Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), Москва, Россия:

М. В. Жаров, доцент кафедры «Технологии и системы автоматизированного проектирования металлургических процессов», канд. техн. наук, эл. почта: MaximZharov@mail.ru

Представлены результаты исследований процесса получения гранулированных материалов из высокопрочных алюминиевых сплавов системы Al – Zn – Mg – Cu центрифугированием расплава со сверхвысокими скоростями охлаждения гранул. Введено понятие «паровой рубашки», а именно паровой прослойки, возникающей между телом гранулы и охлаждающей жидкостью, препятствующей интенсивному отводу тепла и являющейся преградой для увеличения скорости кристаллизации за счет меньшей теплопроводности паров воды. Установлено, что образование паровой прослойки происходит всегда по причине нагрева контактирующей с каплей расплава охлаждающей жидкости до температур кипения и перехода охладителя из жидкой фазы в пар. Предложена технология повышения скорости кристаллизации гранул за счет постоянного удаления паровой оболочки, возникающей вокруг капли, которое происходит за счет высокой скорости движения капли в охлаждающей среде. При промышленной реализации данной технологии принципиально важна не столько конструкция устройства для получения гранул центрифугированием расплава, сколько высокая скорость вращения разбрызгивающего тигля рассматриваемого устройства. Приведены результаты теоретических расчетов и апробированных экспериментальных данных, полученных для определения необходимой скорости вращения перфорированного стакана, обеспечивающей создание достаточной первоначальной скорости движения капли и приводящей к постоянному сбиву паровой рубашки. Установлено, что повышение скоростей отвода тепла от кристаллизуемых гранул и, как результат, увеличение скорости кристаллизации приводят к повышению прочностных характеристик гранулированных алюминиевых сплавов системы Al – Zn – Mg – Cu. В частности, при производстве прессованных полуфабрикатов из сплавов этой системы (например, В95, В96ц) с дополнительным легированием цирконием до 0,5 % прочностные характеристики материала прессованных изделий возрастают на 15 % по сравнению с теми же параметрами гранулированных материалов, полученных традиционными методами с промышленными скоростями кристаллизации капель расплава. Отмечено, что способ, основанный на удалении паровой прослойки вокруг образующейся гранулы, является единственно возможным для дальнейшего увеличения скорости охлаждения и, как следствие, скорости кристаллизации. Уменьшение размеров гранул до размера горошины приводит к серьезным технологическим проблемам при дальнейшей консолидации гранул, по сути является тупиковым путем.

