АЛЮМОМАТРИЧНЫЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ С БОРСОДЕРЖАЩИМ НАПОЛНИТЕЛЕМ
ALUMINIUM-MATRIX COMPOSITE MATERIAL WITH BORON-CONTAINING FILLER

Область техники
Настоящее изобретение относится к области металлургии, в частности к боросодержащим алюмоматричным композиционным материалам, к которым предъявляют требования по поглощению нейтронного излучения в сочетании с низким удельным весом.
Предшествующий уровень техники
4
Алюмоматричные композиционные материалы (АКМ), содержащие бор, в частности в виде соединения ВС, обладают уникальным сочетанием физических и механических свойств. Поскольку бор имеет свойство хорошо поглощать нейтронное излучение, они широко применяются в ядерной энергетике [W.K. Barney, G.A. Shemel, W.E. Seymour, Nucl. Sci. Eng. 1 (1958) 439-448]. Несмотря на то, что боросодержащие АКМ достаточно давно эксплуатируются, их использование связанно с рядом проблем, например подверженность коррозии и проблема негомогенности структуры. Перспективным методом их производства, оказывающим положительное влияние на свойства материала, используемого в радиационно-защитных конструкциях, является механическое легирование [R.M. Mohanty, К. Balasubramanian, S.K. Seshadri, // Materials Science and Engineering - 2007. - V.A498. - P.42-52; M.Khakbiz, F.Akhlaghi, // Journal of Alloys and Compounds - 2009. - V.479 - P.334-341].
Известен патент GB 2361934 А (публ. 01.03.2001), в котором описывается АКМ, на основе сплава системы Al-Mg-Mn содержащий бор в количестве 0,5-10 масс.% и обладающий нейтронопоглощающими свойствами. Бор вводится в алюминий в форме соединения (борида) с размером частиц не более 300 мкм. Помимо алюминия и бора АКМ содержит магний, марганец, кремний, медь в количестве 0-50 атомных %. Способ изготовления сплава - литье с последующей прокаткой или ковкой при температуре 250-600°С или экструзией при температуре 400-550°С. Недостатком данного АКМ является наличие магния в составе, который отрицательно сказывается на технологических свойствах материала, из-за повышения окисляемости в процессе обработки.
Также известен АКМ, состоящий из алюминиевой матрицы и боросодержащего наполнителя в количестве 1,5-9 масс.% (пат. US 6602314 В1, публ. 05.08.03). В качестве матричных сплавов предложены: технический алюминий (1ххх серия), Al-Mn (3ххх серия), Al-Mg-Si (6ххх серия), Al-Zn-Mg (7ххх серия), Al-Fe (с содержанием железа от 1-10 масс.%), а в качестве боросодержащего наполнителя - карбид бора. Размеры исходных порошков алюминиевой матрицы 5-150 мкм и карбида бора 1-60 мкм. Способ производства композиционного материала - спекание под давлением, с предварительным вакуумированием. Недостатком данного АКМ является то, что предложенные матричные сплавы обладают разным сочетание физико-химических свойств, что определяет широкий разброс по характеристикам, достигаемым в АКМ.
4
2
3
Наиболее близким к заявленному изобретению является АКМ, описанный в патенте US 7177384 В2 (публ. 13.02.07). Этот АКМ состоит из алюминиевой матрицы и боросодержащего наполнителя. В качестве матричного предлагается сплав 6ххх серии на основе системы Al-Mg-Si. А в качестве боросодержащего наполнителя используется карбид бора ВС или оксид бора ВО, количество бора в материале колеблется от 1,5 до 9 масс.%. Также оговаривается введение порошков титана в количестве 0,2-4,0 масс.% и/или циркония в количестве 0,2-2,0 масс.% в шихту перед спеканием. Способ производства композиционного материала - спекание под давлением, с предварительным вакуумированием, при температуре 350-550°С и выдержкой 5-10 минут. Недостатком данного сплава является ограниченная термостойкость. Это связано с тем, что сплавы 6ххх серии сильно разупрочняются при нагреве свыше 200°С. Кроме того, производство данного АКМ требует использования первичных материалов в виде порошка.
Раскрытие изобретения
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание алюмоматричного композиционного материала, содержащего не менее 4 масс.% бора и обладающего повышенной термостойкостью (к нагревам до 350°С) при достаточном уровне механических свойств и возможности его приготовления на основе вторичного сырья в виде стружки.
4
4
15
3
2
20
2
3
3
Поставленная задача решается созданием борсодержащего алюмоматричного композиционного материала на основе алюминиевого сплава, содержащего медь, марганец, цирконий, железо, кремний и карбид бора (BC), обладающего твердостью более 2,7 ГПа и характеризующегося структурой, состоящей из алюминиевого твердого раствора и равномерно распределенными в нем частицами фаз ВС, Al(Fe,Mn)Si, AlCuMn и AlZr при следующем их количестве:
Фаза
Массовая доля, %
В<sub>4</sub>С
6-15
Al<sub>15</sub>(Fe,Mn)<sub>3</sub>Si<sub>2</sub>
2-6
Al<sub>20</sub>Cu<sub>2</sub>Mn<sub>3</sub>
2-6
Al<sub>3</sub>Zr
0,4-0,8
в
0,2
Предложенный АКМ может быть выполнен в виде деформированных полуфабрикатов, в которых после нагрева при 350°С в течение 10 часов достигаются следующие свойства на растяжение: временное сопротивление (σ) - не менее 450 МПа, предел текучести (σ) - не менее 400 МПа, относительное удлинение (δ) - не менее 4%.
