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 PDFInfo
- 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
Links
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 title abstract 6
- 239000002184 metal Substances 0.000 title abstract 6
- 239000000843 powder Substances 0.000 title abstract 6
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title abstract 3
- 239000000463 material Substances 0.000 title abstract 3
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 title 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 title 1
- 239000011224 oxide ceramic Substances 0.000 title 1
- 210000002381 Plasma Anatomy 0.000 abstract 5
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 abstract 5
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 abstract 5
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N oxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract 5
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 abstract 3
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 abstract 2
- 239000000956 alloy Substances 0.000 abstract 2
- REDXJYDRNCIFBQ-UHFFFAOYSA-N aluminium(3+) Chemical class [Al+3] REDXJYDRNCIFBQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract 2
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 abstract 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 abstract 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 2
- 235000010599 Verbascum thapsus Nutrition 0.000 abstract 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 abstract 1
- 229910052729 chemical element Inorganic materials 0.000 abstract 1
- 230000005494 condensation Effects 0.000 abstract 1
- 238000009833 condensation Methods 0.000 abstract 1
- 238000010891 electric arc Methods 0.000 abstract 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 abstract 1
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 abstract 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 abstract 1
- 229910001092 metal group alloy Inorganic materials 0.000 abstract 1
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract 1
- 238000010301 surface-oxidation reaction Methods 0.000 abstract 1
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.
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.
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2776119C1 true RU2776119C1 (ru) | 2022-07-13 |
Family
ID=
Citations (5)
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)
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 |