RU2495732C1

RU2495732C1 - Method of compacted powder production

Info

Publication number: RU2495732C1
Application number: RU2012140281/02A
Authority: RU
Inventors: Евгений Григорьевич Григорьев; Юджин Эл Олевски; Ольга Николаевна Сизоненко
Priority date: 2012-09-20
Filing date: 2012-09-20
Publication date: 2013-10-20

Abstract

FIELD: process engineering.

SUBSTANCE: invention relates to powder metallurgy, particularly, to production of bulky ultra dispersed and nano materials by electric pulse compaction. It can be used for production of high-strength articles. Pre-cleaning of powder is executed by heating it in vacuum by series of low-voltage DC pulses with duration not exceeding 120 s. Separate pulse duration does not exceed 3-10^-3 s while pulse amplitude equal to 1-10 kA/cm². Compaction is performed by subjecting the powder to pressure of 50-500 MPa and passing HV current pulse with density of 50-500 kA/cm² and duration of 10-500 mcs.

EFFECT: higher strength and elasticity at initial powder grain sizes.

1 dwg, 1 ex

Description

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к способам электроимпульсной консолидации порошковых наноструктурных материалов с прогнозируемыми свойствами, и может быть использовано при изготовлении изделий с высокими прочностными характеристиками.The invention relates to the field of powder metallurgy, in particular to methods for electropulse consolidation of powder nanostructured materials with predictable properties, and can be used in the manufacture of products with high strength characteristics.

Известен способ получения порошковых изделий из тяжелых сплавов на основе вольфрама, включающий приготовление исходной порошковой смеси, содержащей вольфрам, железо и никель, гидростатическое прессование в гидростате и последующее электроимпульсное плазменное спекание в твердой фазе с нагревом в вакууме со скоростью 100-300°C/мин (Патент РФ №2442834, 2009 г.). Недостатками известного способа являются: наличие остаточной пористости в спеченных образцах и низкая пластичность спеченных материалов при температурах спекания 925-950°C; а при температурах электроимпульсного плазменного спекания свыше 1050°C наблюдается рост зерен в спекаемом материале, приводящий к снижению предела прочности материала в получаемых образцах.A known method for producing powder products from tungsten-based heavy alloys, comprising preparing an initial powder mixture containing tungsten, iron and nickel, hydrostatic pressing in a hydrostat and subsequent electropulse plasma sintering in a solid phase with heating in vacuum at a speed of 100-300 ° C / min (RF patent No. 2442834, 2009). The disadvantages of this method are: the presence of residual porosity in sintered samples and low ductility of sintered materials at sintering temperatures of 925-950 ° C; and at electropulse plasma sintering temperatures above 1050 ° C, grain growth in the sintered material is observed, leading to a decrease in the tensile strength of the material in the resulting samples.

Известен способ получения компактных изделий из порошков (Электроимпульсная технология формирования материалов из порошков. Е.Г. Григорьев, Б.А. Калин. М.: МИФИ. 2008, с.33), в котором используется одновременное воздействие на порошковую заготовку короткого мощного высоковольтного импульса электрического тока и механического давления. Длительность импульса тока составляет не более 10^-3 с, а амплитуда плотности тока в импульсе свыше 10⁴ А/см². Способ обеспечивает сохранение исходного размера зерен в консолидированном материале и получение образцов со 100% относительной плотностью. Недостатком данного способа, который препятствует получению высокой прочности и пластичности в консолидированных образцах, является то, что одновременное воздействие короткого мощного высоковольтного импульса электрического тока и механического давления на порошковую заготовку проводится на воздухе без использования защитной атмосферы или вакуума, что не обеспечивает достаточной очистки поверхности частиц порошка от оксидных слоев и других поверхностных загрязнений. В результате присутствие на границах зерен в консолидированном материале соединений кислорода и других элементов затрудняет получение изделий с высокими механическими характеристиками (прочностью и пластичностью).A known method of producing compact products from powders (Electropulse technology for the formation of materials from powders. EG Grigoryev, B. A. Kalin. M .: MEPhI. 2008, p. 33), which uses the simultaneous impact on the powder billet short high-voltage pulse of electric current and mechanical pressure. The duration of the current pulse is not more than 10 ^-3 s, and the amplitude of the current density in the pulse is more than 10 ⁴ A / cm ² . The method ensures the preservation of the initial grain size in the consolidated material and obtaining samples with 100% relative density. The disadvantage of this method, which prevents the obtaining of high strength and ductility in consolidated samples, is that the simultaneous exposure to a short high-power high-voltage pulse of electric current and mechanical pressure on the powder billet is carried out in air without the use of a protective atmosphere or vacuum, which does not provide sufficient cleaning of the particle surface powder from oxide layers and other surface contaminants. As a result, the presence at the grain boundaries in the consolidated material of oxygen compounds and other elements makes it difficult to obtain products with high mechanical characteristics (strength and ductility).