Технология получения АКМ включает следующие основные этапы:
1) приготовление матричного расплава на основе алюминия;
2) получение литой заготовки путем кристаллизации расплава;
3) получение стружки путем обработки резанием литой заготовки;
4) измельчение стружки до размера чешуек не более 4 мм диаметром;
5) получение композиционных гранул путем механического легирования измельченной стружки и порошка карбида бора;
6) получение АКМ путем экструзии композиционных гранул.
Сущность изобретения состоит в том, чтобы реализовать структуру с равномерно распределенными частицами термически стабильных фаз. Такая структура позволяет обеспечить наилучшее сочетание физико-механических свойств и технологичности.
4
Нижний предел по карбиду бора выбран с целью достижения необходимого уровня поглощения нейтронного излучения, а верхний- с целью обеспечения необходимого уровня технологичности. Поскольку в процессе механического легирования (МЛ) фаза ВС не взаимодействует с алюминиевым сплавом, то ее количество определяется введением до начала процесса МЛ.
15
3
2
Фаза Al(Fe,Mn)Si формируется в процессе кристаллизации матричного алюминиевого сплава. Ее количество определяется соотношением марганца, железа и кремния в данном сплаве. На дальнейших технологических этапах происходит только изменение морфологии частиц этой фазы.
20
2
3
3
Фазы AlCuMn и AlZr формируются в виде вторичных выделений в процессе технологических нагревов до начала экструзии. Их количества определяются как составом алюминиевого сплава, так и параметрами технологического процесса.
Примеры выполнения
Для экспериментального обоснования предложенного изобретения были приготовлены АКМ на основе 5 алюминиевых сплавов с разным содержанием меди, марганца, циркония, железа и кремния. Сплавы (в виде плоских слитков с размерами 15×60×180 мм) готовили в электрической печи сопротивления в графитошамотных тиглях на основе отходов алюминиевой катанки марки А5Е и других марочных алюминиевых сплавов, а также двойных лигатур (Al-Mn и Al-Zr). Далее использовали стружку, полученную при обточке слитков.
4
Для получения АКМ использовали: а) стружку матричных сплавов в виде тонких чешуек шириной не более 4 мм и толщиной 0,5 мм; б) порошок карбида бора (ВС) со средним размером частиц около 100 мкм. Исходные стружку и порошок измельчали, а затем загружали в планетарную мельницу для проведения процесса МЛ. Далее гранулы подвергали компактированию и последующей экструзии на прессе, получая заготовку диаметром 25 мм и высотой 10 мм. Из прессованных заготовок также делали листовой прокат для определения механических свойств на растяжение.
Металлографические исследования проводили с помощью световой (NEOPHOT 32) и электронной (HITACHI ТМ1000) микроскопии. Фазовый состав образцов определялся при помощи рентгеновского анализа (ДРОН-4.0-07) и локального химического анализа (JEOL JSM-6610LV с системой локального микроанализа INCA).
в
0,2
Механические свойства (предел прочности (σ), предел текучести (σ) и относительное удлинение (δ)) при одноосном растяжении (по ГОСТ 1497-84) и измерение твердости по Виккерсу (по ГОСТ 2999-75) определяли при комнатной температуре на универсальной испытательной машине Zwick Z250 и универсальном твердомере Wilson Wolpert 930N соответственно.
4
15
3
2
20
2
3
3
Как видно из табл.1, только предложенный АКМ (№№2-4) обеспечивает высокое сочетание твердости, термостойкости и технологичности. В АКМ, содержащем частицы фаз ВС, Al(Fe,Mn)Si, AlCuMn и AlZr ниже заявленных пределов (№1), не достигается требуемый уровень твердости. Наличие этих фаз выше заявленных пределов (№5) приводит к недопустимому снижению технологичности (разрушению в процессе экструзии).
Таблица 1
Структурные характеристики экспериментальных АКМ и значения твердости до и после нагрева
№
Массовая доля фазы, %
Твердость, HV<sup>1</sup> ГПа
В<sub>4</sub>С
Al<sub>15</sub>(Fe,Mn)<sub>3</sub>Si<sub>2</sub>
Al<sub>20</sub>Cu<sub>2</sub>Mn<sub>3</sub>
Al<sub>3</sub>Zr
HV<sub>0</sub>
HV<sub>350</sub>
ΔHV
1
3 (2,3)<sup>2</sup>
1
1
0,2
1,4
0,8
0,6
2
6 (4,7)
2
6
0,8
2,8
2,6
0,2
3
10 (7,8)
4
4
0,6
3,0
2,8
0,2
4
15 (11,7)
6
2
0,4
3,2
3,1
0,1
5
20 (15,7)
8
8
1,0
Разрушение заготовки при экструзии
<sup>1</sup> HV<sub>0</sub> - твердость в исходном состоянии; HV<sub>350</sub> - твердость после нагрева при 350°С в течение 10 часов; ΔHV - изменение твердости
<sup>2</sup> содержание бора в АКМ, мас.%
в
0,2
На примере композиции №2 определяли механические свойства на растяжения 2 мм листа, отожженного при температуре 350°С в течение 10 ч. Полученные результаты показывают, что в деформированных полуфабрикатах достигается следующий средний уровень свойств на одноосное растяжение: предел прочности (σ) - 465 МПа, предел текучести (σ) - 420 МПа, относительное удлинение (δ) - 4,2%.