Спосіб одержання шаруватого метал-інтерметалідного композиційного матеріалу

Реферат: Спосіб отримання шаруватого метал-інтерметалідного композиційного матеріалу, за яким пакет, що містить до 40 шарів фольги металу, який вибраний з групи титан, нікель, вольфрам, залізо, або його сплавів, і розміщені між ними шари алюмінію або його сплавів, пресують під тиском 2-4 МПа та одночасно нагрівають і здійснюють ізотермічну витримку до завершення утворення інтерметалідних шарів, крім того ізотермічну витримку здійснюють при 600-630 °С впродовж часу, який не перевершує 3 годин, та одночасно через пакет з шарів фольги 4 2 пропускають імпульси струму густиною j≥5·10 А/см . UA 81686 U (12) UA 81686 U UA 81686 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель стосується способів отримання легких, стійких до дії удару шаруватих композиційних матеріалів (ШКМ), які складаються з шарів в'язкого металу, що чергуються з шарами твердого інтерметаліду, та можуть використовуватися як захисні протиударні покриття в різних технічних пристроях, літальних апаратах, цивільній і військовій техніці, бронежилетах. Відомо спосіб отримання композиційного матеріалу (Патент РФ № 2394665 МПК B22F7/04, опубл. 20.07.2010), що включає складання пакету із шарів фольги одного чи кількох металів, що вибрані з групи Ті, Ni, V, Fe або сплавів цих металів, з попереднім нанесенням на кожну із сторін фольги методом холодного газодинамічного напилення порошку алюмінію, і наступному пресуванні пакета за температури і тиску, достатніх для утворення інтерметалідної сполуки. Ознаками, які збігаються з ознаками способу, що заявляється є такі: пакет, що містить шари фольги металу, який вибраний з групи титан, нікель, вольфрам, залізо, або його сплавів, і розміщені між ними шари алюмінію (що напилені на метал), пресують і нагрівають до температури, достатньої для утворення інтерметалідних шарів. До причин, що перешкоджають одержанню очікуваного технічного результату, слід віднести те, що операція напилення порошку алюмінію на кожну з сторін фольги є витратною і складною, потребує контролю морфометричних характеристик алюмінієвого порошку, товщини і якості напилення. Напилення займає певний час, який подовжує загальну тривалість одержання композиційного матеріалу. Найбільш близьким за сукупністю ознак до корисної моделі, що заявляється, є спосіб одержання метал-інтерметалідного ШКМ (Патент US 7188559 МПК F41H5/04, опубл. 13.03.2007), що включає складання в пакет почергово фольг першого металу, наприклад Ті, Ni, V, Fe, або сплавів на основі цих металів, та другого металу, наприклад, алюмінію або його сплавів, спроможних утворити з першим металом интерметалідний зв'язок; механічне пресування пакету за тиску 2-4 МПа з одночасним ступінчатим нагріванням та ізотермічною витримкою в звичайній атмосфері до 600-800 °C впродовж часу, не меншого ніж 10 годин, до моменту, поки другий метал повністю не перетвориться в інтерметалідний шар, (наприклад, алюмінід титану). Ознаками, що збігаються з ознаками способу, що заявляється є такі: пакет, що містить до 40 шарів фольги металу, який вибраний з групи титан, нікель, вольфрам, залізо, або його сплавів, і розміщені між ними шари алюмінію або його сплавів, пресують під тиском 2-4 МПа та одночасно нагрівають і здійснюють ізотермічну витримку до завершення утворення інтерметалідних шарів. До причин, що перешкоджають одержанню очікуваного технічного результат, слід віднести те, що технологічний процес є довготривалим, потребує повільного ступінчатого нагрівання і регулювання тиску в залежності від температури. Крім того, є ризик витікання утворюваної на певних ступенях нагрівання рідкої фази більш легкоплавкого другого металу. В основу корисної моделі