ГЛАВА 2
ПОЛУЧЕНИЕ И СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
ПОРОШКОВ ЭВТЕКТИЧЕСКИХ СПЛАВОВ
2.1. Разработка технологии распыления эвтектических сплавов струей инертного газа
Для напыления металлических покрытий газотермическими методами (газо-плазменный и детонационно-газовый) исходный материал должен быть в виде порошка. Кроме того, порошок металла можно использовать для изготовления продукции методами порошковой металлургии или для наплавок с оплавлением различными источниками концентрированной энергии (лазерная наплавка, наплавка токами высокой частоты, плазменная наплавка). Поэтому одной из задач в настоящей работе было: разработать современную высокопроизводительную промышленную технологию получения порошков исследуемых эвтектических сплавов и изготовить промышленную партию этих порошков. Такое требование логически вытекало из условия напыления газотермических эвтектических покрытий на промышленном оборудовании (см. Главы 3, 4). При выборе метода получения порошка учитывались такие особенности исследуемых эвтектических сплавов, как практически отсутствие интервала плавления сплавов, высокое содержание активных металлов (титан, ванадий, алюминий), склонных к шлакообразованию и интенсивно окисляющихся, наличие металлов с высокими значениями парциальных давлений (марганец, хром), вероятность образования в расплаве тугоплавких соединений (TiB2, VC, FeB, Fe2B, CrB2).
Из всего многообразия существующих методов получения порошков металлических материалов [59] был выбран метод распыления жидкого металла в вакууме струей инертного газа, который широко используется в промышленности и освоен, в частности, на НПО "Тулачермет". Сущность метода заключается в следующем (рис.2.1). Исходные шихтовые материалы расплавляются и интенсивно перемешиваются благодаря токам Фуко в высокочастотной индукционной печи. Материал тигля подбирается исходя из требования минимального взаимодействия наиболее активных компонентов сплава с его стенками при заданном перегреве жидкости и времени ее выдержки. Приготовленный расплав выливается в футерованный металлоприемник, расположенный над предварительно откачанной на вакуум колонной-кристаллизатором. Из приемника жидкий металл поступает в сопло распылителя и оттуда выливается во внутренний объем колонны-кристаллизатора. К нижней
Рис.2.1. Принципиальная схема получения порошков методом распыления жидкого металла струей инертного газа. Разным цветом показаны зоны высоких (красный) и низких (голубой) температур.
части распылителя подводится под высоким давлением инертный газ через газовые сопла. Вследствие турбулентности газовый поток разрывает струю жидкого металла на капли. Каждая капля под действием сил поверхностного натяжения приобретает форму правильной сферы и одновременно перемещается вниз вдоль колонны-кристаллизатора. Правильная форма частиц в виде сфер, характерная для этого метода, сохраняется и для порошка. Поскольку условия разрыва струи жидкого металла газовым потоком не стационарные, образуются капли различного диаметра. Изменяя параметры газового потока (давление, угол наклона газовых сопел, их конфигурацию), а также диаметр сопла распылителя и степень перегрева расплава (изменение текучести), можно регулировать распределение частиц по размерам. В зависимости от задачи можно смещать основное количество порошка в сторону более дисперсных частиц или наоборот - в сторону более крупных.
В процессе движения внутри колонны-кристаллизатора капли металла отдают свое тепло окружающей газовой атмосфере инертного газа и охлаждаются, в результате чего происходит их твердение. Затвердевшие порошинки продолжают двигаться вдоль колонны-кристаллизатора, отдавая тепло и охлаждаясь уже в твердом состоянии. Скорость охлаждения каждой порошинки определяется ее диаметром - чем меньше диаметр, тем выше скорость охлаждения. Изменениями условий теплопередачи в окружающую среду при этом пренебрегают, считая их постоянными для всех частиц. В зависимости от физических, химических и тепловых свойств распыляемого металла каждая затвердевшая частица порошка может находиться в кристаллическом или другом (например, аморфном) состоянии. Затвердевшие частицы накапливаются в сборнике порошка в нижней части колонны-кристаллизатора и выгружаются после ее разгерметизации после окончания процесса распыления.
Для поддержания заданного уровня отрицательного давления инертного газа в колонне-кристаллизаторе непрерывно в процессе распыления производится откачка газовой атмосферы вакуумными насосами. При этом вместе с откачиваемым газом в вакуумную магистраль попадает часть мелкодисперсного порошка. Для его сбора предусмотрен специальный циклон, в нижней части которого расположен металлосборник. Для защиты от попадания мелкодисперсного порошка в вакуумный насос существует фильтр, а пневмозатвор предотвращает его попадание в окружающую атмосферу.
Для настоящей работы важным моментом выбранного метода распыления является то, что в процессе охлаждения в твердом состоянии температурный градиент в каждой порошинке направлен по радиусу от центра порошинки к ее периферии. Эта особенность распыления определяет равномерность структуры и фазового состава порошинки симметрично относительно ее центра, что трудно обеспечить при других способах охлаждения, применяемым для изучения влияния скорости охлаждения на структурно-фазовый состав сплава.
Второй, но не менее важной особенностью, является то, что каждая порошинка в процессе остывания, не подвергается каким либо неконтролируемым воздействиям со стороны, влияющим на формирование структуры в твердом состоянии, таких как, например, наличие подложки, механическая деформация при ударе о подложку, химическое взаимодействие с ней и т.д.
Третья особенность метода распыления струей инертного газа - отсутствие химического взаимодействия с газовой средой в процессе кристаллизации, что определяет высокую степень чистоты поверхности порошинки, т.е. отсутствие на ней