Способ получения наноструктурного композиционного материала на основе алюминия
METHOD OF PRODUCING ALUMINUM-BASED NANOSTRUCTURE COMPOSITE MATERIAL

Изобретение относиться к области порошковой металлургии, и, в частности, к методам получения наноструктурных материалов на основе алюминия, имеющих повышенную прочность на изгиб и растяжение. Отличительной особенностью данного материала является пластичность, то есть способность пластично удлиняться при растяжении до момента разрушения. Это позволяет использовать его в условиях переменных и ударных нагрузок, например, в высоконагруженных элементах конструкций, испытывающих значительную вибрацию и/или ударные воздействия. Характеристика пластичности важна также, поскольку ее отсутствие означает повышенную хрупкость материала, что ограничивает число возможных применений в качестве конструкционного материала.
Известно, что в технике широко применяют материалы марки САП (спеченный алюминиевый порошок), получаемые спеканием частично окисленных алюминиевых порошков (Физико-химические основы производства полуфабрикатов из спеченных алюминиевых порошков. Учебник для ВУЗов. Под редакцией - Шеламов В.А., Литвинцев А.И., - М.: Металлургия, 1970. - 280 с.). Созданные на поверхности частиц оксидные пленки в процессе спекания образуют несущий нагрузку каркас, благодаря которому увеличивается прочность и жесткость материала. Материалы обладают сравнительно большой плотностью, а их предел прочности на растяжение (обычно 280÷420 МПа) ограничивается прочностью оксидных пленок и плохой сопряженностью пленок с металлической матрицей. К недостаткам можно отнести низкую пластичность таких материалов из-за ригидности несущего каркаса из окиси алюминия.
3
Известны способы армирования алюминиевой матрицы керамическими частицами (или волокнами) карбида кремния, оксида алюминия, борида титана, карбида бора и другими, в результате чего достигают увеличение прочности и повышение модуля Юнга (статья T.W. Clyne and P.J. Withers: An Introduction to Metal-Matrix Composites, Cambridge Solid-state Science Series, Cambridge University Press, 1993, pp. 318-359; патенты РФ №2159823, C22C 1/10, 23.03.1996; США №7087202, B22F 3/12, 08.08.2006; США №6290748, С22С 1/10, 18.09.2001). Обычно упрочняющие частицы вводят методом порошковой металлургии, а также методом перемешивания с расплавленным металлом в количестве 10÷50% и получают композиционные материалы с пределом прочности на растяжение 500÷620 МПа, плотностью 2,84÷2,94 г/см. К недостаткам можно отнести низкую пластичность таких материалов.
2
3
4
2
3
Известны композиционные материалы, состоящие из наноструктурного алюминиевого сплава и упрочняющих наночастиц: AlO, ВС, TiB, TiC, SiC, наноалмазов, углеродных нанотрубок (патенты США №6630008, С22С 001/05, 07.10.2003; №7217311, B22F 9/20, 15.05.2007; патент Болгарии №50504, С22С 1/04, 14.08.1992), в которых зерна алюминиевого сплава имеют размеры от 20 до 300 нм, а размеры упрочняющих наночастиц находятся в пределах 5÷100 нм. Наноструктурные композиционные материалы имеют предел прочности на растяжение 700÷900 МПа и плотность 2,8÷2,9 г/см. К недостаткам можно отнести низкую пластичность таких материалов.
60
Известны способы напыления пленок фуллерена С на поверхность (111) и (110) монокристалла алюминия в высоком вакууме (A.J. Maxwell at al., Phys. Rew. В v. 52, №8, pp. R5546-R5549 (1995); D.W. Owens at al., Phys. Rew. В v. 51, №23, pp. 17068-17072 (1995); A.J. Maxwell at al., Phys. Rew. B, v. 57, №12, pp. 7312-7326 (1998)). В указанных работах приводятся результаты изучения строения и транспортных свойств планарных монослойных пленок фуллерена применительно к задачам микро- и оптоэлектроники. К недостаткам можно отнести слоистое строение данного материала и невозможность получения изделий большого объема.
