CC BY
25
УДК 669
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ УГЛЕРОДНОГО ВОЛОКНИСТОГО МАТЕРИАЛА НА ПРОЦЕСС СВС В РАСПЛАВЕ АЛЮМИНИЯ Рыбаков Антон Дмитриевич, аспирант Яровой Никита Владиславович, студент Луц Альфия Расимовна, к.т.н., доцент Самарский государственный технический университет,
г.Самара, Россия
В данной работе приведены результаты исследования влияния углеродного волокна на протекание процесса самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в расплаве, а также структуру композиционного сплава на основе А1.
Ключевые слова: алюминий, самораспространяющийся высокотемпературный синтез, карбид титана, углеродное волокно, композиционные сплавы.
В настоящее время существует возрастающий интерес по отношению к армированным карбидом титана композиционным материалам на основе алюминия (АМКМ) [1-12]. Это связано с тем, что они обладают рядом свойств, которые делают их перспективными для использования в авиастроении, автомобилестроения и так далее. Однако, АМКМ не производятся массово по ряду причин. Одной из них является незавершенность научно-технических основ получения подобных материалов.
Метод самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) помог добиться значительных успехов в производстве АМКМ [13-18]. Одним из наиболее перспективных для применения оказался композит сплава Al-TiC, обладающий высокими коррозионными свойствами, демпферной способностью, значительными механическими свойствами. Несмотря на это, вопрос влияния углерода и его различных форм в составе СВС-шихты на структуру и свойства сплава Al-TiC по-прежнему остается открытым. Ранее, в рамках проекта РФФИ было изучено влияние таких форм углерода, как технической сажи марок Т-900, П-701, коллоидного графита марки С2 и активированного угля [19]. Оптимальным было принято применение П-701.
В данном исследовании изучено влияние на процесс СВС совершенно иного вида формы углерода - волокнистого углеродного материала или уг-леткани. Выбор углеродной ткани обусловлен тем, что сажа, как правило, забивает поры частиц титана. В дальнейшем это препятствует его вступлению в реакцию СВС.
Решено было провести эксперименты при следующих условиях. Во-первых, было принято решение использовать углеткань, как единственный источник углерода в шихте, предварительно измельчив ее. Во-вторых, добавлять в шихту галоидную соль Na2TiF6, с целью удаления оксидов и уве-
личения реакционной способности материала [20]. Опираясь на опыт предыдущих работ [19], оптимальным количеством Na2TiF6 к использованию решено взять 1% и 5% от массы шихты. Измельчение углеродного волокна проводилось в шаровой мельнице в течении 45 минут. На рисунках ниже представлены фотографии углеродного волокна после 15, 30 и 45 минут измельчения (рис. 1 а, б, в).
в)
Рисунок 1 — Углеродного волокно после измельчения: а) в течении 15 минут; б) в течении 30 минут; в) в течении 45 минут
Методика проведения экспериментов выглядит следующим образом: подготавливалась шихта из порошков ^ (ТПП-7), C (измельченная углеродное волокно), галоидной соли Na2TiF6 (в количестве 1 и 5% от массы шихты). Готовую СВС-шихту дозировали в виде брикетов из алюминиевой фольги толщиной 50-100 мкм, которые поочередно вводились в алюминиевый расплав. В качестве матричного расплава использовался алюминий А7. Нагрев алюминия осуществлялся до 900 °С, после чего в него погружались брикеты с шихтой и выдерживались под зеркалом расплава до запуска реакции.
В первом опыте использовался 1% галоидной соли. Горение первого брикета шихты протекало монотонно. После загрузки второй навески было зафиксировано бурное искровыделение, что свидетельствовало о запуске СВС. По окончанию разливки образца в тигле осталось большее количество шлака. Полученный образец обладал некоторой хрупкостью. Его излом (рисунок 2) оказался блестящим с незначительным количеством углубле-
ний, что косвенно подтверждает усвоение лишь некоторой части продукта шихты. Микроструктура образца представлена на рисунке 3.
