СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ ЛЕГКИХ СПЛАВОВ
METHOD TO STRENGTHEN LIGHT ALLOYS

Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению легких сплавов на основе алюминия с повышенной прочностью и износоустойчивостью за счет введения в них упрочняющих дисперсных лигатур. Дисперсно-упрочненные алюминиевые сплавы используются при изготовлении деталей и изделий, обладающих высокими прочностными характеристиками при малом весе, в ряде отраслей промышленности (авиационная, ракетно-космическая, автомобильная и т.д.).
3
В настоящее время нашли широкое применение легкие сплавы с плотностью ρ<3 г/см на основе алюминия (дюрали, дуралюмины), в которые вводят (0.5÷5.0) мас.% магния, кремния, цинка, титана, меди, марганца и других металлов. Одним из перспективных направлений повышения прочностных характеристик легких сплавов является введение в их состав дисперсных лигатур из тугоплавких соединений.
Известен способ получения сплава на основе алюминия путем введения в расплав (1-15) мас.% частиц оксидов размером (1÷100) нм, температура плавления которых выше температуры плавления алюминия [1].
Известны способы получения дисперсно-упрочненных алюминиевых сплавов путем введения в них брикетов из высокопрочных керамических частиц [2] и путем экструзии гранулированных композиций, включающих карбиды и оксид магния [3].
Открытие технологий получения углеродных нанотрубок (1991 г.), обладающих уникальными прочностными характеристиками (на два порядка превышающими характеристики стали), позволило использовать их для упрочнения легких сплавов на основе алюминия [4-6].
Известны способы получения матричных нанокомпозитов путем плазменной обработки смеси порошка Al-Si и углеродных нанотрубок с последующим нанесением на подложку [4] или путем экструзии смеси порошка алюминия и углеродных нанотрубок [5].
Известен способ получения упрочненных углеродными нанотрубками алюминиевых композитов путем горячего прессования с вращением матрицы под давлением 6 ГПа [6].
Уникальные свойства углеродных нанотрубок в полной мере могут быть реализованы лишь при их равномерном распределении в матричном материале. К недостаткам рассмотренных способов упрочнения легких сплавов относится сложность обеспечения равномерности распределения углеродных нанотрубок в матрице из алюминиевого сплава, а следовательно, получения сплавов со стабильными характеристиками.
Наиболее близким по техническому решению к заявляемому изобретению является способ введения упрочняющих частиц в алюминиевые сплавы [7]. Этот способ включает предварительное получение порошкообразного композиционного материала (порошка тугоплавкого соединения, частицы которого покрыты слоем алюминия толщиной от 10 до 25% от диаметра частиц тугоплавкого соединения) с последующим введением композиционного материала в алюминиевый расплав. Данный способ обеспечивает более равномерное распределение частиц тугоплавкого соединения в расплаве.
Техническим результатом настоящего изобретения является разработка способа упрочнения легких сплавов за счет дополнительного введения в них углеродных нанотрубок.
Для достижения указанного технического результата предложен способ упрочнения легких сплавов путем введения в них лигатуры - порошка микронных размеров тугоплавкого соединения, на поверхность частиц которого наносят смесь равномерно перемешанной смеси нанопорошка алюминия и углеродных нанотрубок. Содержание компонентов лигатуры составляет (80÷90) мас.% тугоплавкого соединения, (10÷5) мас.% нанопорошка алюминия, (10÷5) мас.% углеродных нанотрубок. При этом в качестве тугоплавкого соединения используется оксид или карбид, или нитрид алюминия, или кремния, или циркония, или титана.
Полученный положительный эффект (повышение прочности и износоустойчивости легких сплавов) обусловлен следующими факторами.
Введение в состав лигатуры углеродных нанотрубок (помимо частиц тугоплавких соединений - оксидов, карбидов или нитридов) приводит к дополнительному повышению прочности и износостойкости получаемых упрочненных легких сплавов. Согласно результатам экспериментальных исследований [4-6], углеродные нанотрубки являются практически идеальным материалом для упрочнения легких конструкционных материалов в авиакосмической технике, автомобильной промышленности, при изготовлении спортивных снарядов. Это обусловлено их уникальной структурой, низкой плотностью углеродных нанотрубок и рекордными прочностными характеристиками (предел прочности до 30 ГПа, модуль Юнга до 1 ТПа).
