КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ С МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ МАТРИЦЕЙ И НАНОРАЗМЕРНЫМИ УПРОЧНЯЮЩИМИ ЧАСТИЦАМИ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
COMPOSITE MATERIAL WITH METAL MATRIX AND NANOSCALE REINFORCING PARTICLES AND METHOD OF ITS MANUFACTURING

Изобретение относится к области нанотехнологии, а именно к композиционным материалам с металлической матрицей и наноразмерными упрочняющими частицами.
Известны композиционные материалы с металлической матрицей и упрочняющими частицами композитов на основе металлов, в качестве матрицы применяют алюминий, магний, никель, медь и т.д. [Композиционные материалы: строение, получение, применение, Батаев А.А., Батаев В.А., изд. Логос, 2006 г., 398 стр. ]. Упрочняющими частицами служат тугоплавкие частицы различной дисперсности. Основными преимуществами композиционных материалов с металлической матрицей по сравнению с обычным (неусиленным) металлом являются: повышенная прочность, повышенная жесткость, повышенное сопротивление износу, повышенное сопротивление ползучести. Однако такие материалы нельзя применять в виде покрытий, так как размер упрочняющих частиц соизмерим с толщиной покрытия. Кроме этого, для достижения требуемого уровня свойств требуется значительная доля упрочняющих частиц.
Близким техническим решением для предлагаемого композиционного материала является патент US 5167271 «А Method to produce ceramic reinforced or ceramic-metal matrix composite articles» (B22D 19/14), в котором описан композиционный материал с металлической матрицей и наноразмерными упрочняющими частицами в агломерированном состоянии, изготовленный с расплавлением матрицы. Применение наночастиц в качестве упрочняющих частиц снижает указанные недостатки. Однако агломерация наночастиц не позволяет достичь потенциально высоких значений прочности.
Наиболее близким техническим решением для способа изготовления композита с металлической матрицей и наноразмерными упрочняющими частицами является патент РФ 2485196. Однако для выполнения данного способа необходимо весь объем композита подготавливать механическим легированием. А это может привести к излишнему загрязнению всего объема композита и снижению свойств.
Задачей изобретения является повышение прочностных характеристик композиционного материала при минимизации объемной доли упрочняющих частиц.
Для выполнения поставленной задачи металлический композиционный материал, содержащий металлическую матрицу и наноразмерные упрочняющие частицы в агломерированном и неагломерированном состоянии, согласно представленному техническому решению, он содержит наноразмерные упрочняющие частицы в количестве от 0,1 до 30 об. % при их содержании в агломерированном состоянии, не превышающем 5 об. % от объема наночастиц в композиционном материале, при этом количество наночастиц в агломератах не превышает 10.
Поставленная задача может достигаться также тем, что в композиционном материале матрица состоит как минимум из двух структурных компонентов, при этом как минимум в одном структурном компоненте равномерно распределены неагломерированные наноразмерные упрочняющие частицы.
Поставленная задача может достигаться также тем, что в композиционном материале структурные компоненты матрицы выполнены из одного и того же металла или сплава с разным содержанием в них упрочняющих частиц или с отличающимися по составу упрочняющими частицами.
Поставленная задача может достигаться также тем, что в композиционном материале  структурные компоненты матрицы выполнены из отличных друг от друга металлов или сплавов с разным содержанием в них упрочняющих частиц или с отличающимися по составу упрочняющими частицами.
Поставленная задача может достигаться также тем, что в композиционном материале структурные компоненты матрицы выполнены из различных сплавов алюминия, причем структурные компоненты, содержащие упрочняющие наночастицы, выполнены из более тугоплавких сплавов, чем структурные компоненты без упрочняющих наночастиц.
Поставленная задача может достигаться также тем, что в композиционном материале структурные компоненты матрицы, содержащие упрочняющие наночастицы, выполнены из меди, а структурные компоненты матрицы без содержания наночастиц выполнены из алюминия или его сплавов.
Поставленная задача может достигаться также тем, что в композиционном материале упрочняющими наночастицами являются наноалмазы.
Поставленная задача может достигаться также тем, что в композиционном материале неагломерированные наноразмерные упрочняющие частицы равномерно распределены в матрице.
Для выполнения поставленной задачи в способе изготовления металлического композиционного материала, содержащего металлическую матрицу и наноразмерные упрочняющие частицы в агломерированном и неагломерированном состоянии, включающем получение композиционных гранул методом механического легирования исходных смесей металлических частиц и упрочняющих наночастиц, согласно изобретению, полученные композиционные гранулы вносят в расплав металла матрицы в количестве от 0,1 до 30 об. %, перемешивают, при этом температуру расплава поддерживают в интервале температур 1,01-1,3 от температуры плавления металла матрицы, после чего осуществляют кристаллизацию расплава.
Поставленная цель может достигаться также тем, что в способе изготовления металлического композиционного материала, согласно изобретению, перед внесением композиционных гранул в расплав их разделяют на фракции и вносят в расплав гранулы одной фракции, или их вносят в расплав в компактированном виде, причем компактирование осуществляют холодной, теплой или горячей обработкой давлением, спеканием или их комбинациями.
Поставленная цель может достигаться также тем, что в способе изготовления металлического композиционного материала, согласно изобретению, при получении композиционных гранул в качестве металлических частиц используют металлические частицы из металла матрицы или из металла или сплава, отличного от него, при получении композиционных гранул в качестве металлических частиц используют металлические частицы из металла матрицы или из металла или сплава, отличного от него.
Поставленная цель может достигаться также тем, что в способе изготовления металлического композиционного материала, согласно изобретению, в качестве упрочняющих частиц используют наноалмазы.
Поставленная цель может достигаться также тем, что в способе изготовления металлического композиционного материала, согласно изобретению, в качестве металла матрицы используют алюминиевый сплав, а для получения композиционных гранул используют металл из ряда: алюминиевый сплав матрицы, чистый алюминий, более тугоплавкий по сравнению со сплавом матрицы алюминиевый сплав, менее тугоплавкий по сравнению со сплавом матрицы алюминиевый сплав, медь или медный сплав, никель или никелевый сплав, серебро или серебряный сплав, цинк или цинковый сплав.
