СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЛИСТОВ ИЗ БОР-СОДЕРЖАЩЕГО АЛЮМОМАТРИЧНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА
PRODUCTION OF BORON-BEARING ALUMOMATRIX COMPOSITE

Область техники
Настоящее изобретение относится к области металлургии, в частности к бор-содержащим алюмоматричным композиционным материалам, 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. Поскольку бор имеет свойство хорошо поглощать нейтронное излучение, 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 бор-содержащие АКМ достаточно давно эксплуатируются, их использование связанно с рядом проблем, в частности с технологией их получения. Поскольку бор имеет низкую растворимость в жидком алюминии, классические технологии, связанные с получением гомогенного расплава (без наличия каких-либо твердых фаз) и формированием бор-содержащих соединений при кристаллизации, не могут быть практически реализованы.
4
Известны многочисленные способы получения бор-содержащих АКМ с использованием методов порошковой металлургии. В частности, известен способ получения АКМ, в котором в качестве алюминиевой матрицы используются сплавы разных систем (lxxx, 3xxx, 6xxx и др.), в качестве бор-содержащего наполнителя - карбид бора (BC) в виде порошка размером 1-60 мкм (пат. US 6602314 B1, опубл 05.08.03). Данный способ производства АКМ включает спекание под давлением (с предварительным вакуумированием). Недостатком этого и всех способов, связанных с порошковой металлургией, является трудность получения крупных заготовок, предназначенных для прокатки. Другим недостатком данного способа является то, что предложенные матричные сплавы обладают разным сочетанием физико-химических свойств, что определяет широкий разброс по характеристикам, достигаемым в АКМ.
2
2
Известен способ получения B-содержащего АКМ, описанный в патенте US 2008/0050270 A1 (2008), согласно которому в алюминиевый расплав, полученный расплавлением промышленной лигатуры алюминий-бор, вводят титан таким образом, чтобы сформировать в расплаве, температура которого поддерживается в пределах от 700 до 850°C, частицы диборида титана (TiB), после чего проводят кристаллизацию путем литья. В частных пунктах данного патента предлагается вводить добавки гадолиния и самария. Данный способ позволяет получить в АКМ микроструктуру с дисперсными частицами фазы TiB, которые формируются в процессе замешивания в результате фазовых превращений. Однако полное протекания этих фазовых превращений требует длительного времени, что обуславливает относительно высокую стоимость данного технологического процесса. Наличие добавок гадолиния и самария еще больше удорожают процесс.
4
в
Известен также способ получения бор-содержащего АКМ, разработанный компанией Alcan Aluminum Corporation, который включает жидкофазный процесс замешивания бор-содержащих частиц соединения BC 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 трудность предотвращения кластеризации неметаллических частиц в процессе замешивания, что может приводить к формированию негомогенной структуры. Существенным недостатком данного способа является то, что получаемые листы имеют низкую прочность (σ<100 МПа).
в
0,2
12
2
Наиболее близким к заявленному изобретению является способ получения АКМ, содержащего бор в количестве от 0,5 до 1,8 масс.%, который раскрыт в патенте US 7,125,515 B2 (2006). Данный способ включает приготовление расплава на основе алюминия, содержащего, по крайней мере, один из элементов из группы: магний, кремний, медь и марганец, а также твердые частицы соединений бора. При этом плавку проводят при температуре не ниже 950°C, а литье слитков с температуры в интервале от 800 до 950°C. Из слитков получают деформированные полуфабрикаты, в частности, листы. В частных примерах выполнения данного способа получения бор-содержащего АКМ рассматривается алюминиевая матрица, отвечающая составам марочным сплавам 6xxx серии (система Al-Mg-Si). После термообработки листы имеют достаточно высокую прочность (σ=300-340 МПа, σ=280-310 МПа). Недостатком данного способа является слишком высокая температура плавки (выше 950°С), что способствует формированию частиц фазы AlB, имеющих более высокое содержание бора по сравнению с соединением AlB. Это приводит к снижению массовой доли бор-содержащих частиц, что отрицательно сказывается на способности материала к поглощению нейтронного излучения. Кроме того, поддержание такой температуры требует повышенного расхода электроэнергии.