Наиболее близким по совокупности признаков к изобретению является способ спарк-плазменного спекания объемных наноструктурных материалов (I. Lonardelli Deformation mechanisms in bulk nanostructured aluminum obtained after cryomilling and consolidation by spark plasma sintering, PhDThesis, University of Trento (2010), p.43 (http://eprints-phd.biblio.unitn.it/340/3/PhDThesis_Lonardelli_All.pdf). Указанный способ состоит из двух этапов. На первом этапе процесс спарк-плазменного спекания проводится в вакууме без нагрузки в течение 400 с, чтобы облегчить дегазацию порошка, при относительно низкой температуре (470°C для нанокристаллических или ультрадисперсных алюминиевых образцов). На втором этапе для достижения достаточной степени уплотнения (99,5% относительная плотность спеченных образцов) к образцу прикладывается давление, и температура спекания увеличивается до 620°C. Интенсивная усадка порошкового образца при высокой температуре в течение 400 с сопровождается интенсивным диффузионным ростом зерен в процессе спекания порошкового материала. Недостатками данного способа, не позволяющими достичь сохранения исходного размера зерна и высокой прочности консолидированного материала, являются следующие: во-первых, вначале процесса консолидации при дегазации порошка используются импульсы тока амплитудой до 1 кА/см², что не позволяет сократить длительность первого этапа менее 400 с и способствует нежелательному росту зерен в порошковом материале, а также излишнему износу пресс-оснастки (пуансонов и матрицы), а достигаемые температуры не обеспечивают полной очистки поверхности частиц порошка от оксидов и нитридов. Во-вторых, достаточная степень уплотнения на втором этапе обеспечивается за счет воздействия на образец давления и нагревом серией низковольтных импульсов тока в течение 400 с, что вызывает интенсивные диффузионные процессы в консолидируемом материале и приводит к существенному росту зерен, снижающему прочность получаемых образцов. К тому же длительное высокотемпературное воздействие приводит к существенному износу пресс-оснастки при спарк-плазменном спекании.The closest set of features to the invention is the method of spark plasma sintering of bulk nanostructured materials (I. Lonardelli Deformation mechanisms in bulk nanostructured aluminum obtained after cryomilling and consolidation by spark plasma sintering, PhDThesis, University of Trento (2010), p. 43 (http: : //eprints-phd.biblio.unitn.it/340/3/PhDThesis_Lonardelli_All.pdf). This method consists of two stages. At the first stage, the spark-plasma sintering process is carried out in vacuum without load for 400 s to facilitate degassing powder, at a relatively low temperature (470 ° C for nanocrystalline or ultrafine x aluminum samples). In the second stage, to achieve a sufficient degree of compaction (99.5% relative density of sintered samples), pressure is applied to the sample and the sintering temperature increases to 620 ° C. Intensive shrinkage of the powder sample at high temperature for 400 s is accompanied by intense diffusion grain growth during sintering of the powder material. The disadvantages of this method, which do not allow to maintain the original grain size and high strength of the consolidated material, are as follows: first, at the beginning of the consolidation process during powder degassing, current pulses with an amplitude of up to 1 kA / cm ^{2 are used} , which does not allow reducing the duration of the first stage to less than 400 c and contributes to undesirable grain growth in the powder material, as well as excessive wear of the press tool (punches and dies), and the achieved temperatures do not provide complete surface cleaning for an hour tits powder from oxides and nitrides. Secondly, a sufficient degree of compaction in the second stage is ensured by applying pressure to the sample and heating by a series of low-voltage current pulses for 400 s, which causes intense diffusion processes in the consolidated material and leads to a significant grain growth, which reduces the strength of the obtained samples. In addition, prolonged high-temperature exposure leads to significant wear of the press tool during spark-plasma sintering.