1
2
1
2
Поставленная цель может достигаться также тем, что в способе изготовления металлического композиционного материала, согласно изобретению, при введении в расплав композиционных гранул с алюминиевым сплавом, более тугоплавким, чем алюминиевый сплав матрицы, время перемешивания расплава после их введения определяют по формуле t=(k·τ·ΔT)/(ΔT) мин, где t - время перемешивания в минутах,ΔT - разность между температурой плавления алюминиевого сплава в композиционных гранулах и температурой расплава в °C, ΔT - разность между температурой расплава и температурой плавления алюминиевого сплава матрицы; τ - норматив времени в минутах, равный 4-100; k - эмпирический коэффициент, равный 1-30.
Поставленная цель может достигаться также тем, что в способе изготовления металлического композиционного материала, согласно изобретению, при получении механическим легированием композиционных гранул вначале обрабатывают смесь меди или медного сплава с упрочняющими частицами, а затем добавляют в смесь частицы алюминия в количестве от 0,1 до 5 от количества меди и затем осуществляют совместную обработку в течение 0,1-2 от времени обработки первоначальной смеси.
Поставленная цель может достигаться также тем, что в способе изготовления металлического композиционного материала, согласно изобретению, при получении механическим легированием композиционных гранул вначале обрабатывают смесь никеля или никелевого сплава с упрочняющими частицами, а затем добавляют в смесь частицы алюминия в количестве от 0,1 до 5 от количества никеля и затем осуществляют совместную обработку в течение 0,1-2 от времени обработки первоначальной смеси.
Поставленная цель может достигаться также тем, что в способе изготовления металлического композиционного материала, согласно изобретению, при получении механическим легированием композиционных гранул вначале обрабатывают смесь меди или медного сплава с упрочняющими частицами в течение 0,5-5 часов, а затем добавляют в смесь частицы никеля в количестве от 0,1 до 5 от количества меди и затем осуществляют совместную обработку в течение 0,1-2 от времени обработки первоначальной смеси.
Поставленная цель может достигаться также тем, что в способе изготовления металлического композиционного материала, согласно изобретению, после совместной обработки меди с упрочняющими частицами и с никелем в смесь добавляют частицы алюминия в количестве от 0,1 до 5 от количества меди с никелем и осуществляют совместную обработку в течение 0,1-2 от времени обработки первоначальной смеси.
Поставленная цель может достигаться также тем, что в способе изготовления металлического композиционного материала, согласно изобретению, при получении механическим легированием композиционных гранул вначале обрабатывают смесь никеля или никелевого сплава с упрочняющими частицами, а затем добавляют в смесь частицы меди в количестве от 0,1 до 5 от количества никеля и затем осуществляют совместную обработку в течение 0,1-2 от времени обработки первоначальной смеси.
Поставленная цель может достигаться также тем, что в способе изготовления металлического композиционного материала, согласно изобретению, при получении механическим легированием композиционных гранул вначале обрабатывают смесь никеля или никелевого сплава с упрочняющими частицами, а затем добавляют в смесь частицы цинка в количестве от 0,1 до 5 от количества никеля и затем осуществляют совместную обработку в течение 0,1-2 от времени обработки первоначальной смеси.
Поставленная цель может достигаться также тем, что в способе изготовления металлического композиционного материала, согласно изобретению, после совместной обработки никеля с упрочняющими частицами и с медью в смесь добавляют частицы алюминия в количестве от 0,1 до 5 от количества никеля с медью и осуществляют совместную обработку в течение 0,1-2 от времени обработки первоначальной смеси.
Поставленная цель может достигаться также тем, что в способе изготовления металлического композиционного материала, согласно изобретению, после совместной обработки никеля с упрочняющими частицами и с цинком в смесь добавляют частицы алюминия в количестве от 0,1 до 5 от количества никеля с цинком и осуществляют совместную обработку в течение 0,1-2 от времени обработки первоначальной смеси.
Предложен металлический композиционный материал с наноразмерными упрочняющими частицами и способ его изготовления. В металлическом композиционном материале, содержащем металлическую матрицу и наноразмерные упрочняющие частицы в агломерированном и неагломерированном состоянии, согласно изобретению, содержатся наноразмерные упрочняющие частицы в количестве от 0,1 до 30 об. % при их содержании в агломерированном состоянии, не превышающем 5 об. % от объема наночастиц в композиционном материале, при этом количество наночастиц в агломератах не превышает 10.
В композиционном материале, согласно изобретению, матрица состоит как минимум из двух структурных компонентов, при этом как минимум в одном структурном компоненте равномерно распределены неагломерированные наноразмерные упрочняющие частицы.
В композиционном материале, согласно изобретению, структурные компоненты матрицы выполнены из одного и того же металла или сплава с разным содержанием в них упрочняющих частиц или с отличающимися по составу упрочняющими частицами.
В композиционном материале, согласно изобретению, структурные компоненты матрицы выполнены из отличных друг от друга металлов или сплавов с разным содержанием в них упрочняющих частиц или с отличающимися по составу упрочняющими частицами.
В композиционном материале, согласно изобретению, структурные компоненты матрицы выполнены из различных сплавов алюминия, причем структурные компоненты, содержащие упрочняющие наночастицы, выполнены из более тугоплавкого сплава, чем структурные компоненты без упрочняющих наночастиц.
В композиционном материале, согласно изобретению, структурные компоненты матрицы, содержащие упрочняющие частицы, выполнены из меди, а структурные компоненты матрицы без содержания наночастиц, выполнены из алюминия или его сплавов.
В композиционном материале, согласно изобретению, упрочняющими частицами являются наноалмазы.
В композиционном материале, согласно изобретению, неагломерированные наноразмерные упрочняющие частицы равномерно распределены в матрице.
В способе изготовления металлического композиционного материала, содержащего металлическую матрицу и наноразмерные упрочняющие частицы в агломерированном и неагломерированном состоянии, включающий получение композиционных гранул методом механического легирования исходных смесей металлических частиц и упрочняющих наночастиц, согласно изобретению, полученные композиционные гранулы вносят в расплав металла матрицы в количестве от 0,1 до 30 об. %, перемешивают, при этом температуру расплава поддерживают в интервале температур 1,01-1,3 от температуры плавления металла матрицы, после чего осуществляют кристаллизацию расплава.