Однако уникальные свойства углеродных нанотрубок в полной мере могут быть реализованы лишь при их равномерном распределении в матричном материале [4-6]. Известные способы введения нанотрубок в расплавы не обеспечивают однородности их распределения в объеме расплава.
Предлагаемое в заявляемом изобретении нанесение углеродных нанотрубок (в смеси с нанопорошком алюминия) на поверхность частиц микронных размеров тугоплавкого соединения позволяет обеспечить равномерное распределение частиц тугоплавких соединений, а следовательно, и углеродных нанотрубок при введении лигатуры в расплав на основе алюминия.
Нанесение на поверхность частиц тугоплавкого соединения порошка алюминия (совместно с углеродными нанотрубками) повышает смачиваемость частиц расплава на основе алюминия при температурах, близких к температуре плавления алюминия, и не требует значительного перегрева расплава.
Предлагаемое содержание компонентов лигатуры (80÷90% тугоплавкого соединения, 10÷5% нанопорошка алюминия, 10÷5% углеродных нанотрубок) обеспечивает формирование на поверхности частиц тугоплавкого соединения достаточно тонкого устойчивого слоя из смеси нанопоршка алюминия и углеродных нанотрубок.
Использование в качестве тугоплавкого соединения оксида или карбида, или нитрида алюминия, кремния, циркония или титана связано с высокими прочностными характеристиками этих материалов и наличием технологий получения порошков данных соединений.
Пример реализации способа.
43
43
Смесь нанопорошка алюминия марки «Алекс» со среднемассовым диаметром частиц D=0.18 мкм (50 мас.%) и углеродных нанотрубок (50 мас.%) помещают в планетарную мельницу и перемешивают в атмосфере аргона в течение (5÷6) часов при скорости вращения 200 об/мин. Затем полученную смесь (20÷10) мас.% и порошок оксида алюминия со среднемассовым диаметром частиц D=75 мкм (80÷90) мас.% дополнительно подвергают механической активации в планетарной мельнице в течение (10÷15) мин. В результате механической активации на поверхности части оксида алюминия формируется слой нанопорошка алюминия и углеродных нанотрубок. Далее полученную лигатуру вводят в расплав алюминиевого сплава при его разливке в форму.
Таким образом, предложенный способ позволяет повысить прочность и износостойкость легких сплавов на основе алюминия за счет дополнительного введения в их состав углеродных нанотрубок при равномерном распределении упрочняющих компонентов в алюминиевом расплаве.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ловшенко Ф.Г., Ловшенко Г.Ф. Способ получения дисперсно-упрочненных алюминиевых сплавов // Патент РФ №1797218, МПК С22С 1/02. Опубл. 10.09.1996.
2. Моисеев В.А. Стацура В.В., Гордеев Ю.И., Летуневский В.В. Способ получения сплава на основе алюминия // Патент РФ №2177047, МПК B22F 9/04, С22С 1/05. Опубл. 20.12.2001.
3. Панфилов А.В., Бранчуков Д.Н., Панфилов А.А. и др. Литой композиционный материал на основе алюминиевого сплава и способ его получения // Патент РФ №2323991, МПК С22С 1/10, С22С 21/00, B22F 3/02, B22F 3/26, В82В 3/00. Опубл. 10.05.2008.
4. Laha Т., Agarwal A., McKechnie Т., Seal S. Synthesis and characterization of plasma spray formed carbon nanotube reinforced aluminum composite // Material Science and Engineering. 2004, A381. - P.249-258.
5. Jizhi Liao, Ming-Jen Tan, Raju V. Ramanujan, Shashwat Shukla. Carbon nanotube evolution in aluminum matrix during composite fabrication process // Materials Science Forum. 2011. Vol. 690. - P.294-297.
6. Soo-Hyun Joo, Seung Chae Yoon, Chong Soo Lee et al. Microstructure and tensile behavior of Al and Al-matrix carbon nanotube composites processed by high pressure torsion of the powders // Journal of Material Science. 2010. Vol. 45. - P.4652-4658.
7. Кульков С.Н., Ворожцов А.Б., Ворожцов С.А. и др. Способ введения упрочняющих частиц в алюминиевые сплавы // Патент РФ №2425163, МПК С22С 1/10. Опубл. 27.07.2011.