2
3
4
Известен способ (заявка WO 2006/076260 A1, B22F 3/105, 20.07.2006) синтеза объемных наноструктурных металлов и металломатричных композитов на основе алюминия, содержащего один из 24 перечисленных металлов или их комбинаций, и упрочняющих частиц, выбранных из ряда: AlO, AlN, SiC, ВС, включающий криоразмол порошков алюминиевого сплава и упрочняющих частиц, дегазацию активированной смеси порошков и ее последующую консолидацию методом электроразрядного спекания.
вес.
2
3
4
4
3
Полученный по данному способу композиционный материал состоит из сплава алюминия с размерами зерен от 5 до 150 нм, преимущественно 44÷60 нм, и 10  % упрочняющих наночастиц AlO, AlN, SiC, ВС. Твердость наноструктурного композиционного материала, состоящего из зерен алюминиевого сплава марки 5083 и 10% частиц ВС, измеренная по Виккерсу при нагрузке 2,942 Н, составила 288,7÷233,3 HV (2830÷2290 МПа), а плотность - 2,64÷2,65 г/см.
К недостаткам способа можно отнести недостаточно высокие механические свойства материала, что обусловлено применением разнородных упрочняющих частиц, кристаллическая решетка которых сильно отличается от решетки алюминиевого сплава, а также большим различием модулей упругости и коэффициентов термического расширения металла и упрочняющих частиц, что приводит к их слабому сцеплению с нанозернами алюминиевого сплава. К недостаткам способа можно также отнести низкую пластичность таких материалов.
60
вес.
Наиболее близок к заявляемому способ (Патент РФ №2440433, опубликовано 20.01.2012, МПК С22С 21/00 (2006.01); B22F 3/12 (2006.01); С22С 1/04 (2006.01)) получения наноструктурированного композиционного материала на основе алюминия путем смешивания в планетарной мельнице сплава алюминий-магний АМг 4,5 с фуллереном С, последующим промежуточным прессованием, и дальнейшей обработкой в камере высокого давления типа «поршень-цилиндр» при давлении ≈1,2 ГПа и температуре до 350°С, причем содержание фуллерена составляет 0,5÷12  %.
К недостаткам способа можно отнести высокую хрупкость материала, что обусловлено высокой дисперсностью структуры, одновременно с высоким относительным содержанием углерода, а также высоким уровнем твердорастворного и дисперсного упрочнения, как углеродсодержащими фазами, так и интерметаллидами алюминий-магний.
3
Задачей предлагаемого технического решения является устранение указанных недостатков и получение наноструктурного материала на основе алюминия с высокими пределами прочности на растяжение и изгиб, пластичностью не менее 3%, высокой твердостью и плотностью в диапазоне 2,5÷2,7 г/см.
60
Исследование предлагаемого решения позволило установить, что свойством повышенной пластичности обладают материалы на основе алюминия с добавлением магния в количестве единиц весовых процентов и фуллерена С в количестве десятых долей весовых процентов, для создания наноструктуры которых используют высокоэнергетическую обработку в планетарной мельнице, а также последующее горячее прессование. При этом используют одну промежуточную и одну конечную термообработку, а материал на этапах обработки защищают от неблагоприятных воздействий защитной атмосферой.
вес.
60
вес.
Цель достигается тем, что смесь из порошка алюминия 20÷200 мкм, порошка магния 20÷200 мкм 3-9  % и порошка фуллерена С менее 200 мкм 0,3  % загружают в планетарную мельницу в атмосфере аргона, обрабатывают при скорости вращения ≈800 об/мин в течение 20 минут, прессуют заготовку в атмосфере аргона давлением 0,2 ГПа, обрабатывают в атмосфере аргона при 150°С с течение 60 минут, проводят горячее прессование при давлении 1,2 ГПа и температуре 350°С в течение 5 минут, затем обрабатывают при 180°С в течение 72 часов в атмосфере аргона и охлаждают до комнатной температуры в течение 3 часов.
вес.
вес.
Оптимальная концентрация фуллерена в сплаве на основе алюминия была найдена экспериментально. Уменьшение содержания фуллерена менее 0,1  % не позволяет достичь высоких значений прочности на растяжение и изгиб, а также твердости. Увеличение содержания фуллерена более 0,3  % приводит к уменьшению пластичности конечного материала.
