Введение

Создание авиационной техники нового поколения требует разработки материалов с улучшенным комплексом физико-механических характеристик для ее изготовления [1–3]. В настоящее время в авиационном материаловедении наибольшее распространение получили никелевые жаропрочные сплавы и стали. Однако указанные материалы во многом исчерпали свои ресурсы и не удовлетворяют требованиям, предъявляемым к материалам для перспективных изделий.

Альтернативой никелевым жаропрочным сплавам и сталям могут служить металлокерамические материалы (МКМ) на основе матриц тугоплавких металлов с добавлением керамической фазы в качестве упрочнителя [4–9]. Такие материалы сочетают относительно невысокую плотность и достаточное сопротивление высокотемпературному воздействию и ползучести за счет введения в их состав керамических частиц [10, 11].

Наряду с достоинствами МКМ имеют недостатки, одним из которых является высокая твердость, затрудняющая механическую обработку. В связи с этим изготовление сложнопрофильных деталей из МКМ затруднительно и требует наличия специализированных, в основном дорогостоящих инструментов и оборудования. Следует отметить, что даже при наличии необходимого инструмента и оборудования выход годного при изготовлении деталей сложной формы остается на довольно низком уровне. Перспективным для изготовления сложнопрофильных деталей является применение аддитивных технологий, позволяющих получать заготовки необходимых размеров с минимальным запасом для последующей механической обработки [12, 13].

Для получения деталей и заготовок методами аддитивных технологий частицы порошка должны обладать хорошей текучестью и сферической формой. Частицы порошков МКМ на основе матриц тугоплавких металлов с добавлением керамической фазы можно получить с помощью механического легирования. В связи с технологическими особенностями данного процесса и хрупкостью материалов получаемые частицы обладают малым размером, осколочной формой и характеризуются полным отсутствием текучести, что делает их применение в аддитивных технологиях невозможным. Решить данную проблему можно с помощью процесса сфероидизации, который позволяет придать частицам округлую форму и увеличить их технологические свойства. Однако частицы, полученные методом механического легирования, сгорают в процессе сфероидизации вследствие небольших размеров. По этой причине до сфероидизации гранулы МКМ на основе молибдена необходимо агломерировать. Благодаря данному процессу из нескольких мелких частиц формируется единая частица большего размера, что позволяет увеличить размер гранул порошка.

Различают мокрую и сухую агломерации [14]. При мокром методе гранулы смачивают растворами или связующими либо агломерацию проводят в среде с высокой влажностью, что обеспечивает насыщение гранул каплями раствора. Сухая агломерация в основном проводится без применения дополнительных растворов, в редких случаях для предотвращения рассыпания гранул используют связующие.

Для МКМ с добавлением керамической фазы перспективно применять сухие способы агломерации, поскольку они проще и не требуют применения вспомогательных компонентов, что сокращает продолжительность производственного цикла и экономические затраты на проведение процесса. Мокрая агломерация осложняется последующим удалением связующего из полученного порошка, а агломерация с использованием капель воды может повлиять на содержание кислорода в частицах порошка, что негативно отразится на характеристиках готового материала [15].

В данной работе исследован процесс сухой агломерации методом диффузии при высокой температуре применительно к МКМ на основе молибдена. Изучена зависимость размера получаемых частиц от технологических режимов агломерации. Дана оценка влияния температуры агломерации на прочность диффузионных связей, возникающих между частицами.

Материалы и методы

Исследования проводили на гранулах, которые представляют собой дисперсноупрочненные частицы, полученные из элементарных молибденсодержащих порошков. Размер исходных частиц порошка не превышал 10 мкм. Гранулы получены путем механохимической активации шихтовой смеси, состоящей из элементарных порошков. Агломерацию проводили в печи при высокой температуре. Полученные спеченные заготовки дробили, после рассева анализировали содержание частиц различных фракций в порошке. По результатам рассева устанавливали эффективность процесса агломерации и выход годного.

Фракционный состав частиц определяли в порошке, полученном после механического легирования. Размер гранул оценивали по дифракции лазерного излучения на лазерном дифракционном анализаторе размеров частиц в среде жидкости (дистиллированная вода) по ГОСТ Р 57923–2017.

Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.

Результаты и обсуждение

Шихтовую смесь, состоящую из элементарных порошков, получали путем смешивания. Затем загружали в установку высокоэнергетического смешивания. Скорость и продолжительность технологического процесса выбирали достаточными для получения композиционных гранул, состоящих из частиц исходных порошков с равномерно распределенными в объеме упрочняющими компонентами.

Распределение по размеру полученных после механического легирования гранул МКМ на основе молибдена:

На рис. 1 представлены дифференциальная и интегральная кривые распределения гранул МКМ на основе молибдена. Размер 83 % гранул не превышал 10 мкм.

Рис. 1. Дифференциальная и интегральная кривые распределения гранул металлокерамического материала на основе молибдена после механического легирования (в двух повторностях)

Агломерацию гранул проводили методом диффузии при высокотемпературном воздействии. Существуют и другие способы сухой агломерации, принцип которых заключается в экструзии гранул или сдавливании их между собой в процессе прокатки между валиками. Указанные методы являются неэффективными применительно к МКМ на основе молибдена, поскольку не позволяют достичь степени диффузии, достаточной для гомогенизации нескольких мелких частиц в единую частицу большего размера.