В способе изготовления металлического композиционного материала, согласно изобретению, перед внесением композиционных гранул в расплав их разделяют на фракции и вносят в расплав гранулы одной фракции, или их вносят в расплав в компактированном виде, причем компактирование осуществляют холодной, теплой или горячей обработкой давлением, спеканием или их комбинациями.
В способе изготовления металлического композиционного материала, согласно изобретению, при получении композиционных гранул в качестве металлических частиц используют металлические частицы из металла матрицы или из металла или сплава, отличного от него.
В способе изготовления металлического композиционного материала, согласно изобретению, в качестве упрочняющих частиц используют наноалмазы.
В способе изготовления металлического композиционного материала, согласно изобретению, в качестве металла матрицы используют алюминиевый сплав, а для получения композиционных гранул используют металл из ряда: алюминиевый сплав матрицы, чистый алюминий, более тугоплавкий по сравнению со сплавом матрицы алюминиевый сплав, менее тугоплавкий по сравнению со сплавом матрицы алюминиевый сплав, медь или медный сплав, никель или никелевый сплав, серебро или серебряный сплав, цинк или цинковый сплав.
1
2
1
2
В способе изготовления металлического композиционного материала, согласно изобретению, при введении в расплав композиционных гранул с алюминиевым сплавом, более тугоплавким, чем алюминиевый сплав матрицы, время перемешивания расплава после их введения определяют по формуле t=(k·τ·ΔT)/(ΔT) мин, где t - время перемешивания в минутах, ΔT - разность между температурой плавления алюминиевого сплава в композиционных гранулах и температурой расплава в °C, ΔT - разность между температурой расплава и температурой плавления алюминиевого сплава матрицы; τ - норматив времени в минутах, равный 4-100; k - эмпирический коэффициент, равный 1-30.
В способе изготовления металлического композиционного материала, согласно изобретению, при получении механическим легированием композиционных гранул вначале обрабатывают смесь меди или медного сплава с упрочняющими частицами, а затем добавляют в смесь частицы алюминия в количестве от 0,1 до 5 от количества меди и затем осуществляют совместную обработку в течение 0,1-2 от времени обработки первоначальной смеси.
В способе изготовления металлического композиционного материала, согласно изобретению, при получении механическим легированием композиционных гранул вначале обрабатывают смесь никеля или никелевого сплава с упрочняющими частицами, а затем добавляют в смесь частицы алюминия в количестве от 0,1 до 5 от количества никеля и затем осуществляют совместную обработку в течение 0,1-2 от времени обработки первоначальной смеси.
В способе изготовления металлического композиционного материала, согласно изобретению, при получении механическим легированием композиционных гранул вначале обрабатывают смесь меди или медного сплава с упрочняющими частицами в течение 0,5-5 часов, а затем добавляют в смесь частицы никеля в количестве от 0,1 до 5 от количества меди и затем осуществляют совместную обработку в течение 0,1-2 от времени обработки первоначальной смеси.
В способе изготовления металлического композиционного материала, согласно изобретению, после совместной обработки меди с упрочняющими частицами и с никелем в смесь добавляют частицы алюминия в количестве от 0,1 до 5 от количества меди с никелем и осуществляют совместную обработку в течение 0,1-2 от времени обработки первоначальной смеси.
В способе изготовления металлического композиционного материала, согласно изобретению, при получении механическим легированием композиционных гранул вначале обрабатывают смесь никеля или никелевого сплава с упрочняющими частицами, а затем добавляют в смесь частицы меди в количестве от 0,1 до 5 от количества никеля и затем осуществляют совместную обработку в течение 0,1-2 от времени обработки первоначальной смеси.
В способе изготовления металлического композиционного материала, согласно изобретению, при получении механическим легированием композиционных гранул вначале обрабатывают смесь никеля или никелевого сплава с упрочняющими частицами, а затем добавляют в смесь частицы цинка в количестве от 0,1 до 5 от количества никеля и затем осуществляют совместную обработку в течение 0,1-2 от времени обработки первоначальной смеси.
В способе изготовления металлического композиционного материала, согласно изобретению, после совместной обработки никеля с упрочняющими частицами и с медью в смесь добавляют частицы алюминия в количестве от 0,1 до 5 от количества никеля с медью и осуществляют совместную обработку в течение 0,1-2 от времени обработки первоначальной смеси.
В способе изготовления металлического композиционного материала, согласно изобретению, после совместной обработки никеля с упрочняющими частицами и с цинком в смесь добавляют частицы алюминия в количестве от 0,1 до 5 от количества никеля с цинком и осуществляют совместную обработку в течение 0,1-2 от времени обработки первоначальной смеси.
В металлическом композиционном материале, содержащем металлическую матрицу и наноразмерные упрочняющие частицы в агломерированном и неагломерированном состоянии, согласно изобретению, содержит наноразмерные упрочняющие частицы в количестве от 0,1 до 30 об. % при их содержании в агломерированном состоянии, не превышающем 5 об. % от объема наночастиц в композиционном материале, при этом количество наночастиц в агломератах не превышает 10. Наноразмерных упрочняющих частиц должно находиться от 0,1 до 30 об. %. Если содержание наночастиц менее 0,1 об. %, то эффект становится незаметен, а если более 30 об. %, то чрезвычайно сложно получить неагломерированное состояние упрочняющих частиц. Особенностью всех нанопорошков является агломерация. Если размер первичной наночастицы равен менее 100 нм (размер наиболее эффективных наночастиц равен 5-10 нм), то размер агломератов может достигать миллиметров и десятков миллиметров. Прочность агломератов в десятки раз меньше прочности основного материала. Если в металлической матрице находится агломерат наночастиц, а не отдельнолежащие наночастицы, то под воздействием нагрузки (особенно опасна циклическая нагрузка) агломерат разрушается, появляется концентратор напряжений. Это может привести к разрушению композита. В случае, когда в матрице равномерно распределены отдельнолежащие первичные наночастицы, такого явления быть не может и прочность композита находится на высоком уровне. Исследования показали, что прочность сцепления наночастиц в агломератах зависит от нескольких факторов: площадь контакта частиц, вида связи (когерентные или некогерентные) между основными элементами или молекулами различных наночастиц, способа синтеза наночастиц и др. Исследования показали, что некоторое количество первичных агломератов в несколько первичных наночастиц могут иметь связи, равные по прочности основному материалу. Такие мелкие агломераты разрушить также сложно, как и сами первичные наночастицы. То есть наличие таких мелких агломератов не может привести к разрушению композита вследствие разрушения агломерата. Исследования показали, что таких агломератов в нанопорошках может находиться до 5% объемных от всего объема упрочняющих частиц. В композиционном материале возможно, что количество наночастиц в агломератах в конечном продукте не превышает 10. Прочность таких малых агломератов остается высокой, если количество наночастиц в таких агломератах не превышает 10. Увеличение количества наночастиц приводит к снижению прочности агломерата.