Техническим результатом, на который направлено изобретение, является улучшение эффективности способа получения консолидированных порошковых материалов при сохранении исходного размера зерен, путем предварительной дегазации порошкового материала при высокоскоростном нагреве низковольтными импульсами тока и последующим воздействием давлением и высоковольтным импульсом тока на порошковый материал, что позволяет значительно повысить прочность и пластичность консолидированного материала, а также увеличить ресурс работы пресс-оснастки.The technical result to which the invention is directed is to improve the efficiency of the method for producing consolidated powder materials while maintaining the initial grain size by preliminary degassing of the powder material during high-speed heating with low-voltage current pulses and subsequent exposure to pressure and high-voltage current pulses on the powder material, which can significantly increase the strength and plasticity of the consolidated material, and also increase the life of the press weave.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе получения консолидированных порошковых материалов, который включает предварительную очистку порошка путем нагрева его в вакууме серией низковольтных импульсов постоянного тока и последующую его консолидацию путем воздействия на него давлением и одновременно прямым пропусканием через него высоковольтного импульса тока, согласно изобретению, предварительную очистку поверхности частиц порошковой заготовки осуществляют в вакууме путем нагрева серией низковольтных импульсов постоянного тока с общей продолжительностью не более 120 с, с длительностью отдельного импульса не более 3·10^-3 сек и амплитудой 1-10 кА/см² после чего на порошок воздействуют давлением 50-500 МПа и пропускают высоковольтный ток плотностью 50-500 кА/см² длительностью 10-500 мксек.The essence of the invention lies in the fact that in a method for producing consolidated powder materials, which involves preliminary cleaning of the powder by heating it in vacuum with a series of low-voltage pulses of direct current and its subsequent consolidation by applying pressure to it and simultaneously directly passing through it a high-voltage current pulse, according to the invention , preliminary cleaning of the surface of the particles of the powder billet is carried out in vacuum by heating a series of low-voltage impulses yannogo current for a total of not more than 120 seconds, with the duration of a single pulse no more than 3 × 10 ^-3 seconds and an amplitude of 1-10 kA / cm ² and then act on the powder a pressure of 50-500 MPa and a density of 50-500 kA is passed the high-voltage current / cm ² lasting 10-500 μs.

