СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СУПЕРМНОГОСЛОЙНЫХ РАЗНОРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ С НАНОРАЗМЕРНОЙ СТРУКТУРОЙ СЛОЕВ
PRODUCTION OF SUPER LAMINAR DIVERSE MATERIALS OF NANOSTRUCTURED PLIES

Изобретение относится к области обработки металлов давлением и может быть использовано для изготовления супермногослойных листовых полуфабрикатов с наноразмерной структурой на основе разнородных материалов с требуемыми прочностными характеристиками и необходимой структурой в процессе горячего пластического деформирования.
Известен способ получения супермногослойных разнородных материалов с наноразмерной структурой слоев, включающий мерную резку исходных заготовок из листов, обработку их поверхностей, сборку нарезанных заготовок в пакет, горячую обработку давлением пакета путем его нагрева и прокатки с последующим повторением данных технологических операций по получению супермногослойного листа с заданным числом слоев и требуемой толщиной (см., напр., патент РФ №2380234, B32B 15/00, опубл. 27.01.2010).
Существенным недостатком известного способа является проведение технологической операции вакуумирования, значительно усложняющей из-за своих технических особенностей и занимающей большую продолжительность всего цикла обработки.
В основу изобретения поставлена задача усовершенствования известного способа для получения супермногослойных разнородных материалов с наноразмерной структурой слоев с одновременным исключением операции вакуумирования.
Поставленная задача решается тем, что в способе получения супермногослойных разнородных материалов с наноразмерной структурой слоев, включающем мерную резку исходных заготовок из листов, обработку их поверхностей, сборку нарезанных заготовок в пакет, горячую обработку давлением пакета путем его нагрева и прокатки с последующим повторением данных технологических операций по получению супермногослойного листа с заданным числом слоев и требуемой толщиной, в качестве исходных заготовок используют листы из сплавов разнородных материалов, взаимно растворимых друг в друге в интервале температур горячей обработки давлением, которые укладывают в пакет с расположением слоев в следующей последовательности таким образом, что лист материала с высокой температурой плавления, который служит барьером для прохождения рекристаллизации в пределах толщины одного слоя, благодаря чему возможно формирование наноразмерной структуры, располагают между листами из материалов с низкой температурой плавления, причем пакет содержит не менее трех слоев этих материалов, при этом пластическую деформацию пакета проводят в диапазоне температур прохождения рекристаллизации по одному из материалов, имеющих наименьшую температуру плавления.
Поскольку в качестве исходных заготовок используют листы из сплавов разнородных материалов, взаимно растворимых друг в друге в интервале температур горячей обработки давлением, которые укладывают в пакет с расположением слоев в следующей последовательности таким образом, что лист материала с высокой температурой плавления, который служит барьером для прохождения рекристаллизации к пределах толщины одного слоя, благодаря чему возможно формирование наноразмерной структуры, располагают между листами из материалов с низкой температурой плавления, причем пакет содержит не менее трех слоев этих материалов, при этом пластическую деформацию пакета проводят в диапазоне температур прохождения рекристаллизации по одному из материалов, имеющих наименьшую температуру плавления, обеспечивается получение супермногослойных разнородных материалов с наноразмерной структурой слоев с одновременным исключением операции вакуумирования.
Способ получения супермногослойных разнородных материалов с наноразмерной структурой слоев осуществляют в общем виде следующим образом.
Из исходных листовых материалов вырезают мерные заготовки с одинаковыми размерами в плане. Обработку поверхности проводят для удаления технологической смазки, поверхностных загрязнений, оксидных пленок и могут осуществлять как механическими, химическими способами, так и их комбинацией. После обработки поверхности осуществляют сборку нарезанных листов в пакет. Листы в пакете закрепляются при помощи заклепок.
После сборки пакета его нагревают в печи до температуры, при которой активно протекают процессы рекристаллизации в материале с низкой температурой плавления. При сборке пакетов из материалов, подверженных сильному окислению при нагреве, пакеты следует нагревать в технологической оболочке, например, из алюминиевой фольги. Затем нагретый пакет пластически деформируют в валках прокатного стана до толщины, равной или меньшей толщины слоя, входящего в пакет. Минимально возможная толщина ограничена теплофизическими свойствами прокатываемого материала и зависит от его способности сохранять заданный интервал температуры за время деформирования.
При достижении конечной толщины прокатанную заготовку режут на мерные части с удалением боковых кромок и очищают от окислов. Вновь сформированный пакет, состоящий из полученных многослойных листовых заготовок, повторно (возможно неоднократно) подвергают описанному циклу обработки.
Результатом многократно повторенного технологического цикла является плоская заготовка заданного размера, в поперечном сечении которой расположены чередующиеся слои требуемой толщины в определенной последовательности твердый-мягкий-твердый (Т-М-Т) или мягкий-твердый-мягкий (М-Т-М), отличающиеся друг от друга характером проработки структуры и глубиной проникновения диффузии относительно зоны контакта. При этом полученный супермногослойный композиционный материал на завершающей стадии можно подвергнуть комплексной термической обработке (закалке и искусственному старению), тем самым упрочнить границы в зоне сварного соединения разнородных материалов (М-Т) и повысить пластические характеристики в местах контакта однородных слоев композиции (М-М).
Данный способ позволяет снизить количество повторяющихся циклов прокатки многослойного композитного материала за счет использования сборной пакетной заготовки, не требует применения специального оборудования и инструмента, имеет более низкую себестоимость, а качество полученных изделий весьма высоко.
Пример осуществления способа. Для изготовления многослойного листового материала толщиной 1 мм в качестве исходных заготовок используются металлические карточки толщиной 0,5 мм из меди M1 и 2 мм - технически чистого алюминия АД1. Карточки в количестве 3 шт., из которых две из АД1, после очистки и промывки укладывают в пакет по симметричной схеме АД1-M1-АД1, после чего пакет помещают в технологическую оболочку из фольги и нагревают до температуры 375°С. Нагретый пакет прокатывают на листовом прокатном стане до толщины 1 мм с деформацией за первый проход 50-75%. Затем полученную полосу разрезают на карточки и, поочередно, собирают их в новый пакет. Пакет аналогичным способом нагревают и деформируют. Для превращения слоя, составляющего пакет (1 мм), в нанометрический слой на практике достаточно до 10…12 циклов.
Таким образом, в предложенном способе в качестве заготовок используют определенную комбинацию листов с разной объемной долей из сплавов разнородных материалов, имеющих взаимную растворимость друг в друге в интервале температур горячей обработки давлением. В исходном состоянии используемые сплавы при нормальных условиях могут иметь как одинаковые, так и различные кристаллические решетки, но при этом они должны быть взаимно растворимыми для возможности их дополнительного упрочнения при термической обработке, и горячую обработку давлением должны осуществлять в диапазоне температур прохождения рекристаллизации у сплава с наименьшей температурой плавления.