CC BY
24
УДК 536.74
О ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ УГЛЕРОДНЫХ ФОРМ ДЛЯ СИНТЕЗА КАРБИДА ТИТАНА МЕТОДОМ СВС В РАСПЛАВЕ АЛЮМИНИЯ Луц Альфия Расимовна, к.т.н., доцент
(e-mail: [email protected]) Рыбаков Антон Дмитриевич, аспирант (e-mail: [email protected]) Самарский государственный технический университет, г.Самара, Россия
В представленной работе приводится состояние вопроса относительно получения карбида титана в составе алюминия и его сплавов, а также анализируется возможность применения различных углеродных форм для синтеза композиционных материалов системы Al-TiC.
Ключевые слова: самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС), алюминиевые сплавы, керамическая фаза, карбид титана.
Алюмоматричные композиционные материалы, дискретно упрочненные тугоплавкими керамическими частицами, представляют собой уникальные материалы с повышенными характеристиками удельной прочности, высокой демпфирующей способностью, износостойкостью и т.д. [1]. Однако широкое применение алюмоматричных композитов сдерживается целым рядом нерешенных проблем, главная из которых - недостаточный уровень прочностных свойств, особенно при высоких температурах. Для ее устранения необходимо увеличивать равномерность распределения армирующих частиц по объему сплава, степень смачиваемости алюминием и т.д. [2,3]. Но значительно более перспективным выглядит другое направление повышения механических характеристик композиционных материалов -увеличение дисперсности армирующих частиц. В связи с этим в последние годы актуальным стало получение композитов с наноразмерными частицами армирующей фазы. В работах [4,5] приводятся самые распространенные тугоплавкие керамические соединения, используемые для формирования наноразмерной упрочняющей фазы: оксиды (Al2O3, Y2O3), карбиды (SiC, НС), нитриды (Si3N4, AlN), гидриды (TiH2) и бориды (TiB2). В исследовании [6], например, показано, что введение в алюминиевый расплав только 1% наноразмерных частиц Al2O3 приводит к такому же повышению механических свойств, что и при внедрении 10% частиц SiC размером 13 мкм. Такое значительное увеличение прочностных свойств наноструктур-ных композитов теоретически объяснено рядом исследователей [7,8] и возникает по следующим причинам: распределение нагрузки между пластичной матрицей и твердыми частицами; упрочнение Петча-Холла; действие механизма Орована; несовпадение коэффициента термического расширения и модуля упругости между упрочняющими частицами и материа-
лом матрицы во время охлаждения материала; совокупным действием всех этих механизмов.
Существенное влияние на механические свойства наноструктурных композитов оказывают также способы их получения, которые подразделяют на твердо- и жидкофазные [9, 10]. К первой группе относятся методы механического легирования в высокоэнергетических размольных агрегатах, трения с перемешиванием поверхностных слоев, порошковой металлургии, диффузионной сварки. Жидкофазные методы общепризнаны значительно более доступными, так как позволяют использовать традиционное оборудование литейного производства [11, 12]. В этом случае соединение компонентов может производиться как введением приготовленных отдельно армирующих частиц в матричный расплав (ех-БЙи), так и за счет проведения химической реакции синтеза армирующей фазы непосредственно в расплаве (т-БЙи). Самый распространенный ех-БЙи метод - метод механического замешивания дисперсных частиц в расплав - осложняется плохой смачиваемостью вводимых наночастиц и их склонностью к агломерированию [13, 14]. В случае т-БЙи методов обеспечивается высокая термодинамическая стабильность, более плотный контакт и прочное сцепление между образующимися фазами композиционного сплава [15]. К числу преимуществ методов т-БЙи также следует отнести возможность получения композиционных материалов с высоким содержанием армирующей фазы - вплоть до 20 масс. % [16]. Из методов т-БЙи наиболее перспективной является технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) керамических соединений, реализуемая за счет протекания экзотермической реакции между исходными реагентами [17-21].
