Способ получения композиционных изделий газостатической обработкой

Изобретение относится к способу получения композиционных материалов и может быть использовано для получения изделий, содержащих интерметаллидные соединения металлов, образующих исходную заготовку.

Аналогом заявляемого технического решения является способ изготовления композиционных материалов, содержащих Аl и Ti (пат. №2038192 C1, B22F 3/14, С22С 1/04 от 03.13.1992 г.). Согласно способу порошки Ti, плакированные Аl, подвергают холодному компактированию и последующему горячему прессованию при температурах ниже температуры плавления Аl с получением изделия из алюминида титана.

Недостатком способа является повышенное содержание кислорода за счет высокой удельной поверхности порошка и, следовательно, относительно низкие механические свойства получаемого композиционного материала. Наиболее близко к предлагаемому изобретению относится «Способ получения материала на основе легированного интерметаллического соединения» пат. №2119846 C1, B22F 3/14, B22F 3/24 от 01.21.1994 г., согласно которому смешивают легированные интерметаллидные порошки на основе алюминидов титана разной зернистости и состава, уплотняют их в газостате при давлении 100…300 МПа и температуре 1000…1150°С и затем термообрабатывают. При газостатической обработке происходит твердофазное спекание порошков.

Основным недостатком способа является сложность и трудоемкость изготовления, включающего вакуумную выплавку составов, их распыление, классификацию по размерам частиц, взвешивание необходимых количеств порошков и их тщательное перемешивание, засыпку порошков в капсулы, последующее компактирование в газостате, термообработку и механическую обработку, в результате чего стоимость изделий оказывается высокой.

Предлагаемое изобретение позволяет получить технический результат в виде снижения трудоемкости, стоимости и упрощения технологии производства изделий из композиционных материалов, содержащих интерметаллиды.

Технический результат достигается за счет того, что в предлагаемом способе получения композиционных изделий газостатической обработкой, включающем формирование заготовки, состоящей из основного металла и алюминия, горячее уплотнение заготовки в газостате и последующую термообработку, заготовку формируют путем размещения алюминия в виде вставок в полостях основного металла, выбранного из Fe, Ni, Ti, Nb, Zr, Ru, a горячее уплотнение заготовки ведут с обеспечением жидкофазного взаимодействия основного металла с алюминием с образованием интерметаллидного соединения на основе алюминидов, при этом на поверхность алюминиевых вставок наносят, по меньшей мере, одно покрытие из Cr, В, Mn, V, Со, Zr, Y, Mo, Nb, Hf, Ta, W, а также после горячего уплотнения заготовку подвергают горячей пластической деформации, при этом после термообработки изделия типа колец запрессовывают в детали из конструкционных материалов. Кроме того, в предлагаемом способе получения композиционных изделий газостатической обработкой заготовку формируют путем совместной намотки листов одинаковой ширины основного металла, выбранного из Fe, Ni, Ti, Nb, Zr, Ru, и алюминия, горячее уплотнение заготовки ведут с обеспечением жидкофазного взаимодействия основного металла с алюминием с образованием интерметаллидного соединения на основе алюминидов, при этом после горячего уплотнения заготовку подвергают пластической деформации, а также заготовку размещают в тонкостенной капсуле, внутренняя часть которой имеет покрытие из окислов или нитридов, и подают в газостат, после горячего уплотнения или термообработки капсулу удаляют, кроме того, после термообработки изделия типа колец запрессовывают в детали из конструкционных материалов.

Предложенный способ получения композиционных изделий поясняется примерами.

Пример 1. Исходная заготовка состоит из трубы из стали 1X13, внутри которой размещена ступенчатая втулка из стали 3, приваренная к трубе со стороны нижнего торца. В полости между трубой и втулкой установлена кольцевая вставка из алюминия. С верхнего торца кольцо прикрыто крышкой из стали 3. Заготовка подается в камеру газостата, производится ее нагрев в вакууме до температуры 680…700°С и выдержка при этой температуре 10…15 минут для выравнивания температуры по сечению заготовки. После этого производится подача рабочего газа (аргона или азота) в камеру газостата, последующее повышение температуры до 1220°С, выдержка при этой температуре и давлении до 200 МПа. В результате чего происходит жидкофазное взаимодействие основного металла с Аl с образованием алюминидов. Состав образующихся алюминидов определяется толщиной Аl, температурой обработки и временем выдержки. Наличие хрома в составе стали, способствует повышению пластичности образующегося алюминида железа (Fe₃Al) и позволяет отказаться от нанесения хромового покрытия на границе раздела заготовки и вставки.

После газостатической обработки заготовка подвергается горячей пластической деформации (раскатке) при температуре до 1200°С, в результате которой происходит увеличение диаметра заготовки и измельчение крупнокристаллической литой структуры. После термообработки и механической обработки получают биметаллическую втулку с внутренним слоем из высокотвердого и износостойкого алюминида, имеющего повышенные пластические характеристики при комнатной температуре.

