Способ получения алюмоматричного композита
METHOD FOR OBTAINING ALUMINUM MATRIX COMPOSITE

Изобретение относится к цветной металлургии и предназначено для получения металломатричных композитов, используемых при производстве изделий для автомобилестроения, железнодорожного транспорта, военной и аэрокосмической техники.
2
5
2
5
Известен способ получения алюмоматричного композита методом “литья с перемешиванием” с использованием в качестве исходного материала слитка алюминия, из которого получают расплав с последующим добавлением порошка VO. Оксид ванадия добавляют при вихревом механическом перемешивании в атмосфере аргона. Получают композитный материал на основе алюминия с содержанием VO 5 и 10% (T.V. Kumar, M. Nageswararao, Experimental investigations on stir cast aluminium with addition of vanadium pentoxide powders, International Journal of Emerging Trends in Engineering Research 8 (2020) 7111-7115. DOI 10.30534/ijeter/2020/768102020).
Недостатком известного способа является его сложность, обусловленная, во-первых, возможным разбросом материала при введении порошка оксида на поверхность расплава вследствие возникновения термитной реакции; во-вторых, использованием сложного высокотехнологичного оборудования, в частности для создания инертной газовой атмосферы.
2
5
2
5
o
Известен способ получения алюмоматричных композитов, основанный на механическом легировании алюминия пентоксидом ванадия. Композиты Al–VO были получены путем механического легирования алюминия высокой чистоты с 10 масс% пентоксида ванадия и добавлением метанола в шаровой мельнице аттриторного типа в течение 24 часов в атмосфере аргона. Механически легированный порошок консолидировали при 400 C путем горячего прессования под давлением 100 МПа с получением цилиндрических заготовок, которые впоследствии подвергали горячей экструзии при 350°C в стержни диаметром 7 мм. Термическую обработку стержней проводили при 600°C (L. Blaz, Z. Sierpinski, M. Tumidajewicz, J. Kaneko, M. Sugamata, Structure evolution in annealed and hot deformed Al–VO composite, Materials Science and Technology 20 (2004) 1639-1644. DOI 10.1179/026708304X11279).
Недостатки известного способа являются: длительность механической обработки в инертной атмосфере аргона с использованием токсичного метанола; низкая температура отжига стержней, недостаточная для формирования равновесного материала.
2
5
3
2
3
2
5
2
5
Известен способ получения композиционного материала путем алюминотермического синтеза в системе Al–VO. Для синтеза композита AlV/AlO порошки Al (средний размер частиц 45 мкм) и VO (средний размер частиц 120 мкм) с молярным соотношением 28:3 в планетарной шаровой мельнице измельчали с контейнером и стальными шариками в атмосфере аргона в течение часа, при весовом соотношении шарика к порошку 4:1 и скорости вращения 250 об/мин. Параметры измельчения были выбраны таким образом, чтобы предотвратить реакцию горения в контейнере. Смешанный порошок прессовали под давлением 500 МПа с получением цилиндрических образцов диаметром 10 и толщиной 5 мм, которые нагревали в трубчатой печи в атмосфере аргона со скоростью нагрева 10°C / мин до температуры в диапазоне от 650°C до 1000°C и выдерживали при этой температуре в течение 10 минут (M. Ashnagar, A.R Mashreghi, M. Kalantar, The Study of Combustion synthesis, Microstructure and Mechanical Properties of In Situ Composite Produced In Al-VO System, Journal of Metallurgical and Materials Engineering 27 (2016) 51-64. DOI: 10.22067/ma.v27i1.24570).
8
5
Недостатками известного способа являются: образование примеси AlO, снижающей механическую прочность композита и повышающей его хрупкость; использование инертной атмосферы, что усложняет способ.
2
5
2
5
2
5
3
8
2
3
2
5
2
Наиболее близким к заявляемому является способ получения алюмоматричного композита, основанный на высокоэнергетическом размоле и спекании компонентов системы Al-VO. Были получены композитные порошки Al - 10, 15 и 20 масс.% VO. Для измельчения брали смеси Al и VO и помещали в емкость из нержавеющей стали с шариками и изопропиловым спиртом (CHO) в качестве агента, регулирующего измельчение. Емкость запаивали в атмосфере аргона. Измельчение проводили в течение 1 - 12 ч. на смесителе / мельнице SPEX 8000. Механически измельченные композиционные порошки прессовали в виде цилиндра с использованием гидравлического давления до 50 МПа, а затем еще раз прессовали на холодном изостатическом прессе (CIP) под давлением 1050 кг/см. Каждый цилиндр спекали в вакуумной трубчатой печи при 900°C в течение 1 - 4 ч. в атмосфере аргона (K.D. Woo, J.H. Kim, E.P. Kwon, M.S. Moon, H.B. Lee, T. Sato, Z. Liu, Fabrication of Al matrix composite reinforced with submicrometer-sized AlO particles formed by combustion reaction between HEMM Al and VO composite particles during Sintering, Metals and Materials International 16 (2010) 213-218. doi: 10.1007/s12540-010-0408-x)(прототип).