В композиционном материале возможно, что матрица состоит как минимум из двух структурных компонентов, при этом как минимум в одном структурном компоненте равномерно распределены неагломерированные наноразмерные упрочняющие частицы. В некоторых случаях возможно протекание нежелательных химических реакций между матрицей и упрочняющими частицами. В таких случаях для предотвращения таких нежелательных химических реакций предложено матрицу выполнять из нескольких, как минимум  двух, структурных компонентов: в одном структурном компоненте находится требуемый металл, в другом - упрочняющие частицы в окружении другого металла, контакт с которым не приводит к нежелательным химическим реакциям. При этом после формирования композита возможно провести термообработку для диффузии элементов из одного структурного компонента в другой и наоборот, что снизит различие в химических составах структурных компонентов, то есть произойдет выравнивание свойств. Возможно образование единой матрицы в результате диффузионных процессов.
В композиционном материале возможно, что структурные компоненты матрицы выполнены из одного и того же металла или сплава с разным содержанием в них упрочняющих частиц или с отличающимися по составу упрочняющими частицами. В некоторых случаях концентрация упрочняющих частиц влияет на свойства, например, электропроводные наночастицы повышают электропроводность при содержании более некоторого порогового значения; или износостойкость значительно повышается при увеличении более некоторого объемного содержания. Для таких случаев предложено структурные компоненты матрицы выполнять из одного и того же металла или сплава, а отличаться структурные компоненты будут видом или содержанием упрочняющих наночастиц.
В композиционном материале возможно, что структурные компоненты матрицы выполнены из отличных друг от друга металлов или сплавов с разным содержанием в них упрочняющих частиц или с отличающимися по составу упрочняющими частицами. Такая структура композита предложена для полного устранения возможности нежелательных химических реакций между компонентами композиционного материала.
В композиционном материале возможно, что структурные компоненты матрицы выполнены из различных сплавов алюминия, причем структурные компоненты, содержащие упрочняющие наночастицы, выполнены из более тугоплавкого сплава, чем структурные компоненты без упрочняющих наночастиц. Данное техническое решение позволяет изготовить алюминиевый композит. Применяя такую схему можно изготовить композит со структурными компонентами с различной температурой плавления, то есть возможно изготавливать композит, в котором упрочняющие частицы содержатся в компоненте с более легкоплавким сплавом (или с одинаковой температурой плавления). Однако наличие упрочняющих частиц в более тугоплавкой составляющей позволяет впоследствии расплавить композит и в процессе расплавления и перемешивания распределение упрочняющих частиц в расплаве будет достигаться быстрее и равномернее, так как поступление упрочняющих частиц в расплав будет постепенное по мере расплавления компонента с более тугоплавкой матрицей.
В композиционном материале возможно, что структурные компоненты матрицы, содержащие упрочняющие частицы, выполнены из меди, а структурные компоненты матрицы без содержания наночастиц, выполнены из алюминия или его сплавов. В некоторых случаях, например, в комбинации алюминия с наноалмазами, при механическом легировании возможно протекание нежелательных реакций, в этом случае - образование карбида алюминия. Совместная обработка меди с наноалмазами не приводит ни к каким нежелательным химическим реакциям, возможно получать композит с любым содержанием наноалмазов. С другой стороны, многие алюминиевые сплавы содержать медь. Поэтому возможно вносить в расплав медь и наноалмазы одновременно. В процессе растворения медных гранул в алюминиевом расплаве в расплав будут переходить и медь, и наноалмазы. Карбид алюминия не будет образовываться до температур порядка 900°C, а диффузия и растворения медных гранул будут протекать, так как размер гранул составляет порядка 5-100 микрометров (чем больше содержание наноалмазов, тем меньше размер гранул), то этот процесс не занимает много времени.
В композиционном материале возможно, что упрочняющими частицами являются наноалмазы. Размер первичной наноалмазной частицы равен 4-6 нм, поэтому применение их в качестве упрочняющих частиц приносит максимальный эффект при минимальном количестве.
В композиционном материале возможно, что неагломерированные наноразмерные упрочняющие частицы равномерно распределены в матрице. Равномерное распределение неагломерированных наноразмерных частиц приводит к равномерности распределения свойств по объему материала и минимизации количества применяемых наночастиц.
В способе изготовления металлического композиционного материала, содержащего металлическую матрицу и наноразмерные упрочняющие частицы в агломерированном и неагломерированном состоянии, включающем получение композиционных гранул методом механического легирования исходных смесей металлических частиц и упрочняющих наночастиц, возможно полученные композиционные гранулы вносить в расплав металла матрицы в количестве от 0,1 до 30 об. %, перемешивать, при этом температуру расплава поддерживать в интервале температур 1,01-1,3 от температуры плавления металла матрицы, после чего осуществлять кристаллизацию расплава. Такой способ позволит подготавливать механическим легированием только часть композита, то есть исключит возможность загрязнения всего материала матрицы, а это повысит прочностные характеристики. Для эффективного растворения вносимых гранул необходим некоторый перегрев расплава выше температуры плавления, так как процесс растворения требует затрат энергии. Минимально необходимо перегревать до температуры, составляющей 1,01 от температуры плавления, в противном случае произойдет затвердевание смеси без перемешивания. Перегрев до температуры, равной более 1,3 от температуры плавления, приведет к осложнениям при поддержании чистоты расплава, что впоследствии приведет к снижению уровня свойств. Наноразмерных упрочняющих частиц должно находиться от 0,1 до 30 об. %. Если содержание наночастиц менее 0,1 об %, то эффект становится незаметен, а если более 30 об %, то чрезвычайно сложно получить неагломерированное состояние упрочняющих частиц.
