Изучение влияния количества меди на микроструктуру композиционных материалов Al-TiC, получаемых методом СВС Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 669

ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ КОЛИЧЕСТВА МЕДИ НА МИКРОСТРУКТУРУ 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) Закамов Дмитрий Васильевич, к.т.н., доцент (e-mail: zeus65@mail.ru) Самарский государственный технический университет, г.Самара, Россия

В работе показано влияние ввода разного количества меди на микроструктуру композиционного материала Al-10 масс.% TiC. Выявлено, что оптимальной является добавка 3,5 масс. % меди, которая способствует повышению однородности распределения карбидной фазы по объему материала, а также увеличению дисперсности частиц карбида титана со 140-300 до 100-200 нм.

Ключевые слова: самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС), алюминиевые сплавы, керамическая фаза, карбид титана, медь.

Алюмоматричные композиты, дискретно упрочненные тугоплавкими керамическими частицами, являются уникальными материалами, используемыми во многих отраслях промышленности. За последние годы проведено немало исследований, в которых показана эффективность внедрения извне или формирования непосредственно в расплаве алюминия самых разнообразных керамических соединений - оксидов, боридов, нитридов, силицидов, карбидов и т.д. Существенная часть этих исследований посвящена получению композитов, упрочненных керамической фазой карбида титана, отличающихся значительными характеристиками удельной прочности, модуля упругости, износостойкости и т.д. [1]. Производство подобных композитов может производиться как твердофазными способами (механическое легирование, порошковая металлургия, диффузионная сварка и др.), так и жидкофазными (механическое замешивание, пропитка армирующего каркаса жидким расплавом, САМ-процесс др.).

Но в настоящее время разработана и активно применяется новая технология получения литых алюмоматричных композиционных материалов -самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС), который реализуется в процессе протекания химической экзотермической реакции взаимодействия между исходными порошковыми компонентами, в результате чего происходит образование тугоплавких соединений непосредственно в расплаве алюминия. В результате проведенных ранее исследований, была показана возможность применения метода СВС для получения

композиционного материала состава Al-10%TiC с керамической фазой на-но- и ультрадисперсных размеров, что позволило прочность его в литом состоянии более чем на 80% (со 115 до 200 МПа) [2]. Дальнейшее упрочнение полученного композита возможно за счет проведения легирования матричного алюминия с целью образования твердых растворов и вторичных фаз, присутствие которых совместно с мелкодисперсными частицами карбида титана, позволит достичь еще более значительного упрочнения. Как показал анализ опубликованных работ в данной области, положительный эффект на механические свойства композитов Al-TiC может оказывать кремний [3], молибден [4], марганец [5], магний, цинк и олово [6], но наиболее применяемым элементом является медь [7]. Данный факт объясняется тем, что присутствие меди способствует образованию твердого раствора, причем наиболее оптимальное ее количество для ввода в композиционный материал, согласно диаграмме состояния Al-Cu, составляет 4,55,3%. Помимо этого, присутствие меди может способствовать дисперсионному твердению, которое происходит после закалки в ходе старения. Процесс осуществляется в результате снижения растворимости меди в твердом растворе алюминия и сопровождается выделением мелкодисперсной фазы CuAl2, которая характеризуется высокой устойчивостью против коагуляции [8].

В данной работе была поставлена цель изучить влияние меди, вводимой в количестве 2,5-7 масс.%, на микроструктуру композиционного материала Al-10%TiC, полученного методом СВС.

В ходе экспериментального исследования использовались материалы: алюминий технический А7 (чистота 99,7%), порошок титана ТПП-7 (чистота 97,9%), углерод технический П-701 (чистота 99,7%), порошок меди ПМС-1 (чистота 99,5%), галоидная соль Na2TiF6 (массовая доля не менее 99,0%).

Шихтовую массу для самораспространяющегося синтеза составляли из порошков титана и углерода. Также в состав шихты добавлялся порошок меди в различных количествах с целью как легирования композита, так и в качестве инертного разбавителя, введенного с целью понижения температуры реакции СВС. Полученную смесь подвергали предварительной сушке и механической активации в шаровой мельнице в течение 1 часа при условии 105 об/мин. Далее шихта делилась на три части, каждая из которых подвергались прессованию с удельным усилием 25 МПа. Полученные прессованные «таблетки» вводились поочередно под зеркало расплава алюминия, нагретого до температуры 900°С.

После введения каждой порции шихты через 8-10 сек. следовала бурная СВС-реакция, о прохождении которой свидетельствовало активное бурление и выделение искр над поверхностью расплава. После окончания синтеза жидкий расплав перемешивался и заливался в стальную изложницу.

Шлифование и полирование в ходе изготовления шлифов для микроскопического анализа проводили на специализированной машине серии

ПОЛИЛАБ П12МА с применением алмазных суспензий с дисперсностью 6, 3 или 1 мкм.

Металлографический и микрорентгеноспектральный анализ (МРСА) осуществляли на растровом электронном микроскопе 1ео1 1БМ-6390А с использованием приставки 1ео1 ШБ-2200.

Первоначально были проведены экспериментальные работы по отдельному получению матричного сплава Л1-5%Си и композиционного материала Л1-10%ТЮ (рис. 1).

