Исследование влияния углеродного волокнистого материала на процесс СВС в расплаве алюминия

УДК 669

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ УГЛЕРОДНОГО ВОЛОКНИСТОГО МАТЕРИАЛА НА ПРОЦЕСС СВС В РАСПЛАВЕ АЛЮМИНИЯ Рыбаков Антон Дмитриевич, аспирант Яровой Никита Владиславович, студент Луц Альфия Расимовна, к.т.н., доцент Самарский государственный технический университет,

г.Самара, Россия

В данной работе приведены результаты исследования влияния углеродного волокна на протекание процесса самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в расплаве, а также структуру композиционного сплава на основе А1.

Ключевые слова: алюминий, самораспространяющийся высокотемпературный синтез, карбид титана, углеродное волокно, композиционные сплавы.

В настоящее время существует возрастающий интерес по отношению к армированным карбидом титана композиционным материалам на основе алюминия (АМКМ) [1-12]. Это связано с тем, что они обладают рядом свойств, которые делают их перспективными для использования в авиастроении, автомобилестроения и так далее. Однако, АМКМ не производятся массово по ряду причин. Одной из них является незавершенность научно-технических основ получения подобных материалов.

Метод самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) помог добиться значительных успехов в производстве АМКМ [13-18]. Одним из наиболее перспективных для применения оказался композит сплава Al-TiC, обладающий высокими коррозионными свойствами, демпферной способностью, значительными механическими свойствами. Несмотря на это, вопрос влияния углерода и его различных форм в составе СВС-шихты на структуру и свойства сплава Al-TiC по-прежнему остается открытым. Ранее, в рамках проекта РФФИ было изучено влияние таких форм углерода, как технической сажи марок Т-900, П-701, коллоидного графита марки С2 и активированного угля [19]. Оптимальным было принято применение П-701.

В данном исследовании изучено влияние на процесс СВС совершенно иного вида формы углерода - волокнистого углеродного материала или уг-леткани. Выбор углеродной ткани обусловлен тем, что сажа, как правило, забивает поры частиц титана. В дальнейшем это препятствует его вступлению в реакцию СВС.

Решено было провести эксперименты при следующих условиях. Во-первых, было принято решение использовать углеткань, как единственный источник углерода в шихте, предварительно измельчив ее. Во-вторых, добавлять в шихту галоидную соль Na2TiF6, с целью удаления оксидов и уве-

личения реакционной способности материала [20]. Опираясь на опыт предыдущих работ [19], оптимальным количеством Na2TiF6 к использованию решено взять 1% и 5% от массы шихты. Измельчение углеродного волокна проводилось в шаровой мельнице в течении 45 минут. На рисунках ниже представлены фотографии углеродного волокна после 15, 30 и 45 минут измельчения (рис. 1 а, б, в).

в)

Рисунок 1 — Углеродного волокно после измельчения: а) в течении 15 минут; б) в течении 30 минут; в) в течении 45 минут

Методика проведения экспериментов выглядит следующим образом: подготавливалась шихта из порошков ^ (ТПП-7), C (измельченная углеродное волокно), галоидной соли Na2TiF6 (в количестве 1 и 5% от массы шихты). Готовую СВС-шихту дозировали в виде брикетов из алюминиевой фольги толщиной 50-100 мкм, которые поочередно вводились в алюминиевый расплав. В качестве матричного расплава использовался алюминий А7. Нагрев алюминия осуществлялся до 900 °С, после чего в него погружались брикеты с шихтой и выдерживались под зеркалом расплава до запуска реакции.

В первом опыте использовался 1% галоидной соли. Горение первого брикета шихты протекало монотонно. После загрузки второй навески было зафиксировано бурное искровыделение, что свидетельствовало о запуске СВС. По окончанию разливки образца в тигле осталось большее количество шлака. Полученный образец обладал некоторой хрупкостью. Его излом (рисунок 2) оказался блестящим с незначительным количеством углубле-

ний, что косвенно подтверждает усвоение лишь некоторой части продукта шихты. Микроструктура образца представлена на рисунке 3.