В способе изготовления металлического композиционного материала возможно перед внесением композиционных гранул в расплав их разделять на фракции и вносить в расплав гранулы одной фракции, или их вносить в расплав в компактированном виде, причем компактирование осуществляют холодной, теплой или горячей обработкой давлением, спеканием или их комбинациями. Размер гранул после механического легирования может сильно различаться, например, составлять 5 мкм или 100 мкм. Процесс растворения таких гранул отличается. Для обеспечения одинаковых условий растворения композиционных гранул проводят разделение их по фракциям и применяют для внесения в расплав гранулы одной фракции. Однородное состояние достигается за меньший период перемешивания расплава. В случаях, когда плотность материала композиционных гранул близка к плотности расплава, замешивание композита в виде гранул вызывает затруднения. Для упрощения процедуры замешивания осуществляют компактирование (консолидацию) гранул, которое можно проводить практически любым способом, например, холодной, теплой или горячей деформацией, спеканием или их комбинациями.
В способе изготовления металлического композиционного материала возможно при получении композиционных гранул в качестве металлических частиц использовать металлические частицы из металла матрицы или из металла или сплава, отличного от него. В случае, когда нет угрозы нежелательной химической реакции между матрицей и упрочняющими частицами, применение материала матрицы для получения композиционных гранул значительно облегчает производство конечного композиционного материала в части химического состава матрицы. В случаях, когда нежелательные химические реакции возможны или в случаях, когда требуется определенная схема введения упрочняющих частиц в расплав, для получения композиционных гранул следует применять другие металлы или сплавы.
В способе изготовления металлического композиционного материала возможно в качестве упрочняющих частиц использовать наноалмазы. Размер первичной наноалмазной частицы равен 4-6 нм. Это позволяет при минимальной объемной фракции добиваться максимального эффекта.
В способе изготовления металлического композиционного материала возможно в качестве металла матрицы использовать алюминиевый сплав, а для получения композиционных гранул использовать металл из ряда: алюминиевый сплав матрицы, чистый алюминий, более тугоплавкий по сравнению со сплавом матрицы алюминиевый сплав, менее тугоплавкий по сравнению со сплавом матрицы алюминиевый сплав, медь или медный сплав, никель или никелевый сплав, серебро или серебряный сплав, цинк или цинковый сплав. Для случаев, когда матрицей композиционного материала служит алюминиевый сплав, что приводит к снижению веса композита, применение для получения композиционных гранул этого же алюминиевого сплава облегчает процедуры получения требуемого химического состава матрицы. Применение для получения композиционных гранул чистого алюминия незначительно усложняет расчет химического состава матрицы конечного композита, но во многих случаях упрощает получение композиционных гранул. Применение более тугоплавкого алюминиевого сплава позволит осуществить постепенный ввод упрочняющих частиц в расплав, что при высоком содержании упрочняющих частиц повысит однородность распределения частиц в матрице. Применение менее тугоплавкого (более легкоплавкого) алюминиевого сплава для получения композиционных гранул позволит при небольшом содержании упрочняющих частиц снизить время перемешивания расплава. Применение меди, никеля или серебра для получения композиционных гранул с некоторым видом упрочняющих частиц, например, из углеродных материалов, в том числе, наноалмазов, позволяет избежать протекания нежелательных химических реакций, например, образование карбидов алюминия в процессе механического легирования. Цинк также не реагирует с углеродом, поэтому его применение не вызовет нежелательных химических реакций. При выборе невысокой температуры расплава образования карбидов алюминия не произойдет и в процессе растворения композиционных гранул.
1
2
1
2
В способе изготовления металлического композиционного материала возможно при введении в расплав композиционных гранул с алюминиевым сплавом, более тугоплавким, чем алюминиевый сплав матрицы, время перемешивания расплава после их введения определять по формуле t=(k·τ·ΔT)/(ΔT) мин, где t - время перемешивания в минутах, ΔT - разность между температурой плавления алюминиевого сплава в композиционных гранулах и температурой расплава в °C, ΔT - разность между температурой расплава и температурой плавления алюминиевого сплава матрицы; τ - норматив времени в минутах, равный 4-100; k - эмпирический коэффициент, равный 1-30. Время перемешивания зависит, во-первых, от разности между температурой плавления металла в композиционных гранулах и температурой расплава: чем выше эта разница, тем больше времени требуется для перемешивания, во вторых, от разности между температурой расплава и температурой плавления материала расплава: чем выше эта разница, тем меньше требуется времени для перемешивания. Экспериментально были определены коэффициенты.
В способе изготовления металлического композиционного материала возможно при получении механическим легированием композиционных гранул вначале обрабатывать смесь меди или медного сплава с упрочняющими частицами, а затем добавлять в смесь частицы алюминия в количестве от 0,1 до 5 от количества меди и затем осуществлять совместную обработку в течение 0,1-2 от времени обработки первоначальной смеси. Недостатком комбинации «алюминий + углеродсодержащие наночастицы» является возможность в процессе обработки протекания нежелательных химических реакций с образованием карбида алюминия. В случае, когда механическое легирование проводят в смеси меди с углеродсодержащими упрочняющими частицами карбидов не образуется, а агломераты наночастиц полностью разбиваются. Добавление такого материала в расплав приведет к растворению меди в расплаве и равномерному распределению наночастиц в расплаве без образования карбидов алюминия.