Недостатки известного способа являются: сложная, малопроизводительная, длительная и энергозатратная технология; необходимость защиты материала от воздействия внешней среды при размоле путем запаивания реактора в атмосфере аргона; вероятность загрязнения продукта размола нежелательными примесями из-за намола от стальных шариков и спонтанного возгорания компонентов смеси при избыточном механическом воздействии.
Таким образом, перед авторами стояла задача разработать простой способ получения алюмоматричного композита без использования сложного оборудования, в частности обеспечивающего инертную атмосферу.
2
5
2
2
5
2
Поставленная задача решена в предлагаемом способе получения алюмоматричного композита, включающем получение исходной смеси порошка алюминия и оксида ванадия (V), гомогенизацию исходной смеси, последующее таблетирование и спекание при высокой температуре в атмосфере инертного газа, в котором используют оксид ванадия (V) в виде геля номинального состава VO:HO с содержанием ванадия 3,08-3,36 масс.% и осуществляют гомогенизацию пропиткой порошка алюминия с размером частиц не более 10 мкм гелем состава VO:HO при соотношении геля(г) и порошка алюминия(г), равном 3,36 - 16,8: 9,8 - 9,0, соответственно, с последующей выдержкой на воздухе при температуре 80-85°С в течение 1 часа и нагреванием до температуры 350-400°С и выдержкой при этой температуре в течение 0,5 часа, а спекание осуществляют при температуре 800-820°С.
2
5
2
2
5
2
В настоящее время из патентной и научно-технической литературы не известен способ получения алюмоматричного композита с использованием оксид ванадия (V) в виде геля состава VO:HO, и осуществлением гомогенизации пропиткой порошка алюминия гелем состава VO:HO с последующей выдержкой на воздухе при температуре 80-85°С в течение 1 часа и нагреванием до температуры 350-400°С и выдержкой при этой температуре в течение 0,5 часа.
2
5
2
2
5
2
5
2
Исследования, проведенные авторами, позволили установить, что высокая степень гомогенизации продукта, обеспечивающая стабилизацию структуры композита при спекании и исключение спонтанного возгорания за счет снижения температуры спекания, может быть достигнута при использовании в качестве пентоксида ванадия геля номинального состава VO:HO, содержащего ванадий в количестве 3,08 – 3,36 мас.%, что позволяет исключить из технологии стадию высокоэнергетического размола с использованием специального энергоемкого оборудования и заменить ее простым смешением компонентов. Разработанный авторами способ упрощает стадию гомогенизации порошков алюминия и пентоксида ванадия, а также обеспечивает предотвращение возможности их спонтанного возгорания при интенсивном высокоэнергетическом размоле, поскольку в качестве источника ванадия берется не крупнодисперсный порошок VO, а гель номинального состава VO:HO с содержанием ванадия в количестве 3,08 – 3,36 мас.%, который смешивают с алюминиевым порошком в обычных условиях, что исключает необходимость использования высокоэнергетических смесителей и инертной атмосферы. Металлический порошок, пропитанный гелем, сушат в предлагаемых условиях на воздухе, что обеспечивает полное обезвоживание продукта, необходимое для получения высокой степени контактирования матричного и армирующего элементов.
2
5
2
2
5
2
α
о
о
2
Предлагаемый способ может быть получен следующим образом. Берут порошок алюминия с размером частиц не более 10 мкм и гель номинального состава VO:HO с содержанием ванадия 3,08 – 3,36 мас.%, и осуществляют пропитку порошка алюминия гелем состава VO:HO при соотношении геля(г) и порошка алюминия(г), равном 3,36 - 16,8: 9,8 - 9,0, соответственно, с последующей выдержкой на воздухе при температуре 80-85С в течение 1 часа и нагреванием до температуры 350-400С и выдержкой при этой температуре в течение 0,5 часа. а спекание осуществляют при температуре 800-820°С. Далее порошок запрессовывают в таблетки диаметром 10 мм при давлении 3.92 МПа (40 кг/см) и отжигают в атмосфере гелия при температуре 800-820°C в течение 2 часов. Рентгенофазовый анализ проводили на дифрактометре Shimadzu (Сuk- излучение) с использованием картотеки Powder Diffraction File YCPDSDICDD (PDF2). Морфологию поверхности синтезированного материала изучали на растровом микроскопе YEOL JSM-6390LA, оснащенном энергодисперсионным рентгеновским анализатором (EDX). Плотность и объем образцов определялась на гелиевом пикнометре AccuPyc II 340. Фазовый анализ полученных композитов представлен в таблице. Таблица 1.