поставлено задачу удосконалити спосіб одержання шаруватого метал-інтерметалідного композиційного матеріалу шляхом введення нової операції, що дозволить прискорити процеси хімічної взаємодії металів, що утворюють інтерметалідні шари, і за рахунок цього спростити та скоротити процес одержання композиційного матеріалу до 2,5-3 годин. Крім того, у способі відсутній ризик витікання рідкої фази легкоплавкого металу. Суть корисної моделі полягає в тому, що в способі одержання шаруватого металінтерметалідного композиційного матеріалу за яким пакет, що містить до 40 шарів фольги металу, який вибраний з групи титан, нікель, вольфрам, залізо, або його сплавів, і розміщені між ними шари алюмінію або його сплавів, пресують під тиском 2-4 МПа та одночасно нагрівають і здійснюють ізотермічну витримку до завершення утворення інтерметалідних шарів, згідно з корисною моделлю, ізотермічну витримку здійснюють при 600-630 °C впродовж часу, який не перевершує 3 годин, та одночасно через пакет з шарів фольги пропускають імпульси струму 4 2 густиною j≥5·10 А/см . Розкриваючи причинно-наслідковий зв'язок між суттєвими ознаками способу, що заявляється, і технічним результатом необхідно відзначити таке. Ознака "ізотермічну витримку здійснюють при 600-630 °C впродовж часу, який не перевершує 3 годин" дозволяє утворювати інтерметаліди між шарами фольги, які знаходяться в твердому стані, без розплавлення алюмінієвої фольги. Тому відсутній ризик витікання рідкої фази легкоплавкого металу. Ознака "одночасно через пакет з шарів фольги пропускають імпульси струму густиною 4 2 j≥5·10 А/см дозволяє спростити та значно прискорити процеси хімічної взаємодії металів, що утворюють інтерметалідні шари, за рахунок електрод и фузії та електропластичного ефекту. Внаслідок цього формування інтерметалідного шару, яке визначає момент припинення ізотермічної витримки пакету з шарів фольги металів або сплавів, відбувається не впродовж 10 годин та більше, як за прототипом, а лише продовж 2,5-3 годин. 1 UA 81686 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Суть способу пояснюється кресленням, де на фіг. 1 наведено функціональну схему реалізації способу, на фіг. 2 - мікроструктуру композиційного матеріалу за прикладом 1, а на фіг. 3 - мікроструктуру композиційного матеріалу за прикладом 2. Функціональна схема для реалізації способу одержання шаруватого метал-інтерметалідного композиційного матеріалу містить генератор імпульсних струмів 1, нагрівач 2, пакет 3, що складається з шарів фольги металів. Спосіб здійснюють таким чином. Складають пакет 3, що містить попередньо очищених від бруду і жиру до 40 шарів фольги, наприклад Ті, товщиною 0,01-1,0 мм, що чергуються з шарами фольги Аl товщиною 0,01-1,0 мм, так, щоб верхнім і нижнім шаром був шар Ті. При цьому відношення товщини алюмінієвої фольги до товщини титанової фольги повинне бути меншим за 2,8. Невиконання цієї умови спричинить неповне перетворення алюмінієвих шарів в найбільш твердий інтерметалід Аl 3Ті 2 (твердістю від 400 кг/мм ) з поміж можливих продуктів хімічної взаємодії між металами фольги або утворення більш м'яких інтерметалідів, що призведе до утворення неякісного ШМК з залишковими прошарками Аl. Пакет з фольги металів, обкладений зверху і знизу міцними електроізоляційними пластинами, пресують на механічному або гідравлічному пресі під тиском 2-4 МПа та нагрівають в нагрівачі 2 в звичайній атмосфері до температури не нижче 600 °C. Потім здійснюють ізотермічну витримку стисненого пакету при 600-630 °C впродовж часу, який не перевершує 3 годин, зазвичай 2,5-3 години, не змінюючи при цьому діючий на пакет тиск. Одночасно впродовж ізотермічної витримки через стиснений пакет від високовольтного генератора імпульсних