Технологические параметры процесса агломерации подбирали эмпирическим путем. Начальной точкой выбрана температура синтеза исследуемого материала на установке искрового плазменного спекания, поскольку проводить процесс агломерации при более низкой температуре нецелесообразно по причине высокой температуры плавления материала (>2000 °С). Продолжительность термической обработки зависела от количества загружаемого порошка и была одинаковой для всех проводимых процессов. Качество спеченной заготовки оценивали визуально, исходя из ее твердости и целостности. Заготовки дробили, полученные гранулы рассеивали на вибропросеивающей машине. Для рассева использовали сита с размерами ячеек 20, 40, 63, 80 и 100 мкм. После дробления оценивали степень достигнутой диффузии гранул на основании распределения массовых долей частиц каждого размера. Помимо этого гранулы исследовали методом фракционного анализа для подтверждения корректности полученных при рассеве данных.

Заготовка, полученная при начальной температуре, рассыпалась при извлечении из тигля, что свидетельствует о слабости диффузионных связей между гранулами, поэтому дальнейшее ее исследование нецелесообразно.

Следующей ступенью выбрана температура агломерации, превышающая начальную на 100 °С (точка 1). Полученная после агломерации при данной температуре заготовка представлена на рис. 2.

Рис. 2. Спеченная заготовка, полученная после агломерации при температуре в точке 1

Достичь «монолитности» заготовки не удалось: на поверхности видны отдельные гранулы, не агломерированные с соседними. При извлечении часть заготовки рассыпалась. Тем не менее для получения статистических данных проведен размол полученной заготовки с последующим рассевом гранул на ситах выбранных размеров. Распределение по размеру после размола и рассева гранул МКМ на основе молибдена, полученных после агломерации при температуре в точке 1:

Значительная доля гранул (~13 % (по массе)) имеет размер <20 мкм, что можно объяснить слабыми диффузионными связями. По этой причине при дроблении агломераты рассыпаются на исходные частицы.

На следующем этапе температуру агломерации увеличили еще на 100 °С (точка 2). Полученная заготовка представлена на рис. 3.

Рис. 3. Спеченная заготовка, полученная после агломерации при температуре в точке 2

На поверхности материала отдельные частицы практически отсутствовали. Основываясь на визуальном анализе, можно утверждать, что при указанной температуре и выдержке удалось получить монолитную заготовку с диффундировавшими между собой частицами. Распределение по размеру после размола и рассева гранул МКМ на основе молибдена, полученных после агломерации при температуре в точке 2:

При повышении температуры агломерации (от точки 1 до точки 2) увеличивается количество крупных частиц (≥20 мкм) и снижается количество мелких (<20 мкм). Это может свидетельствовать об усилении диффузионных связей между гранулами вследствие увеличения температуры агломерации, что затрудняет «рассыпание» получившихся частиц на исходные.

Для выявления статистической зависимости температуру агломерации увеличили еще на 50 °С (точка 3) и 100 °С (точка 4) относительно точки 2. Заготовка, полученная после агломерации при температуре в точке 3, представлена на рис. 4.

Рис. 4. Спеченная заготовка, полученная после агломерации при температуре в точке 3

При данной температуре также удалось добиться монолитной структуры заготовки и отсутствия «свободных» частиц на поверхности материала. Сравнение заготовок, полученных после агломерации при температурах в точках 2 и 3, показало, что на заготовке, полученной при температуре в точке 2, присутствует небольшой объем отдельных частиц, которые не продиффундировали с остальным материалом, в отличие от заготовки, полученной при увеличенной температуре в точке 3. Распределение по размеру после размола и рассева гранул МКМ на основе молибдена, полученных после агломерации при температуре в точке 3:

При увеличении температуры агломерации (от точки 2 до точки 3) наблюдается сдвиг распределения гранул к более крупным (>40 мкм). Этот факт, безусловно, указывает на усиление диффузионных связей между гранулами, вследствие чего они менее подвержены рассыпанию во время механического воздействия (дробления).

Заготовка, полученная после агломерации при температуре в точке 4, представлена на рис. 5.

Рис. 5. Спеченная заготовка, полученная после агломерации при температуре в точке 4

При температуре агломерации в точке 4 также отмечены целостность полученной заготовки и отсутствие «свободных» частиц на поверхности материала. Рельефность верхней и нижней части обусловлена неровностью слоя порошка, засыпанного в тигель. Распределение по размеру после размола и рассева гранул МКМ на основе молибдена, полученных после агломерации при температуре в точке 4:

Распределения частиц, полученных в процессе агломерации при воздействии температур в точках 3 и 4, сопоставимы, что свидетельствует о получении оптимального результата при температуре агломерации в точке 3 и отсутствии необходимости повышать температуру на 50 °С.

На рис. 6 представлена зависимость размера получаемых гранул от температуры агломерации.

Рис. 6. Зависимость размера получаемых гранул металлокерамического материала на основе молибдена от температуры агломерации в точках 1–4

Кривые распределения при температуре агломерации в точках 3 и 4 практически совпадают, что также подтверждает отсутствие необходимости увеличивать температуру до точки 4.

Заключения

Установлена зависимость размера частиц МКМ на основе молибдена, получаемых после агломерации, от температуры процесса.

Определен оптимальный технологический режим для агломерации гранул МКМ на основе молибдена, упрочненного наноразмерными частицами тугоплавких соединений.

Показано, что с увеличением температуры агломерации повышается прочность диффузионных связей, возникающих между частицами МКМ на основе молибдена.

Метод диффузии при высокой температуре можно использовать для агломерации частиц МКМ на основе молибдена, упрочненного наноразмерными частицами тугоплавких соединений.

Работы (исследования) выполнены при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ (Соглашение № 075-11-2021-085 от 22.12.2021).