Рисунок 2 — Излом образца и использованием углеткани с добавлением
1% соли Na2TiF6
а) б)
Рисунок 3 — Микроструктура образца с применением углеткани и 1 %
а) при увеличении х20000; б) при увеличении х20000 с размерами зерен
Во втором опыте использовалось 5% галоидной соли. Реакция в расплаве протекало уверенна, сопровождаясь бурным выделением искр, в отличии от первого опыта. После разливки сплава в тигле осталось некоторое количество шлака. Полученный образец обладал незначительной хрупкостью, что свидетельствовало о частичном усвоении ^С. Его излом (рисунок 4) имел бледно-белый оттенок с большим количеством загрязнения. Микроструктура образца представлена на рисунке 5.
Рисунок 4 — Излом образца и использованием углеткани с добавлением 5% соли
№2^6
а) б)
Рисунок 5 — Микроструктура образца с применением углеткани
и 5 % N2^: а) при увеличении х2500; б) при увеличении х5000
В ходе экспериментов удалось достигнуть уверенного запуска реакции при использовании большего количества галоидной соли в составе шихты. Полного усвоения продукта шихты и его равномерного распределения по объему конечного сплава достигнуть не получилось. Излом второго образца был значительно загрязненым, по сравнению с первым. Размер частиц армирующей фазы в первом опыте варьирует в пределах от 122 до 414 нм, во втором опыте - от 1 мкм.
Исследования об использовании углеродного волокна в качестве источника углерода в шихте продемонстрировал невозможность его применения для СВС в алюмоматричных композиционных сплавах. Замена других источников углерода на углеродное волокно ухудшает возможность инициирования реакции синтеза, в том числе при добавке галоидной соли Na2TiF6 в состав шихты. Помимо этого, углеткань очень плохо усваивается матричным расплавом в процесса синтеза, из-за чего большая часть шихты выпадает в шлак или усваивается не полностью, образуя загрязнения. Стоит также подчеркнуть, что углеродное волокно не способствует уменьшению размера частиц усвоенной армирующей фазы. На основании проведенных исследований не рекомендуется использовать углеродное волокно в качестве источника углерода для СВС композиционных сплавов на основе алюминия.
Список литературы
1. Белов Н. А. Фазовый состав промышленных и перспективных алюминиевых сплавов: моногр. - М.: Изд. дом МИСиС, 2010. - 511 с.
2. Хрусталев, А.П. Структура и физико-механические свойства литых композитов на основе алюминия, упрочненных наночастицами детонационных алмазов [Текст] / А.П. Хрусталев, С.А. Ворожцов, С.Н. Кульков //Мат всерос. конф. молод. ученых «Наука. Технологии. Инновации», г. Новосибирск, ч.4, С. 219-222, 21-24 ноября 2013 г.
3. Прусов Е.С., Панфилов А.А., Кечин В.А. Перспективы применения алюмоматричных композиционных сплавов в машиностроении // Литейщик России. - 2012. - №9. - С.16 - 19.
4. Яковлев, А. А. Исследование и разработка технологии получения слитков алюминиевых сплавов системы Л1-Си-Мп-2г-8е с целью изготовления из них деформирован-
ных полуфабрикатов без использования операций гомогенизации и закалки: Автореф. дис. ... канд. техн. наук [Текст] / А. А. Яковлев // М.: МИСиС, 2015. - 24 с.
5. Mohamed M.El-Sayed Seleman. Microstructure and mechanical properties of hot extruded 6016 aluminum alloy/graphite composites / Mohamed M.El-Sayed Seleman, Mohamed M.Z. Ahmed, Sabbah Ataya // Journal of Materials Science & Technology. — 2018. — Vol 34, № 9, p. 1580-1591.
6. J.Joel. Aluminium Alloy Composites and its Machinability studies; A Review / J.Joel, M.Anthony Xavior // Materials today: Proceedings. — 2018. — Vol 5, № 5, p. 13556-13562.
7. Vladimir A. Popov. In situ synthesis of TiC nano-reinforcements in aluminum matrix composites during mechanical alloying / Vladimir A. Popov, Manfred Burghammer, Martin Rosenthal, Anton Kotov // Composites Part B: Engineering. — 2018. — Vol 145, p. 57-61.