Раскрывая причинно-следственную связь между существенными признаками способа, который заявляется, и техническим результатом необходимо отметить следующее. Признаки «предварительную очистку поверхности частиц порошковой заготовки осуществляют в вакууме путем нагрева серией низковольтных импульсов постоянного тока с общей продолжительностью не более 120 сек, с длительностью отдельного импульса не более 3·10^-3 сек и амплитудой 1-10 кА/см²» позволяют провести очистку поверхности частиц порошка путем дегазации прессовки при сохранении исходной микроструктуры в порошковых частицах за счет кратковременности процесса нагрева, а признаки «на порошок воздействуют давлением 50-500 МПа и пропускают высоковольтный ток плотностью 50-500 кА/см² длительностью 10-500 мксек» позволяют получить высокоплотный материал с сохранением исходной микроструктуры и высокими прочностными характеристиками и пластичностью. Выбор длительности операции предварительной очистки поверхности частиц порошковой заготовки основан на результатах экспериментальных исследований процесса дегазации порошка при нагреве серией низковольтных импульсов постоянного тока, оптимальные параметры которых (амплитуда и длительность отдельного импульса) зависят от характеристик частиц порошка и для исследованных порошков ряда металлов и сплавов (ПЖ2М3, никеля, меди, алюминия, титана, циркония, сплава Э110, тантала, молибдена, вольфрама, ВК6, ВК8, ВК10) ограничены значениями: длительностью отдельного импульса не более 3·10^-3 сек и амплитудой 1-10 кА/см². Воздействие на порошок давлением в диапазоне от 50 МПа до 500 МПа уменьшает электрическое сопротивление порошка и создает условия для однородного нагрева и уплотнения консолидируемого образца. Амплитуда плотности импульса тока от 50 до 500 кА/см² в сочетании с длительностью импульса в диапазоне от 10 до 500 мкс обеспечивают равномерное распределение температуры в объеме образца и требуемую величину температуры для уплотнения материала, а также предохранения пресс-оснастки (матрицы и пуансонов) от интенсивного нагревания в процессе консолидации. При длительности импульса тока короче 10 мкс неравномерное распределение плотности тока по радиусу в консолидируемом образце (за счет проявления «скин-эффекта») приводит к неоднородному распределению температуры. При длительностях импульса тока более 500 мкс возникает неравномерное распределение температуры в образце за счет теплоотвода в матрицу и пуансоны, и, кроме того, негативно влияет на ресурс работоспособности пресс-оснастки. При амплитудах плотности тока в импульсе менее 50 кА/см² не удается нагреть консолидируемый образец до температуры, достаточной для получения материала требуемой плотности. При амплитуде плотности тока в импульсе, превышающей 500 кА/см², процесс высоковольтной электроимпульсной консолидации теряет устойчивость и приводит к получению образцов, содержащих макроскопические полости а также к разрушению образцов и пресс-оснастки.Revealing the causal relationship between the essential features of the method that is claimed, and the technical result, the following should be noted. The signs "preliminary cleaning of the surface of the particles of the powder billet is carried out in vacuum by heating with a series of low-voltage DC pulses with a total duration of not more than 120 seconds, with a duration of a single pulse of not more than 3 · 10 ^-3 sec and an amplitude of 1-10 kA / cm ² " allow cleaning the surface of the powder particles by degassing the compact while maintaining the original microstructure in the powder particles due to the short duration of the heating process, and the signs “affect the powder with a pressure of 50-500 MPa and let high-density material with a density of 50-500 kA / cm ^{2 and a} duration of 10-500 μs ”allows to obtain a high-density material with preservation of the original microstructure and high strength characteristics and ductility. The choice of the duration of the preliminary cleaning of the surface of the particles of the powder billet is based on the results of experimental studies of the process of degassing the powder when heated by a series of low-voltage DC pulses, the optimal parameters of which (the amplitude and duration of a single pulse) depend on the characteristics of the powder particles and for the powders studied for a number of metals and alloys (ПЖ2М3 , nickel, copper, aluminum, titanium, zirconium, alloy E110, tantalum, molybdenum, tungsten, VK6, VK8, VK10) are limited by the values: a single pulse of not more than 3 · 10 ^-3 sec and an amplitude of 1-10 kA / cm ² . Exposure of the powder to pressure in the range from 50 MPa to 500 MPa reduces the electrical resistance of the powder and creates conditions for uniform heating and compaction of the consolidated sample. The amplitude of the current pulse density from 50 to 500 kA / cm ² in combination with a pulse duration in the range from 10 to 500 μs provides a uniform temperature distribution in the sample volume and the required temperature for sealing the material, as well as the protection of the press tool (matrix and punches) from intense heating during the consolidation process. When the current pulse is shorter than 10 μs, the uneven distribution of the current density over the radius in the consolidated sample (due to the manifestation of the "skin effect") leads to an inhomogeneous temperature distribution. With current pulse durations of more than 500 μs, an uneven temperature distribution occurs in the sample due to heat removal to the die and punches, and, in addition, negatively affects the service life of the press tooling. At amplitudes of the current density in the pulse of less than 50 kA / cm ^{2, it is} not possible to heat the consolidated sample to a temperature sufficient to obtain the material of the required density. When the amplitude of the current density in the pulse exceeds 500 kA / cm ² , the process of high-voltage electropulse consolidation loses stability and leads to the production of samples containing macroscopic cavities as well as to the destruction of the samples and press tools.

