Технология изготовления ДМ

Лекция № 3

Дисперсноупрочненные порошковые материалы

Дисперсноупрочненные порошковые материалы - это материалы композиционные материалы. Характерным для них является упрочнение металлической матрицы тонкими включениями частиц тугоплавких соединений (оксидов, карбидов, нитридов и т.д.) Эффект упрочнения зависит от размера частиц твердой фазы (оптимальные размеры в пределах 0,01-0,05 мкм) и равномерности их распределения в металлической матрице (расстояние между частицами 0,1-0,5 мкм). Объемная доля упрочняющей фазы обычно составляет 5-10%. Объемная доля упрочняющей фазы обычно составляет б—10 %. Упрочняющие частицы в материал вводят искусственно на одной из операций технологического процесса путем смешивания или совместного размола порошков металлов и упрочняющей фазы, окисления поверхности частиц металлов, химического осаждения и другими методами. Универсальной технологией, позволяющей осу­ществить разнообразные варианты процессов, является технология порошковой металлургии. Для обеспечения длительного эффекта упрочнения, особенно при повышенных температурах, частицы прочной фазы должны не взаимодейство­вать с металлом матрицы, быть термодинамически стабильными и не обладать склонностью к коалесценции при высокой температуре. В этом случае обеспе­чивается высокая жаропрочность материала, более высокая, чем дает обычное легирование основы материала другими элементами.

Технология изготовления ДМ

Технология изготовления ДМ состоит из следующих основных этапов:

1) подготовка исходной порошковой шихты, формование заготовок, спекание,

2) уплотнение заготовок до беспористого состояния, термическая обработка.

Наиболее распространенным методом подготовки шихты является метод механического смешивания и совместного размола порошков. Для этой цели используют различные мельницы: шаровые, вибрационные, вихревые, конус­ные смесители, аттриторы и т. п. Время смешивания в зависимости от харак­тера исходных порошков может длиться от нескольких минут до десятков часов. Размол в воздушной среде приводит к неконтролируемому окислению .порошков, поэтому процесс размола проводят в защитной газовой среде или .жидкости. В качестве исходных рекомендуется брать порошки металлов с размером частиц менее 5-10 мкм и неметаллов - 0,01-0,10 мкм.

Разновидностью механического смешивания является механическое леги­рование, заключающееся в том, что для получения конечного порошка в виде .легированного сплава размол исходных порошков основы ведут в присутствии порошков легирующих элементов или лигатур. При этом масса размольных шаров, участвующих в операции размола, должна быть в 10—20 раз больше массы обрабатываемой шихты. В этом случае применяют смесительные установки, охлаждаемые водой.

Поскольку в процессе размола частицы порошка приобретают большой запас внутренней энергии в результате деформации и накопления большого количества дислокаций, а также имеет место локальное повышение температур совместный размол различных элементов может сопровождаться протеканием химических реакций. Например, при размоле смеси порошков алюминия с графитом активно идет процесс образования карбида алюминия А1₄С₃, частицы которого играют роль упрочняющей дисперсной фазы. Этот процесс продолжается при последующем спекании заготовок.

Химическое взаимодействие имеет место также при так называемом химическом смешивании, в котором порошок матричного металла размалывается в смеси с раствором соли, содержащей металл упрочняющей фазы. Последний переходит в твердое состояние непосредственно в процессе смешивания. Последующая термическая обработка приводит к превращению этого металла и остат­ков соли в оксиды, которые играют роль упрочняющей фазы.

Наиболее равномерное смешивание металлов дает смешивание жидких растворов солей с последующей их дегидратацией и термическим разложением. Гидратный остаток удаляют последующей сушкой, замораживанием с возгон­кой растворителя.

Разновидностью процессов введения твердой фазы в металлическую мат­рицу является поверхностное и внутреннее окисление.

Первый процесс осуществляют распылением жидкого металла в контролируемой окислительной среде, дополнительным окислением частиц нагревом или при размоле в мельницах. Этот метод применим в том случае, когда упрочняющей фазой являются оксиды матричного металла.

Метод внутреннего окисления применяют для тонкодисперсных порошков низколегированных сплавов, у которых растворитель имеет низкое сродство. к кислороду, а растворенный металл - более высокое. Такие порошки подвер­гают окислению нагревом при температуре, обеспечивающей достаточно высо­кую скорость диффузии. Этот метод позволяет получать включения оксидов размером 10—20 нм.

Известны и такие химические методы получения исходных порошков содержащих включения упрочняющей фазы, как восстановление водородом, жидкого раствора комплексного соединения, химическое осаждение из раствора-соединения матричного металла, смешанного с коллоидными частицами упрочняющей фазы.

Химические методы получения исходных порошков для ДМ имеют малое распространение из-за их сложности и трудоемкости.

Следующий этап изготовления ДМ - формование заготовок. Последнее осуществляется на холоде на обычных гидравлических прессах с применением пресс-форм. Ввиду худшей прессуемости порошков, содержащих частицы твердой фазы, процесс прессования требует приложения более высоких давлений, чем при прессовании порошков чистых металлов.

Разновидностью процессов прессования является гидростатическое и изостатическое прессование заготовок из порошков, помещаемых в эластичных оболочках в камеру высокого давления, с приложением давления жидкостью или газом. Этот метод позволяет получать практически беспористые заготовки габаритом до 1 м.

Возможно также получение заготовок в виде ленты прокаткой порошков между валками прокатных станов.

Спрессованные заготовки подвергают операции спекания с целью упроч­нения и уплотнения заготовки, дегазации ее, восстановления оксидов и подготовки к последующей операции пластической деформации. Операцию спекания проводят обычно при (0,7 - 0,95) Т_пл.