Результаты МРСА показали, что вводимые шихтовые компоненты были усвоены расплавом, с формированием, предположительно, эвтектической фазы СиЛ12 в первом случае (рис. 2, а), и частиц фазы карбида титана размером 140-300 нм во втором случае (рис. 2, б).

где Рисунок 1 - Микроструктура исходных образцов: а, б, в - Л1-5%Си; г, д, е - Л1-10%ТЮ

Анализ микроструктуры полученных образцов композиционного материала А1-(2,5-7%Си)-10%ТЮ (рис. 3) показал, что введение меди способствует более равномерному распределению карбидной фазы по объему сплава, а также увеличению ее дисперсности. Размер частиц ТЮ, как выяснилось в значительной мере зависит от количества введенной меди. Так, в сплавах с 2,5%Си размер ТЮ составил 100-280 нм; с 3,5%Си - 100-200 нм; с 5% и 7% Си - 120-400 нм. Данное явление связано, очевидно, с тем, что введение меди в шихту снижает температуру синтеза карбида титана и тем самым замедляет объединение мелких частиц карбида титана в крупные. Таким образом, на данной стадии исследования, оптимальным количеством меди для введения в СВС-шихту было признано 3,5 масс %.

имю -ихюо- >7000- щ*»- 1И04- 1Г ООО ■

1

1

1М*» - «ню-

■

з к ,

£

- да-0- _1 1 Т

к 1

-1-1-1-1-1-1-1-!-

4« 5.00

4

Ии''| К*«*^ ЕГ13-1 + Г,IГ^

*1 г с(. -1а с, (4 в:ьз(

4* Г. >..440 и.!: П-(4

{вй.йс ае-

~ и 1^1 кол

9 00 10.00

т.

сои-:

а

01*

16МИ ■ 1НМ6-

изи-!;»»-

«м-

7500-«И-4500 -

500а -

С-0

I

ч

■4.

<х>

-г—

:<ю

1

-И» «№ Ки

ЦИН! ( £ 11 »

II 1

Г-."::

К

- .461

а., е : ^

№«4

41. .11

1М.Н

■шЛ

)0.й4

К

41.5С14 К-И 5!

Рисунок 2 - МРСА образцов: а - А1-5%Си; б - А1-10%ТЮ

ж з

Рисунок 3 - Микроструктура композиционных материалов: а, б - А1- 2,5%Си-10%Т1С; в, г - А1- 3,5%Си-10%Т1С; д.е - А1- 5%Си-10%Т1С; ж, з - А1-7%Си-10%ТЮ

Список литературы

1. Pramod S.L. Aluminum - based cast in-situ composites: a review / S.L. Pramod, Srinivisa R. Bakshi, B.S. Murty / J. of materials Eng. аnd рerfomance, 2015. - 24 (6). - p. 2185-2207

2. Жидкофазные технологии получения композиционных материалов. Матрицы. Упрочнители: [учеб. пособие] /Л. А. Мальцева, В. А. Шарапова / Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2013. — 120 с.

3. Ding Hai-min, Liu Xiang-fa. Influence of Si on stability of TiC in Al melts / Trans. Nonferrous Met. Soc. China, 2011. - №21, р. 1465-1472

4. Wu Q. Effect of Mo addition on the microstructure and wear resistance of in situ TiC/Al composite/ Mat. & Design, 2011. - №32. - p. 4999-5003

5. Chen Z.W., Fan Q.Y., Zhao K. Microstructure and microhardness of nanostructured Al-4,6Cu-Mn-alloy ribbons / Int. Journal of Minerals, Metallurgy and Materials, 2015. - № 22 (8), р. 860-867

6. Shu S, Lu J, Qiu F, Xuan Q and Jiang Q. Effects of alloy elements (Mg, Zn, Sn) on the microstructures and compression properties of high-volume-fraction TiCx/Al composites / Scripta Materialia, 2010. - № 63. - р. 1209-11

7. Dongshuai Zhou, Feng Qiun, Qichuan Jiang. The nano-sized TiC particle reinforced Al-Cu matrix composite with superior tensile ductility // Mat. Sci. & Eng. 2015. A 622. Р. 189-193

8. Амосов А.П., Латухин Е.И., Луц А.Р., Титова Ю.В., Майдан Д.А. СВС алюмино-керамических композитов // Технологическое горение: коллективная монография / Под общей ред. С М. Алдошина и М.И. Алымова. М.: ИПХФ РАН и ИСМАН, 2018. C. 287315.

Luts Alfiya Rasimovna, Cand. Tech. Sci., associate professor

(e-mail: alya_luts@mail.ru)

Shipilov Sergey Igorevich, PhD student

Zakamov Dmitry Vasilievich, Cand. Tech. Sci., associate professor Samara state technical University, Samara, Russia

THE STUDY OF THE INFLUENCE OF COPPER ON MICROSTRUCTURE OF COMPOSITE MATERIALS Al-TiC OBTAINED BY THE SHS METHOD

Abstract. The paper shows the effect of entering different amounts of copper on the microstructure of the composite material Al-10 mass.% TiC. It was found that the optimal additive is 3.5 wt. % copper, which contributes to increasing the uniformity of the distribution of the carbide phase in the volume of the material, as well as increasing the dispersion of titanium carbide particles from 140-300 to 100-200 nm.

Keywords: self-propagating high-temperature synthesis (SHS), aluminum alloys, ceramic phase, titanium carbide, copper.