В способе изготовления металлического композиционного материала возможно при получении механическим легированием композиционных гранул вначале обрабатывать смесь никеля или никелевого сплава с упрочняющими частицами, а затем добавлять в смесь частицы алюминия в количестве от 0,1 до 5 от количества никеля и затем осуществлять совместную обработку в течение 0,1-2 от времени обработки первоначальной смеси. Недостатком комбинации «алюминий + углеродсодержащие наночастицы» является возможность в процессе обработки протекания нежелательных химическим реакций с образованием карбида алюминия. В случае, когда механическое легирование проводят в смеси никеля с углеродсодержащими упрочняющими частицами карбидов не образуется (карбид никеля образуется или химическим путем, или при высоком нагреве и длительной выдержке), а агломераты наночастиц полностью разбиваются. Добавление такого материала в расплав приведет к растворению никеля в расплаве и равномерному распределению наночастиц в расплаве без образования карбидов алюминия. Добавление алюминия в смесь никеля с наноалмазами позволит улучшить распределение наноалмазов за счет протекания диффузионных процессов растворения металлов друг в друге, а также облегчит растворение композиционных гранул в расплаве. Кроме этого, возможно образование некоторого количества алюминидов никеля, что положительно скажется на механических свойствах.
В способе изготовления металлического композиционного материала возможно при получении механическим легированием композиционных гранул вначале обрабатывать смесь меди или медного сплава с упрочняющими частицами в течение 0,5-5 часов, а затем добавлять в смесь частицы никеля в количестве от 0,1 до 5 от количества меди и затем осуществлять совместную обработку в течение 0,1-2 от времени обработки первоначальной смеси. В случаях, когда требуется внесение в расплав большого количества наноалмазов, применение для получения композиционных гранул только меди может привести к превышению допустимого содержания меди в сплаве, если объемная фракция наноалмазов в медных композиционных гранулах будет ниже 20-30%. Если увеличить объемную фракцию, например до 50-60%, то становится затруднительным разбить агломераты и равномерно распределить наноалмазы в матрице композиционных гранул. Добавление никеля позволит, с одной стороны, снизить объемную фракцию наноалмазов в смеси по сравнению с исходной объемной фракции в меди, а с другой стороны, процессы растворения никеля в меди приведут к ускорению процесса равномерного распределения наноалмазных частиц в матрице. Если вносить никель в первоначальную смесь, то процессы растворения никеля в меди начнутся ранее, чем произойдет разбиение агломератов, и на распределение наноалмазов в матрице процесс растворения влияния не окажет, то есть процесс распределения наночастиц будет более сложным.
В способе изготовления металлического композиционного материала возможно после совместной обработки меди с упрочняющими частицами и с никелем в смесь добавлять частицы алюминия в количестве от 0,1 до 5 от количества меди с никелем и осуществлять совместную обработку в течение 0,1-2 от времени обработки первоначальной смеси. Эта операция позволит упростить растворение композиционных гранул в расплаве.
В способе изготовления металлического композиционного материала возможно при получении механическим легированием композиционных гранул вначале обрабатывать смесь никеля или никелевого сплава с упрочняющими частицами, а затем добавлять в смесь частицы меди в количестве от 0,1 до 5 от количества никеля и затем осуществлять совместную обработку в течение 0,1-2 от времени обработки первоначальной смеси. Смеси никеля с наночастицами обрабатывать в мельницах сложно, но добавление меди упрощает этот процесс, а так как диффузия меди в никель упрощает процесс распределения наночастиц в матрице.
В способе изготовления металлического композиционного материала возможно при получении механическим легированием композиционных гранул вначале обрабатывать смесь никеля или никелевого сплава с упрочняющими частицами, а затем добавлять в смесь частицы цинка в количестве от 0,1 до 5 от количества никеля и затем осуществлять совместную обработку в течение 0,1-2 от времени обработки первоначальной смеси. Цинк не реагирует с углеродом, поэтому его применение не приведет к каким-либо нежелательным химическим реакциям. Применяют его только тогда, когда он должен присутствовать в матрице композиционного материала.
В способе изготовления металлического композиционного материала возможно после совместной обработки никеля с упрочняющими частицами и с медью в смесь добавлять частицы алюминия в количестве от 0,1 до 5 от количества никеля с медью и осуществлять совместную обработку в течение 0,1-2 от времени обработки первоначальной смеси. Эта операция упрощает последующее растворение композиционных гранул в расплаве.
В способе изготовления металлического композиционного материала возможно после совместной обработки никеля с упрочняющими частицами и с цинком в смесь добавлять частицы алюминия в количестве от 0,1 до 5 от количества никеля с цинком и осуществлять совместную обработку в течение 0,1-2 от времени обработки первоначальной смеси. Эта операция упрощает последующее расплавление композиционных гранул в расплаве.
Пример 1
Был изготовлен композиционный материал с матрицей из алюминиевого сплава Д16 и наноалмазными упрочняющими частицами при содержании 5% объемных. Размер первичных наноалмазных частиц равен 4-6 нм. В исходном состоянии (до изготовления композита) наноалмазы находились в агломерированном состоянии, размер агломератов составлял 5-50 микромеиров. Для исследования распределения наноалмазных частиц в композиционном материале частицы композиционного материала разрезали ионным пучком и полученную поверхность исследовали в полевом эмиссионном сканирующем электронном микроскопе с высоким разрешением. В композиционном материале основная масса наноалмазов находилась в алюминиевой матрице в неагломерированном состоянии - размер частиц равнялся 5 нм. Только примерно 1% наноалмазов были объединены в мелкие агломераты, размер которых не превышал 15-20 нм, то есть количество наночастиц в таких мелких агломератах не превышало 10.
3
3
3
Получен такой композиционный материал был следующим способом. Вначале методом механического легирования в планетарной мельнице изготовили композиционные гранулы из алюминиевого сплава Д16, было взято 75 кубических сантиметров алюминиевого сплава (плотность равна 2,8 г/см, то есть вес равнялся 210 г) и 25 кубических сантиметров наноалмазов (плотность 3,5 г/см, то есть вес равнялся 87,5 г). После механического легирования в течение 3 часов были получены композиционные гранулы с равномерным распределением наноалмазов, основная часть которых находилась в неагломерированном состоянии. Только примерно 1% наноалмазов были объединены в мелкие агломераты, размер которых не превышал 15-20 нм, то есть количество наночастиц в таких мелких агломератах не превышало 10. Полученные композиционные гранулы были помещены в тигель с расплавом алюминиевого сплава Д16, объем которого в холодном состоянии составлял 400 см, а вес 1120 г, разогретого до 700°С, и тщательно перемешаны. После кристаллизации был получен композиционный материал с матрицей из композиционного материала Д16 с 5 объемными процентами наноалмазных упрочняющих частиц, равномерно распределенных в матрице.
