CC BY
9
УДК 669
ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ КОЛИЧЕСТВА МЕДИ
НА ФАЗОВЫЙ СОСТАВ И ТВЕРДОСТЬ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ Al-TiC, ПОЛУЧАЕМЫХ МЕТОДОМ СВС Луц Альфия Расимовна, к.т.н., доцент
(e-mail: alya_luts@mail.ru) Шипилов Сергей Игоревич, аспирант (e-mail: vtormetsama@mail.ru) Сотников Андрей Федорович, магистрант (e-mail: a.sotnikof@yandex.ru) Самарский государственный технический университет, г.Самара, Россия
В работе показано влияние ввода разного количества меди на элементный и фазовый состав и твердость композиционного материала Al-10 масс.% TiC. Выявлено, что оптимальной является добавка 3,5 масс. % меди, в присутствии которой формируется целевой фазовый состав (фазы Al, TiC Al2Cu), а также отмечается максимальное значение твердости.
Ключевые слова: самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС), алюминиевые сплавы, керамическая фаза, карбид титана, медь.
В предыдущих исследованиях было показано, что введение меди в состав композиционного материала Al-10%TiC, полученного методом СВС, оказывает существенное влияние на размер и характер распределения армирующей фазы карбида титана [1,2]. Также был сделан вывод о том, что из диапазона 2,5-7 масс.%, наиболее благоприятная микроструктура формируется при добавлении 3,5 масс.% Cu.
В данной работе была поставлена цель изучить влияние добавок меди на элементный и фазовый состав, а также твердость получаемых композиционных материалов системы Al-10%TiC.
Первоначально все образцы были изучены посредством метода микро-рентгеноспектрального анализа (МРСА) с целью уточнения химического состава композиционных материалов (рис. 1). Исследования велись на растровом электронном микроскопе Jeol JSM-6390A с использованием приставки Jeol JED-2200. Во всех образцах было зафиксировано наличие меди, что свидетельствует о возможности ее усвоения при введении в любом количестве.
Рисунок 1 - МРСА образцов: а - Л1-2,5%Си-10%Т1С; б - Л1-3,5%Си-10%Т1С; Л1-5%Си-10%Т1С; Л1-7%Си-10%ТЮ
а
б
в
_ _ _ 00-032-1383 01-071-4625 : А1птп 1 пиш[А1птп1 пиш, зуп] /А1 Т1Ъап±ит СагЫйе [ КЬапгаЬаеуН^е, эуп@110пд<1и±1"Ье]/Т± С 00-002-1309 : А1шп±пшп Соррег/А12 Си
_ _ - л—М 1 ,1 1
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 80.О
г
Рисунок 2 - РФА образцов: а - А1-5%Си; б - А1-10%Т1С; в - А1-2,5%Си-10%Т1С; г - А1-3,5%Си-10%ТЮ
Далее был исследован фазовый состав полученных образцов с применением рентгенофазового анализа (РФА). Съемка рентгеновских спектров велась на автоматизированном дифрактометре марки ARL X'trA (Thermo Scientific) с использованием Cu-излучения при непрерывном сканировании в интервале углов 20 от 20 до 80 град со скоростью 2 град/мин. Полученные результаты представлены на рис. 2.
Для сравнения сначала приведены рентгенограммы исходных образцов Al-5%Cu и Al-10%TiC. Подтверждено, что при вводе меди образуется фаза Al2Cu (рис. 2, а). Особо надо отметить, что в отсутствие меди формируется не только целевая фаза TiC, но и нежелательная хрупкая фаза Al3Ti (2, б). Полученные результаты РФА образцов композиционного материала с медью также отличаются фазовым составом. Рентгенограмма образца с 2,5% Cu содержит только фазы Al и TiC (рис. 2, в), тогда как проведенный ранее МРСА (рис. 1, а) показал наличие меди. Очевидно, это связано с тем, что в связи с незначительным количеством меди, она вся входит в состав твердого раствора и практически не выделяется в виде фазы Al2Cu. Рентгенограммы образцов композитов с 3,5-7 масс. %Cu показывают одинаковый фазовый состав - Al, TiC и Al2Cu (рис. 2, г), и отличаются лишь интенсивностью пиков медесодержащей фазы. Важным фактом является то, что в присутствии меди не отмечается формирование интерметаллидов Al3Ti, способствующих снижению прочностных свойств композиционного материала. Таким образом, по результатам проведения МРСА и РФА, оптимальный фазовый состав получен в сплавах Al-(3,5-7) масс. %Cu-10%TiC.