Оптимальная скорость вращения ≈800 об/мин при обработке в планетарной мельнице была найдена экспериментально, и обеспечивает получение первичной наноструктуры путем диспергирования алюминия и магния до размеров 70÷90 нм, а также гомогенное перемешивание компонент смеси. При уменьшении скорости ниже ≈600 об/мин не обеспечивается диспергирование алюминия и магния до размеров 70÷90 нм, а при увлечении скорости выше ≈1000 об/мин происходит нежелательный намол материала контейнера и шаров планетарной мельницы, загрязняющий материал.
Температура 150°С и время 60 минут последующей термообработки в атмосфере аргона найдены экспериментально. Такую обработку используют для снятия избыточных напряжений и первичного формирования фазового состава промежуточного материала, что облегчает пластическую деформацию зерен во время последующего горячего прессования, способствует достижению большей плотности и более прочного соединения зерен друг с другом.
Параметры последующего горячего прессования 1,2 ГПа, 350°С и время 5 минут были найдены экспериментально. Уменьшение давления и/или температуры и/или времени приводит к уменьшению плотности конечного материала; увеличение температуры обработки приводит к нежелательной рекристаллизации - все это ухудшает механические свойства материала. Увеличение давления выше 1,2 ГПа технологически неоправданно, поскольку не ведет к улучшению свойств материала.
Температура 180°С и время 72 часов последующей термообработки в атмосфере аргона найдены экспериментально. Такую обработку используют для снятия избыточных напряжений и конечного формирования фазового состава материала. С уменьшением температуры и/или времени обработки конечный материал становится менее пластичным, а с увеличением менее прочным.
Пример 1
вес.
60
вес.
Готовят предварительную смесь, для этого порошок алюминия 20÷200 мкм, порошок магния 20÷200 мкм в количестве 3  %, и порошок фуллерена С менее 200 мкм в количестве 0,3  % помещают в контейнеры планетарной мельницы АГО-2У внутри перчаточного бокса с защитной атмосферой аргона, причем соотношение массы размольных тел к массе обрабатываемого материала составляет 20:1. Контейнеры герметично закрывают и через шлюз переносят в планетарную мельницу, устанавливают скорость ≈800 об/мин, обрабатывают в течение 20 минут. Затем контейнеры перемещают в перчаточный бокс, заполненный аргоном. Смесь извлекают из контейнеров, прессуют из нее заготовку размером ∅10×15 давлением 0,2 ГПа, которую через шлюз перчаточного бокса переносят в печь, нагревают в атмосфере аргона до 150°С и выдерживают в течение 60 минут. Затем воздействуют давлением 1,2 ГПа и температурой 350°С в течение 5 минут в реакционной ячейке камеры высокого давления типа «поршень-цилиндр». Полученный образец извлекают, механически обрабатывают в заданный размер, переносят в печь, напускают аргон, нагревают до 180°С, выдерживают 72 часов, охлаждают до комнатной температуры в течение 3 часов. При этом аргон в качестве защитной атмосферы берут чистотой не ниже 99,99%.
3
Образец имеет: предел прочности на растяжение 520 МПа при относительном удлинении 11%, предел прочности на изгиб 660 МПа, твердость по Виккерсу 1420 МПа при плотности 2,65 г/см.
Пример 2
вес.
Все, как в примере 1, но предварительную смесь готовят с добавлением 6  % магния.
3
Образец имеет: предел прочности на растяжение 640 МПа при относительном удлинении 7%, предел прочности на изгиб 770 МПа, твердость по Виккерсу 1950 МПа при плотности 2,63 г/см.
Пример 3
вес.
Все, как в примере 1, но предварительную смесь готовят с добавлением 9  % магния.
3
Образец имеет: предел прочности на растяжение 710 МПа при относительном удлинении 3%, предел прочности на изгиб 790 МПа, твердость по Виккерсу 1980 МПа при плотности 2,58 г/см.
вес.
вес.
3
Таким образом, предлагаемый способ позволяет получать наноструктурный композиционный материал на основе алюминия, содержащий магний в количестве 3÷9  % и углерод в количестве 0,3  % имеющий прочности на растяжение 520÷710 МПа при относительном удлинении 3÷11%, предел прочности на изгиб 660-790 МПа, твердость по Виккерсу 1420-1980 МПа при плотности 2,58÷2,65 г/см.