В результате систематических исследований ученых СамГТУ, касающихся возможности применения процесса СВС для получения т-БЙи алю-моматричных материалов, было выявлено, что наиболее перспективным направлением является получение композиционных материалов системы А1-ТЮ [22, 23]. Принимая во внимание высокую прочность, твердость и модуль упругости фазы карбида титана, становится очевидным, что композиты системы А1-ТЮ могут иметь комплекс свойств, превосходящий все другие дисперсно армированные системы на алюминиевой матрице [24]. Первоначальные исследования в СамГТУ по получению композиционного материала А1-ТЮ показали, что использование стехиометрической смеси порошков титана (марки ТПП-7) и углерода (сажи марки П-701) позволяет реализовать процесс СВС в расплаве алюминия с температурой 900°С для получения композиционного сплава А1-ТЮ с массовой долей до 20% армирующей фазы в виде большого количества частиц ТЮ размером от 2 мкм [16, 25]. Сплав с содержанием 10% ТЮ показал наилучшее сочетание механических свойств, поэтому дальнейшие исследования проводились в направлении увеличения дисперсности армирующей фазы карбида титана в составе композита А1-10%ТЮ. Полученные далее результаты показали, что замещение 10-30% элементного титана в составе СВС-шихты на гало-
идную соль Na2TiF6 позволяет синтезировать частицы карбида титана размером 100-400 нм, т.е. достичь уровня ультра- и нанодисперсной армирующей фазы в этом композите [26]. Присутствие высокодисперсной керамической фазы TiC приводит к повышению как коррозионной стойкости (до 4 раз), так и механических свойств (предела прочности более чем в 2,5 раза и твердости более чем в 3 раза) по сравнению с исходным матричным алюминием [27].
Однако, несмотря на получение наноструктурных СВС-композитов Al-10%TiC, остались не до конца решенными такие вопросы как надежность инициирования СВС-реакции в расплаве алюминия, полнота протекания СВС-реакции, однородность распределения наночастиц TiC по объему, повышенная пористость конечного композита [28]. Решить данные проблемы возможно за счет использования новых форм углерода при СВС частиц карбида титана в расплаве алюминия.
В последнее время на рынке появилось большое количество новых наименований углеродных форм, которые активно применяются для создания новых материалов: алмазные производные (природные алмазы, лон-сдейлит, искусственные алмазы, детонационные алмазы), природный углерод (графит, антрацин, шунгит, уголь), углеродные наноматериалы (нанот-рубки, фуллерены, углеродные нити, нановолокна), углеродные материалы карбонизованные (пироуглерод, сажа, коксы, стеклоуглерод, углеродные волокна), углеродные материалы графитизированные (пирографит, графи-тированный кокс, искусственный графит) [29]. В работе [30], например, показано, что использование всего 0,05 масс. % УНТ в качестве наполнителя для алюминиевой матрицы приводит к увеличению прочности на 8% и относительного удлинения на 27%.
Уже известны работы по СВС фазы карбида титана в расплаве алюминия с применением различным форм углерода. В работе [31] в расплав алюминия, содержащий 5%Cu, 0,45%Mn, 0,3%Ti, 0,2%Cd, 0,2%V, 0,15%Zr, 0,04%B вводили компоненты экзотермической шихты (алюминий, титан, УНТ) в количестве 0,1-1 масс.%. Показано, что синтез 0,5 масс. % нано-размерных частиц TiC приводит к увеличению прочности матричного композита до 540 МПа и относительного удлинения до 19,0%, что соответствует увеличению на 11,08% и 187,9% соответственно по сравнению с матричным сплавом Al-Cu (485 МПа и 6,6%). В другой работе, также китайские ученые [32] в матричный сплав того же состава вводили смесь порошков алюминия, титана, УНТ и черного графита для формирования методом СВС нано- и микрочастиц карбида титана. Выявлено, что сопротивление износу композита с 0,5 масс. % наночастиц TiC при 180°С под нагрузкой 20 Н стало на 83,5% выше, чем у матричного сплава, и на 16,5% выше, чем у сплава с 5 масс. % микрочастиц TiC. Следует отметить, что в последних двух работах доля синтезированной нанофазы TiC не превышает 0,5 масс.%, в то время как в работах ученых СамГТУ уже показана возможность синтеза наноструктурного композита с 10 масс.% TiC.
На основании приведенных данных становится очевидной перспективность применения различных углеродных форм для синтеза алюмоматрич-ных композиционных материалов системы Al-10%TiC методом СВС, чему и планируется посвятить дальнейшие исследования.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ по проекту № 19-38-90032\19.
Список литературы
1. Панфилов А.В. Современное состояние и перспективы развития литых дискретно-армированных алюмоматричных композиционных материалов // Литейщик России. 2008. №7. С. 23-28
2. Kennedy A.R., Wyatt S.M. Characterizing particle-matrix interfacial bonding in particulate Al-TiC MMCs produced by different methods // Composites. Part A. 2001. Vol. 32. № 3-4. P. 555-559
3. Батаев А.А., Батаев В.А. Композиционные материалы: строение, получение, применение. Новосибирск:: НГТУ, 2002.- 384 с.