Рисунок 2 — Излом образца и использованием углеткани с добавлением

1% соли Na2TiF6

а) б)

Рисунок 3 — Микроструктура образца с применением углеткани и 1 %

а) при увеличении х20000; б) при увеличении х20000 с размерами зерен

Во втором опыте использовалось 5% галоидной соли. Реакция в расплаве протекало уверенна, сопровождаясь бурным выделением искр, в отличии от первого опыта. После разливки сплава в тигле осталось некоторое количество шлака. Полученный образец обладал незначительной хрупкостью, что свидетельствовало о частичном усвоении ^С. Его излом (рисунок 4) имел бледно-белый оттенок с большим количеством загрязнения. Микроструктура образца представлена на рисунке 5.

Рисунок 4 — Излом образца и использованием углеткани с добавлением 5% соли

№2^6

а) б)

Рисунок 5 — Микроструктура образца с применением углеткани

и 5 % N2^: а) при увеличении х2500; б) при увеличении х5000

В ходе экспериментов удалось достигнуть уверенного запуска реакции при использовании большего количества галоидной соли в составе шихты. Полного усвоения продукта шихты и его равномерного распределения по объему конечного сплава достигнуть не получилось. Излом второго образца был значительно загрязненым, по сравнению с первым. Размер частиц армирующей фазы в первом опыте варьирует в пределах от 122 до 414 нм, во втором опыте - от 1 мкм.

Исследования об использовании углеродного волокна в качестве источника углерода в шихте продемонстрировал невозможность его применения для СВС в алюмоматричных композиционных сплавах. Замена других источников углерода на углеродное волокно ухудшает возможность инициирования реакции синтеза, в том числе при добавке галоидной соли Na2TiF6 в состав шихты. Помимо этого, углеткань очень плохо усваивается матричным расплавом в процесса синтеза, из-за чего большая часть шихты выпадает в шлак или усваивается не полностью, образуя загрязнения. Стоит также подчеркнуть, что углеродное волокно не способствует уменьшению размера частиц усвоенной армирующей фазы. На основании проведенных исследований не рекомендуется использовать углеродное волокно в качестве источника углерода для СВС композиционных сплавов на основе алюминия.

Список литературы

1. Белов Н. А. Фазовый состав промышленных и перспективных алюминиевых сплавов: моногр. - М.: Изд. дом МИСиС, 2010. - 511 с.

2. Хрусталев, А.П. Структура и физико-механические свойства литых композитов на основе алюминия, упрочненных наночастицами детонационных алмазов [Текст] / А.П. Хрусталев, С.А. Ворожцов, С.Н. Кульков //Мат всерос. конф. молод. ученых «Наука. Технологии. Инновации», г. Новосибирск, ч.4, С. 219-222, 21-24 ноября 2013 г.

3. Прусов Е.С., Панфилов А.А., Кечин В.А. Перспективы применения алюмоматричных композиционных сплавов в машиностроении // Литейщик России. - 2012. - №9. - С.16 - 19.

4. Яковлев, А. А. Исследование и разработка технологии получения слитков алюминиевых сплавов системы Л1-Си-Мп-2г-8е с целью изготовления из них деформирован-

ных полуфабрикатов без использования операций гомогенизации и закалки: Автореф. дис. ... канд. техн. наук [Текст] / А. А. Яковлев // М.: МИСиС, 2015. - 24 с.

5. Mohamed M.El-Sayed Seleman. Microstructure and mechanical properties of hot extruded 6016 aluminum alloy/graphite composites / Mohamed M.El-Sayed Seleman, Mohamed M.Z. Ahmed, Sabbah Ataya // Journal of Materials Science & Technology. — 2018. — Vol 34, № 9, p. 1580-1591.

6. J.Joel. Aluminium Alloy Composites and its Machinability studies; A Review / J.Joel, M.Anthony Xavior // Materials today: Proceedings. — 2018. — Vol 5, № 5, p. 13556-13562.

7. Vladimir A. Popov. In situ synthesis of TiC nano-reinforcements in aluminum matrix composites during mechanical alloying / Vladimir A. Popov, Manfred Burghammer, Martin Rosenthal, Anton Kotov // Composites Part B: Engineering. — 2018. — Vol 145, p. 57-61.