Иногда операцию спекания совмещают с горячим прессованием, проводимым при (0,5-0,8)Т_пл, в результате чего получают почти беспори­стые заготовки и предотвращают нежелательное взаимодействие упрочняющей фазы с матрицей.

Окончательные высокие свойства ДМ придает горячая экструзия или прокатка. Цель этих операций — доведение материала до беспористого состояния и формирование структуры, обеспечивающей высокую жаропрочность. В процессе экструзии металл претерпевает обжатия до 1 : 40. Эта операция обычно проводится в эластичных оболочках, предохраняющих материал от окисления и облегчающих процесс экструзии. Выбор материала оболочек определяется температурными условиями обработки: для низких температур применяют алюминий, для высоких — нержавеющую сталь. Давление экструзии обычно составляет 1-1,4 ГПа.

Процесс прокатки таких материалов характеризуется применением обжатий за один проход 10-15 % при суммарном обжатии 40-50 %.

Для создания необходимой дислокационной структуры, обеспечивающей повышение длительной прочности, а также для измельчения частиц упрочняю­щей фазы после горячей экструзии применяют дополнительную холодную или теплую деформацию (волочение, прокатка, ротационная ковка) с обжатием за проход 5-25% при суммарном обжатии до 95%.

Заключительная операция обработки материала - отжиг (рекристаллизация) при повышенных температурах, который приводит к укрупнению зерен, что сопровождается повышением его жаропрочности и пластичности.

Особенностью структуры рекристаллизованного металла является также высокая плотность двойников отжига, снижающих скорость распространения трещин и способствующих повышению сопротивления материала разрушению.

Cвойства ДМ

Наибольшее применение находят ДМ на основе алюминия, бериллия, вольфрама, железа, золота, кобальта, магния, меди, никеля, олова, платины, свинца, серебра, урана, хрома, цинка и циркония.

Составы и некоторые характерные свойства ДМ приведены в табл. 4.

Таблица 4

Составы и некоторые характерные свойства ДМ

Материал матрицы	Упрочняющие тугоплавкое соединение	Объемная доля упрочняющей фазы, %	Метод введения упрочняющей фазы	Характерные свойства
Алюминий	Al2O3	10-14	Поверхностное окисление при распылении расплава и последующий размол	Высокая жаропрочность, коррозионная и радиационная стойкость
Алюминий	С (сажа)	4-5	Совместный размол	Высокотемпе-ратурная устойчивость при кристаллизации
Вольфрам	ThO2, ZrO2, HfN, ZrN	0,75-2	Механическое смешивание	Устойчивость против рекристалли-зации
Железо	ThO2, ZrO2, Al2O3	3,5	Механическое смешивание	Пониженная склонность к охрупчиванию при облучении

В алюминиевых ДМ упрочняющей фазой служит тонкая и плотная оксидная пленка на поверхности исходных частиц.

Наилучшие сочетания прочности и пластичности достигаются при содер­жании оксида алюминия 4-14 %. В промышленности применяются три марки ДМ на основе алюминия: САП-1 (спеченный алюминиевый порошок), САП-2 и САП-3.

Механические свойства материалов на алюминиевой основе приведены в табл. 5.

Таблица 5

Механические свойства САП-1 при разных температурах

tи, 0С	sв, МПа	d, %
	290-310	7-9
	180-190	4-6
	140-150	3-4

Эти материалы поддаются горячей пластической деформации при температурах 20-550 °С. Их изготавливают в виде листов, фольги, полос, профилей, труб и др. Эффективное упрочнение алюминиевой матрицы обеспе­чивают включения карбидов алюминия в сплавах системы А1-С (табл. 6).

Таблица 6

Влияние содержания углерода и температуры на механические свойства ДМ

Массовая доля углерода, %	tи, 0С	sв, МПа	d, %
		110-120
		130-140
			4,5
		150-175

Дисперсное упрочнение обеспечивает возможность получения в алюминие­вых сплавах высоких значений пределов длительной прочности и ползучести.

Оптимальное сочетание прочности и пластичности в ДМ на основе А1-С обеспечивается при массовой доле углерода 3-5%.

При температурах 300-500 °С ДМ на основе алюминия превосходят по прочности промышленные литые алюминиевые сплавы.

Увеличение содержания А1₂О₃ и А1₄С₃ в сплавах на основе алюминия уменьшает коэффициент термического расширения и теплопроводность, повы­шает удельное электросопротивление и теплоемкость. Твердой упрочняющей фазой для ДМ на основе бериллия являются оксиды (ВеО) и карбиды (Ве₂С) бериллия. Последние более эффективно повышают прочность материала, чем оксиды бериллия. Прочность ДМ на основе бериллия возрастает с увеличением содержания оксидов. Эти мате­риалы имеют пониженную пластичность. ДМ на основе бериллия изготавливают в виде проволоки и других профилей.

В ДМ на вольфрамовой основе в качестве упрочняющей фазы применяют ТhO₂, ZrO₂, HfO, ZrN. В материалах промышленных марок используют 0,75-2% ТhO₂.

ДМ на основе нелегированного железа имеют малую жаростойкость. При легировании элементами, повышающими жаростойкость, рабочие температуры могут быть доведены до 1400 К.

Дисперсноупрочненная сталь Х22Н22, уступая по прочности и пластичности этой стали без дисперсионного упрочнения при комнатной температуре, имеет преимущество по крипоустойчивости при высоких температурах.

В настоящие время разработаны разнообразные ДМ на основе меди, кобальта, магния, серебра и золота, которые работают в специфических условиях эксплуатации.