СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОСТРУКТУРНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ
METHOD FOR PRODUCING AN ALUMINIUM-BASED NANOSTRUCTURAL COMPOSITE MATERIAL

Изобретение относится к способу получения наноструктурного композиционного материала на основе алюминия, модифицированного углеродными нанотрубками, с улучшенными физико-механическими свойствами, который может использоваться в качестве конструкционного материала для машиностроения и авиакосмической отрасли.
Известен способ получения наноструктурного композиционного материала на основе алюминия (см. патент RU 2716930 опубл. 17.12.2019, С22С 1/05). Смесь стружки сплава алюминия, содержащего 6 вес.% магния, и порошка фуллерена С60 в количестве 0,1…0,5 вес.% подвергают обработке в планетарной шаровой мельнице в течение 45 мин при скорости вращения 1800 об/мин. Полученную порошковую смесь прессуют при 550 МПа в заготовку диаметром 50 мм и подвергают прямой горячей экструзии со степенью деформации 6,2 при давлении 1…1,5 ГПа и температуре 280°С.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа получения наноструктурного композиционного материала на основе алюминия, относится то, что выбранный наполнитель в виде углеродного наноматериала не обеспечивает требуемого армирования алюминиевой матрицы.
Известен способ изготовления алюминиевого композита, армированного углеродными нанотрубками (см. патент CN 103789564 опубл. 14.05.2014, С22С 1/05), выбранный в качестве прототипа. В качестве элементов легирования выбраны медь, магний, цинк, марганец, кремний, титан или цирконий, предварительный сплав выбирают из алюминиево-кремниевого сплава, алюминиево-магниевого или алюминиево-марганцевого сплава. Первоначально измельчают в шаровой мельнице легирующий компонент и пре-сплав. Эту смесь замешивают с чешуйчатым алюминием и углеродными нанотрубками также в шаровой мельнице. Размер металлических чешуек составляет от 5 до 500 мкм, диаметр нанотрубок меньше 50 нм, а соотношение длины к диаметру трубки больше 100. Из полученного порошка изготавливают заготовки для дальнейшей термической термообработки.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа изготовления алюминиевого композита, относится то, что углеродные нанотрубки недостаточно равномерно распределяются по объему алюминиевой матрицы, при этом нанотрубки частично разрушаются и аморфотизируются в процессе получения алюминиевого композита.
Технический результат - увеличение таких механических свойств как микротвердость, прочность при растяжении, сжатии и изгибе, что расширяет возможность использования материала в машиностроении и аэрокосмической отрасли.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе получения наноструктурного композиционного материла на основе алюминия, включающем обработку алюминиевого порошка и углеродных нанотрубок в аттриторе и термобарическую обработку, особенность заключается в том, что смесь порошка алюминия, содержащего 0,6 вес.% стеариновой кислоты и углеродные нанотрубки в количестве 1,5…1,9 вес.% обрабатывают 190 минут в аттриторе при частоте вращения 390 оборотов в минуту, прессуют заготовку при температуре 20°С и давлении 430 МПа и проводят горячее прессование при температуре 545°С и давлении 610 МПа.
Заявляемый способ получения наноструктурного композиционного материла на основе алюминия осуществляется следующим образом. На первом этапе выполняют дозирование компонентов исходной шихты: порошка алюминия, стеариновой кислоты, в количестве 0,6 вес.% и углеродных нанотрубок в количестве 1,5…1,9 вес.%. Далее производят обработку полученной смеси в течение 190 минут в аттриторе при частоте вращения 390 оборотов в минуту. На следующем этапе прессуют заготовку при температуре 20°С и давлении 430 МПа. На заключительном этапе проводят горячее прессование при температуре 545°С и давлении 610 МПа.
Об эффективности предлагаемого способа изготовления можно судить по следующим примерам.
2
3
3
111
Пример 1. На первом этапе произвели дозирование компонентов формовочной смеси: матричный алюминиевый порошок ПАД-1 (СТО22436138-006-2006) - 97,6% масс; одностенные углеродные нанотрубки TUBALL 01RW01 (ТУ 2166-001-91735575-2014) (ОУНТ) - 1,8% масс; стеариновая кислота (ГОСТ 6484-96) - 0,6% масс. Размер гранул алюминиевого порошка не превышал 30 мкм. Средний внешний диаметр ОУНТ не превышал значения 3 нм, полная удельной поверхность ОУНТ составляла не менее 300 м/г. Кислоту стеариновую использовали в качестве поверхностно-активного реагента, регулирующего процесс. Далее производили обработку полученной шихты в аттриторе оригинальной конструкции в течение 190 мин. В процессе обработки частотой вращения варьировали в диапазоне 390 оборотов в минуту. Мелющие тела - шары из стали ШХ15 диаметром 10 мм. Массовое соотношение шаров и шихты - 55:1. Обработку производили в среде аргона марки «Ч». Далее производили компактирование композиционных гранул холодным прессованием при давлении 400 МПа и температуре 20°С в брикеты диаметром 39,2 мм и высотой 12,5 мм, с плотностью 2,25…2,3 г/см. На заключительном этапе брикеты диаметром 39,2 мм подвергали горячему прессованию (горячей подпрессовке) при давлении 610 МПа и температуре 545°С с получением образцов с плотностью 2,60…2,64 г/см. Произвели замер микротвердости и предела текучести у полученных образцов из композиционного материла и образцов, изготовленных из исходного матричного материала. Выявлено, что предложенный способ получения наноструктурного композиционного материала на основе алюминия обеспечивает изготовление образцов с микротвердостью, превышающей микротвердость образцов из исходного матричного материала не менее чем в 2,8 раза и с пределом текучести, превышающим предел текучести образцов из исходного матричного материала не менее чем в 3 раза. Произвели исследование структурных параметров, структурно-зависимых характеристик и фазового состава образцов из композиционного материала на рентгеновском дифрактометре ДРОН-3М. На дифрактограммах образцов отмечено отсутствие рефлексов карбида алюминия, что свидетельствует о сохранности нанотрубок (отсутствии или незначительной их аморфотизации при легировании в исследованном процессе механического легирования). При этом имеет место следующее: зафиксировано увеличение полуширины рентгеновской линии β до 0,266 с соответствующим уменьшением размера нанокристаллитов D до 47,82 нм (по сравнению с образцами из исходного матричного материала).
Пример 2. Получение наноструктурного композиционного материала на основе алюминия, при концентрации углеродных нанотрубок, отличающейся от оптимальной, приведенной в примере 1. Произвели дозирование компонентов формовочной смеси: матричный алюминиевый порошок ПАД-1 (СТО22436138-006-2006) - 95,4% масс; одностенные углеродные нанотрубки TUBALL 01RW01 (ТУ 2166-001-91735575-2014) (ОУНТ) - 4% масс; стеариновая кислота (ГОСТ 6484-96) - 0,6% масс. Дальнейшие операции проводили аналогично примеру 1. В результате были получены образцы с микротвердостью, превышающей микротвердость образцов из исходного матричного материала не менее чем в 2,1 раза и с пределом текучести, превышающим предел текучести образцов из исходного матричного материала не менее чем в 2,2 раза.