Способ получения азотсодержащего материала на основе нитридов металлов для лигатур титановых сплавов и азотсодержащий материал для лигатур титановых сплавов

Способ получения азотсодержащего материала на основе нитридов металлов для лигатур титановых сплавов и азотсодержащий материал для лигатур титановых сплавов

Реферат

Изобретение относится к области металлургии сплавов титана, а именно к получению азотсодержащих материалов на основе нитридов металлов для лигатур титановых сплавов методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС).

Известен способ производства легирующего материала на основе нитрида кремния, который включает азотирование исходного кремний содержащего материала в самоподдерживающемся режиме горения в азоте при повышенном давлении азота, при этом азотирование осуществляют порошками сплавов одного или нескольких металлов, выбранных из ряда, содержащего кальций, алюминий, титан, цирконий, ванадий, ниобий, хром, марганец, железо, с кремнием при содержании кремния 15-95 вес.% (RU 2210615 C1, C22C 33/00, С22С 35/00, С22С 29/16, 20.08.2003). Известный способ позволяет создать высокоэффективную технологию получения азотсодержащего материала на основе нитрида кремния для легирования стали, содержащего от 20,0 до 36,0 связанного азота, в основном в виде нитрида кремния. Однако полученный материал из-за высокого содержания кремния до 75 вес.% не может быть использован в качестве легирующего материала при производстве титановых сплавов.

Известен способ получения азотсодержащего сплава для легирования стали и азотсодержащий сплав для легирования стали (RU 2341578 С2, С22С 35/00, С22С 29/00, 20.12.2008). Известный способ получения азотсодержащего сплава для легирования стали включает измельчение исходного материала, содержащего титан, кремний, алюминий и железо, в порошок и азотирование в режиме горения, при следующем соотношении, исходных компонентов, вес.%: титан 20,0-80,0; кремний 0,1-35,0; алюминий 0,4-25,0; железо остальное, а исходный материал измельчают в порошок с размером частиц менее 2,5 мм, порошок засыпают в цилиндрический тигель, тигель с засыпкой помещают в атмосферу азота при давлении 0,15-12,0 МПа, инициируют экзотермическую реакцию образования нитридов титана, кремния, алюминия путем локального нагрева части исходного материала до температуры начала реакции и поддерживают эту температуру и давление до окончания реакции в послойном режиме горения с последующим доазотированием в режиме объемного горения при давлении 0,15-10 МПа в течение 0,1-1,5 ч. Полученный азотсодержащий сплав содержит, вес.%: титан 10,0-70,0, кремний 0,1-30,0, алюминий 0,3-25,0, азот 9,0-26,0, железо остальное. Изобретения позволяют получить сплав с максимальным содержанием азота при полном отсутствии потерь сырья при азотировании и исключении вредных выбросов в окружающую среду.

Известный азотсодержащий сплав эффективен для легирования стали, но из-за высокого содержания кремния и железа не может использоваться для легирования титановых сплавов.

Известна азотсодержащая лигатура, полученная методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, предназначенная для легирования сталей и чугунов (RU 2370562 С2, С22С 35/00, 2009). Лигатура содержит, мас.%: ванадий 2,0-18,0, марганец 0,5-4,0, азот 8,0-12,0, кремний 10,0-30,0, углерод 0,1-2,5, алюминий 0,1-1,5, ниобий 0,1-5,0, кальций 0,1-1,5, хром 0,5-5,0, титан 0,1-5,0, железо остальное. Известный состав лигатуры содержит оптимальное соотношение количества основных элементов и микродобавок карбо- и нитридообразующих элементов, применяемых для производства сталей и чугунов. Лигатура обладает высокими технологическими характеристиками - износостойкостью, однородностью состава и микроструктуры и эксплуатационными свойствами, что расширяет возможность использования ее для легирования широкого марочного состава конструкционных сталей различного класса прочности и назначения, однако известная лигатура не может использоваться для легирования титановых сплавов, из-за высокого содержания хрома, кремния, углерода и железа.

Анализ патентной и научно-технической литературы не обнаружил источников информации в области получения азотсодержащего материала на основе тугоплавких нитридов алюминия и ванадия для лигатур титановых сплавов в режиме СВС, хотя заявляемый материал имеет с известными общие исходные компоненты: алюминий и азот, а в способе общие признаки, например локальный нагрев исходного материала под давлением азота и проведение процесса в режиме горения.

Задачей предлагаемого изобретения является создание высокоэффективной технологии получения азотсодержащего материала на основе тугоплавких нитридов алюминия и ванадия для лигатур титановых сплавов с высоким содержанием азота, т.е., по существу, получение полупродукта для дальнейшего использования его в качестве основного компонента при приготовлении лигатур для титановых сплавов.