струмів 1 з ємнісним накопичувачем енергії пропускають імпульси 4 2 струму густиною j, що дорівнює, або більша ніж 5·10 А/см (Фіг. 1). При такому значенні густини струму в пакеті, який містить шари фольги металів або сплавів і є неоднорідним по внутрішній будові багатошаровим провідником, реалізується процес електродифузії, що призводить до більш швидкої взаємодії хімічно різнорідних шарів пакету в порівнянні з взаємодією, активованою лише температурою та тиском. Окрім того, хімічна взаємодія між металами, з яких складено пакет, прискорюється внаслідок руху дислокацій, викликаного електропластичним ефектом. При цьому шари легкоплавкого металу (алюмінію) не розплавляються, отже нема потреби приймати засоби застороги проти витікання рідини із пакету та знижувати від початку встановлений тиск на фольги. Таким чином, утворення інтерметалідного шару повністю завершується після 2,5-3 годин. Після закінчення зазначеного часу, пропускання імпульсів струму припиняють та, не змінюючи тиску, охолоджують пакет, який відтепер є монолітним ШКМ, до кімнатної температури. Приклад 1. Нарізали 10 заготівок розміром 10×100 мм титанової фольги марки ВТ1-0 товщиною 50 мкм і 9 заготівок розміром 10×100 мм алюмінієвої фольги марки А7 товщиною 50 мкм. Після знежирення етиловим спиртом складали їх почергово в пакет, який розміщували між двома пластинками твердої кераміки в механічному пресі. Пакет спресовували під тиском 2 МПа та нагрівали до температури 600 °C. За цієї температури здійснювали ізотермічну витримку пакету впродовж 3 годин та охолоджували його. Одержаний ШКМ містив окремі острівці та несуцільні прошарки інтерметалідів твердістю по 2 Вікерсу в середньому 185 кг/мм і залишкові прошарки алюмінію середньою товщиною 40 мкм, тобто його структура не відповідала якісному ШКМ (фіг. 2). Приклад 2. Здійснювали послідовність, наведену в прикладі 1, додатково під час ізотермічної витримки пропускаючи через пакет з шарів фольги розрядні імпульси струму силою 4 2 25 кА, що відповідає густині струму j=25·10 А/см . Одержаний ШКМ складався з шарів титану товщиною 40 мкм і інтерметалідних шарів 2 товщиною 60 мкм і твердістю 400 кг/мм , що підтверджує завершеність процесу отримання ШКМ в межах 3 годин та високу якість отриманого ШКМ (фіг. 3). Результати одержання ШКМ за прикладами 1 та 2 наведено в таблиці. 50 Таблиця Характеристики ШКМ № 1 2 Товщина Мікротвердість по Вікерсу Товщина Товщина шару інтерметалідного інтерметалідного шару, шару Ті, мкм залишкового Аl, мкм 2 шару, мкм кг/мм 40 20, окремі прошарки 185 40 40 60, суцільний шар 400 відсутній 2 UA 81686 U 5 Таким чином, спосіб одержання шаруватого метал-інтерметалідного композиційного матеріалу дозволить прискорити процеси хімічної взаємодії металів, що утворюють інтерметалідні шари, і за рахунок цього спростити та скоротити процес одержання композиційного матеріалу до 2,5-3 годин. Крім того, у способі відсутній ризик витікання рідкої фази легкоплавкого металу. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 10 15 Спосіб отримання шаруватого метал-інтерметалідного композиційного матеріалу, за яким пакет, що містить до 40 шарів фольги металу, який вибраний з групи титан, нікель, вольфрам, залізо, або його сплавів, і розміщені між ними шари алюмінію або його сплавів, пресують під тиском 2-4 МПа та одночасно нагрівають і здійснюють ізотермічну витримку до завершення утворення інтерметалідних шарів, який відрізняється тим, що ізотермічну витримку здійснюють при 600630 °С впродовж часу, який не перевершує 3 годин, та одночасно через пакет з шарів фольги 4 2 пропускають імпульси струму густиною j≥5·10 А/см . 3 UA 81686 U Комп’ютерна верстка І. Скворцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4