Произвоство порошков. Функционирование, очистка, смешивание, дегазация.

Методы производства металлических порошков можно разбить на две основные группы: методы механические и физико-химические; в некоторых случаях методы можно комбинировать с целью повышения экономичности процесса или улучшения характеристик продукта.Под методами механического измельчения подразумеваются такие технологические процессы, в которых исходный материал измельчается без изменения химического состава (в конечной или промежуточной стадиях), в результате действия внешних механических сил.Под физико-химическими методами подразумеваются такие технологические процессы, в результате которых посредством глубоких физико-химических превращений металлы или сплавы получаются в порошкообразном состоянии; при этом конечный продукт (металлический порошок) может отличаться от исходного материала по химическому составу. Порошковая металлургия — технология получения металлических порошков и изготовления изделий из них (или их композиций с неметаллическими порошками). В общем виде технологический процесс порошковой металлургии состоит из четырёх основных этапов: производство порошков^[⇨], смешивание порошков^[⇨], уплотнение (прессование, брикетирование)^[⇨] и спекание^[⇨].Смешивание — это приготовление с помощью смесителей однородной механической смеси из металлических порошков различного химического и гранулометрического состава или смеси металлических порошков с неметаллическими. Смешивание является подготовительной операцией. Некоторые производители металлических порошков для прессования поставляют готовые смеси.Формование порошкаФормование изделий осуществляем путем холодного прессования под большим давлением (30-1000 МПа) в металлических формах. Обычно используются жёсткие закрытые пресс-формы, пресс-инструмент ориентирован, как правило, вертикально. Смесь порошков свободно засыпается в полость матрицы, объёмная дозировка регулируется ходом нижнего пуансона. Прессование может быть одно- или двусторонним. Пресс-порошок брикетируется в полости матрицы между верхними и нижним пуансоном (или несколькими пуансонами в случае изделия с переходами). Сформированный брикет выталкивается из полости матрицы нижним пуансоном. Для формования используется специализированное прессовое оборудование с механическим, гидравлическим или пневматическим приводом. Полученная прессовка имеет размер и форму готового изделия, а также достаточную прочность для перегрузки и транспортировки к печи для спекания.СпеканиеСпекание изделий из однородных металлических порошков производится при температуре ниже температуры плавления металла. С повышением температуры и увеличением продолжительности спекания увеличиваются усадка, плотность, и улучшаются контакты между зернами. Во избежание окисления спекание проводят в восстановительной атмосфере (водород, оксид углерода), в атмосфере нейтральных газов (азот, аргон) или в вакууме. Прессовка превращается в монолитное изделие, технологическая связка выгорает (в начале спекания).

13.П орошковые стали. Основные направления улучшения эксплуатационных харак­теристик деталей из порошковых сталей — повышение плотности изде­лий, упрочнение за счет легирования металлической матрицы, термооб­работка.Следует отметить, что каждый из этих методов имеет свои недостат­ки: в промышленных условиях недостижимы высокие давления прессо­вания, использование легирующих добавок (даже в количестве несколь­ких процентов) часто приводит к снижению точности конечных разме­ров изделий и увеличению стоимости продукции, термообработка не нашла широкого применения из-за несовпадения оптимальных режимов для традиционных и порошковых сталей и невысокой ее эффективнос­ти при повышенной пористости. Основным потребителем порошковых изделий за рубежом и в России по-прежнему является автомобильная промышленность, исполь­зующая седла клапанов, гнезда клапанов, гильзы, кулачки зубчатые, ше­стерни коленчатых и кулачковых валов и других деталей. В ближайшие годы в США удельный вес порошковых деталей в автомобиле возрастет в 1,5 раза за счет применения в двигателях порошковых шатунов.

14. Получение, переработка и применение современных неорганических порошковых материалов. Порошки металлов с неметаллами представляют собой композиции, состоящие из металлической фазы (чаще всего сплавы железа или тугоплавкие металлы) и добавок кремния, графита, окислов, карбидов, боридов или нитридов металлов. К порошкам данной группы относятся железографитные (ЖГр-0,3, ЖГр-1, ЖГр-3, ЖГр-7, ЖГр-2Д-2,5), бронзографитные (БрОГр-10-2, БрОГр-10-4, БрОГр-4, БрОГр-10), никельграфитные (УПГ-1, УПГ-1к), серебрянографитные, металлографитные, кремниевые, карбиды бора, ванадия, вольфрама, бориды ванадия, вольфрама, нитриды алюминия, бора, кремния и др.Для получения П. м. применяются следующие технологические методы: твердофазное спекание, спекание в присутствии жидкой фазы, пропитка, горячее прессование, горячее изостатическое прессование. Первые четыре метода основаны на получении порошковой шихты путём смешивания компонентов, их прессования и последующего горячего спекания (или только горячего прессования); в ряде случаев применяется дополнительная обработка спечённых изделий (повторное прессование и т. п.). Эта схема является основной для получения П. м. По такой технологии изготовляют многие изделия из П.м. (главным образом небольшие — массой 0,5—5 кг): пористые подшипники, фрикционные изделия, фильтры, твёрдые сплавы, магниты, контакты, изделия из тугоплавких металлов, изделия из жаропрочных сплавов (главным образом дисперсноупрочнённого типа на основе никеля и алюминия), ферриты, сварочные электроды, различные детали машин и приборов.Порошковые материалы перерабатывают прессованием (холодным, горячим), изостатическим формованием, прокаткой и другими способами.При холодном прессовании увеличивается контакт между частицами, уменьшается пористость, деформируются или разрушаются отдельные частицы. При горячем прессовании технологически совмещаются прессование и спекание заготовки.. Изостатическое (всестороннее) формование применяют для получения крупногабаритных заготовок с массой до 500 кг и более.. Прокатка – наиболее производительный и перспективный способ переработки порошковых материалов. Характерной особенностью является высокая степень автоматизации и непрерывность прокатки.