Техническим результатом является повышение содержания азота (до 25 мас.%) в материале на основе нитридов алюминия и ванадия для лигатур титановых сплавов при упрощении способа получения.

Технический результат в части способа достигается тем, что способ получения азотсодержащего материала на основе нитридов металлов для лигатур титановых сплавов, включающий размещение исходных порошков в реактор СВС, инициирование реакции горения путем локального нагрева порошка до температуры начала реакции, азотирование в режиме горения при повышенном давлении азота, согласно изобретению в качестве исходных порошков используют порошки промышленного сплава V-A1, размер частиц которых не превышает 500 мкм; азотирование проводят при начальном давлении азота 0,5-10,0 МПа и поддерживают давление в реакторе на уровне 0,5-5,0 МПа до окончания реакции путем поддува азота в реактор, с последующим охлаждением и извлечением азотсодержащего материала. В качестве промышленного сплава V-A1 используют один из ряда включающего: сплав марки ВнАл-1 (70-76 вес.%V), сплав марки ВнАл-65 (60-65 вес.% V), сплав марки ВнАл-50 (45-55 вес.% V), сплав марки ВнАл-80 (75-85 вес.% V). Дополнительно к указанным сплавам вводят не более 50 мас.% порошка алюминия дисперсностью не более 150 мкм.

Технический результат в части объекта вещество достигается тем, что азотсодержащий материал на основе тугоплавких нитридов металлов для лигатур титановых сплавов представляет собой азотированный материал с содержанием азота 15-25 мас.%, состоящий из трех компонентов: нитрида алюминия, нитрида ванадия состава VN и нитрида ванадия состава V₂N, которые в материале распределены на уровне кристаллитов с размером частиц 5-20 мкм.

Использование указанных сплавов: марки ВнАл-1, содержащих 70-76 вес.% V; марки ВнАл-65, содержащих 60-65 вес.% V; марки ВнАл-50, содержащих 45-55 вес.% V и марки ВнАл-80, содержащих 75-85 вес.% V в значительной мере облегчает процесс азотирование, по сравнению с возможным использованием обычных порошков алюминия и ванадия. Однако добавление порошка алюминия в некоторых случаях допускается и связано с необходимостью достижения оптимальной температуры азотирования компонентов. Полнота азотирования достигается также за счет подбора и сочетания дисперсности порошка сплава, алюминия и давления азотирования.

Под термином «размер частиц порошка сплава не превышает 500 мкм» понимается дисперсность, указанная в таблице. То же относится к термину «не более 150 мкм для порошка алюминия».

Сущность изобретения заключается в следующем. Азотированию подвергают промышленные сплавы марки ВнАл-1, содержащие 70-76 вес.% V); марки ВнАл-65, содержащие 60-65 вес.% V; марки ВнАл-50, содержащие 45-55 вес.% V и марки ВнАл-80, содержащие 75-85 вес.% V.

Предварительно сплав подвергается дроблению, затем измельчению в шаровой мельнице. Измельченный сплав пропускают через сито с размером ячейки 100, 200, 400 или 500 мкм. Отсеянная фракция помещается на графитовую лодочку. Для предотвращения контакта азотируемого сплава с графитом поверхность лодочки покрывают слоем алюминиевой фольги. Для инициирования процесса азотирования с торцевой части засыпки помещается поджигающий состав. Затем лодочка помещается в реактор СВС, к поджигающему составу подключается электрическая спираль. Реактор закрывают и заполняют азотом до давления 0,5-10 МПа, затем инициируют процесс горения. По мере поглощения азота из реактора производится поддув азота. Минимальное давление азотирования составляет 0,5 МПа. После окончания синтеза и охлаждения полученного материала полученный азотсодержащий материал (азотированный сплав) в виде спека извлекают из реактора и направляют на последующую переработку: дробление и измельчение. Полученный таким образом азотированный сплав имеет содержание азота 15-25 мас.% и по данным рентгенофазового анализа состоит из трех компонентов: нитрида алюминия (A1N), нитрида ванадия (VN) и нитрида ванадия (V₂N). Фазы нитридов в сплаве распределены на уровне кристаллитов с размером частиц 5-20 мкм. Для повышения энергетики процесса и увеличения содержания азота в исходный сплав добавляется порошок алюминия марок ПА, ПАВЧ, АСД. Комбинируя такими параметрами, как дисперсность исходного сплава и алюминия, давление азота в реакторе, можно регулировать соотношение фаз нитрида ванадия.

Общее содержание азота в конечном материале можно регулировать дисперсностью исходного сплава, величиной давления азота в реакторе и добавкой алюминия.

Полученный конечный материал, содержащий нитриды алюминия и ванадия является, по - существу, полупродуктом для дальнейшего использования в качестве азотирующего компонента при получении лигатур для титановых сплавов.

