Анализ технологических процессов производства сферических порошков и гранул моноалюминида никеля NiAl для нужд отечественного двигателестроения

Исследованы особенности различных методов получения гранул алюминида никеля NiAl. Анализируются проблемы, препятствующие широкому применению алюминида никеля NiAl в современном авиа- и двигателестроении. Выявлено, что основными проблемами, препятствующими широкому промышленному применению алюминида никеля NiAl, является практически нулевая пластичность материала при обработке давлением и трудности механической обработки деталей из данного материала. Однако данная проблема может быть решена с помощью применения технологий металлургии гранул, когда путем спекания гранулированного материала получается практически готовое изделие, требующее минимальной последующей механической обработки.

В рамках проведенных исследований были определены критерии качества получаемых гранул, к которым можно отнести сферичность гранул, стабильность получаемых размеров гранулированного материала, отсутствие дефектов в виде пор, отсутствие сателлитов на поверхности гранул, наличие мелкодисперсной дендритной структуры материала гранул. Для получения наиболее качественного сырья были исследованы несколько методов получения гранул алюминида никеля NiAl: распыление оплавляемой заготовки высокотемпературным потоком инертного газа (метод газовой атомизации), центробежное разбрызгивание оплавляемого электрода (метод PREP), центрифугирование расплава с помощью перфорированного тигля.

В процессе проведенных исследований было установлено, что оптимальным способом получения качественного гранулята материала NiAl является метод центробежного разбрызгивания оплавляемого электрода, а основным параметром процесса центробежного распыления оплавляемого электрода, влияющим на качество получаемых гранул, их диаметр и величину дендритного параметра микроструктуры гранул является не столько сила тока I, сколько скорость вращения оплавляемого электрода n. Определена оптимальная скорость вращения электрода n ≈ 15000-16000 об./мин при силе тока I ≈ 1000-1500 А. Разработана и опробована технология получения качественного гранулята материала NiAl, которая включает в себя операции получения исходных заготовок NiAl методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, переплава полуфабрикатов, термической обработки, сепарации гранул и последующего гранулирования методом PREP.

1. Bochenek K., Basista M. Advances in processing of NiAl intermetallic alloys and composites for high temperature aerospace applications // Progress in Aerospace Sciences. - 2015. - V. 79. - P. 136-146.

2. Бунтушкин В.П., Базылева О.А., Буркина В.И. Высокотемпературные жаропрочные сплавы на основе интерметаллида Ni3Al для деталей горячего тракта ГТД // Авиационная промышленность. - 2007. - C. 41 - 43.

3. Ночовная Н. А., Базылева О. А., Каблов Д. Е., Панин П. В. Интерметаллидные сплавы на основе титана и никеля / Под ред. Е. Н. Каблова. - М.: ВИАМ, - 2018. - 308 с.

4. Ломберг Б. С., Овсепян С. В., Бакрадзе М. М., Летников М. Н., Мазалов И. С. Применение новых деформируемых никелевых сплавов для перспективных газотурбинных двигателей // Авиационные материалы. - 2017. - С. 116-129.

5. Оспенникова О. Г., Базылева О. А., Аргинбаева Э. Г., Шестаков А. В., Туренко Е. Ю. Оспенникова, О. Г. Создание интерметаллидных никелевых сплавов и композиционных материалов на их основе. // Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. Сер. Машиностроение. - 2017. - №3. - С. 75-89.

6. Каблов Е. Н., Бунтушкин В. П., Базылева О. А. Конструкционные жаропрочные материалы на основе соединения Ni3Al для деталей горячего тракта ГТД // Технология легких сплавов. - 2007. - № 2. - C. 75-80.

7. Xu G. H., Zhang K. F., Huang Z. Q. The synthesis and characterization of ultrafine grain NiAl intermetallic // Advanced Powder Technology.- 2012.- V. 23.- P. 366-371.

8. Поварова К. Б., Дроздов А. А., Скачков О. А., Морозов А. Е. Физико-химические подходы к разработке сплавов на основе NiAl для высокотемпературной службы // Металлы. - 2011. - № 2. - С.48-62.

9. Сентюрина Ж. А. Получение сферических порошков из сплавов на основе алюминида никеля NiAl для аддитивных технологий // Дис. ... канд. техн. наук. - М.: МИСИС, 2016. - 168 с.

10. Шевцова Л. И. Структура и механические свойства материалов на основе алюминида никеля, полученных по технологии искрового плазменного спекания порошковых смесей // Дис. . канд. техн. наук. - Новосибирск, НГТУ, 2015 - 198 с.

11. Галиева Э. В. Твердофазное соединение интерметаллидного сплава на основе Ni3Al и жаропрочного никелевого сплава с использованием сверхпластической деформации // Дис. . канд. техн. наук. - Уфа: ФГБУН Институт проблем сверхпластичности металлов, 2021. - 195 с.

12. Zhang Q., Chang Y., Gu L., Luo Y., Ge B. Study of microstructure of Nickel-based superalloys at high temperatures. // Scripta Mater. - 2017. - V. 126. - P.55-57.

