СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ БОРСОДЕРЖАЩЕГО МЕТАЛЛОМАТРИЧНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ В ВИДЕ ЛИСТОВ
PRODUCTION OF BORON-BEARING METAL-MATRIX COMPOSITE BASED ON ALUMINIUM SHEET

Область техники
Настоящее изобретение относится к области металлургии, в частности к деформированным борсодержащим алюмоматричным композиционным материалам в виде листов, к которым предъявляют требования по поглощению нейтронного излучения в сочетании с низким удельным весом.
Предшествующий уровень техники
Алюмоматричные композиционные материалы (АКМ), содержащие бор, обладают уникальным сочетанием физических и механических свойств, в частности низкой плотностью и хорошим поглощением нейтронное излучение, поэтому они широко применяются в ядерной энергетике [W.K. Barney, G.A. Shemel, W.E. Seymour, Nucl. Sci. Eng. 1 (1958) 439-448]. Несмотря на то, что борсодержащие АКМ достаточно давно эксплуатируются, их использование ограничено из-за ряда проблем, в частности, это связано с технологией их получения. Такая трудность получения борсодержащих сплавов по классической технологии литья определяется: 1) существенным повышением линии ликвидуса при увеличении концентрации бора, и как следствие малой растворимостью бора в жидком алюминии (при традиционных температурах получения алюминиевых сплавов); 2) низкой смачиваемостью некоторых борсодержащих частиц алюминиевым расплавом; 3) неизбежное взаимодействие бора с рядом основных легирующих элементов с образованием соответствующих борсодержащих интерметаллидов. Эти основные факторы определяют необходимость использования специальных способов получения борсодержащих АКМ.
4
Известны многочисленные способы получения борсодержащих АКМ с использованием методов порошковой металлургии. В частности, известен способ получения АКМ, в котором в качестве алюминиевой матрицы используются сплавы разных систем (1xxx, 3xxx, 6xxx и др.), в качестве борсодержащего наполнителя - карбид бора (ВС) в виде порошка размером 1-60 мкм (патент US 6602314 В1, опубл 05.08.2003). Данный способ производства АКМ включает спекание под давлением (с предварительным вакуумированием). Недостатком этого способа является трудность получения крупных заготовок, предназначенных для прокатки. Другим недостатком данного способа является то, что предложенные матричные сплавы обладают разным сочетание физико-химических свойств, что определяет широкий разброс по физико-механическим характеристикам, достигаемым в АКМ.
4
в
Известен также способ получения борсодержащего АКМ, разработанный компанией Alcan Aluminum Corporation, который включает жидкофазный процесс замешивания борсодержащих частиц соединения ВС в жидкий расплав (патент US 5531425 (1996)). По данному способу в кристаллизаторах получают слитки, далее применяется горячая прокатка для производства плит и листов. Недостатком данного способа является то, что получаемые листы имеют низкую прочность (σ<100 МПа).
Раскрытие изобретения
в
2
В основу изобретения положена задача создать новый борсодержащий АКМ в виде листов, упрочняемый без закалки, характеризующихся достаточной прочностью (σ>280 МПа), высокой технологичностью при получении слитков и их последующей деформации в лист (без использования гомогенизации) со структурой алюминиевой матрицы, в которой равномерно распределены частицы соединения TiB со средним размером не более 30 мкм и массовой долей от 4 до 8 масс. %.
Поставленная задача решается созданием способа получения листов из борсодержащего металломатричного композиционного материала на основе алюминия, включающий приготовление расплава, содержащего марганец, магний, кремний, скандий, формирование борсодержащих частиц в алюминиевом расплаве, получение слитка путем кристаллизации расплава, получение листа путем деформирования слитка и его термическую обработку, отличающийся тем, что готовят алюминиевый расплав, содержащий
марганец
от 0,5 до 2 масс. %
магний
от 0,5 до 4 масс. %
кремний
от 0,1 до 0,3 масс. %
скандий`
от 0,15 до 0,3 масс. %
2
2
2
2
2
2
2
формирование борсодержащих частиц проводят путем введения лигатуры, состоящей из смеси порошка TiB и солей NaCl, MgCl и KCl, температуру расплава в процессе замешивания лигатуры поддерживают в пределах от 720 до 800°С в течение 30-45 минут, а отжиг деформированного полуфабриката проводят при температуре 250-350°С, при этом получают листы со структурой композиционного материала, содержащего частицы TiB в количестве от 4 до 8%. В частном исполнении лигатура дополнительно содержит парафин при следующем соотношении компонентов: TiB от 60 до 70 масс. %, NaCl от 3 до 5 масс. %, MgCl от 10 до 12 масс. %, KCl от 5 до 7 масс. %, парафин - остальное.
в
Технический результат, достигаемый от изобретения является достижение высокого уровня прочностных характеристик: временное сопротивление при растяжении (σ) - не менее 280 МПа, высокой технологичности при обработке давлением в совокупности с низкой плотностью и возможностью его использования в качестве защиты от нейтронного излучения.
Сущность изобретения
6
3
2
Сущность изобретения состоит в том, чтобы реализовать в листах из борсодержащего АКМ структуру на основе алюминиевой матрицы, упрочненной вторичными выделениями фаз AlMn и AlSc и с равномерно распределенными в ней частицами соединения TiB со средним размером не более 30 мкм и массовой долей от 4 до 8 масс. %. Такая структура позволяет обеспечить наилучшее сочетание механических свойств (более 280 МПа) и способность к поглощению нейтронного излучения (расчетное содержание бора для такой структуры составляет от 2 до 3,5 масс. %). Обоснование заявляемых количеств легирующих компонентов в данном сплаве приведено ниже.