Пример 2
Был получен композиционный материал с медной матрицей и упрочняющими наночастицами карбида кремния с объемной долей 10%. Размер первичной наночастицы карбида кремния составлял 30 нм. В исходном состоянии наночастицы были объединены в агломераты размером до 50 мкм. Упрочняющие наночастицы были равномерно распределены в медной матрице. Для доказательства этого частичка композиционного материала была разрезана ионным пучком, а полученное сечение было исследовано с помощью полевого эмиссионного электронного сканирующего микроскопа. Исследование показала, что основная масса наночастиц карбида кремния находится в неагломерированном состоянии, только около 1% наночастиц объединены в мелкие агломераты размером не более 80 нм, то есть в агломератах находится не более 10 частиц.
3
3
3
3
Такой композиционный материал был получен следующим способом. Вначале изготовили гранулы композиционного материала методом механического легирования в планетарной мельнице в течение 5 часов. Исходными компонентами служили частицы технически чистой меди марки М0 размером до 500 мкм и наночастицы карбида кремния, которые были объединены в агломераты с размером не более 50 мкм (размер первичной наночастицы равен 30 нм). Общий объем исходных материалов составлял 50 см. Объемная фракция наночастиц карбида кремния равнялась 40%, то есть 20 см, что составляло 70 г (плотность алмаза 3,5 г/см). Вес частиц меди равнялся 266,7 г (плотность меди 8,89 г/см). После механического легирования были получены композиционные гранулы размером до 50 мкм. 1333,5 г меди были расплавлены в тигле и в расплав с температурой 1408°С, что составляет 1,3 от температуры плавления, были поданы композиционные гранулы. Расплав тщательно перемешали в течение 15 мин и перелили в изложницу. После кристаллизации был получен композиционный материал.
Пример 3
Был получен композиционный материал с матрицей из алюминиевого сплава и наноалмазными упрочняющими частицами. Химический состав сплава матрицы: алюминий - основа, медь - 6,5%, кремний - 0,2%, железо - 0,3%, марганец - 0,4%, магний - 0,2%, цинк - 0,1%, титан - 0,1%, цирконий - 0,1%, ванадий - 0,1% (проценты даны массовые, общая доля легирующих компонентов - 8%). Объемная доля упрочняющих наноалмазных частиц составила 2%. Основная масса наноалмазных частиц находилась в неагломерированном состоянии, только 5% от всех наноалмазных частиц было объединено в малые агломераты размером до 30 нм, то есть количество наночастиц в агломератах не превышало 10. Эти данные были получены при исследовании структуры композиционного материала на срезах, полученных ионным пучком. Для исследования структуры применили полевой эмиссионный сканирующий электронный микроскоп.
3
3
1
2
1
2
Композиционный материал получили следующим способом. Для 600 г матрицы композита необходимо 39 г меди, с учетом потерь при механическом легировании было взято 40 г, что составляло 4,5 см, наноалмазов было взято тоже 4,5 см, что составило 15,75 г, с учетом потерь было взято 16 г. Механическим легированием в планетарной мельнице в течение 5 часов были получены композиционные гранулы с медной матрицей и наноалмазными упрочняющими частицами с объемной долей 50%. Размер гранул не превышал 40 мкм. Для расплава был применен алюминиевый сплав с химическим составом: основа - алюминий, кремний - 0,2%, железо - 0,3%, марганец - 0,4%, магний - 0,2%, цинк - 0,1%, титан - 0,1%, цирконий - 0,1%, ванадий - 0,1% (проценты даны массовые, общая доля легирующих компонентов - 1,5%). Температуру расплава поддерживали при температуре 700°С, что составляет примерно 1,06 от температуры плавления. Композиционные гранулы поместили в расплав и перемешали. Время перемешивания рассчитали по формуле t=(k·τ·ΔT)/(ΔT) мин, где t - время в минутах, ΔT - разность между температурой плавления металла в композиционных гранулах и температурой расплава в °C, ΔT - разность между температурой расплава и температурой плавления материала расплава; τ - норматив времени в минутах, равный 4-100; k - эмпирический коэффициент, равный 1-30. Время перемешивания составило 2×5×383/50=76,6 мин, то есть перемешивание осуществили в течение примерно 1 часа 16 мин, что позволило полностью раствориться меди в расплаве. После перемешивания в химическом составе алюминиевого сплава появилось 6,5%(весовых) меди, а композиционный материал имел в составе в основном неагломерированные упрочняющие наноалмазные частицы с объемной долей около 2%. Расплав переместили в кристаллизатор (изложницу). После кристаллизации был получен композиционный материал.
Пример 4
Был изготовлен композиционный материал, состоящий из двух структурных компонентов: алюминиевого сплава с упрочняющими наноалмазными частицами и меди с упрочняющими наночастицами карбида кремния. Объемная доля композита с алюминиевой матрицей составляла 65%, с медной матрицей -35%. Гранулы композита с медной матрицей были включены в алюминиевый композит. Химический состав алюминиевого сплава (% вес.): Al - основа, Cu - 1,5%, Zr - 0,15%, Be - 0,05%, Mg - 2%, Zn - 7,5%. Размер первичной наноалмазной частицы равен 4-6 нм, объемная доля наноалмазов составляла 5%. Для медной матрицы была выбрана медь марки М0. Объемная доля наночастиц карбида кремния в медном композите составляла 25%. Исследования структуры показало, что основная часть упрочняющих наночастиц в обоих композиционных составляющих находятся в неагломерированном состоянии, только около 1% наночастиц объединены в мелкие агломераты, количество наночастиц в таких мелких агломератах не превышает 10.