8. Jin et al.: Self-propagating high-temperature synthesis of nano-TiCx particles with different shapes by using carbon nano-tube as C source. / Shenbao Jhin, Ping Shen, Dongshuai Zhou, Qichuan Jiang / Nanoscale Research Letters, 2011. 6:515.
9. Song M.S., Huang B., Zhang M.X., Li J.G. Study of formation behavior of TiC ceramic obtained by self-propagating high-temperature synthesis from Ai-Ti-C elemental powders // Int. J. Refractory Met. Hard. Mater. 2009. Vol. 27. - pp.584-589.
10. Lecatou A., Karantzalis A.E., Evangelou A. Aluminum reinforced by WC and TiC na-noparticles (in-situ): Microstructure, wear and corrosion behavior // Mat. & Design. 2014. Vol. 65. pp. 1121-1135.
11. Casatti R, Vedani R. Metall Matrix Composites Reinforced by Nano-Particles - A Review// Metals, 2014. № 4. Р. 65-83.
12. Fallahdoost H., Nouri A., Azimi A. Dual Functions of TiC nanoparticles on tribological performance of Al/grafite composites // J. of Physics and Chemistry of Solids. 2016. Vol. 93. pp.137-144.
13. Амосов, А.П. Научно-технические основы применения процессов СВС для создания литых алюмоматричных композиционных сплавов, дискретно армированных на-норазмерными керамическими частицами. А.П. Амосов, В.И. Никитин, К.В. Никитин, С.А. Рязанов, А.А. Ермошкин [Текст]/ Наукоемкие технологии в машиностроении. -2013, №8 (26). - С. 3-9.
14. Кандалова Е.Г. Разработка технологии получения модифицирующих лигатур Al-Ti и Al-Ti-B на основе процесса СВС / Диссертация на соиск. уч. степени кандидата наук. - Самара. -2000. - 190 с.
15. Луц, А.Р. О возможности ввода легирующей добавки порошкового марганца в состав матричных основ Al и Al-Cu [Текст] / А.Р. Луц, М.К. Ионов, А.Д. Рыбаков // Металлургия машиностроения. - 2017. - № 4. - С. 27-29.
16. Макаренко, А.Г. Термодинамический анализ процесса СВС при получении композиционных алюминиевых сплавов / А. Г. Макаренко, В. И. Никитин, Е. Г. Кандалова // Литейное производство. — 1999. — №1. — С. 38-39.
17. Алюмоматричные композиты, армированные наночастицами AlN марки СВС-Аз [Текст] / Ю.В. Титова, А.П. Амосов, Д.А. Майдан и др. // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. — 2017. № 3. — С. 523-528.
18. Амосов, А.П. Применение процессов CВC для получения in situ алюмоматрич-ных композиционных материалов, дискретно армированных наноразмерными частицами карбида титана / А.П. Амосов, А.Р. Луц, Е.И. Латухин, А.А. Ермошкин // Известия вузов. Цветная металлургия. — 2016. — No 1. — С. 39-49.
19. Луц, А.Р. Влияние различных форм углерода на структуру композиционного сплава системы Al-Cu-Mn-TiC [Текст] / А.Р. Луц, А.Д. Рыбаков // Современные материалы, техника и технологии. - 2017. - № 6(14). - С. 72-76.
20. Ермошкин А.А. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез литых алюмоматричных композиционных материалов, армированных наночастицами карбида титана / Автореф. дис. канд. техн. наук: 01.04.17 - Самара: СамГТУ, 2015. - 17 с.
Luts Alfiya Rasimovna, Associate Professor (e-mail: alya_luts@mail.ru)
Samara State Technical University, Samara, Russia
Rybakov Anton Dmitrievich, Graduate Student
(e-mail: antonsamgtu@yandex.ru)
Samara State Technical University, Samara, Russia
Yarovoi Nikita Vladislavovich, Student
(e-mail: nikita050698@mail.ru)
Samara State Technical University, Samara, Russia
INFLUENCE OF CARBON FIBER ON SHS-REACTION IN ALUMINUM MELT Abstract. This article describes carbon fiber influence on self-propagating high-temperature synthesis in aluminum melt and structure of resulting aluminum alloy. Keywords: aluminum, self-propagating high-temperature synthesis, titanium carbide, carbon fiber, composite alloys.
