Порошковой технологии

— твердофазные, связанные прежде всего с порошковой технологией диффузионным сращиванием и другими термомеханическими технологиями;

При изготовлении деталей порошковой технологией используют порошки технического титана, а также некоторых его сплавов. Механические свойства порошковых титановых сплавов зависят от многих факторов: качества исходных порошков, режимов горячего компактирования, прессования и спекания. Технологические трудности обусловлены главным образом активным взаимодействием титана при повышенных температурах с примесями внедрения, образующими неметаллические включения, понижающие механические свойства порошковых титановых сплавов. Однако современные технологии, например распыление металла в вакууме, горячее компактирование гранул, горячее изостатическое прессование с последующим вакуумным отжигом, позволяют получить полуфабрикаты и изделия сложной формы высокого качества и 100 %-й плотности. В этом случае порошковые сплавы приближаются по прочности к деформируемым сплавам в отожженном состоянии. Так, полуфабрикаты (прутки, профили, листы и др.) из деформируемого сплава ВТ6 в отожженном состоянии имеют as = 950. ..1100МПа, а у полуфабрикатов из того же сплава, но полученного порошковой технологией из этого сплава ав = 920 ... 950 МПа.

Металлургия бериллия сложна из-за его химической инертности. Слитки после вакуумной переплавки либо обрабатывают давлением для получения полуфабрикатов, либо перерабатывают в порошок, из которого полуфабрикаты и изделия изготовляют порошковой технологией. Обработке давлением подвергают лишь малые слитки (d < 200 мм), так как в слитках большого размера из-за высокого поверхностного натяжения образуются две усадочные раковины, соединенные трещиной.

Бериллий, полученный порошковой технологией, имеет мелкозернистую структуру и более высокие механические свойства, в том числе и пластичность. Чем мельче зерно, тем выше временное сопротивление, предел текучести и пластичность при 20 °С, а также кратковременная прочность при повышенных температурах (рис. 14.13).

Легирование бериллия элементами, расширяющими температурную область существования пластичной высокотемпературной модификации Ве^д (Ni, Co, Си и др.), увеличивает диапазон горячей обработки давлением. Эти элементы оказывают упрочняющее действие и снижают пластичность при 20 °С. Никель (< 0,5 %) и кальций (< 1 %) вызывают увеличение прочности при повышенных температурах. Однако более высокими показателями в этом случае обладает полученный порошковой технологией бериллий с повышенным содержанием оксида ВеО (до 4 %).

Сохраняют прочность до очень высокой температуры так называемые бериллиды. Они представляют собой интерметаллидные соединения бериллия с переходными металлами (Та, Nb, Zr и др.). Бериллиды имеют высокую температуру плавления (~ 2000 °С), высокую твердость (500 - 1000 HV), жесткость (Е и 300 ... 350 ГПа) при сравнительно низкой плотности (~ 2,7 .. .5 г/см3). Однако бериллиды очень хрупкие. Из них изготовляют порошковой технологией мелкие несложные по форме детали для гироскопов и систем управления.

Дисперсно-упрочненные КМ в основном получают порошковой технологией, но существуют и другие способы, например метод непосредственного введения наполнителей в жидкий металл или сплав перед разливкой. В последнем случае для очистки от жировых и других загрязнений, улучшения смачиваемости частиц жидким металлом и равномерного распределения их в матрице применяют ультразвуковую обработку жидкого расплава.

Керамическими называются КМ, в состав которых входят керамическая матрица и металлические или неметаллические наполнители. Керамические КМ обладают высокими температурой плавления, стойкостью к окислению, термоударам и вибрации, прочностью и теплопроч-ностью при сжатии. Их получают порошковой технологией, гидростатическим, изостатическим и горячим прессованием, а также центробежным, шликерным и вакуумным литьем. В качестве матриц используют силикатные (S102), алюмосиликатные (А^Оз - S102), алюмоборосиликатные ВзОз — S102) и другие стекла, тугоплавкие оксиды (ТЮ2, ВеО, , ZrC>2 и т.д.), нитрид Sis N4, бориды (TiB2, ZrB2) и карбиды (SiC, TiC).

Материалы с упрочняющими частицами, инертными по отношению к металлической основе, называются дисперсно-упрочненными. К ним относятся алюминий, упрочненный частицами А^Оз (САП); никель, упрочненный частицами оксидов ТЮ2 или НГОз- Преимуществом дисперсно-упрочненных материалов является устойчивость структуры при продолжительном нагреве. Такие материалы получают порошковой технологией из специально подготовленных порошков. Сущность подготовки заключается в размоле в шаровой мельнице порошков металла и оксида. Во время размола происходит сваривание и разрушение частиц порошков, получается механически легированный порошок. Частицы этого порошка имеют

Альсифер характеризуется высокими твердостью (50 HRC) и сопротивлением изнашиванию. Практическому применению мешает природная хрупкость этих сплавов, что делает их абсолютно недеформируемыми и непригодными для обработки резанием. Изделия получают литьем или порошковой технологией.

Для структуры деформированных быстрорежущих сталей характерна карбидная неоднородность. Скопление карбидов и их полосчатость отрицательно влияют на эксплуатационную стойкость инструментов, способствуют выкрашиванию рабочих кромок. Эффективный способ устранения такого структурного дефекта — изготовление быстрорежущих сталей порошковой технологией.