3
3
3
Такой композит был изготовлен следующим способом. Для изготовления алюминиевого композита был применен расплав алюминиевого сплава с химическим составом: Al - основа, Zr - 0,15%, Be - 0,05%, Mg - 2%. В него добавили предварительно обработанные механическим легированием в планетарной мельнице гранулы композитов цинка с 50% объемными и меди с 50% объемными. Количество расплава равнялось 400 г, количество меди в медном композите 7 г (0,8 см), количество цинка в цинковом композите - 33 г (4,6 см). Медный и цинковый композиты добавили в расплав и перемешивали в течение 1 часа для полного растворения медного композита и равномерного распределения упрочняющих частиц. Наноалмазов было в общем 5,4 см, то есть примерно 19 г или 3,3% объемных. Медный композит для второй структурной составляющей был изготовлен методом механического легирования из меди марки М0 и наночастиц карбида кремния при 25% объемных. Полученные композиционные гранулы были разделены на фракции методом рассеивания. Фракция гранул с размером 50±10 мкм была применения для получения композита.
В расплав алюминиевого композита с содержанием наноалмазов 3,3% объемных были внесены гранулы медного композита. После интенсивного перемешивания в течение 1-1,5 мин композиционные гранулы медного композита равномерно распределились по объему тигля, но не растворились в расплаве. Расплав переместили в изложницу-кристаллизатор. После кристаллизации был получен композиционный материал.
Пример 5
Был изготовлен композиционный материал с матрицей из алюминиевого сплава АК12 и наноалмазными упрочняющими частицами при содержании 5% объемных. Размер первичных наноалмазных частиц равен 4-6 нм. В исходном состоянии (до изготовления композита) наноалмазы находились в агломерированном состоянии, размер агломератов составлял 5-50 микромеиров. Для исследования распределения наноалмазных частиц в композиционном материале частицы композиционного материала разрезали ионным пучком и полученную поверхность исследовали в полевом эмиссионном сканирующем электронном микроскопе с высоким разрешением. В композиционном материале основная масса наноалмазов находилась в алюминиевой матрице в неагломерированном состоянии - размер частиц равнялся 5 нм. Только примерно 1% наноалмазов были объединены в мелкие агломераты, размер которых не превышал 15-20 нм, то есть количество наночастиц в таких мелких агломератах не превышало 10.
3
3
3
Получен такой композиционный материал был следующим способом. Вначале методом механического легирования в планетарной мельнице изготовили композиционные гранулы из алюминиевого сплава АК12, было взято 75 кубических сантиметров алюминиевого сплава (плотность равна 2,8 г/см, то есть вес равнялся 210 г) и 25 кубических сантиметров наноалмазов (плотность 3,5 г/см, то есть вес равнялся 87,5 г). После механического легирования в течение 3 часов были получены композиционные гранулы с равномерным распределением наноалмазов, основная часть которых находилась в неагломерированном состоянии. Только примерно 1% наноалмазов были объединены в мелкие агломераты, размер которых не превышал 15-20 нм, то есть количество наночастиц в таких мелких агломератах не превышало 10. Полученные композиционные гранулы были скомпактированы холодным прессованием в цилиндры диаметром 15 мм (1,5 см) и высотой 15-20 мм (1,5-2 см), в среднем объем цилиндра был равен около 3 см. Объем всех полученных 32 цилиндров составил 100 см. Эти цилиндры были внесены в тигель с расплавом алюминиевого сплава АК12, объем которого в холодном состоянии составлял 400 см, а вес 1120 г, разогретого до 700°C. Расплав был тщательно перемешан в течение 40 мин. После кристаллизации был получен композиционный материал с матрицей из композиционного материала АК12 с 5% объемными процентами наноалмазных упрочняющих частиц, равномерно распределенных в матрице.
Пример 6
Был получен композиционный материал с матрицей из алюминиевого сплава и наноалмазными упрочняющими частицами. Химический состав сплава матрицы: алюминий - основа, Fe - 0,5%, Si - 20%, Mn - 0,2%, Ni - 2,8%, Cr - 0,2% Ti - 0,2%, Cu - 3%, Pb - 0,02%, Mg - 0,3%, Zn - 0,1%, Sn - 0,01% (проценты даны массовые, общая доля легирующих компонентов - 27,33%). Объемная доля упрочняющих наноалмазных частиц составила 2%. Основная масса наноалмазных частиц находилась в неагломерированном состоянии, только 5% от всех наноалмазных частиц было объединено в малые агломераты размером до 30 нм, то есть количество наночастиц в агломератах не превышало 10. Эти данные были получены при исследовании структуры композиционного материала на срезах, полученных ионным пучком. Для исследования структуры применили полевой эмиссионный сканирующий электронный микроскоп.
3
Композиционный материал получили следующим способом. Для 600 г матрицы композита необходимо 37-39 г смеси меди и никеля, с учетом потерь при механическом легировании было взято 18 г никеля и 20 г меди, что составляло 4,5 см3, наноалмазов было взято тоже 4,5 см, что составило 15,75 г, с учетом потерь было взято 16 г. Вначале механическим легированием в планетарной мельнице в течение 2 часов были обработаны весь никель со всеми наноалмазами, затем добавили медь и обработали еще 2 часа, а затем добавили порошок технически чистого алюминия в количестве 10 г и обработали в планетарной мельнице еще 0,5 часа. Размер полученных композиционных гранул не превышал 40 мкм. Для расплава был применен алюминиевый сплав с химическим составом: алюминий - основа, Fe - 0,5%, Si -20%, Mn - 0,2%, Cr - 0,2% Ti - 0,2%, Pb - 0,02%, Mg - 0,3%, Zn - 0,1%, Sn - 0,01% (проценты даны массовые). Температуру расплава поддерживали при температуре 700°C, что составляет примерно 1,06 от температуры плавления. Композиционные гранулы внести в расплав и перемешали в течение 1 часа, что позволило полностью раствориться никелю и меди в расплаве. После перемешивания в химическом составе алюминиевого сплава появилось 2,8% никеля и 3% меди, а композиционный материал имел в составе в основном неагломерированные упрочняющие наноалмазные частицы с объемной долей около 2%. Расплав переместили в кристаллизатор (изложницу). После кристаллизации был получен композиционный материал.