Пример 2. Пакет из листов Ni толщиной 0,3 мм и Аl толщиной 0,1 мм плотно сворачивают в виде спирали и размещают в тонкостенной капсуле из стали 3, покрытой со стороны спирали окисью алюминия толщиной 0,1…0,2 мм. Капсула вакуумируется, герметизируется и подается в газостат. Производится закачка инертного газа и одновременный нагрев капсулы до температуры 620…640°С, при которой осуществляется выдержка. Благодаря давлению газа происходит обжатие капсулы и уплотнение спирали. Наличие оксидного покрытия внутри капсулы препятствует взаимодействию материалов спирали и капсулы. После газостатической обработки при температуре 1200°С и давлении до 200 МПа, термообработки, механического удаления капсулы получают втулку из Ni₃Al, которая может эксплуатироваться при повышенных температурах и контактных давлениях. Благодаря запрессовке втулки в гильзу, она работает в условиях сжатия, что приводит к повышению ее работоспособности.

Предлагаемое изобретение позволяет:

- упростить технологию, снизить трудоемкость и стоимость изготовления изделий из композиционных материалов, содержащих алюминиды,

- получить композиционное изделие, содержащее алюминид с требуемыми свойствами и требуемого состава,

- получить изделие, состоящее из однородного алюминида, свойства которого определяются режимом газостатической обработки, последующей пластической деформацией и термообработкой,

- повысить качество изделий за счет расположения А1 в основном металле в виде вставок, что существенно сокращает количество окислов и адсорбированных соединений за счет снижения поверхности по сравнению с порошковым вариантом,

- повысить работоспособность изделий,

так как в предложенном способе получения композиционных изделий газостатической обработкой, включающем формирование заготовки, состоящей из основного металла и алюминия, горячее уплотнение заготовки в газостате и последующую термообработку, заготовку формируют путем размещения алюминия в виде вставок в полостях основного металла, выбранного из Fe, Ni, Ti, Nb, Zr, Ru, а горячее уплотнение заготовки ведут с обеспечением жидкофазного взаимодействия основного металла с алюминием с образованием интерметаллидного соединения на основе алюминидов, при этом на поверхность алюминиевых вставок наносят, по меньшей мере, одно покрытие из Cr, В, Mn, V, Со, Zr, Y, Mo, Nb, Hf, Та, W, а также после горячего уплотнения заготовку подвергают горячей пластической деформации, при этом после термообработки изделия типа колец запрессовывают в детали из конструкционных материалов. Кроме того, в предлагаемом способе получения композиционных изделий газостатической обработкой заготовку формируют путем совместной намотки листов одинаковой ширины основного металла, выбранного из Fe, Ni, Ti, Nb, Zr, Ru, и алюминия, горячее уплотнение заготовки ведут с обеспечением жидкофазного взаимодействия основного металла с алюминием с образованием интерметаллидного соединения на основе алюминидов, при этом после горячего уплотнения заготовку подвергают пластической деформации, а также заготовку размещают в тонкостенной капсуле, внутренняя часть которой имеет покрытие из окислов или нитридов, и подают в газостат, после горячего уплотнения или термообработки капсулу удаляют, кроме того, после термообработки изделия типа колец запрессовывают в детали из конструкционных материалов.

1. Способ получения композиционных изделий газостатической обработкой, включающий формирование заготовки, состоящей из основного металла и алюминия, горячее уплотнение заготовки в газостате и последующую термообработку, отличающийся тем, что заготовку формируют путем размещения алюминия в виде вставок в полостях основного металла, выбранного из Fe, Ni, Ti, Nb, Zr, Ru, а горячее уплотнение заготовки ведут с обеспечением жидкофазного взаимодействия основного металла с алюминием с образованием интерметаллидного соединения на основе алюминидов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что на поверхность алюминиевых вставок наносят по меньшей мере одно покрытие из Cr, В, Mn, V, Со, Zr, Y, Mo, Nb, Hf, Та, W.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что после горячего уплотнения заготовку подвергают горячей пластической деформации.

4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что после термообработки изделия типа колец запрессовывают в детали из конструкционных материалов.

5. Способ по п.3, отличающийся тем, что после термообработки изделия типа колец запрессовывают в детали из конструкционных материалов.

6. Способ получения композиционных изделий газостатической обработкой, включающий формирование заготовки, состоящей из основного металла и алюминия, горячее уплотнение заготовки в газостате и последующую термообработку, отличающийся тем, что заготовку формируют путем совместной намотки листов одинаковой ширины основного металла, выбранного из Fe, Ni, Ti, Nb, Zr, Ru, и алюминия, горячее уплотнение заготовки ведут с обеспечением жидкофазного взаимодействия основного металла с алюминием с образованием интерметаллидного соединения на основе алюминидов.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что после горячего уплотнения заготовку подвергают горячей пластической деформации.

8. Способ по п.6, отличающийся тем, что заготовку размещают в тонкостенной капсуле, внутренняя часть которой имеет покрытие из окислов или нитридов, и подают в газостат.

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что после горячего уплотнения или термообработки капсулу удаляют.

10. Способ по любому из пп.6-9, отличающийся тем, что после термообработки изделия типа колец запрессовывают в детали из конструкционных материалов.