаллизуется, образуя металломатричный композиционный материал.

Недостатком первого варианта устройства является то, что нагреваемый прессовый сосуд снабжен водным охлаждением, что значительно усложняет и утяжеляет всю конструкцию. Кроме того, время технологического цикла будет увеличено, так как при каждой новой закладке исходных материалов необходимо ждать расплавления матричного металла. Недостатком второго варианта устройства является то, что в нем не предусмотрено вакуумное оборудование для удаления воздуха из пористого материала упрочнителя и из объема прессового сосуда. В результате того, что воздух остается в порах материала упрочнителя, невозможно получить плотное бездефектное изделие.

За прототип принято устройство для получения изделия из металломатричного композиционного материала методом пропитки под давлением, включающее прессовый сосуд, пропиточную камеру, в которой находится емкость с материалом упрочнителя, тигель для расплава матричного металла, нагревательные элементы у пропиточной камеры и у тигля, и систему вакуумирования и заполнения газом пропиточной камеры. Тигель с матричным металлом находится в верхней части устройства, а в нижней его части, в пропиточной камере, расположена емкость, содержащая пористый материал упрочнителя в виде порошка, либо в виде компактированных заготовок из него. Пропиточную камеру и прессовый сосуд герметизируют и вакуумируют. Тигель и емкость с материалом упрочнителя нагревают до температуры, превышающей точку плавления матричного металла в течение 0,5-2 часов в зависимости от объема металла, после чего в устройство поступает инертный газ, и матричный металл под давлением газа пропитывает материал упрочнителя, затем проводят кристаллизацию полученного изделия (Патент США 5941297).

Недостатком данного устройства является необходимость обеспечения нагревательными элементами как емкости с материалом упрочнителя, так и тигля с матричным металлом, что вместе с системой охлаждения делает устройство громоздким и дорогостоящим, а время технологического цикла увеличивается из-за необходимости прогрева и плавления матричного металла. Еще один недостаток данного устройства заключается в том, что подача расплава матричного металла производится сверху в емкость с материалом упрочнителя, в результате чего возможно захлестывание пузырьков остаточных газов объемом металла и блокирование их в замкнутом объеме заготовки, что не позволит получить бездефектное изделие.

Технической задачей данной полезной модели является создание устройства для получения изделия из металломатричного композиционного материала методом пропитки под давлением с более низкой стоимостью и со значительным сокращением времени технологического цикла, обеспечивающего получение изделий с плотной бездефектной структурой.

Для решения поставленной задачи предложено устройство для получения изделия из металломатричного композиционного материала, включающее прессовый сосуд, тигель для расплава матричного металла, емкость с материалом упрочнителя, систему вакуумирования и подачи газа, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит нижнюю неподвижную плиту, на которую устанавливают прессовый сосуд, и верхнюю подвижную плиту, которая герметично соединена с торцами прессового сосуда, тигель для расплава матричного металла расположен в нижней части прессового сосуда, а в верхней его части расположен держатель, предназначенный для погружения емкости с материалом упрочнителя в тигель с расплавом матричного металла.

Прессовый сосуд выполнен в виде металлической емкости цилиндрической формы. В верхнем торце прессового сосуда выполнена канавка полукруглого или прямоугольного сечения для размещения герметизирующей прокладки.

На Фиг.1 представлена схема устройства для получения изделия из металломатричного композиционного материала, где:

1 - верхняя подвижная плита устройства,

2 - герметизирующая прокладка,

3 - прессовый сосуд,

4 - держатель для погружения емкости с материалом упрочнителя в тигель,

5 - емкость с материалом упрочнителя,

6 - заготовка из материала упрочнителя,

7 - тигель для расплава матричного металла,

8 - расплав матричного металла,

9 - нижняя неподвижная плита устройства,

10 - канавка полукруглого или прямоугольного сечения.

Работа устройства осуществляется следующим образом: тигель 7 с расплавом матричного металла 8 устанавливают в прессовый сосуд 3. Емкость 5, содержащую материал упрочнителя в виде пористой заготовки 6, устанавливают над тиглем 7 с помощью держателя 4. Верхнюю плиту устройства 1 опускают на верхний торец прессового сосуда 3, обеспечивая герметизацию с помощью герметизирующей прокладки 2, размещенной в канавке 10, и создавая давление 30 т. Устройство вакуумируют с помощью форвакуумного насоса до 2×10 ^-3 мм рт ст. Емкость для материала упрочнителя 5 с пористой заготовкой 6 опускают под слой расплава матричного металла 9 с помощью держателя 4. В устройство подают инертный газ (азот) под давлением, необходимым для принудительной пропитки заготовки (~60 атм), после чего выдерживают усройство под давлением в течение 1 мин. После этого давление газа сбрасывают и поднимают подвижную верхнюю плиту 1. Тигель 7 вместе с емкостью 5 и пропитанной заготовкой 6 извлекают из прессового сосуда 3, после чего емкость 5 извлекают из тигля 7 с расплавом 8 и помещают обратно в прессовый сосуд 3, который вновь герметизируют и подают в него давление инертного газа, при котором происходит кристаллизация матричного металла. Давление сбрасывают, открывают прессовый сосуд и извлекают из него изделие из металломатричного композиционного материала.

Изделие из металломатричного композиционного материала Al-70%SiC, полученное с помощью предлагаемого устройства, имело плотную равномерную структуру, не содержало пор и раковин.

В качестве материала упрочнителя могут быть использованы карбиды, нитриды и оксиды кремния и алюминия. В качестве матричного металла могут быть использованы алюминий, магний, медь или их сплавы.

Предлагаемое устройство существенно сокращает продолжительность технологического процесса (до 5 мин), что дает возможность организовать непрерывное производство. Кроме того, простота устройства позволяет снизить стоимость технологического процесса и, следовательно, снизить стоимость производимых на устройстве изделий. Осуществление герметизации прессового сосуда с помощью верхней плиты позволяет использовать прессовые сосуды различного диаметра и объема, в зависимости от размеров получаемых изделий, что расширяет возможности устройства.

1. Устройство для получения изделия из металломатричного композиционного материала, включающее прессовый сосуд, тигель для расплава матричного металла, емкость с материалом упрочнителя, систему вакуумирования и подачи газа, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит нижнюю неподвижную плиту, на которую устанавливают прессовый сосуд, и верхнюю подвижную плиту, которая герметично соединена с торцами прессового сосуда, тигель для расплава матричного металла расположен в нижней части прессового сосуда, а в верхней его части расположен держатель, предназначенный для погружения емкости с материалом упрочнителя в тигель с расплавом матричного металла.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что прессовый сосуд выполнен в виде металлической емкости цилиндрической формы, в верхнем торце которого выполнена канавка полукруглого или прямоугольного сечения для размещения герметизирующей прокладки.