Фазовый состав образцов (масс.%) после спекания
Пример 1
Пример 2
Пример 3
Al – 98.3Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> – 0.0Al<sub>3</sub>V – 0.7Al<sub>10</sub>V – 0.2V<sub>2</sub>O<sub>3</sub> – 0.8
Al – 86.3α-Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> – 1.7γ-Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> – 9.3Al<sub>3</sub>V – 0.4V<sub>2</sub>O<sub>3</sub> – 2.3
Al – 79.8α-Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> – 1.7γ-Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> – 14.3Al<sub>3</sub>V – 0.2V<sub>2</sub>O<sub>3</sub> – 4.0
На фиг. 1(а) изображена поверхность таблетки после спекания алюмоматричного композита, полученного в условиях примера 1.
На фиг. 1(б) изображена поверхность таблетки после спекания алюмоматричного композита, полученного в условиях примера 2.
На фиг. 1(в) изображена поверхность таблетки после спекания алюмоматричного композита, полученного в условиях примера 3.
Предлагаемый способ иллюстрируется следующими примерами.
2
5
2
2
3
Пример 1. 9,8 г порошка алюминия марки АСД-4 со сферической формой частиц размером не более 10 мкм и содержанием активного металла 98,7% в фарфоровой ступе в течение 10 мин смешивали с 3,36 г. геля номинального состава VO:HO с содержанием ванадия 3,08 мас.%, что соответствует соотношению гель (г):алюминий (г) = 3,36:9,8. Полученную массу просушивали при температуре 80°C в течение 1 ч при перемешивании и окончательно нагревали до температуры 350°C и выдерживали при этой температуре в течение 0.5 ч. Далее порошок запрессовывали в таблетки диаметром 10 мм при давлении 3.92 МПа (40 кг/см) и отжигали в атмосфере гелия при температуре 820°C в течение 2 часов. Плотность образца после спекания составляла 2.8486 г/см. Фазовый состав полученного образца приведен в таблице. На фиг. 1(а) изображена поверхность таблетки после спекания алюмоматричного композита.
2
5
2
2
3
Пример 2. 9,5 г порошка алюминия марки АСД-4 со сферической формой частиц размером не более 10 мкм и содержанием активного металла 98,7% в фарфоровой ступе в течение 15 мин смешивали с 8,4 г. геля номинального состава VO:HO с содержанием ванадия 3,08 мас.%, что соответствует соотношению гель (г):алюминий (г) = 8,4: 9,5. Полученную массу просушивали при температуре 85°C в течение 1 ч при перемешивании и окончательно нагревали при 350°C в течение 0.5 ч. Далее порошок запрессовывали в таблетки диаметром 10 мм при давлении 3.92 МПа (40 кг/см) и отжигали в атмосфере гелия при температуре 800°C в течение 2 часов. Плотность образца после отжига составляла 2.8899 г/см. Фазовый состав полученного образца приведен в таблице. На фиг. 1(б) изображена поверхность таблетки после спекания алюмоматричного композита, полученного.
2
5
2
2
3
Пример 3. 9,0 г порошка алюминия марки АСД-4 со сферической формой частиц размером не более 10 мкм и содержанием активного металла 98,7% в фарфоровой ступе в течение 20 мин смешивали с 16,8 г. геля номинального состава VO:HO с содержанием ванадия 3,36 мас.%, что соответствует соотношению гель (г):алюминий (г) = 16,8:9,0. Полученную массу просушивали при температуре 80°C в течение 1 ч при перемешивании и окончательно нагревали при 400°C в течение 0.5 ч. Далее порошок запрессовывали в таблетки диаметром 10 мм при давлении 3.92 МПа (40 кг/см) и отжигали в атмосфере гелия при температуре 820°C в течение 2 часов. Плотность образца после отжига составляла 2.9360 г/см. Фазовый состав полученного образца приведен в таблице. На фиг. 1(в) изображена поверхность таблетки после спекания алюмоматричного композита.
Таким образом, предлагаемый авторами способ получения алюмоматричного композита обеспечивает эффективную гомогенизацию исходных компонентов в обычных условиях без использования установок высокоэнергетического размола в инертной атмосфере, что существенно упрощает технологию.