В заключение на полученных образцах было произведено исследование твердости (табл. 1). Испытания проводили на конусном твердомере ТК-2М (Шкала В, для шарика 0 1,588 мм, нагрузка 100 кгс). В ходе расчетов проводилась статистическая обработка результатов с определением следующих величин:
1. Среднее значение: x = (¿x)/n , где
Xx - сумма всех значений твёрдости; n - количество измерений.
2. Стандартное отклонение: а = V((X(xi - x)2)/n)
3. Предел погрешности: Za/2 * а/Vn, где
a - доверительный уровень, равный 99%
4. Доверительный интервал: x ± Za/2 * а/Vn
Результаты измерения показали, что формирование карбида титана без меди значительно снижает твердость, что может быть связано со значительной пористостью композита. Присутствие меди снижает этот негативный эффект.
Таблица 1 - Статистическая обработка полученных значений твердости
Среднее Стандарт- Предел по- Доверитель-
значение ное откло- грешности ный интер-
твердости, НЯВ нение вал
Al-10%TiC 13 0,57 0,85 13±0,85
Al-5%Cu 88 2,45 3,64 88±3,64
Al-10%TiC- 94 4,2 6,27 94±6,27
2,5%Cu
Al-10%TiC- 93 3,32 4,95 93±4,95
3,5%Cu
Al-10%TiC-5%Cu 21 1 1,49 21±1,49
Al-10%TiC-7%Cu 26 2,08 3,09 26±3,09
Введение шихты из порошков титана и углерода вместе с медью сначала повышает твёрдость, а потом снижает. Оптимальные значения твердости получены при добавлении 2,5% и 3,5 масс.% меди в шихту, что может быть связано с формированием наноразмерных частиц карбидной фазы в этих двух случаях.
Принимая во внимание все проведенные исследования - изучение микроструктуры, данные МРСА, РФА и измерение значений твердости, для практического применения рекомендуется композиционный материал состава
Al-3,5%Cu-10%TiC.
Список литературы
1. Ермошкин А. А. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез литых алюмоматричных композиционных материалов, армированных наночастицами карбида титана [Текст]: дисс. ...канд. техн. наук.- Самара.- 2015.- 243 с.
2. Луц А.Р. СВС композиционных сплавов, армированных нанодисперсными частицами карбида титана, на основе модельного сплава Al-5%Cu // В сб. «Высокие технологии в машиностроении»: материалы Всерос. науч.- техн. интернет-конф. / Отв. редактор В.Н. Трусов. - Самара: Самар.гос. техн. ун-т, 2015. - 255 с.: ил.
Luts Alfiya Rasimovna, Cand. Tech. Sci., associate professor
Shipilov Sergey Igorevich, PhD student
Sotnikov Andrey Fedorovich, student
(e-mail: a.sotnikof@yandex.ru)
Samara state technical University, Samara, Russia
STUDY OF THE INFLUENCE OF THE AMOUNT OF COPPER ON THE PHASE COMPOSITION AND HARDNESS OF COMPOSITE MATERIALS Al-TiC OBTAINED BY THE SHS METHOD
Abstract. The paper shows the effect of entering different amounts of copper on the elemental and phase composition and hardness of the composite material Al-10 mass.% TiC. It was found that the optimal additive is 3.5 wt. % of copper, in the presence of which the target phase composition is formed (phases Al, TiC Al2Cu), and the maximum value of hardness is noted.
Keywords: self-propagating high-temperature synthesis (SHS), aluminum alloys, ceramic phase, titanium carbide, copper.
