RU2776119C1 - Способ изготовления структурно-градиентных порошковых материалов с металлическим ядром и оболочкой из металл-оксидной керамики - Google Patents

Способ изготовления структурно-градиентных порошковых материалов с металлическим ядром и оболочкой из металл-оксидной керамики Download PDF

Info

Publication number
RU2776119C1
RU2776119C1 RU2020122984A RU2020122984A RU2776119C1 RU 2776119 C1 RU2776119 C1 RU 2776119C1 RU 2020122984 A RU2020122984 A RU 2020122984A RU 2020122984 A RU2020122984 A RU 2020122984A RU 2776119 C1 RU2776119 C1 RU 2776119C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
oxygen
metal
powder
core
shell
Prior art date
Application number
RU2020122984A
Other languages
English (en)
Inventor
Альберт Харисович Гильмутдинов
Константин Юрьевич Нагулин
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ)
Application granted granted Critical
Publication of RU2776119C1 publication Critical patent/RU2776119C1/ru

Links

Images

Abstract

Изобретение относится к способу изготовления структурно-градиентных по степени сродства к кислороду частиц порошкового материала. Осуществляют направленную подачу в поток термической плазмы, формируемой в инертном газе, порошка исходной шихты, содержащего химические элементы для формирования ядра и оболочки. Термическую плазму формируют электродуговым, высокочастотным или сверхвысокочастотным плазмотроном, при этом в инертный газ добавляют кислород в количестве от 0,01 до 2 об.%. В качестве упомянутой исходной шихты используют порошок сплава металлов, который расплавляют в потоке термической плазмы с образованием сферических капель, подвергнутых поверхностному окислению за счет взаимодействия с кислородом. В результате осуществляют формирование частиц порошка с ядром из металла, имеющего минимальную степень сродства к кислороду среди металлов, содержащихся в упомянутом сплаве, и оболочкой на основе оксидов металлов, имеющих повышенную по сравнению с металлом ядра степень сродства к кислороду среди металлов, содержащихся в упомянутом сплаве. Обеспечивается целенаправленное получение структурно-градиентных порошковых материалов, формируемых в процессе обработки исходной шихты в потоке термической плазмы без привлечения процессов испарения и конденсации вещества. 1 з.п. ф-лы, 5 ил., 1 табл., 1 пр.

