[1]Изобретение относится к области металлургии, а именно к способам получения высокотемпературных композиционных материалов на основе никеля для изготовления деталей горячего тракта газотурбинных двигателей (ГТД).
[2]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.
[3]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).
[4]Недостатками описанного способа являются взрывоопасность производственного процесса, использование дорогостоящего оборудования и операций нагрева и вакуумирования больших объемов компонентов сплава.
[5]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).
[6]Недостатком этого способа является использование трудоемких процессов плавления и кристаллизации сплава.
[7]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).
[8]Данный способ получения отличается высокой трудоемкостью и многостадийностью, а рабочие температуры композиционного материала не превышают 1200°C.
[9]Наиболее близким аналогом является способ получения композиционного материала на основе моноалюминида никеля, упрочненного частицами Y2O3, 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).
[10]Недостатком этого способа является низкая вязкость разрушения при комнатной температуре получаемых композиционных материалов (8-10 МПа·м2).
[11]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/см3.
[12]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.
[13]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.
[14]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.
[15]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.
[16]Оптимальное время механического легирования, при котором происходит необходимое измельчение и перемешивание компонентов сплава, составляет 40-60 часов.
[17]Готовый порошок экструдируют с коэффициентом вытяжки 11-16 при температуре 1100-1250°C для обеспечения направленной крупнозернистой микроструктуры сплава.
[18]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.
[19]С целью усовершенствования структуры полученные прутки прокатывают вдоль направления экструзии при температуре 950-1150°C и коэффициенте деформации 15-20% за один проход.
[20]Примеры осуществления изобретения.
[22]Получали композиционный материал на основе никеля, армированный дисперсными частицами оксида алюминия.
[23]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%.
[24]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.
[25]Полученный материал имел плотность - 7,23 г/см3 и прочность на растяжение 980 МПа при температуре 20°C.
[27]Получали композиционный материал на основе никеля, армированный дисперсными частицами оксида гафния.
[28]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%.
[29]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.
[30]Полученный материал имел плотность - 7,25 г/см3 и прочность на растяжение 950 МПа при температуре 20°C.
[32]Получали композиционный материал на основе никеля, армированный дисперсными частицами оксида иттрия.
[33]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%.
[34]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.
[35]Полученный материал имел плотность - 7,29 г/см3 и прочность на растяжение 920 МПа при температуре 20°C.
[36]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.