 

15. Управление структурой и свойствами порошков, материалов и изделий из них. Способы управления свойствами порошков путем механохимической их обработки. …Одной из существенных особенностей многих технологий перерабатывающих дисперсные материалы является возможность управления составом, структурой и, соответственно, свойствами (формой, плотностью, теплопроводностью и т.п.) материала частиц.Традиционно решение этой проблемы обеспечивается непосредственным изменением свойств материала частиц.Применение для этих целей механических смесей имеет ряд существенных недостатков, главным из которых является сегрегация компонентов при смешивании, транспортировании их смеси из дозирующих устройств в струю, а также в процессе переработки. Сегрегация (отделение, ликвация – плавление, разжижение)приводит к неравномерности формирования структуры, пористости, снижению прочности, и в ряде случаев эксплуатационных характеристик получаемых продуктов. Кроме того, при переработке механических смесей происходит окисление некоторых компонентов. Наличие в смеси порошков с различными гранулометрическим составом, формой, плотностью, теплопроводностью, температурой плавления приводит к неравномерности нагрева отдельных частиц в полете, ускорения, затвердевания, кристаллизации и в конечном счете не способствует достижению положительных результатов. В связи с этим и начали развиваться методы изготовления порошков, обеспечивающие наличие в каждой частице комплекса всех исходных компонентов. При этом все частицы порошка имеют одинаковые массу, химический состав, плотность, теплопроводность и т. д. Для достижения такого состояния применяемые способы дают возможность получать порошки плакированного и конгломератного строения. Такие порошки называют композиционными порошками. Для обозначения композиционных материалов в литературе распространены несколько терминов: плакированные порошки, экзотермически реагируемые порошки (для интерметаллидных композиций с экзотермическим эффектом при их взаимодействии), композитные порошки, агломерированные порошки (для порошков, получаемых спеканием, прокаткой, дроблением или перемешиванием со связкой и последующей сушкой при перемешивании или распылении) и т. д.

16.Современное материаловение конструкционных материалов на базе металлов, интерметаллических и неметаллических соединений, полимеров и керамики, работающих в эктремальных условиях. Оборонный и аэрокосмический комплексы являются одними из глав­ных потребителей новых материалов и в первую очередь конструкцион­ных. Новые материалы позволяют увеличить ресурс двигателей, повысить отношение тяги двигателей к их массе, снизить расход топлива и, глав­ное, обеспечить безопасность полетов. По мнению акад. РАН И. Н. Фрид- ляндера, российские конструкционные материалы на основе алюминие­вых сплавов являются лучшими в мире по характеристикам вязкого раз­рушения. Оригинальность решения заключается в том, что допускается появление трещин при одном существенном ограничении. Появившаяся трещина не должна приводить к разрушению конструкции. В соответ­ствии с этой концепцией на крыльях Боинга-747 может появиться тре­щина длиной 400 мм, но при этом лайнер может выдерживать еще 1000 ч полета. Таким образом, если раньше шла борьба за прочность и плас­тичность, то теперь добиваются вязкого разрушения.Большие технологические исследования посвящены разработке метал­лических материалов с нанокристаллической структурой. Эти материа­лы, обладающие уникальными свойствами, используются практически во всех сферах современных технологий.Интересны и оригинальны исследования по стойкости конструкци­онных материалов к воздействию мощных плазменных потоков, по со­зданию термоэлектрических материалов с высокой эффективностью, полученных методом механохимического синтеза; по взаимодействию электромагнитного излучения с системами на основе нанокристалличес- ких и аморфных материалов.

17. Жаропрочные стали. Суперстали. Облати их применения и условия службы. Жаропро́чная сталь — это вид стали, который используется в условиях высоких температур (от 0,3 части от температуры плавления) в течение определённого времени, а также в условиях слабонапряжённого состояния. Жаропрочность — это способность стали работать под напряжением в условиях повышенных температур без заметной остаточнойдеформации и разрушения. Основными характеристиками жаропрочности являются ползучесть и длительная прочность. Жаропрочные и жаростойкие стали применяют при изготовлении многих деталей газовых турбин реактивной авиации, в судовых газотурбинных установках, стационарных газовых турбинах, при перекачке нефти и нефтепродуктов, в аппаратуре крекинг - установок, при гидрогенизации топлива, в нагревательных металлургических печах и многих других установках.Суперсплавы работают в газовых турбинах воздушного, морского автомобильного транспорта, танковых двигателей, газовых турбинах промышленного назначения (газоперекачивающие станции, электростанции) в ракетных двигателях, в космических аппаратах, атомных реакторах, нефтехимическом оборудовании и т. п.В основном, суперсплавы применяются как жаропрочные материалы, но около 15...20 % этих сплавов применяются в качестве коррозионностойких материалов в химической, нефтехимической промышленности, тепловой иядерной энергетике, при производстве стекла, бумажной пульпы и средств борьбы с загрязнением окружающей среды.

