Синтез сплавов и тугоплавких химических соединений


Перспективное применение электровзрывных нанопорошков - это синтез интерметаллических и высокотемпературных соединений. Как показывают исследования, частицы электровзрывных нанопорошков обладают повышенной дефектностью. Вероятно, вследствие этого при нагреве некоторых нанопорошков выделяется энергия (Еэ), не связанная с химическими процессами, подобный эффект наблюдался при нагреве электровзрывных нанопорошков металлов [1, 2], частности серебра [3, 4].
Ex1.1.JPG


Рис. 1. Дериватограмма электровзрывного порошка серебра | при его нагреве в атмосфере аргона

На рис. 1 показано, что при повышении температуры до 215...220 ºС в атмосфере аргона в электровзрывном порошке серебра начинается экзотермический процесс. При этом энергия Еэ составляет 37 % от теплоты плавления металла (Еэ = 38,73 кДж/кг, величина теплоты плавления серебра 104,7 кДж/кг). Эксперимент проводился в Национальной Лаборатории Лос-Аламоса, США

Таблица 1 - Получение интерметаллических соединений
table1.1.JPG
Высокая активность и особенности энергетического состояния нанопорошков позволяют получать соединения металлов, имеющих существенно различные температуры плавления, например железоалюминия [5]. В табл. 1 показаны примеры нескольких реакций, где электровзрывные нанопорошки были использованы для формирования интерметаллических соединений [6]. В реакциях в качестве металла 1 использовались нанопорошки, в качестве металла 2 - промышленный порошок, либо электровзрывной нанопорошок. Все реакции протекали в режиме СВС.
Благодаря высокой химической активности, электровзрывные порошки могут выступать также в качестве сырья для синтеза тугоплавких химических соединений, например, карбида вольфрама [7].
Ex2.2.JPG
Рис. 2. Характерные изображения порошка вольфрама: (а) - сканирующая электронная микроскопия, (б) - просвечивающая электронная микроскопия

Для карбонизации, порошок вольфрама (рис. 2) и стружка из спектрально-чистого графита смешивались между собой. Смесь помещалась в герметичную реторту из нержавеющей стали (рис. 3).
Ex3.3.JPG
Рис. 3. Принципиальная схема прибора для карбонизации порошка вольфрама: 1 - порошок вольфрама, 2 - спектрально-чистые стрежни графита, 3 - реторта, 4 - нагреватель, 5 - теплоизоляция, 6 - ниппель, 7 - мотор-редуктор

Компоненты реакции взвешивались в стехиометрической пропорции: на 1% веса стружки графита - 15,3% веса порошка вольфрама. Смесь нагревалась до температуры 1000 оС в течение 14 часов. Для более равномерного контакта реактивных компонентов и предотвращения агломерации порошка, реторта вращалась со скоростью 0,5 оборотов в минуту. Снижение избыточного давления в реторте осуществлялось через ниппель. Рентгенофазовый анализ показывает, что продуктом реакции является карбид вольфрама WC (94% вольфрама, 6% углерода).

Характерные изображения частиц карбида вольфрама приведены на рис. 4. Крупные частицы (рис. 4, б, в) состоят из блоков, на поверхности частиц наблюдаются трещины.
Ex4.JPG
Рис. 4. Характерные изображения порошков карбида вольфрама, полученные сканирующей микроскопией: стрелки указывают на трещины в индивидуальных частицах
Ex5.JPG
Рис. 5. Функции распределения по размерам частиц W и WC (N - число частиц, а - размер в нм): для порошков W - аn = 210 нм; аs = 740 нм; аm = 2390 нм; для порошков WC - аn = 774 нм; аs = 1140 нм; аm = 1564 нм
На рис. 5 изображены функции распределения частиц по размерам порошков вольфрама и карбида вольфрама. Анализ функций распределения показывает, что максимум кривой WC несколько сместился в область больших размеров, при этом в порошке уменьшилась доля как мелкой, так и крупной фракций.

Вероятно, уменьшение доли мелкой фракции связанно со спеканием частиц при нагреве, а уменьшение числа крупных частиц связанно с их растрескиванием во время процесса карбидизации.

Наличие крупных частиц в порошке карбида вольфрама связанно с полидисперсностью исходного порошка вольфрама. Размеры частиц вольфрама лежат в интервале 10-9 мкм < а < 10-4 мкм, размеры частиц карбида вольфрама - в интервале 10-7 мкм ≤ а < 10-5 мкм.

Литература

1. Ильин А. П. Структурно-энергетическое состояние электровзрывных ультрадисперсных порошков и процессы релаксации в них // Изв. высш. уч. заведений. Физика. - 1996. - № 4. - С. 136 - 144.

2. Ильин А. П. Об избыточной энергии ультрадисперсных порошков, полученных методом электрического взрыва проволок // Физика и химия обработки материалов.- 1994. - № 3. - С. 94.

3. Tepper F. Lerner M. Ginley D. Metallic Nanopowders // Dekker Encyclopedia of Nanoscience and Nanotechnology. - Marcel Dekker, Inc., N. Y., 2004. - P. 1921 - 1933.