8. Jin et al.: Self-propagating high-temperature synthesis of nano-TiCx particles with different shapes by using carbon nano-tube as C source. / Shenbao Jhin, Ping Shen, Dongshuai Zhou, Qichuan Jiang / Nanoscale Research Letters, 2011. 6:515.

9. Song M.S., Huang B., Zhang M.X., Li J.G. Study of formation behavior of TiC ceramic obtained by self-propagating high-temperature synthesis from Ai-Ti-C elemental powders // Int. J. Refractory Met. Hard. Mater. 2009. Vol. 27. - pp.584-589.

10. Lecatou A., Karantzalis A.E., Evangelou A. Aluminum reinforced by WC and TiC na-noparticles (in-situ): Microstructure, wear and corrosion behavior // Mat. & Design. 2014. Vol. 65. pp. 1121-1135.

11. Casatti R, Vedani R. Metall Matrix Composites Reinforced by Nano-Particles - A Review// Metals, 2014. № 4. Р. 65-83.

12. Fallahdoost H., Nouri A., Azimi A. Dual Functions of TiC nanoparticles on tribological performance of Al/grafite composites // J. of Physics and Chemistry of Solids. 2016. Vol. 93. pp.137-144.

13. Амосов, А.П. Научно-технические основы применения процессов СВС для создания литых алюмоматричных композиционных сплавов, дискретно армированных на-норазмерными керамическими частицами. А.П. Амосов, В.И. Никитин, К.В. Никитин, С.А. Рязанов, А.А. Ермошкин [Текст]/ Наукоемкие технологии в машиностроении. -2013, №8 (26). - С. 3-9.

14. Кандалова Е.Г. Разработка технологии получения модифицирующих лигатур Al-Ti и Al-Ti-B на основе процесса СВС / Диссертация на соиск. уч. степени кандидата наук. - Самара. -2000. - 190 с.

15. Луц, А.Р. О возможности ввода легирующей добавки порошкового марганца в состав матричных основ Al и Al-Cu [Текст] / А.Р. Луц, М.К. Ионов, А.Д. Рыбаков // Металлургия машиностроения. - 2017. - № 4. - С. 27-29.

16. Макаренко, А.Г. Термодинамический анализ процесса СВС при получении композиционных алюминиевых сплавов / А. Г. Макаренко, В. И. Никитин, Е. Г. Кандалова // Литейное производство. — 1999. — №1. — С. 38-39.

17. Алюмоматричные композиты, армированные наночастицами AlN марки СВС-Аз [Текст] / Ю.В. Титова, А.П. Амосов, Д.А. Майдан и др. // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. — 2017. № 3. — С. 523-528.

18. Амосов, А.П. Применение процессов CВC для получения in situ алюмоматрич-ных композиционных материалов, дискретно армированных наноразмерными частицами карбида титана / А.П. Амосов, А.Р. Луц, Е.И. Латухин, А.А. Ермошкин // Известия вузов. Цветная металлургия. — 2016. — No 1. — С. 39-49.

19. Луц, А.Р. Влияние различных форм углерода на структуру композиционного сплава системы Al-Cu-Mn-TiC [Текст] / А.Р. Луц, А.Д. Рыбаков // Современные материалы, техника и технологии. - 2017. - № 6(14). - С. 72-76.

20. Ермошкин А.А. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез литых алюмоматричных композиционных материалов, армированных наночастицами карбида титана / Автореф. дис. канд. техн. наук: 01.04.17 - Самара: СамГТУ, 2015. - 17 с.

Luts Alfiya Rasimovna, Associate Professor

Samara State Technical University, Samara, Russia

Rybakov Anton Dmitrievich, Graduate Student

Samara State Technical University, Samara, Russia

Yarovoi Nikita Vladislavovich, Student

Samara State Technical University, Samara, Russia

INFLUENCE OF CARBON FIBER ON SHS-REACTION IN ALUMINUM MELT Abstract. This article describes carbon fiber influence on self-propagating high-temperature synthesis in aluminum melt and structure of resulting aluminum alloy. Keywords: aluminum, self-propagating high-temperature synthesis, titanium carbide, carbon fiber, composite alloys.