18.Никелевые сплавы. В настоящее время никелевые сплавы составляют основную массу суперсплавов для лопаток и дисков. Именно они должны обеспечивать работоспособность и надежность авиационных двигателей с ресурсом 20...50 тыс. ч и промышленных турбин с ресурсом 100 тыс. ч.Упрочнение этих сплавов идет, главным образом, по дисперсионно­му механизму за счет выделения частиц ϒ-фазы состава Ni₃А1 (в спла­вах с Аl без Тi) и Ni₃(А1, Тi) в сплавах с А1 и Тi. В сложнолегированных сплавах в нее могут входить и другие элементы. Железоникелевые сплавыДостоинством этих сплавов является более низкая стоимость по срав­нению с никелевыми из-за меньшего содержания никеля и дорогих легирующих. Никеля в них обычно 25...60 %, железа — 15...60%. Недо­статком же является более низкая температура службы из-за меньшего содержания упрочняющих фаз и более низкой температуры их раство­рения (сольвуса) в матрице. Кобальтовые сплавыКобальтовые сплавы используются значительно реже, чем никелевые и железоникелевые (главным образом, по причине высокой стоимости кобальта, которая в 5—6 раз выше стоимости никеля), хотя они и име­ют определенные достоинства:пологую, без резкого падения как у никелевых сплавов, зависи­мость длительной прочности от температуры, что обеспечивает их луч­шую работоспособность при температурах выше 800...900 °С; лучшую стойкость против горячей коррозии в газах ГТД и ГТУ, особенно содержащих серу;лучшую свариваемость и сопротивление термической усталости.

19. Монокристаллические сплавы, направленные эвтектике. Проницаемые жаропрочные сплавы.

Это материал для рабочих лопаток ГТД. В монокристаллических от­ливках границы зерен, т. е. места зарождения разрушений, вообще от­сутствуют. Это позволяет за счет гомогенизирующей термообработки измельчить частицы ϒ-фазы, улучшить их распределение и тем самым повысить прочность сплавов. Кроме того, создание низкомодульной структуры<001>, параллельной направлению кристаллизации, повыша­ет сопротивление термической усталости, и хотя по комплексу характе­ристик жаропрочности это направление уступает направлению <111>, оно часто является предпочтительным.Поскольку при МК-структуре отливок отсутствует зернограничное упрочнение, то в сплавах, специально разработанных для таких отли­вок, как правило, отсутствуют карбидообразующие элементы (Hf, Zr), а углерод сведен к технологически возможному минимуму (0,002...0,004 %). Направленные эвтектики (эвтектические композиты) — НЭ [2]Это перспективные материалы для лопаток, работающих при t= 1100 °С. В отличие от обычных эвтектик здесь та фаза, которой меньше, формируется в процессе кристаллизации в виде упорядочение расположен­ных вдоль оси теплоотвода непрерывных стержней или полос. При доле этой фазы < 32 % образуются стержни, а > 32 % — полосы (плас­тины). Такая армирующая фаза сохраняется вплоть до температуры солидуса.Первое поколение никелевых НЭ представлено сплавами типа γ-МеС, ϒ—δ и γ/ϒ—δ, где матрицей являлись либо у-раствор, либо ϒ-фаза, либо γ-раствор, упрочненный ϒ-фазой. Армирующими фазами были карбиды МеС(NbС, ТаС) или интерметаллид Ni₃Nb(δ-фаза). НЭ отличаются вы­сокой стабильностью при высоких температурах и сохраняют свою прочность вплоть до температур 0,8...0,9 Для рабочих температур газов порядка 2000 К перспективными являются НЭ на основе туго­плавких оксидов.Второе поколение НЭ — это композиции γ/ϒ—МеС и γ/ϒ—α, где α — тугоплавкий металл (Мо, W). Доля карбидов (NbС, ТаС) в них 5...16%, а α-металла — 20...32 %.В ВИАМ разработаны сплавы семейства ВКЛС (γ/ϒ—MeС), в том числе и сплавы с рением (ВКЛС-20Rе).Проницаемые жаропрочные материалы [3]В последнее время полые монокристаллические лопатки получают с микроканалами и отверстиями в теле пера прямо в процессе кристал­лизации. Такие материалы позволяют сократить расход воздуха на ох­лаждение лопаток на 20...30 % по сравнению с пленочным охлаждени­ем, обеспечив более глубокое охлаждение. Они перспективны для ГТД XXI в. со стехиометрической температурой газа до 2400 К.