13. Ганеев А. А., Валитов В. А., Утяшев Ф. З., Имаев В. М. Влияние деформационно-термической обработки на формирование градиентной структуры и механических свойств в диске из гранульного никелевого сплава // Физика металлов и металловедение. - 2019. - Т. 120, № 4. -С. 442-448.

14. Galieva E. V., Lutfullin R. Ya., Akhunova A. Kh., Valitov V. A., Dmitriev S. V. Effect of surface relief on solid phase joining of heat-resistant nickel superalloys // Science and technology of welding and joining. - 2018. - V. 23, N 7. - P. 612-618.

15. Капланский Ю. Ю. Получение узкофракционных сферических порошков жаропрочных сплавов на основе алюминида никеля и их применение в технологии селективного лазерного сплавления // Дис. . канд. техн. наук. - М.: МиСИС, 2020. - 252 с.

16. Angelo P. C., Subramanian R. Powder Metallurgy: Science, Technology and Applications. -PHI Learning Pvt. Ltd., 2008. - P. 312.

17. Bojarevics V., Roy A., Pericleous K. Numerical model of electrode induction melting for gas atomization // The International Journal for Computation and Mathematics in Electrical and Electronic Engineering. - 2011. - V. 30 (5). - P. 1455-1466.

18. Xia Y., Khezzar L., Alshehhi M., Hardalupas Y. Droplet size and velocity characteristics of water-air impinging jet atomizer // International Journal of Multiphase Flow. - 2017. - V. 94. -P. 31-43.

19. Ario Sunar Baskoro, Sugeng Supriadi and Dharmanto // Review on plasma atomizer technology for metal powder. MATEC Web of Conferences 269, 05004 (2019) IIW 2018. https://doi.org/10.1051/matecconf/201926905004

20. Samal S. Thermal plasma technology: The prospective future in material processing // Journal of cleaner production. - 2017. - V. 142. - P. 3131-3150.

21. Mohanty T., Tripathi B., Mahata T., Sinha P. Arc plasma assisted rotating electrode process for preparation of metal pebbles, in Discharges and Electrical Insulation in Vacuum (ISDEIV), 2014 International Symposium on. - 2014. - P. 741-744.

22. Entezarian M., Allaire F., Tsantrizos P., Drew R. A. Plasma atomization: A new process for the production of fine, spherical powders // The Journal of the Minerals, Metals & Materials Society. - 1996. - V. 48 (6). - P. 53-55.

23. Galkin E. V., Zharov M. V. The prospective technology of production of metal materials grains with extra high rate of solidification. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 17th International School-Conference "New Materials: Advanced Technologies" IOP Publishing. 1005 (2020) 012020.

24. Жаров М. В. Исследование свойств гранулированных материалов системы Al-Cu-Mg, прессуемых из гранул, полученных с применением технологии центрифугования при сверхвысоких скоростях охлаждения // Технология машиностроения. - 2021. - № 04 (226). - С. 5-9.

25. Жаров М. В. Исследование особенностей кристаллизации гранул высокопрочных алюминиевых сплавов системы Al-Zn-Mg-Cu при сверхвысоких скоростях охлаждения // Вестник ПНИПУ. Механика. - 2021. - № 4. - С. 71-82. DOI: 10.15593/perm.mech/2021.4.08

26. Особенности кристаллизации и структурно-фазового состояния сплавов системы Ni3Al-Ni-NiAl, легированных хромом, молибденом, вольфрамом, рением и кобальтом / К. Б. Поварова и др. // Металлы. - 2020. - № 3. - С. 41-50.

27. Zaitsev A. A., Sentyurina Zh. A., Levashov E. A., Pogozhev Yu. S., Sanin V. N., Sidorenko D. A. Structure and properties of NiAl-Cr(Co,Hf) alloys prepared by centrifugal SHS casting followed by vacuum induction remelting. Part 2: Evolution of the structure and mechanical behavior at high temperature // Materials Science and Engineering: A. - 2017. - V. 690. - P. 473-481.

28. Телешов В. В. Фундаментальная закономерность изменения структуры при кристаллизации алюминиевых сплавов с разной скоростью охлаждения // Технология легких сплавов. - 2015. -№ 2. - С. 13-18.

29. Zhu H., Tong H., Yang F., Cheng C. Plasma-assisted preparation and characterization of spherical stainless steel powders // Journal of Materials Processing Technology. - 2018. - V. 252. -P. 559-566.

30. Xu G. N. Zhang K. F., Huang Z. Q The synthesis and characterization of ultrafine grain NiAl intermetallic // Advanced Powder Technology. - 2012. - V. 23. - P. 366-371.

31. Kawasaki M., Langdon T. G. Superplasticity in ultrafine-grained materials // Rev. Adv. Mater. Sci. - 2018. - N 54. - P. 46-55.

32. Береснев А. Г., Логунов А. В., Логачева А. И. Проблемы повышения качества жаропрочных сплавов, получаемых методом металлургии гранул // Вестник МАИ. - 2008. - Т. 15, № 3. -С. 83-89.