1. Предварительные замечания. Формование тонких порошков и спекание их позволяет получать так называемые изделия из порошковых материалов *). Выше уже говорилось о пресс-порошковых пластмассах, о керамике. В данном параграфе обсуждаются материалы, получаемые из металлических порошков (порошковая металлургия) и из смесей металлических порошков с порошками окислов (металлокерамические и керамико-металлические материалы). В разделе 14 § 4.11 такие материалы уже упоминались. При помощи порошковой технологии можно получить такие материалы, которые либо вообще иначе получить невозможно (высокопрочные или жаропрочные композиты), либо получить их очень затруднительно (тугоплавкие сплавы). Вследствие применения порошковой технологии происходит удешевление производства таких материалов.

Исследования и опыт применения порошковой технологии открыли новые области ее эффективного применения, в частности, для создания сложных композиционных материалов с уникальными качествами. Например, для соединения «несоединимого»: вольфрам — медь (композит, необходимый для контактов высоковольных передач), металл — стекло (оригинальный материал для подшипников), кварцевый песок (для тормозных накладок) и т. п. Что касается экономии черных и цветных металлов, а также других ресурсов, то результаты оказались совершенно неожиданными. Каждая тысяча тонн «спеченных» изделий позволила сэкономить 2500 тонн металла и 1,5 млн. рублей, высвободить до 100 металлорежущих станков и более 80 рабочих. Таким образом, порошковая металлургия открыла реальные возможности для успешного внедрения малоотходных и во многих случаях безотходных технологий. Чтобы оце--нить важность этого вопроса, достаточно сказать, что для получения металла, который ежегодно уходит в стружку в масштабах нашей страны, необходимо допол-

К консолидированным наноматериалам относят компакты, пленки и покрытия из металлов, сплавов и соединений, получаемые методами порошковой технологии, интенсивной пластической деформации, контролируемой кристаллизации из аморфного состояния и разнообразными приемами нанесения пленок и покрытий.

Основные технологические приемы получения консолидированных наноматериалов перечислены в табл. 2.2. Здесь приведены также наиболее часто используемые варианты этих методов. Разумеется, эта классификация условна, поскольку границы между отдельными методами, как правило, размыты. Так, при проведении интенсивной пластической деформации или при нанесении покрытий часто в виде исходного сырья используют порошки, т.е. эти методы могут быть отнесены и к порошковой технологии. Стоит также упомянуть такие методы получения наноструктур, как облучение большими дозами нейтронов и ионов, интенсивную деформацию при трении и др.

Понятно, что каждый метод имеет свои преимущества и недостатки. Например, приемы порошковой технологии не всегда обеспечивают получение беспористых наноматериалов, однако они более универсальны применительно к изготовлению изделий различного размера и состава. Применение контролируемой кристаллизации из аморфного состояния, обеспечивающей получение беспористых образцов, ограничено составами, доступными для аморфизации. Перечисленные в табл. 2.2 методы не конкурируют, а скорее дополняют друг друга, существенно расширяя спектр структур, их свойств и практических приложений. Разнообразие

На рис. 2.12 показаны аморфные прослойки толщиной 1 — 2 нм на границах нанокомпозитного материала Si3N4—SiC (25 %) с оксидными добавками. Наличие примесей в наноматериалах, особенно в случае обычной порошковой технологии, неизбежно оказывает влияние на природу границ, поскольку возможно образование пограничных сегрегации. Но последние наблюдаются и во многих легированных непорошковых наноматериалах. Так, в нанокристал-лическом никелевом сплаве с небольшим содержанием фосфора после нагрева до 400 "С в тройном стыке зафиксировано образование фосфида никеля Ni3P (25 ат. % Ni, рис. 2.13).

Последующие .операции порошковой технологии — прессование, спекание, горячее прессование и т.п. — призваны обеспечить получение образца (изделия) заданных форм и размеров с соответствующей структурой и свойствами. Совокупность этих операций часто называют, по предложению М. Ю. Бальшина, консолидацией. Применительно к наноматериалам консолидация должна обеспечить, с одной стороны, практически полное уплотнение (т.е. отсутствие в структуре макро- и микропор), а с другой стороны, сохранить наноструктуру, связанную с исходными размерами ультрадисперсного порошка (т. е. размер зерен в спеченных материалах должен быть как можно меньше и во всяком случае менее 100 нм).

Методы консолидации. Практически все известные в порошковой технологии методы: прессование и спекание, различные варианты горячего прессования, горячее экструдирование и т.д. — применимы и к ультрадисперсным порошкам. В установках типа изображенной на рис. 4.2, несмотря на использование довольно высоких давлений прессования (до 2 — 5 ГПа) даже в вакуумных условиях и при небольшой высоте образцов (до 1 мм), удается получить образцы пористостью не менее 10—15 %. Для ультрадисперсных порошков характерна низкая уплотняемость при прессовании в силу значительного влияния характеристик трения между частицами. В технологии прессования нанопорошков при комнат-

Из карбида кремния изготовляют изделия методами керамической или порошковой технологии. Известны пористые материалы, в которых зерна карбида кремния сцементированы кремнеземистыми, глиноземистыми и нитридкремниевыми связками. Беспористые поликристаллические материалы, получаемые горячим прессованием или реакционным спеканием, отличаются от пористых более высокими механическими свойствами, гепло-и электропроводностью, химической стойкостью.

Порошковые титановые сплавы. Высокая стоимость изготовления и трудность механической обработки сплавов на основе титана являются серьезным препятствием на пути их широкого применения. Методы порошковой технологии позволяют повысить коэффициент использования металла путем уменьшения отходов при механической обработке и открывают потенциальные возможности получения готовых Дета' лей для конструкций летательны* аппаратов и двигателей.

Для изготовления деталей порошковой технологии ис