Description

Изобретение относится к способам получения структурно-градиентных (композитных) порошковых материалов путем плазмохимических реакций в потоке термической плазмы.
Известен способ получения металлокерамической порошковой композиции (Патент RU 2644834 C1, B22F 9/04 (2006.01), С22С 1/04 (2006.01), B22F 1/02 (2006.01), С22С 19/03 (2006.01), С22С 29/02 (2006.01) опубликован 14.02.2018, Бюл. №5), включающий приготовление порошковой смеси и механический синтез смеси в планетарной мельнице, отличающийся тем, что в качестве исходных компонентов порошковой смеси используют порошок жаропрочного сплава на основе никеля и порошок армирующих наночастиц MeCN и/или МеС, где Me - элементы Ni, Ti, Та, Mo, Hf, V, Si, при этом механический синтез порошковой смеси проводят в планетарной мельнице при частоте вращения 200-250 об/мин в течение 15-30 мин в среде аргона в размольных кюветах с применением размольных шаров из стали ШХ15 диаметром 5 мм, причем соотношение массы обрабатываемой смеси и шаров составляет 1:8, а соотношение объема шаров к объему размольной кюветы составляет 1:5. Недостатками данного способа получения структурно-градиентного порошкового материала типа ядро-оболочка является дискретно-точечный характер получаемой оболочки в виде наночастиц, механически запрессованных в поверхность ядра, зависимость качества металлургического контакта между ядром и оболочкой от твердости материалов, их образующих, а также потенциальная возможность загрязнения конечного продукта материалом размольных шаров в планетарной мельнице.
Известен способ плазменно-растворного получения наночастиц типа сердцевина/оболочка (Патент RU 2620318 С2, B22F 9/24 (2006.01), B22F 1/02 (2006.01), H01L 35/14 (2006.01), B82Y 30/00 (2011.01) опубликован 24.05.2017, Бюл. №15), включающий генерирование плазмы в растворе, содержащем два типа растворенных солей металлов, с обеспечением высаживания первого металла и второго металла, причем сначала генерируют плазму путем приложения первой мощности с обеспечением селективного высаживания упомянутого первого металла, который имеет больший окислительно-восстановительный потенциал, чем упомянутый второй металл, для формирования сердцевин наночастиц, а затем генерируют плазму путем приложения второй мощности, которая больше первой мощности, с обеспечением высаживания упомянутого второго металла, который имеет меньший окислительно-восстановительный потенциал, чем упомянутый первый металл, на поверхности упомянутых сердцевин из первого металла для формирования оболочек наночастиц. Данный способ позволяет получить наноразмерные металлические частицы типа сердцевина/оболочка, однако не позволяет создавать микрочастицы с подобной структурой и ограничен в выборе химического состава сердцевины/оболочки - невозможно использовать керамические материалы.
Известен способ вакуумно-плазменного нанесения покрытий (Патент RU №2145362, МПК С23С 14/34, опубл. 10.02.2000), включающий осаждение покрытия в инертном газе с помощью системы, состоящей из обрабатываемой детали и экрана в виде сетки, при этом осаждение ведут в сочетании с ионной бомбардировкой подложки при давлении инертного газа 10-2÷10-1 Па. Устройство для реализации данного способа содержит источник, в вакуумной камере находятся катод из напыляемого материала, анод, обрабатываемая деталь с экраном, установленным на определенном расстоянии от детали, находятся под отрицательным потенциалом источника. Изобретение позволяет получать покрытия с нанокристаллической структурой. Недостатками данного способа является высокая вероятность агрегации получаемого порошка в плотном поверхностном слое, существенный разброс толщины наносимого покрытия между частицами в поверхностном и глубинном слое и необходимость осуществления процесса в вакууме.
Наиболее близким к предлагаемому способу изготовления структурно-градиентных порошковых материалов является способ (Патент №2693989 от 21.08.2018) изготовления структурно-градиентных порошковых материалов по первому варианту, включающий направленную подачу в поток индуктивно-связанной плазмы порошка для формирования ядра и присадочного материала для образования оболочки за счет процессов испарения присадочного материала в потоке плазмы и конденсации его паров на поверхности ядра, отличающийся тем, что в качестве присадочного материала используется порошок металла микронного или субмикронного размера.
Способ изготовления структурно-градиентных порошковых материалов по второму варианту, включающий направленную подачу в поток индуктивно-связанной плазмы порошка для формирования ядра и присадочного материала для образования оболочки за счет процессов испарения присадочного материала в потоке плазмы и конденсации его паров на поверхности ядра, отличающийся тем, что в качестве присадочного материала используется аэрозоль раствора соли металла.
Способ изготовления структурно-градиентных порошковых материалов по третьему варианту, включающий направленную подачу в поток индуктивно-связанной плазмы порошка для формирования ядра и присадочного материала для образования оболочки за счет процессов испарения присадочного материала в потоке плазмы и конденсации его паров на поверхности ядра, отличающийся тем, что используется присадочный материал в газообразном состоянии.
Во всех трех способах прототипа структурно-градиентные материалы создаются за счет процессов испарения-конденсации, при котором на поверхность частицы-ядра в потоке плазмы осаждаются частицы испаренного вещества материала оболочки. Таким способом можно получить композитные частицы, при условии, что температура плавления материала ядра существенно выше, чем материала оболочки. Например, получение частиц с керамическим ядром и металлической оболочкой.
Недостатком способа изготовления структурно-градиентных порошковых материалов по прототипу является сложность синтеза методом испарения-конденсации частиц ядро-оболочка с оболочкой микронного диапазона толщины, если температура плавления материала ядра ниже температуры плавления материала оболочки (например, ядро металл, оболочка - керамика). Упомянутый в прототипе способ создания керамической оболочки из частиц присадочного материала нанометрового размерного диапазона позволяет создавать оболочки толщиной не более одного-двух диаметров осаждаемых частиц, т.е. только нанометрового диапазона.
Технической проблемой, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является целенаправленное получение структурно-градиентных порошковых материалов, формируемых в процессе обработки исходной шихты в потоке термической плазмы без привлечения процессов испарения и конденсации вещества.
Технический результат предлагаемого способа изготовления структурно-градиентных порошковых материалов заключается в получении из исходной шихты структурно-градиентных порошковых материалов микрометрового диапазона.
Технический результат в способе изготовления структурно-градиентных порошковых материалов, включающий направленную подачу в поток термической плазмы, формируемой электродуговым, высокочастотным или сверхвысокочастотным плазмотроном в инертной атмосфере, например, аргона порошка исходной шихты для формирования ядра и оболочки, отличающийся тем, что в плазмообразующий инертный газ добавляется кислород в количестве от 0,01 до 2 объемных процентов, а в качестве исходной шихты используется порошок сплава металлов, причем, металлы для формирования ядра должны иметь минимальную степень сродства к кислороду среди металлов, входящих в сплав, а металлы для формирования оболочки должны иметь максимальную степень сродства к кислороду среди металлов, входящих в сплав.