6
Марганец в заявляемых количествах необходим для образования вторичных выделений (дисперсоидов) AlMn и твердорастворного упрочнения. Меньшие концентрации не обеспечат требуемой прочности, а при больших количествах будут понижены характеристики технологичности при обработке давлением из-за образования первичных кристаллов Μn-содержащей фазы.
Магний в заявляемых количествах необходим для твердорастворного упрочнения. Меньшие концентрации не обеспечат требуемого уровня прочности, а при больших количествах будут понижены характеристики технологичности при обработке давлением из-за высокого деформационного упрочнения.
3
2
Скандий в заявляемых количествах необходим для образования вторичных наночастиц фазы AlSc (кристаллическая решетка L1), имеющих средний размер не более 10 нм. При меньших концентрациях количество последних будет недостаточным для достижения требуемой прочности, а при больших количествах имеется опасность появления первичных кристаллов, что негативно сказывается на механических свойствах и технологичности.
15
3
2
Кремний в заявляемых количествах необходим для нейтрализации вредного влияния примеси железа (допустимое содержание железа до 0,5%), в частности для образования эвтектических включений (фазы Al(Fe,Mn)Si), способствующих более равномерной деформации в микрообъемах в процессе обработки давлением.
2
2
Нижний предел по массовой доли частиц фазы TiB выбран с целью достижения необходимого уровня поглощения нейтронного излучения, а верхний - с целью достижения необходимого уровня технологичности, в частности, при прокатке. Верхний предел по среднему раз меру фазы TiB выбран с целью достижения необходимого уровня механических свойств.
Обоснование заявляемых технологических параметров способа получения деформированных из данного сплава приведено ниже.
2
Снижение температуры расплава ниже 720°С может привести к снижению технологичности при получении слитков. Следствием этого возможно появление ликватов и других дефектов на поверхности слитка. Повышение температуры расплава выше 800°С и времени выдержки более 45 минут отрицательно может сказаться на размере частиц TiB в алюминиевом расплаве из-за их огрубления.
3
Если температура отжига листа будет ниже 250°С и выше 350°С, то не будет достигнут требуемый уровень упрочнения, что связано с недораспадом алюминиевого твердого раствора в первом случае и образованием грубых вторичных выделений AlSc во втором.
Примеры выполнения
ПРИМЕР 1
2
2
2
2
2
Для экспериментального обоснования предложенного изобретения было выполнено 5 вариантов получения борсодержащего АКМ, которые приведены в табл. 1. Приготовление расплава и формирование в нем борсодержащих частиц TiB проводили в индукционной печи «РЭЛТЕК» в графитошамотном тигле. Бор вводили в виде специально приготовленной смешением лигатуры, содержащей TiB и смеси (18 масс. % NaCl, 54 масс. % MgCl и 28 масс. % KCl). При этом количество частиц TiB было различным, чтобы получить в конечной структуре разное количество борсодержащих частиц (Q).
Таблица 1
Составы расплавов АКМ, механические свойства и параметры структуры катаных листов
№
Концентрации, масс. %
σ<sub>в</sub>, МПа
Q, масс. %
Μn
Mg
Si
Sc
Al
1
0,1
0,4
0,3
0,35
Основа
244
2,4
2
0,5
4
0,1
0,15
Основа
289
6,5
3
2
0,5
0,2
0,3
Основа
287
7,8
4
1
4
0,1
0,25
Основа
324
5,5
5
2,5
4
0,1
0,35
Основа
Трещины при прокатке
10,1
Температуру расплава поддерживали около 770°С в течение 30 минут. Заливку проводили в металлическую изложницу, получая плоские слитки с размерами 40×120×200 мм. Далее слитки подвергали прокатке (сначала горячей. а затем холодной), получая листы толщиной 2 мм. Листы термообрабатывали по режиму: нагрев при 300°С в течение 3 часов.
в
Механические свойства листов (временное сопротивление (σ)) при одноосном растяжении определяли при комнатной температуре на универсальной испытательной машине в соответствии с ГОСТ 1497-84. Скорость испытания составляла 10 мм/мин, расчетная длина 50 мм.
Массовую долю борсодержащих частиц (Q) и их идентификацию определяли методом рентгенофазового анализа (на дифрактометре ДРОН-4.0-07).
Как видно из табл. 1, только предложенный способ получения борсодержащего АКМ (№2-4) обеспечивает заданный уровень механических свойств.
ПРИМЕР 2
2
Для обоснования температуры расплава было выполнено 5 вариантов получения борсодержащего АКМ (табл. 2) применительно к составу №4 (табл. 1). Оценка среднего размера (d) борсодержащих частиц TiB в листе проведена с использованием металлографического анализа на сканирующем микроскопе JEOL JSM-6610.
Количество магния, кремния, меди и борсодержащей лигатуры, вводимых в расплав во всех случаях было одинаковым и отвечало варианту 3 из примера 1 (см. табл. 1). Температура расплава варьировалась в пределах от 800 до 1000°С. Остальные условия эксперимента были такими же, как и в примере 1.
Как видно из табл. 2, только предложенный способ получения АКМ (№2-4) обеспечивает заданные параметры структуры.
Таблица 2
Температуры расплава приготовления экспериментальных АКМ и параметры структуры катаных листов
№
Температура расплава, °С
Время выдержки расплава, мин
d, мкм
1
710
20
не равномерное распределение частиц
2
720
45
21
3
770
30
25
4
800
30
26
5
850
60
41
2
В способе №5 в течение длительного времени выдержки и повышения температуры выше 800°С привело к формирование грубых частиц соединения TiB со средним размером около 41 мкм.