1. Колпашников А. И., Ефремов А. В. Гранулированные материалы. — М. : Металлургия, 1977. — 240 с.
2. Добаткин В. И. Слитки алюминиевых сплавов. — Свердловск : Металлургиздат, 1960. — 176 с.
3. Добаткин В. И., Елагин В. И. Гранулируемые алюминиевые сплавы. — М. : Металлургия, 1981. — 176 с.
4. Пат. 2032498 РФ. Способ получения сферических гранул / Анкудинов В. Б., Марухин Ю. А.; заявл. 14.12.1992; опубл. 10.04.1995.
5. А. с. 403445 РФ. Устройство для центробежной грануляции расплава / Колпашников А. И., Ефремов А. В., Силин М. Б. ; опубл. 26.10.1973, Бюл. № 3.
6. Murr L. E., Gaytan S. M. Electron beam melting // Comprehensive materials processing. 2014. Vol. 10. P. 135–161.
7. Samal S. Thermal plasma echnology: the prospective future in material processing // Journal of cleaner production. 2017. Vol. 142. P. 3131–3150.
8. Angelo P. C., Subramanian R. Powder metallurgy: science, technology and applications. — New Delhi : PHI Learning Private Limited, 2009. — 312 p.
9. Mohanty T., Tripathi B., Mahata T., Sinha P. Arc plasma assisted rotating electrode process for preparation of metal pebbles. — India : 2014 International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum, 2014. P. 741–744.
10. Karlsson J., Snis A., Engqvist H., Lausmaa J. Characterization and comparison of materials produced by electron beam melting (EBM) of two different Ti – 6Al – 4V powder fractions // Journal of Materials Processing Technology. 2013. Vol. 213, No. 12. P. 2109–2118.
11. Zhu H., Tong H., Yang F. Cheng C. Plasma-assisted preparation and characterization of spherical stainless steel powders // Journal of Materials Processing Technology. 2018. Vol. 252. P. 559–566.
12. 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.
13. 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 and Materials Society. 1996. Vol. 48. P. 53–55.
14. 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. Vol. 30. P. 1455–1466.
15. Baskoro A. S., Supriadi S., D harmanto D. Review on plasma atomizer technology for metal powder // MATEC Web of Conferences. 2019. Vol. 269. P. 1–9.
16. 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. Vol. 94. P. 31–43.
17. Скуратов А. П., Пьяных А. А. Расчетное исследование скорости охлаждения капли алюминиевого расплава в водной среде // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. 2009. № 1. С. 233–235.
18. Скуратов А. П., Пьяных А. А. Теплообмен при гранулировании свинецсодержащих алюминиевых сплавов в водной среде // Теплофизика и аэромеханика. 2012. Т. 19, № 2. С. 155–162.
19. Launder B. E., Spalding D. B. Lectures in mathematical models of turbulence. — London : Academic Press, 1972. P. 157–162.
20. Пат. 2117556 РФ. Способ получения металлических гранул / Силин М. Б., Жаров М. В. ; заявл. 24.09.1997 ; опубл. 20.08.1998.
21. ГОСТ 4784–2019. Алюминий и сплавы алюминиевые деформируемые. Марки. — Введ. 01.09.2019. — М. : Стандартинформ, 2019.
22. ГОСТ 21073.0–75. Металлы цветные. Определение величины зерна. Общие требования. — Введ. 01.07.1976. — М. : Издательство стандартов, 1983.
23. ГОСТ 21073.1–75. Металлы цветные. Определение величины зерна методом сравнения со шкалой микроструктур. — Введ. 01.07.1976. — М. : Издательство стандартов, 1983.
24. ГОСТ 21073.2–75. Металлы цветные. Определение величины зерна методом подсчета зерен. — Введ. 01.07.1976. — М. : Издательство стандартов, 1983.
25. ГОСТ 21073.3–75. Металлы цветные. Определение величины зерна методом подсчета пересечений зерен. — Введ. 01.07.1976. — М. : Издательство стандартов, 1983.
26. ГОСТ 21073.4–75. Металлы цветные. Определение величины зерна планиметрическим методом. — Введ. 01.07.1976. — М. : Издательство стандартов, 1983.
27. Пат. 2467830. Способ производства заготовок из быстрозакристаллизованных алюминиевых сплавов / Конкевич В. Ю., Лебедева Т. И., Бочвар С. Г.; заявл. 05.09.2011; опубл. 27.11.2012.
28. ГОСТ 1497–84. Металлы. Методы испытаний на растяжение. — Введ. 01.01.1986. — М. : Издательство стандартов, 1984.
29. Телешов В. В. Фундаментальная закономерность изменения структуры при кристаллизации алюминиевых сплавов с разной скоростью охлаждения // Технология легких сплавов. 2015. № 2. С. 13–18.
30. Эскин Г. И. Новая закономерность кристаллизации металлических материалов (научное открытие ВИЛСа) // Технология легких сплавов. 2010. № 1. С. 7–10.
31. Добаткин В. И., Эскин Г. И., Боровикова С. И. К вопросу о формировании субдендритной структуры слитка при ультра звуковой обработке расплава в процессе кристаллизации // Технология легких сплавов. 1971. № 6. С. 9–17.
32. Семенов Е. И. Ковка и штамповка : справочник. Т. 1. Материалы и нагрев. Оборудование. Ковка. — М. : Машино строение, 1985. — 568 с.
33. Квасов Ф. И., Фридляндер И. Н. Промышленные алюминиевые сплавы. — М. : Металлургия, 1972. — 552 с.
34. Белокопытов В. И. Разработка технологии штамповки поковок из предварительно скомпактированных гранул алюминиевых сплавов // Вестник Магнитогорского государственного технологического университета им. Г. И. Носова. 2016. Т. 14, № 3. С. 25–31