На Фиг 1 схематически изображен процесс осуществления предлагаемого способа изготовления структурно-градиентных порошковых материалов, например, в потоке индуктивно-связанной плазмы.
Порошок исходной шихты 1 посредством устройства подачи 2 вводится в поток индуктивно-связанной плазмы 3, создаваемый высокочастотным плазматроном 4 в атмосфере инертного газа, например, аргона. В поток индуктивно-связанной плазмы 3 из подающего устройства, например, баллона 5, добавляется кислород 6 в количестве от 0,01 до 2 объемных процентов. В потоке плазмы частицы порошка исходной шихты за счет высокой температуры (4000-8000 К) нагреваются и расплавляются. Капли расплава порошка 1 взаимодействуют с кислородом 6, присутствующим в плазме, и происходит их поверхностное окисление и последующая сегрегация химических элементов в расплаве с формированием металлического ядра и оболочки из оксидной керамики. В дальнейшем сформированные частицы 7 направляются в конденсационную камеру 8, где происходит их охлаждение.
Рассмотрим пример осуществления предлагаемого способа изготовления структурно-градиентных порошковых материалов в потоке термической, например, индуктивно-связанной плазмы. В качестве исходной шихты выбираем сплав, в котором содержатся металлы, формирующие ядро и оболочку. Требованием к металлам для создания ядра - минимальные (по сравнению с другими компонентами сплава) значения сродства к кислороду. Требованием к металлам для создания оболочки -максимальные (по сравнению с другими компонентами сплава) значения сродства к кислороду. Подготавливается нужная размерная фракция исходной шихты. Перед началом осуществления предлагаемого способа изготовления структурно-градиентных порошковых материалов в высокочастотном плазматроне 4 зажигаем разряд, устанавливаем требуемые значения расходов плазмообразующего газа (например, аргона). В поток индуктивно-связанной плазмы 3 добавляем кислород 6 в количестве от 0,01 до 2 объемных процентов. После того, как разряд в плазматроне стабилизировался, посредством устройства подачи 2 в поток индуктивно-связанной плазмы 3 вводят порошок исходной шихты 1, частицы которого переходят в расплавленное состояние и за счет сил поверхностного натяжения сфероидизируются. В расплавленном состоянии в частицах исходной шихты ускоряются диффузионные процессы. Более подробно эти процессы схематично представлены на Фиг. 2. Через внешнюю поверхность частицы 7 атомы кислорода 8 проникают вглубь ее, как показано на Фиг. 2. Поскольку распределение атомов кислорода в плазме однородно за счет вихревых процессов, в частице формируется сферически симметричное распределение кислорода с границей 9. Атомы металлов 10, имеющих повышенную степень сродства к кислороду, начинают диффундировать в насыщенную кислородом приповерхностную область 10, вытесняя оттуда атомы металлов 11, имеющих пониженную степень сродства к кислороду. В результате этих процессов наступает динамическое равновесие, при котором основная часть легко окисляемых металлов сконцентрирована в насыщенной кислородом оболочке, а трудно окисляемые металлы, наоборот, сконцентрировались в сферическом ядре частицы. Сформировавшаяся таким образом композитная частица 7 попадает в конденсационную камеру 8, где происходит ее отвердевание (Фиг. 1). Изменяя концентрацию кислорода в плазме, можно менять глубину его проникновения в частицы исходной шихты и, следовательно, регулировать толщину создаваемой оболочки. Чем больше концентрация кислорода в плазме - тем толще оболочка композитной частицы и меньше диаметр ее ядра.
Пример 1. Получение структурно-градиентного порошкового материала с металлическим ядром и оболочкой из металл-оксидной керамики по предлагаемому способу в потоке индуктивно-связанной плазмы. В качестве исходной шихты используется порошок сплава на основе железа ПР-08ХН53БМТЮ. Химический состав сплава приведен в Таблице. Видно, что в состав сплава входят металлы, имеющие низкое сродство к кислороду, такие как никель и высокое сродство к кислороду, такие как ниобий, хром, железо. Химические элементы в частицах исходной шихты распределены однородно, что подтверждается исследованием шлифов частиц с использованием сканирующего электронного микроскопа с приставкой для локального рентгеноспектрального энергодисперсионного микроанализа. Результаты исследований пространственного распределения основных элементов, входящих в состав сплава ПР-08ХН53БМТЮ, в поперечном сечении частиц присадочного материала представлены на Фиг. 3.
Перед началом осуществления предлагаемого способа изготовления структурно-градиентных порошковых материалов в высокочастотном плазматроне 4 (Фиг 1) зажигаем разряд, устанавливаем требуемые значения расходов плазмообразующего газа (например, аргона). После того, как разряд в плазматроне стабилизировался, в плазмообразующий газ (аргон) подаем кислород в количестве 0,05 объемных процентов. Далее посредством устройства подачи 2 в поток индуктивно-связанной плазмы 3 вводят порошок исходной шихты 1, который переходит в расплавленное состояние. Под действием сил поверхностного натяжения капли расплава исходной шихты принимают сферичную форму. За счет взаимодействия с кислородом начинается процесс поверхностного окисления частиц с проникновением кислорода в толщу частицы. Металлы, имеющие высокую степень сродства к кислороду (хром, железо, ниобий), диффундируют в насыщенную кислородом поверхностную зону с образованием оксидов. За счет симметрии частицы и равномерной концентрации кислорода в ее окружении, формируется сферически симметричная оболочка из оксидов металлов, имеющих высокую степень сродства к кислороду. Напротив, металлы имеющие низкую степень сродства к кислороду (никель), концентрируются в центральной области, в которой кислород отсутствует, и формируют металлическое ядро композитной частицы. Результирующее пространственное распределение химических элементов в поперечном сечении частицы представлено на Фиг. 4. Видно, что сформировано четко ограниченное сферическое ядро из никеля, окруженное сферической оболочкой керамики на основе оксидов хрома, железа и ниобия.
Размеры ядра и оболочки можно варьировать путем изменения концентрации кислорода в потоке термической плазмы. При увеличении концентрации кислорода глубина его проникновения в толщу частицы увеличивается, при этом диаметр металлического ядра уменьшается, а толщина керамической оболочки, наоборот, увеличивается. На Фиг 5 изображено пространственное распределение химических элементов в поперечном сечении частицы композитного порошка, синтезированного при концентрации кислорода в плазме 0,03 объемного процента. Видно, что по сравнению с Фиг 3 произошло увеличение диаметра ядра с одновременным уменьшением толщины оболочки.
Применение предлагаемого способа изготовления структурно-градиентных (композитных) порошковых материалов, по сравнению с прототипом, позволит без применения процессов испарения-конденсации формировать в потоке термической плазмы из порошка присадочного материала структурно-градиентные порошковые материалы с заранее заданными свойствами.
Figure 00000001

