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) Тпл.
Иногда операцию спекания совмещают с горячим прессованием, проводимым при (0,5-0,8)Тпл, 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.