КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ ИЛИ АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ
COMPOSITE MATERIAL BASED ON ALUMINIUM OR ALUMINIUM ALLOY AND METHOD FOR PRODUCTION THEREOF

2
3
Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению композиционного материала на основе алюминия или алюминиевого сплава, упрочненного дискретными волокнами AlO диаметром нанодиапазона, который может быть использован в различных областях техники в качестве конструкционного материала, обладающего повышенной твердостью без увеличения плотности. К областям приоритетного применения относятся: космические системы, авиастроение, машиностроение, приборостроение, судостроение, железнодорожный и другой вид транспорта.
Известен способ изготовления порошкового композиционного материала, который содержит матрицу из алюминиевого или магниевого сплава, и 20-80 об.% упрочнителя, выполненного в виде армирующих нановолокон оксида алюминия, покрытых пленкой аморфного углерода (Патент РФ №2374355 от 27.11.2009). Недостатком предложенного изобретения является сложность технологии, необходимость применения специализированного оборудования, трудность изготовления образцов, опасность горения порошка и взрыва в процессе производства.
2
3
48
Известен также способ получения сплава на основе алюминия (патент РФ №2516679, от 20.05.2014), который получают механическим замешиванием дискретных керамических частиц углеродсодержащей боридной фазы CAlB размером 1-2 мкм в расплав в количестве 0,1- 0,6% по массе. Предлагаемый способ механического замешивания практически трудно осуществить по причине агломерации частиц и потери жидкотекучести расплава, к тому же способ не обеспечивает равномерного распределения частиц в матрице и, следовательно, стабильного уровня свойств ЛКМ.
В качестве прототипа был выбран литой композиционный материал на основе алюминиевого сплава и способ его получения(Патент РФ №2353475 от 27.04.2009), заключающийся в смешивании в размольно-смесительном устройстве порошков матричного компонента из алюминиевого сплава Al+3%Mg и армирующих дискретных керамических частиц карбида кремния зернистостью 30-50 мкм в количестве 3-5 мас.% или 9-15 мас.%, брикетирование смеси под давлением 28-35 МПа, введение брикетов в расплав сплава Al+3%Mg, перемешивание расплава и разливка. Недостатком предложенного изобретения является большой размер наполнителя, неэффектифность изготовления композиционных материалов упрочненных наноразмерными наполнителями из-за проблемы введения наноразмерного армирующего фазы в расплав.
2
3
Задача, на решение которой направленно заявленное изобретение, заключается в разработке состава и способа производства литого композиционного материала на основе алюминия или алюминиевого сплава, упрочненного дискретными волокнами AlO диаметром нанодиапазона.
2
3
Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что предлагаемый литой композиционный материал на основе алюминия или алюминиевого сплава наполнен дискретными волокнами AlO диаметром нанодиапазона. В качестве эффективного компонента, который с одной стороны может выступать легирующим элементом для матричного материала, а с другой - элементом, обеспечивающим транспортные функции при введении нанаволокон предложено использовать медь. Транспортирующий порошок меди предварительно перетирается с наполнителем, образуя некоторый конгломерат.
2
3
Способ поясняется графическими материалами: фиг.1, фиг.2. На фиг.1 представлена схема получения композиционного материала на основе алюминия или алюминиевого сплава, упрочненного дискретными волокнами AlO диаметром нанодиапазона. На фиг.2 показана схема получения конгломерата.
Предлагаемый способ получения литого композиционного материала состоит в перемешивании армирующих фаз, содержащих дискретные волокна оксида алюминия диаметром нанодиапазона (10-20 нм) и микронные порошки меди (10-20 мкм) с последующим механическим замешиванием конгломерата в матричный расплав.
Перемешивание армирующих фаз осуществляют в керамической ступке при комнатной температуре. Время перемешивания 30-40 минут со скоростью 60 об/минут. Полученный конгломерат вводят в матричный расплав, разогретый до 800±10°C, при условии постоянного перемешивания со скоростью 600 об/минут. В ходе исследований эмпирическим путем установлена оптимальная температура расплава, обеспечивающая должное усвоение наполняющего компонента. При 750-800°C расплав выдерживали в течение 10-15 мин для распределения наполнителя в объеме, затем перемешивали при контролируемом понижении температуры до 740-750°C и разливали. Последующая кристаллизация расплава проходила самопроизвольно.
По вышеизложенной технологии были изготовлены образцы для измерения физических и механических свойств. Характеристики испытуемых материалов приведены в табл. 1 и 2.
Таким образом, предлагаемый литой композиционный материал отличается от исходных матричных материалов лучшим комплексом свойств: повышением твердости на 41%, микротвердости на 22%. При сохранении плотности на уровне точности второго знака после запятой. Эффект упрочнения при введении нановолокон продемонстрирован в таблице 2 по уровню работы удара. Работа удара уменьшается на 53%.
Таблица 1
Материал
Плотность(г/см<sup>3</sup>)
Твердость(НВ)
Микротвердость (HV0,1)
Исходный матричный материал Al
2,6917
19,07±1,36
26,1±2,91
Исходный материалAl + 1% Cu материал
2,6736
22.42±1,64
29,94 ±2,26
Al + 1% (наноAl<sub>2</sub>O<sub>3 </sub>+Cu)композиционный материал
2,6739
26,87±1,54
31,86±3,16
Таблица 2
Материал
Работа удара (Дж)
Исходный матричный материалAl
67,4±5,9
Исходный материалAl + 1% Cu материал
22,5±2,2
Al + 1% (наноAl<sub>2</sub>O<sub>3 </sub>+Cu)композиционный материал
31,3±1,1