Раскрытие изобретения
в
0,2
2
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание способа получения бор-содержащего алюмоматричного композиционного материала в виде катаных листов, имеющих высокие механические свойства (σ>320 МПа, σ>300 МПа и δ>4%) и структуру на основе алюминиевой матрицы, в которой равномерно распределены частицы соединения AlB со средним размером не более 30 мкм и массовой долей от 4 до 8 масс.%.
2
Поставленная задача решается созданием способа получения листов из бор-содержащего алюмоматричного композиционного материала, включающего приготовление алюминиевого расплава, содержащего магний, кремний и медь, формирование в нем бор-содержащих частиц, получение слитка путем кристаллизации расплава, гомогенизацию слитка, получение листов путем прокатки слитков и их термообработки, причем готовят алюминиевый расплав, содержащий от 0,5 до 0,9% кремния, от 1,3 до 1,9% магния и от 0,2 до 0,4% меди, формирование в нем бор-содержащих частиц проводят путем введения в расплав лигатуры, содержащей бор, и поддержания температуры расплава в пределах от 850 до 930°C в течение 30-45 мин, при этом получают листы со структурой композиционного материала, содержащей  равномерно распределенные в алюминиевой матрице включения AlB со средним размером не более 30 мкм и массовой долей от 4 до 8%.
2
2
2
Сущность изобретения состоит в том, чтобы реализовать в листах структуру на основе алюминиевой матрицы, упрочненной вторичными метастабильными модификациями фаз MgSi и Q, с равномерно распределенными в ней частицами соединения AlB со средним размером не более 30 мкм и массовой долей от 4 до 8 масс.%. Такая структура позволяет обеспечить наилучшее сочетание механических свойств и способности к поглощению нейтронного излучения (расчетное содержание бора для такой структуры составляет от 2 до 3,5 масс.%). Для реализации такой структуры необходимо учитывать взаимодействие бора с элементами, входящими в расплав. В частности, из-за взаимодействия с магнием часть магния переходит из расплава в твердые бор-содержащие частицы (в частности, фазы AlB). В результате его количество расплаве снижается, что не позволяет получить в листах требуемую прочность, поскольку количество упрочняющих выделений Mg, Si, Cu-содержащих фаз окажется недостаточным. Поэтому исходная концентрация магния в расплаве должна превышать его типичную концентрацию для сплавов 6xxx серии (0,5-1 масс.%). Нижние пределы по концентрации магния, кремния и меди выбраны с целью достижения необходимого уровня прочностных свойств, а верхний - с целью достижения необходимого уровня технологичности, в частности, при прокатке.
2
2
Нижний предел по массовой доли частиц фазы AlB 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 размеру фазы AlB выбран с целью достижения необходимого уровня механических свойств.
Примеры выполнения
ПРИМЕР 1
Для экспериментального обоснования предложенного изобретения было выполнено 5 вариантов получения бор-содержащего АКМ, которые приведены в табл.1.
Приготовление расплава и формирование в нем бор-содержащих частиц проводили в индукционной печи «РЭЛТЕК» в графитошамотном тигле. Бор вводили в виде специально приготовленной лигатуры, количество которой было различным, чтобы получить в конечной структуре разное количество бор-содержащих частиц.
Таблица 1
Составы расплавов АКМ, механические свойства и параметры структуры катаных листов
№
Концентрации, масс.%
Механические свойства
Параметры структуры
Si
Mg
Cu
Аl
σ<sub>в</sub>, МПа
σ<sub>0,2</sub>, МПа
δ, %
Qm, масс.%
d, мкм
1
0,2
1,0
0,1
остальное
242
185
10,5
1,75
20
2
0,5
1,3
0,4
остальное
350
325
5,9
4,01
18
3
0,7
1,6
0,3
остальное
345
330
5,2
5,82
20
4
0,9
1,9
0,2
остальное
343
332
4,8
7,70
25
5
1,2
2,2
0,5
остальное
Трещины при прокатке
10,79
55
Температуру расплава поддерживали около 900°C. Заливку проводили в металлическую изложницу, получая плоские слитки с размерами 40×80×200 мм. Далее слитки гомогенизировали при 540°C, а затем их подвергали прокатке (сначала горячей, а затем холодной), получая листы толщиной 2 мм (Фигура 1). Листы термообрабатывали по режиму: нагрев при 540°C в течение 1 часа, закалка в воде, старение при 180°C в течение 6 часов.
