7. Инфильтрация порошковой формовки

Инфильтрация порошковой формовки - это заполнение пор порошковой формовки расплавленным металлом или сплавом.

Исследования по инфильтрации (до 1982 г. применяли термин «пропитка») порошковых тех проводятся, по-видимому, с 1914 г. Промышленный выпуск изделий по такой технологии организован вероятно только в 1945 г., но уже в 50-е годы XX в. выпуск компрессорных лопаток реактивных двигателей составлял порядка 1 млн. шт/месяц.

Сущность метода инфильтрации достаточно проста: из порошка более тугоплавкого компонента формуют пористый каркас, а затем заполняют его пустоты (поры) расплавленным более легкоплавким компонентом (металлом или сплавом).

Термодинамическое условие инфильтрации - в результате заполнения пор расплавом свободная энергия системы должна уменьшаться - можно выразить следующим образом:

_тS_т + _жS_ж - _т-жS_т - _жS_г > 0, (2.7)

где S_т, S_ж, S_г - соответственно внутренняя поверхность пор формовки, поверхность жидкого металла перед инфильтрацией и площадь пор, выходящих на внешнюю габаритную поверхность формовки, где расплав соприкасается с окружающей газовой атмосферой.

Пренебрегая величиной (S_ж – S_г)_ж, так как в начальный момент S_ж и S_г соизмеримы, получаем

_т - _т-ж > 0 (2.8)

или

_ж cos  > 0. (2.9)

Поскольку _ж всегда больше нуля, то условие осуществления инфильтрации  < 90°; при  > 90° инфильтрация происходить не будет (например, пористое тело из Al₂O₃ невозможно инфильтровать жидкими металлами группы железа). Для улучшения инфильтрации к порошку тугоплавкого компонента перед формованием добавляют небольшое (2,5—5 %) количество порошка инфильтруемого или какого-либо другого достаточно легкоплавкого и взаимодействующего с ним металла. Температура инфильтрации на 100—150 °С должна превышать Т_пл расплавляемого металла (сплава). Уплотнение порошкового тела при инфильтрации аналогично спеканию в присутствии жидкой фазы (рисунок 3).

Скорость инфильтрации составляет несколько десятых миллиметра в секунду, а толщина инфильтрованного слоя h зависит от свойств расплава и длительности  его контакта с твердым каркасом:

h = (1/) _ж cos  r_э / _ж , (10)

где r_э - эффективный радиус поровых каналов.

Длительность полной инфильтрации _п можно определить из соотношения

_п = 4_жl² / r_э_ж cos  ± g V _ж r_э² / S, (11)

где l - габарит (толщина) формовки; g - ускорение свободного падения; V - начальный объем пор в формовке; _ж - плотность расплава; S - площадь сечения формовки.

Инфильтрацию из внешних источников ведут:

по методу наложения (в знаменателе формулы знак «+»); пористый каркас из частиц тугоплавкого компонента (после формования или предварительного спекания) вместе с помещенным на нем требуемым количеством твердого легкоплавкого металла для инфильтрации, рассчитанном исходя из объема пор в каркасе, загружают в нагревательное устройство с защитной атмосферой и соответствующей температурой; образующийся расплав впитывается в поры каркаса;

по методу погружения (в знаменателе формулы знак «—»); пористый каркас вводят в предварительно расплавленный легкоплавкий компонент, либо в процессе нагрева создают расплав вокруг пористого каркаса.

После инфильтрации получаемый композиционный материал практически не содержит пор и легко поддается последующей деформации.