Области применения механического легирования

Механизм механического легирования

Процесс механического легирования обычно подразделяется на пять последовательных стадий

1. Стадия, в течение которой происходит увеличение количества частиц более грубых и более тонких, чем при начальной загрузке. Более грубые частицы являются композитными пластинками, образуемыми уплотнением различных составляющих шихты; тонкие частицы являются, главным образом, частицами более хрупких составляющих.

II. Стадия сваривания, в течение которой более крупная фракция порошка увеличивается, в то время как фракция более мелкого размера остается приблизительно постоянной. При этом более крупные частицы имеют многослойную, композитную структуру со слоями, располагающимися параллельно поверхности шаров или большей оси частиц. Эти элементарные отдельные слои значительно меньшие по объему, чем исходные частицы, и поэтому представляют собой измельченные частицы исходного порошка, включающие отдельные составляющие шихты.

III. Стадия образования равноосных частиц, во время которой резко уменьшается количество крупных пластинчатых частиц и образуются более равноосные частицы. Более мелкие фракции порошка располагаются теперь параллельными слоями, как и крупные фрагменты частиц порошка, а фрагменты частиц отдельных порошков фактически отсутствуют. Более мелкие компоненты частиц, вероятно, являются фрагментами более крупных частиц порошка аналогичной структуры. Слои из частиц отдельных порошков соединяются, в основном, с помощью сварки друг с другом.

IV. Происходит произвольная ориентация участков сварки, при которой образуются округлые конгломераты из композиционных частиц, свариваемых друг с другом без какой-либо предпочтительной ориентации.

V. Стадия механического легирования – имеет место, когда достигается устойчивое состояние распределения частиц по размерам. Внутренняя структура составных частиц различается на субзеренном уровне. Определяющими характеристиками этой стадии являются максимальный уровень твердости частиц и узкий диапазон их распределения по размерам.

Механическое легирование применяют для получения широкого спектра многофазных сплавов. Дисперсно-упрочненные жаропрочные сплавы на основе никеля, железа и алюминия, получаемые этим методом, начали занимать ведущее место среди промышленно выпускаемых материалов. Выпускаются также дисперсно-упрочненные сплавы на основе меди.

Каким бы ни был состав сплава, и тем более для дисперсно-упрочненных материалов, преимущества механического легирования проявляются в полной мере только в том случае, когда последующие компактирование, термомеханическая и термическая обработки тщательно оптимизированы.

Жаропрочные сплавы.

Из механически легированных жаропрочных сплавов сплав МА–6000 (Ni–15Cr–2Mo–4W–4,5Al–2,5Ti–2Ta–0,01B–0,015Zr–0,05C–1,1Y₂O₃) считается наиболее сложным и перспективным упрочненным оксидами жаропрочным сплавом на основе никеля. Сплав применяется в качестве материала для лопаток турбины. Как видно, предпочтительным оксидным дисперсоидом в современных дисперсно-упрочненных жаропрочных сплавах является Y2O3 (оксид иттрия), заменяющий применявшийся ранее оксид тория.

Алюминиевые сплавы.

Спеченный алюминиевый порошок (САП) был первым из дисперсно-упрочненных металлов, в которых дисперсия Аl2О3 в алюминии была получена с использованием естественного поверхностного окисления алюминиевого порошка. Однако дисперсия Аl2О3 в этом случае неэффективна, поскольку здесь включения Аl₂О₃ имеют форму пластин, неравномерно распределенных в матрице. Механическое легирование было успешно применено для обеспечения эффективного распределения Аl2О3 в алюминии, превосходящего по однородности распределение в САП. Вследствие этого уровень прочности механически легированного композита Аl – Аl₂О₃, содержащего 2,75–5,4% (об.) дисперсоида (Аl₂О₃ + Аl₄С₃), был равен или превосходил уровень прочности серийного сплава САП, содержащего 11,5% (об.) Аl₂О₃; электропроводность этого сплава также превосходила электропроводность САП.

Применяемые для управления процессом органические вещества, которые обычно требуются при механическом легировании алюминиевых сплавов для поддержания равновесия между свариванием и разрушением частиц в ходе процесса, приводят к образованию дополнительного дисперсоида Аl₄С₃.