4. Яворовский Н. А., Ильин А. П., Лернер М. И., Проскуровская Л. Т. Явление теплового взрыва в ультрадисперсных порошках чистых металлов // Первый всесоюзный симпозиум по макроскопической кинетике и химической газодинамике. Тезисы докладов. - Черноголовка, 1984. - Т. 1. - Ч. 1. - С. 55-56.

5. А. с. 1287611 (СССР). Способ получения дисперсно-упрочненного
железоалюминиевого сплава / Каратеева Е. А., Лернер М. И., Хабас Т. А., Проскуровская Л. Т., Ильин А. П. - 1986.

6. Ivanov G., Lerner M., Tepper F. Intermetallic Alloy Formation from Nanophase Metal Powders Produced by Electro-Exploding Wires // Advances in Powder Metallurgy & Particulate Materials. - 1996. - Vol. 4. - Р. 15/55-15/63.

7. Dammer V., Davydovich V., Eckl W., Eisenreih N., Kirilov V., Lerner M., Sakovich G., Vorozhtsov A., Weller F. New method of WC nanosized powder manufacturing // Energetic Materials Performance and Safety. 36th International Annual Conference of ICT & 32th International Pyrotechnics Seminar. June 28 - Jule 1. - Karlsruhe, Federal Republic of Germany, 2005. - P. 38-1 - 38 - 6.
Мы предлагаем нашим партнерам:
  • Индивидуальный подход к заказу
  • Научно-технологическое сотрудничество
  • Систему скидок
  • Доставку продукции
Новости
4 Апреля 2019 Компания «ПЕРЕДОВЫЕ ПОРОШКОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ» успешно выполнила работы по третьему этапу проекта «НТИ - Развитие» (www.fasie.ru)
На третьем этапе выполнения проекта разработаны методы изготовления гранулированных термопластичных материалов на основе микро- и наночастиц сплавов 03Х17Н14М3, Ti-Al, ВТ-6, ВНЖ-90 и Al2O3 (фидстоков) и исследованы их физико-химические характеристики. Для получения гранулированных материалов на основе микро- и наночастиц сплава 03Х17Н14М3 выбран комбинированный метод, включающий получение мелкого гранулята обработкой частиц со структурой ядро-оболочка раствором полимеров и совмещение мелкого гранулята с расплавом полимеров. Для получения гранулированных материалов на основе микро- и наночастиц сплавов ВТ-6, Ti-Al, ВНЖ-90 и Al2O3 выбран метод введения частиц ядро-оболочка в расплав полимеров. Определены режимы формования сложнопрофильных деталей из гранулированных материалов и исследованы их механические характеристики. Установлено, что по микротвердости, пределу прочности при растяжении и изгибе образцы сложнопрофильных деталей близки характеристикам соответствующих объемных материалов.
Разработка методов изготовления гранулированных материалов на основе микро- и наночастиц сплавов 03Х17Н14М3, Ti-Al, ВТ-6, ВНЖ-90 и Al2O3, а также литье под давлением сложнопрофильных деталей с требуемыми механическими характеристиками позволяет приступить к выполнению следующего этапа работ - разработке лабораторного технологического регламента получения гранул из частиц со структурой ядро-оболочка, наработке и исследованию гранулированных материалов. Проект выполняется при поддерже Фонда содействия инновациям (www.fasie.ru).
21 Ноября 2018 Компания "ПЕРЕДОВЫЕ ПОРОШКОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ" индустриальный партнер проекта
ООО «ПЕРЕДОВЫЕ ПОРОШКОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ» индустриальный партнер ИФМП СО РАН по проекту ПНИ по теме: «Разработка и создание нового поколения бимодальных металлопорошковых композиций на основе нано- и микрочастиц жаропрочных, жаростойких, коррозионностойких сплавов для аддитивных технологий синтеза деталей сложных систем» ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 - 2020 годы» в рамках Соглашения 14.604.21.0158.
В настоящее время завершается выполнение второго этапа проекта "Определение условий синтеза бимодальных порошков на основе нано- и микрочастиц жаропрочных, жаростойких, коррозионностойких сплавов для аддитивных технологий синтеза деталей сложных систем». Успешно выполнены работы:
•    Установлены электрофизические параметры получения бимодальных порошков сплавов ХН70Ю, ХН60ВТ и 316L.
•    Исследованы физико-химические и технологические характеристики экспериментальных образцов бимодальных порошков жаропрочных, жаростойких, коррозионностойких сплавов для аддитивного изготовления деталей сложных систем.
•     Исследована возможность использования бимодальных порошков для аддитивного изготовления деталей сложной пространственной структуры методом селективного лазерного плавления.
•    Разработан метод микрокапсуляции бимодальных порошков органическими соединениями для создания защитного слоя на поверхности частиц. Микрокапсуляция препятствует окислению бимодальных порошков, способствует увеличению скорости спекания образцов и позволяет получать изделия с плотностью, близкой к теоретической плотности сплавов.