Предлагаемый способ был реализован на экспериментальной установке, принципиальная схема которой изображена на фигуре 1. В вакуумной камере 1 расположена пресс-форма 2 для изготовления изделий, заполненная порошком 3. В предложенном варианте устройства сверху и снизу на порошок накладываются электроды-пуансоны 4. На верхний электрод-пуансон прикладывается давление от внешнего устройства нагружения 5. Электроды-пуансоны 4 электрически соединены посредством коммутатора 6 с генератором низковольтных импульсов тока 7 и посредством коммутатора 8 с генератором высоковольтных импульсов тока 9. При включении коммутатора 6 через электроды-пуансоны 4 на засыпку порошка 3, находящуюся в пресс-форме 2, воздействуют импульсы электрического тока от генератора низковольтных импульсов 7. При этом между частицами порошка возникают искровые разряды, в зазорах между частицами генерируется искровая плазма, воздействие которой на поверхность частиц во всей массе порошка приводит к разрушению поверхностных пленок и интенсивной очистке поверхности частиц от загрязнений в течение интервала времени, не превышающего 120 с. Затем коммутатор 6 отключает генератор низковольтных импульсов тока 7, и через верхний пуансон 4 на порошковую засыпку 3 прикладывается давление от внешнего устройства нагружения 5. Далее при включении коммутатора 8 через порошок проходит короткий мощный импульс тока от генератора высоковольтных импульсов тока 9. Мощный высоковольтный импульс тока воздействует совместно с приложенным давлением на порошковую засыпку и обеспечивает теоретическую плотность порошкового материала при его консолидации.The proposed method was implemented in an experimental setup, the schematic diagram of which is shown in figure 1. In the vacuum chamber 1 there is a mold 2 for manufacturing products filled with powder 3. In the proposed embodiment of the device, electrodes-punches 4. are placed on top and bottom of the powder. On the top a punch electrode is applied pressure from an external loading device 5. The punch electrodes 4 are electrically connected by means of a switch 6 to a low-voltage pulse generator 7 and by means of a switch and 8 with the generator of high-voltage current pulses 9. When the switch 6 is turned on through the electrodes-punches 4, the powder filling 3 located in the mold 2 is affected by electric current pulses from the low-voltage pulse generator 7. In this case, spark discharges arise between the powder particles, in gaps between particles generated spark plasma, the impact of which on the surface of the particles in the entire mass of powder leads to the destruction of surface films and intensive cleaning of the surface of the particles from contamination during the time interval Meni not exceeding 120. Then, the switch 6 turns off the low-voltage pulse generator 7, and through the upper punch 4 a powder is applied to the powder filling 3 from an external loading device 5. Then, when the switch 8 is turned on, a short powerful current pulse from the generator of high-voltage current pulses passes through the powder 9. A powerful high-voltage current pulse acts together with the applied pressure on the powder filling and provides the theoretical density of the powder material during its consolidation.

Пример конкретного осуществления способа.An example of a specific implementation of the method.