Существенное улучшение механических свойств и устойчивости против коррозии в полученных механическим легированием сплавах алюминия ускорили промышленное производство сплавов IN–9052 (Аl–4Мg–0,8O₂–1,1С) и IN–9021 (Аl– 4Сu–1,5Мg–1,1С–0,8O₂), которые превосходят по свойствам обычно применяемый сплав 7075 (Аl–5,6Zn–2,5Мg–1,5Cu–0,3Cr), причем первые имеют равные уровни прочности с последним, но в то же время превосходят его по устойчивости против коррозии.

В связи с проявлением во всем мире интереса к сплавам Аl–Li для применения в космической технике, механическое легирование вновь обеспечило создание нового поколения сплавов, упрочненных Аl₂О₃ и Аl₄С₃. Сплав NOVAMET (Аl–4Мg–1,5Li–0,8O₂–1,1С) фирмы INCO является одним из таких серийных сплавов.

Новые материалы.

C помощью механического легирования можно создавать эффективные новые материалы Примером является механически легированная дисперсионно-твердеющая нержавеющая сталь, механические свойства которой заметно превосходят свойства этой стали, полученной литьем. Аналогичным образом получили медь, упрочненную дисперсной Аl₂О₃ механическим легированием меди алюминием, которая сохраняет твердость при температуре >800°С. Такие сплавы меди могут использоваться в качестве электродов для точечной сварки. В ходе другого исследования механическим легированием была получена композиция W– 5Ni–5Fe с повышенной плотностью после спекания и большим объемом интерметаллидных фаз. [12]

Механическое легирование успешно используется для производства высококачественных электрических контактов, например композиции Сu–15Ru. Рутений отличается множеством привлекательных электрических свойств и значительно менее дорог по сравнению с золотом и другими металлами платиновой группы. Таким образом, он является более предпочтительным материалом для применения в электрических контактах. Однако чистый рутений очень хрупок для придания ему нужной формы и не сплавляется с обычными материалами, из которых изготавливают электрические контакты, типа золота и серебра. Так как эти два элемента взаимно нерастворимы, механическое легирование является едва ли не единственным способом такой неравновесной структуры, в которой 15% (по массе) Ru распределены в виде дисперсных частиц в медной матрице. В таком материале твердые, тугоплавкие и имеющие высокую проводимость частицы рутения функционируют как точки электрического контакта, в то время как несущая медная матрица обеспечивает электрическую проводимость.

Другим новым применением механического легирования явилось получение сверхпроводящей проволоки состава Сu–Nb₃Sn. Стехиометрические доли ниобия и олова механически легировались в аттриторе до получения интерметаллического композиционного порошка, который затем измельчался с медью, изостатически прессовался и подвергался гидростатической экструзии для получения проволоки. При этом имела место диффузия с образованием сверхпроводящего соединения.

Механическим легированием может быть достигнута лучшая растворимость в твердом состоянии. Так как предельное значение растворимости в твердом состоянии железа в меди составляет ~1%, добавление большего количества железа приводит к образованию крупных, грубых частиц железа, которые могут придать хрупкость матрице. Механическим легированием может быть получено почти любое содержание железа в меди, причем железо тонко диспергируется в матрице.

Концепция порошковой металлургии позволяет развивать новые технологии получения материалов, что подтверждают примеры создания и совершенствования технологий самораспространяющегося высокотемпературного синтеза и механического легирования. Рассмотрены физико-химические основы, область и примеры применения данных технологий в современной технике.

Далее рассмотрим перспективное направление в порошковой металлургии, связанное с созданием пористых материалов и изделий со специальными эксплуатационными свойствами.

Вопросы для самоконтроля

1. В чем сущность технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза?

2. Какие существуют варианты реализации СВС-технологии?

3. Опишите механизм механического легирования.

4. Какое оборудование может быть использовано для реализации технологии механического легирования?

5. Какова область применения механического легирования?

6. Приведите примеры технологии механического легирования.

ГЛАВА 4. ПОРИСТЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Важной особенностью порошковой металлургии является возможность изготавливать пористые материалы, работоспособность и области применения которых определяются структурой пор. Пористые материалы являются прочными и устойчивыми против коррозии, могут работать в широком диапазоне температур (в зависимости от рода материала).

Дата добавления: 2014-11-29