Claims (2)

1. Способ изготовления структурно-градиентных по степени сродства к кислороду частиц порошкового материала, включающий направленную подачу в поток термической плазмы, формируемой в инертном газе, порошка исходной шихты, содержащего химические элементы для формирования ядра и оболочки, отличающийся тем, что термическую плазму формируют электродуговым, высокочастотным или сверхвысокочастотным плазмотроном, при этом в инертный газ добавляют кислород в количестве от 0,01 до 2 об.%, а в качестве упомянутой исходной шихты используют порошок сплава металлов, который расплавляют в потоке термической плазмы с образованием сферических капель, подвергнутых поверхностному окислению за счет взаимодействия с кислородом, с формированием частиц порошка с ядром из металла, имеющего минимальную степень сродства к кислороду среди металлов, содержащихся в упомянутом сплаве, и оболочкой на основе оксидов металлов, имеющих повышенную по сравнению с металлом ядра степень сродства к кислороду среди металлов, содержащихся в упомянутом сплаве.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве инертного плазмообразующего газа используют аргон.
RU2020122984A 2020-07-06 Способ изготовления структурно-градиентных порошковых материалов с металлическим ядром и оболочкой из металл-оксидной керамики RU2776119C1 (ru)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2776119C1 true RU2776119C1 (ru) 2022-07-13