Как показали предварительные данные, использование полученного азотированного сплава V-A1 в качестве азотирующего компонента позволили получить лигатуру состава V-A1-N известными методами алюмотермии (RU 2206628 С2, С22С 27/02, С22С 1/03, С22В 4/06, 2003; RU 2238344 C1, С22С 21/00, С22С 1/03, 20.10.2004) с содержанием азота до 2,0 мас.%. Усвояемость азота из азотированного сплава V-A1 более 70%. Используемый в настоящее время нитрид алюминия для получения азотсодержащей лигатуры позволяет достигнуть содержания азота не более 0,8 мас.%, а усвояемость азота из нитрида алюминия менее 50%.

Пример.

Порошок сплава V-A1 марок ВнАл-1 (70-76 вес.% V) в количестве 10 кг с размером частиц менее <100 мкм помещают на подготовленную графитовую лодочку и загружают в реактор СВС-30. Реактор закрывают и заполняют азотом до давления 5,0 МПа, затем инициируют процесс горения. По мере поглощения азота за счет азотирования сплава давление снижается и для того чтобы процесс азотирования не прекратился, проводят поддув азота для поддержания давления в реакторе не менее 3,0 МПа. После окончания синтеза и охлаждения конечного материала, азотированный сплав извлекают из реактора и направляют на дробление и измельчение. Содержание азота в продукте синтеза составляет 18 мас.%. Азот представлен тремя фазами: нитрид алюминия (A1N), нитрид ванадия (VN) и нитрид ванадия (V₂N), при этом нитриды ванадия содержатся в равных долях и распределены в объеме сплава на уровне кристаллитов с размером частиц 5-20 мкм.

Другие примеры способа представлены в таблице с указанием состава используемого сплава V-А1, дисперсности компонентов, параметров синтеза и содержания азота в конечном материале.

Полученный азотированный материал (сплав) на основе нитридов алюминия и ванадия с содержанием азота 15-25 мас.% является перспективным компонентом для получения лигатуры при производстве титановых сплавов с оптимальным содержанием легирующих элементов: алюминия ванадия и азота, а способ его получения экономичен и обладает высокой производительностью.

Оптимальное содержание алюминия, ванадия и азота в титановом сплаве позволяет улучшить предел текучести и прочности на растяжение, увеличить твердость сплава.

Оптимальное содержание легирующих компонентов определяет и основную промышленную применимость титанового сплава, а именно изготовление конструкционной брони и высоконагруженных деталей для авиационной и ракетно-космической техники.

Таблица
№ примера	Исходный состав компонентов, [сплав - Аl] мас.%	Дисперсность, менее мкм.	Давление азота, МПа	Содержание азота в конечном материале, мас.%
Алюминия, А1	Сплава V-A1
1	[Сплав V-Al, марка ВнАл-1(70-76 вес.% V]	-	<100	5,0	18
2	65 [Сплав V-Al, марка ВнАл-65 (60-65 вес.% V)]+35Аl	<50	<500	10	15
3	50 [Сплав марки ВнАл-50 (45-55 вес.% V)]+50 Аl	<140	<400	10	20
4	75 [Сплав марки ВнАл-80 (75-85 вес.% V)]+25 Аl	<60	<200	0,5	25

1. Способ получения азотсодержащего материала на основе тугоплавких нитридов металлов для лигатур титановых сплавов, включающий размещение исходных порошков в реакторе СВС, инициирование реакции горения путем локального нагрева порошка до температуры начала реакции, азотирование в режиме горения при повышенном давлении азота, отличающийся тем, что в качестве исходных порошков используют порошки промышленного сплава V-А1, размер частиц которых не превышает 500 мкм, азотирование проводят при начальном давлении азота 0,5-10,0 МПа, и поддерживают давление в реакторе на уровне 0,5-5,0 МПа до окончания реакции путем поддува азота в реактор, с последующим охлаждением и извлечением азотсодержащего материала.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве промышленного сплава V-A1 используют один из ряда, включающего сплав марки ВнАл-1 (70-76 вес.% V), сплав марки ВнАл-65 (60-65 вес.% V), сплав марки ВнАл-50 (45-55 вес.% V), сплав марки ВнАл-80 (75-85 вес.% V).

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что при использовании указанных сплавов дополнительно вводят не более 50 мас.% порошка алюминия дисперсностью не более 150 мкм.

4. Азотсодержащий материал на основе тугоплавких нитридов металлов для лигатур титановых сплавов, полученный способом по любому из пп.1-3, представляющий собой азотированный материал с содержанием азота 15-25 мас.%, состоящий из трех компонентов: нитрида алюминия, нитрида ванадия состава VN и нитрида ванадия состава V₂N, которые распределены в материале на уровне кристаллитов с размером частиц 5-20 мкм.