Электропроводящий порошок сплава Э-110 (Zr+1% Nb, частицы сферической формы) 3 засыпали в пресс-форму 2. С торцов пресс-формы вставляли электроды-пуансоны 4 из молибдена. Подготовленную технологическую сборку (пресс-форма, заполненная порошком с вставленными пуансонами) помещали в вакуумную камеру 1 технологического блока электроимпульсной установки. Камеру 1 с технологической сборкой откачивали до остаточного давления 4 Па. Включали коммутатор 6 низковольтных импульсов тока 7 и проводили очистку поверхности частиц в порошковой заготовке за счет нагрева заготовки серией низковольтных импульсов постоянного тока (длительность отдельного импульса 3·10^-3 сек и амплитуда 5 кА/см² общей длительностью 120 с. Затем отключали коммутатор низковольтных импульсов тока 7 и подавали давление на верхний электрод-пуансон 4 от внешнего нагружающего устройства 5. Величина давления 250 МПа определяется значением максимальной плотности изделия и достижением высокой пластичности и прочности консолидируемого порошка сплава Э-110. Другой электрод-пуансон был неподвижен. Далее при включении коммутатора 8 от высоковольтного генератора импульсов тока 9 пропускали короткий (длительностью 240 мкс) мощный импульс тока амплитудой 300 кА/см², который совместно с приложенным давлением приводил к консолидации порошка сплава Э-110.The electrically conductive powder of alloy E-110 (Zr + 1% Nb, particles of a spherical shape) 3 was poured into the mold 2. From the ends of the mold were inserted electrodes-punches 4 of molybdenum. The prepared technological assembly (a mold filled with powder with inserted punches) was placed in the vacuum chamber 1 of the technological unit of the electric pulse installation. The technological assembly chamber 1 was pumped out to a residual pressure of 4 Pa. The switch 6 of low-voltage current pulses 7 was turned on and the surface of the particles in the powder billet was cleaned by heating the workpiece with a series of low-voltage DC pulses (individual pulse duration 3 × 10 ⁻³ s and amplitude 5 kA / cm ² with a total duration of 120 s. Then, the low-voltage switch was turned off pulses of current 7 and applied pressure to the upper electrode-punch 4 from an external loading device 5. The pressure value of 250 MPa is determined by the value of the maximum density of the product and the achievement of high ductility and the strength of the consolidated powder of alloy E-110. Another electrode-punch was stationary. Then, when the switch 8 was turned on, a short (240 μs long) powerful current pulse with an amplitude of 300 kA / cm ^{2 was} passed from the high-voltage pulse generator 9, which together with the applied pressure led to consolidation of powder alloy E-110.

Электроимпульсной консолидацией получены образцы из порошка сплава Э-110 с относительной плотностью, практически совпадающей с теоретически возможной (99,9%), при этом предел прочности полученного материала составляет σ_B=(52±5) кг/мм² и относительное удлинение δ=(37±5)%.Electropulse consolidation obtained samples of powder alloy E-110 with a relative density that almost coincides with the theoretically possible (99.9%), while the tensile strength of the obtained material is σ _B = (52 ± 5) kg / mm ² and elongation δ = (37 ± 5)%.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет получать изделия из порошковых материалов с заданной прочностью, пластичностью и с сохранением исходных размеров зерен порошков в консолидированном материале.Thus, the proposed method allows to obtain products from powder materials with a given strength, ductility and preserving the original grain size of the powders in a consolidated material.

Claims

A method of obtaining consolidated powder materials, including preliminary cleaning of the surface of the powder particles in vacuum and its subsequent consolidation by simultaneously applying pressure to the powder and directly passing a current pulse through it, characterized in that the preliminary cleaning of the surface of the powder particles is carried out in vacuum by heating with a series of low-voltage pulses of constant current with a total duration of not more than 120 s, with a duration of a single pulse of not more than 3 · 10 ^-3 s and an amplitude of 1-10 kA / cm ² , and during subsequent consolidation, the powder is exposed to a pressure of 50-500 MPa and a high-voltage current pulse with a density of 50-500 kA / cm ² and a duration of 10-500 μs is passed through it.