Family

ID=

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS63252403A (ja) * 1987-04-09 1988-10-19 Tokin Corp 液体急冷合金複合型希土類永久磁石とその製造方法
RU2407610C1 (ru) * 2009-05-06 2010-12-27 Сергей Владиславович Змановский Способ пассивирования тонкого порошка алюминия
RU2693989C1 (ru) * 2018-08-21 2019-07-08 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ) Способ изготовления структурно-градиентных порошковых материалов (варианты)
RU2725457C1 (ru) * 2019-09-04 2020-07-02 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ) Способ изготовления структурно-градиентных и дисперсно-упрочненных порошковых материалов (варианты)
CN111360272A (zh) * 2020-04-21 2020-07-03 华中科技大学 一种氧化物界面增韧非晶基复合材料及其制备方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS63252403A (ja) * 1987-04-09 1988-10-19 Tokin Corp 液体急冷合金複合型希土類永久磁石とその製造方法
RU2407610C1 (ru) * 2009-05-06 2010-12-27 Сергей Владиславович Змановский Способ пассивирования тонкого порошка алюминия
RU2693989C1 (ru) * 2018-08-21 2019-07-08 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ) Способ изготовления структурно-градиентных порошковых материалов (варианты)
RU2725457C1 (ru) * 2019-09-04 2020-07-02 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ) Способ изготовления структурно-градиентных и дисперсно-упрочненных порошковых материалов (варианты)
CN111360272A (zh) * 2020-04-21 2020-07-03 华中科技大学 一种氧化物界面增韧非晶基复合材料及其制备方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Lassègue et al. Laser powder bed fusion (L-PBF) of Cu and CuCrZr parts: Influence of an absorptive physical vapor deposition (PVD) coating on the printing process
US3075066A (en) Article of manufacture and method of making same
Karpov et al. Method for producing nanomaterials in the plasma of a low-pressure pulsed arc discharge
TW201932216A (zh) 經加成製造之組件
EP3187285A1 (en) Powder for layer-by-layer additive manufacturing, and process for producing object by layer-by-layer additive manufacturing
TW200829351A (en) Ultrafine alloy particles, and process for producing the same
Yonezawa et al. Microwave-induced plasma-in-liquid process for nanoparticle production
TW202218774A (zh) 用於合成球狀金屬粉末之系統及方法
KR20200131906A (ko) Ods 합금 분말, 플라즈마 처리에 의한 이의 제조 방법, 및 그 용도
Stein et al. Effect of carrier gas composition on transferred arc metal nanoparticle synthesis
US11827987B2 (en) Coherent graphene in a metal lattice
Amirov et al. Synthesis of carbon nanotubes by high current divergent anode-channel plasma torch
Monastyrsky Nanoparticles formation mechanisms through the spark erosion of alloys in cryogenic liquids
US20230040722A1 (en) Using pelletized metal-decorated materials in an induction melting furnace
US20230416896A1 (en) Pristine graphene disposed in a metal matrix
RU2776119C1 (ru) Способ изготовления структурно-градиентных порошковых материалов с металлическим ядром и оболочкой из металл-оксидной керамики
RU2693989C1 (ru) Способ изготовления структурно-градиентных порошковых материалов (варианты)
Shen et al. Effect of processing parameters on microstructure and properties of spherical WC-Co powder by plasma spheroidization
EA043413B1 (ru) Способ изготовления структурно-градиентных порошковых материалов с металлическим ядром и оболочкой из металл-оксидной керамики
KR20210087968A (ko) 적층 제조된 내화 금속 부품, 적층 제조 방법 및 분말
RU2725457C1 (ru) Способ изготовления структурно-градиентных и дисперсно-упрочненных порошковых материалов (варианты)
Samokhin et al. Synthesis and processing of powder materials in DC arc thermal plasma
EP3950992A1 (en) Alloy composition, method for producing alloy composition, and die
Samokhin et al. Fabrication of high-alloy powders consisting of spherical particles from ultradispersed components
JPS60224706A (ja) 金属超微粒子の製造法