в
Механические свойства листов (предел прочности (σ), предел текучести (00.2) и относительное удлинение (δ)) при одноосном растяжении определяли при комнатной температуре на универсапьной испытательной машине Zwick Z250 в соответствии с ГОСТ 1497-84. Скорость испытания составляла 10 мм/мин, расчетная длина 50 мм.
Массовую долю бор-содержащих включений (Qv) и их идентификацию определяли методом рентгенофазового анализа (на дифрактометре ДРОН-4.0-07), а их средний размер методом металлографического анализа (на сканирующем микроскопе JEOL JSM-6610LV).
2
Как видно из табл.1, только предложенный способ получения АКМ (№№2-4) обеспечивает заданное содержание диборида алюминия (AlB) в АКМ.
2
2
В способе №1 содержание кремния, магния и меди в алюминиевом расплаве, а также массовая доля частиц AlB в листе ниже заявленных пределов. Прочностные свойства листов, полученных по данному способу заведомо ниже 300 МПа. Из-за недостаточной массовой доли частиц AlB содержание бора в АКМ, полученному по способу №1, ниже 1,5 масс.%, что не позволяет обеспечить необходимый уровень поглощения нейтронного излучения.
2
В способе №5 содержание кремния, магния и меди в алюминиевом расплаве, а также массовая доля частиц AlB и их средний размер в листе выше заявленных пределов. Это привело к снижению технологической пластичности, в результате полученные листы имели многочисленные трещины, поэтому их механические свойства не определяли.
ПРИМЕР 2
Для экспериментального обоснования температуры расплава предложенного изобретения было выполнено 6 вариантов получения бор-содержащего АКМ (табл.2). Количество магния, кремния, меди и бор-содержащей 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°C. Остальные условия эксперимента были такими же, как и в примере 1.
в
0,2
2
Как видно из табл.2, только предложенный способ получения АКМ (№№2-4) обеспечивает высокие механические свойства (σ>320 МПа, σ>300 МПа и δ>4%). В способе №1 температура расплава ниже заявленного предела, что не позволяет полностью сформировать бор-содержащие частицы. В результате значительная часть бора оказалась в шлаке, а в слитке его количество оказалось заниженным. Из-за недостаточной массовой доли частиц AlB расчетное содержание бора в АКМ, полученном по способу №1, ниже 1,5 масс.%, что не позволяет обеспечить необходимый уровень поглощения нейтронного излучения.
Таблица 2.
Температуры расплава приготовления экспериментальных АКМ, механические свойства и параметры структуры катаных листов
№
Температура расплава, °C
Время выдержки расплава, мин
Механические свойства
Параметры структуры
σ<sub>в</sub>, МПа
σ<sub>12</sub>, МПа
δ,%
Qm∗, масс.%
d∗∗, мкм
1
800
20
267
267
0,2
2,10
70
2
850
30
335
315
5,7
6,03
22
3
890
40
343
327
6,1
5,92
19
4
930
45
348
335
4,3
5,82
25
5
900
60
305
293
3,1
5,85
42
6
1000
30
286
266
4,2
2,81
55
∗- массовая доля частиц AlB<sub>2</sub>;∗∗ - размер частиц AlB<sub>2</sub>
2
В способе №5 в течение длительного времени выдержки произошло формирование грубых частиц соединения AlB со средним размером около 45 мкм, что привело к снижению механических свойств при испытании на разрыв.
12
В способе №6 температура расплава соответствовала способу, описанному в патенте US 7,125,515 B2. При этой температуре произошло формирования частиц AlB. Из-за более высокой концентрации бора в последней массовая доля бор-содержащих частиц оказалась ниже заданного уровня. Кроме того, произошел угар магния, что снизило прочностные свойства.