СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЛИТОГО ВЫСОКОАРМИРОВАННОГО АЛЮМОМАТРИЧНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА
METHOD OF RECEIVING OF CAST HIGH-REINFORCED ALUMO-MATRIX COMPOSITE MATERIAL

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способам получения композиционных материалов (КМ) на основе матриц из алюминиевых сплавов, армированных дискретными керамическими частицами в количестве от 30 до 80 об.%. Важность разработки таких КМ обусловлена их уникальными физическими и механическими свойствами в сочетании с низкой плотностью. Изделия из таких КМ могут найти применение в конструкциях, работающих в экстремальных условиях при повышенных температурах и нагрузках, одновременно удовлетворяющих требованиям по низким весовым характеристикам. Высокоармированные КМ могут быть также использованы в качестве подложек для микросхем и корпусов электронных устройств. Учитывая низкую стоимость исходных компонентов, применение таких КМ эффективно с экономической точки зрения.
Запросы новой техники требуют создания надежных и простых способов производства высокоармированных КМ. Основные способы совмещения матриц с дискретными наполнителями при производстве КМ можно разделить на твердофазные (методы порошковой металлургии) и жидкофазные (литейные методы).
2
3
3
4
4
Так, предлагают КМ на основе алюминиевой матрицы с диспергированными в ней частицами в количестве ≤35 об.%. В качестве армирующих частиц могут быть использованы керамические порошки SiC, AlO, SiN, ВС и др. КМ получают путем смешивания порошков Al и неметалических частиц, компактирования и экструзии (Заявка 62-40339, Япония, 1987, МКИ С22С 21/00).
Также по порошковому методу получают КМ, содержащий металлическую матрицу и керамический наполнитель (Патент РФ №2246379, 2005, МПК B22F 3/20, С22С 1/05). Смесь из порошка матричного сплава с керамическим наполнителем подвергают обработке в шаровой мельнице с целью механического легирования, проводят последующую дегазацию смеси в вакууме при температуре выше температуры солидуса матричного сплава, после чего осуществляют брикетирование и горячую экструзию брикетов.
Общим недостатком способов, осуществленных методами порошковой металлургии, является неконтролируемые состав и качество связи между армирующими наполнителями и матрицей, и следовательно, неконтролируемый уровень механических свойств вследствие большого количества контактов частица/частица, наличия окисных пленок на развитой поверхности металлического порошка, пористости и роста зерна металла матрицы при горячей обработке КМ.
Устранить вышеперечисленные недостатки при получении КМ можно, используя жидкофазные методы. Необходимым условием осуществления жидкофазного совмещения является смачивание наполнителя матричным расплавом. Только при смачивании обеспечиваются равномерность распределения наполнителя в матрице и непрерывность межфазной границы матрица/наполнитель, а прочная связь по этой границе - залог реализации свойств компонентов в КМ. Наиболее распространенный и экономичный жидкофазный метод получения металломатричных KM - литейный, основанный на замешивании армирующего наполнителя в расплав. Однако таким образом удается получить КМ с объемной долей армирующей фазы не более 20-25% из-за резкого повышения вязкости и снижения жидкотекучести расплава. С целью увеличения объемной доли дисперсного упрочнителя на порошки армирующих фаз наносят технологические покрытия или дополнительно легируют матричный расплав элементами, снижающими его вязкость. Объемная доля наполнителя может быть также увеличена за счет экзотермических реакций in-situ в жидкофазном процессе изготовления КМ. Так, известен способ получение литых КМ (Патент РФ №2136774, МПК С22С 1/10, 1999 г.), включающий механическое замешивание дискретных частиц керамических наполнителей в алюминиевый расплав с добавлением лигатуры, содержащей экзоактивные легирующие добавки Ti, Zr, V, Hf. Общее содержание армирующих частиц может быть увеличено до 30 об.% благодаря локальному саморазогреву расплава. Однако такой способ сложен в техническом исполнении, поскольку процесс двухстадийный. Кроме того, во время перемешивания происходит интенсивное насыщение металла окислами, пленами и атмосферными газами. Кроме того, данным способом невозможно осуществить получение высокоармированных КМ (более 30%).
Другой вариант увеличения объемной доли армирующих частиц в KM - пропитка (инфильтрация) армирующих частиц металлическим расплавом под давлением. Так, прототипом предлагаемого изобретения является способ получения КМ пропиткой под давлением алюминиевым расплавом частиц SiC, помещенных в керамическую трубку между двумя пористыми фильтрами (Е. Candan, H. Ahlatci, H. Cimenoglu. Abrasive wear behaviour of Al-SiC composites produced by pressure infiltration technique. // Wear, 247, (2001), pp.133-138). Повышая давление в специальном устройстве, внутри которого находится тигель с расплавом и помещенная в расплав трубка, осуществляли пропитку частиц SiC расплавом. При этом температура инфильтрации составляла 750±5°С и давление соответствовало 850 кПа для пропитывания частиц SiC диаметром 13 мкм и 350 кПа - для частиц диаметром 37 мкм. Таким способом получены КМ, содержащие в качестве армирующей фазы частицы SiC диаметром 13 и 37 мкм в количестве 61 и 60 об.% соответственно. Существенным недостатком данного способа является невозможность получать КМ с определенным (заранее заданным) содержанием армирующей фазы. Объемное содержание армирующей фазы при получении КМ данным способом зависит только от размера и насыпной плотности используемых частиц.
Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в увеличении объемной доли армирующих частиц, равномерном распределении компонентов в заданном весовом соотношении в объеме композиционного материала.
Для решения поставленной технической задачи способа получения литого высокоармированного алюмоматричного композиционного материала, включающего инфильтрацию алюминиевым расплавом частиц карбида кремния, согласно изобретению, перед инфильтрацией проводят нагрев частиц карбида кремния в насыпном состоянии до температуры 850-900°С, а их инфильтрацию проводят алюминиевым расплавом, нагретым до температуры 850-900°С при механическом перемешивании, после чего полученную композиционную смесь подвергают горячему двухстороннему прессованию в нагретых до температуры приготовления композиционной смеси пресс-формах при давлении 2,0-2,2 ГПа, при этом объемная доля частиц карбида кремния в общем объеме материала составляет от 30 до 80%.
Сущность изобретения состоит в инфильтрации металлического расплава в насыпной объем разогретых керамических частиц, помещенных в тигель. При перемешивании происходит смачивание жидким алюминием поверхности разогретых частиц. Перемешивание проводят до полного видимого расходования расплава. Для обеспечения смачиваемости армирующие наполнители в насыпном состоянии нагревают до температуры 850-900°С и проводят их инфильтрацию металлическим расплавом, разогретым до температуры 850-900°С. Инфильтрация ведется подачей порции жидкого металла при перемешивании. Перемешиванием достигается образование островков матрицы на частицах армирующего наполнителя. Объемная доля армирующего наполнителя может составлять от 30 до 80% в общем объеме материала и определяется объемом подаваемого расплава. При данных параметрах процесса осуществляется растекание расплава по поверхности армирующего наполнителя при интенсивном перемешивании. При содержании армирующего наполнителя менее 30 об.% невозможно получение равномерного распределения его в расплаве вследствие образования скоплений из дискретных керамических частиц в потерявшем жидкотекучесть расплаве. Содержание в КМ армирующего наполнителя более 80 об.% невозможно вследствие ограничений по более плотной укладке частиц, а также малого количества металлической фазы, не обеспечивающей при прессовании КМ достаточный уровень межфазной связи. Снижение температуры нагрева армирующего наполнителя менее 850°С недопустимо, поскольку при уменьшении температуры уменьшается смачиваемость армирующего наполнителя жидким расплавом алюминия. Увеличение температуры нагрева армирующего наполнителя выше 900°С приводит к повышению энергозатрат и удорожанию процесса изготовления КМ. Нагрев жидкого алюминия до 850-900°С обеспечивает высокую жидкотекучесть расплава и снижение поверхностного натяжения на границе между твердой и жидкой фазами. При нагреве расплава алюминия ниже 850°С жидкотекучесть расплава ухудшается, повышается поверхностное натяжение. Увеличение температуры нагрева жидкого алюминия выше 900°С нецелесообразно из-за энергетических затрат.
Композиционную смесь сразу после перемешивания подвергают горячему двухстороннему прессованию в нагретых до температуры композиционной смеси пресс-формах. Разогретые керамические частицы, имеющие на поверхности жидкую металлическую фазу, помещают в пресс-форму, нагретую до температуры 850-900°С и подвергают двухстороннему прессованию при давлении 2,0-2,2 ГПа. Нагрев пресс-формы до температуры 850-900°С обеспечивает проведение процесса прессования, когда металлическая составляющая находится в виде жидкой фазы и перераспределяется между уплотняемыми керамическими частицами. При температуре нагрева пресс-формы ниже 850°С происходит охлаждение прессуемой композиционной смеси, что ухудшает процесс перераспределения расплава между керамическими частицами. Увеличение температуры нагрева пресс-формы выше 900°С нецелесообразно вследствие увеличения энергозатрат и разупрочнения пресс-формы. Величина давления, равная 2,0-2,2 ГПа, обеспечивает получение КМ, имеющих плотность, близкую к теоретической. Уменьшение давления приводит к увеличению пористости и уменьшению плотности материала. Увеличение давления выше 2,2 ГПа не приводит к заметному изменению плотности получаемого материала.
Изобретение может быть проиллюстрировано следующим образом.
Пример
3
Способ получения литого высокоармированного частицами карбида кремния (SiC) алюмоматричного КМ с содержанием армирующей фазы 70 об.%. Частицы SiC средним размером 40 мкм (ГОСТ 3647-80) нагревали в тигле до температуры 890°С и проводили инфильтрацию металлическим расплавом алюминия (ТУ-48-5-288-88). Температура расплава составляла 860°С. Количество металлического расплава соответствовало 30 об.% от общего объема КМ. Металлический расплав равномерно распределяли по поверхности разогретых частиц SiC путем механического перемешивания. Полученную композиционную смесь помещали в разогретую до 860°С прессформу и подвергали двухстороннему прессованию при давлении 2,2 ГПа. Полученный данным способом композиционный материал имеет плотность 3,09 г/см, что соответствует расчетному значению плотности КМ при данном соотношении компонентов. Твердость полученного КМ составляет 67HRA, прочность на изгиб - 500 МПа и на сжатие - 800 МПа.