4. Casati R., Vedani M. Metal Matrix Composites Reinforced by Nano-Particles - A Review // Metals. 2014. No. 4. P. 65-83
5. Прусов Е.С., Панфилов А.А., Кечин В.А. Влияние условий плавки и литья алюмоматричных нанокомпозитов на структуру литых заготовок / Литейщик России, 2017. - №4. - С.10-16
6. Tjong S. Ch. Novel Nanoparticle-Reinforced Metal Matrix Composites with Enhanced Mechanical Properties // Adv. Eng. Mater. 2007. Vol.9, № 8. Р.639-652
7. Sanaty-Zadeh A. Comparison between current models for the strength of particulate-reinforced metal matrix nanocomposites with emphasis on consideration of Hall-Petch effect // Mater. Sci. & Eng. A. Vol. 531, №1. 2012. Р. 112-118
8. Zhang Z., Chen D.L. Contribution of Orowan strengthening effect in particulate-reinforced metal matrix nanocomposites // Mater. Sci. & Eng. A 483, 15 June 2008. Р. 148152
9. Karl U. Kainer. Metal Matrix Composites. Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, 2006
10. Rana R.S., Purohit R., Das S. Review of recent studies in Al matrix composites // Int. J. of Sci. & Eng. Research. 2012. Vol. 3. № 6. P. 1-16
11. Панфилов А.В., прусов Е.С. О получении и свойствах комплексно-армированных композиционных материалов с алюминиевой матрицей // Литейное производство, 2008. - №8. - С. 2-6
12. Pramod S.L. Aluminum - based cast in-situ composites: a review / S.L. Pramod, Srinivisa R. Bakshi, B.S. Murty / J. of materials Eng. And Perfomance, 2015. - 24(6). - p. 2185-2207
13. Витязь П. А., Ловшенко Ф.Г. Механически легированные сплавы на основе алюминия и меди // Минск: Беларуская навука, 1998. - 351 с.
14. Крушенко Г.Г. Средства и технологии увеличения содержания нанопорошков в алюминиевых модифицирующих прутках // Нанотехника. 2011. № 3. С.55-64
15. Song I.H., Kim D.K., Hahn Y.D., Kim H.D. Synthesis of in-situ TiC-Al composite by dipping exothermic reaction process // Metals and Mater. Int. 2004. Vol. 10. № 3. P. 301-306
16. Луц А.Р., Макаренко А.Г. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез алюминиевых сплавов // М.: Машиностроение. - 2008. - 175 с.
17. Амосов А.П., Боровинская И.П., Мержанов А.Г. Порошковая технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза материалов // М.: Машиностроение-!. 2007. - 567 с.
18. Левашов Е.А., Рогачев А.С., Курбаткина В.В. и др. Перспективные материалы и технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза // М.: МИСИС, 2011. - 377 с.
19. Levashov E.A., Mukasyan A.S., Rogachev A.S., Shtansky D.V. Self-propagating high-temperature synthesis of advanced materials and coatings // International Materials Reviews. 2016. DOI: 10.1080/09506608.2016.1243291.
20. Nikitin V.I., Chmelevskich A.I. et al. SHS-usage for aluminum master alloy production with high modification property // First Int. Symp. on Self-Propagating High-Temperature Synthesis (23-28 September, 1991, Alma-Ata): Abstracts Book, p. 198.
21. Nikitin V.I, Amosov A.P. et al. Research and Production of SHS Master Alloy for Manufacture Aluminum Alloys // Int. J. of Self-Propagating High-Temperature Synthesis. 1995. Vol. 4, № 1. P. 105-112.
22. 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.
23. Курдюмов А.В., Пикунов М.В., Чурсин В.М., Бибиков В.Л. Производство отливок из сплавов цветных металлов. Изд. 2-е. М.: МИСИС, 1996. - 504 с.
24. Михеев Р.С., Чернышова Т.А. Дискретно армированные композиционные материалы системы Al-TiC // Загот. пр-ва в машиностр. 2008. №11. С. 44-53
25. Peijie Li, Kandalova E.G., Nikitin V.I., Makarenko A.G., Luts A.R., Yanfei Zh. Preparation of Al-TiC composites by self-propagating high-temperature synthesis // Scripta Mater. 2003. Vol. 49. № 7. P. 699-703
26. Луц А.Р., Амосов А.П. и др. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез высокодисперсной фазы карбида титана из смесей порошков в расплаве алюминия // Изв. ВУЗов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2013. № 3. С. 28-35
27. Амосов А.П., Луц А.Р. и др. Применение процессов СВС для получения in-situ алюмоматричных композиционных материалов, дискретно армированных наноразмер-ными керамическими частицами: обзор // Изв. Вузов. Цветная металлургия. 2016. -№1.- С. 39-49
28. Боровинская И.П., Вишнякова Г.А. и др. О возможности получения композиционных материалов в режиме горения // Под ред. А.Г. Мержанова. Черноголовка: ОИХФАН СССР, 1975. С. 141-149
29. Углеродные материалы. Свойства, технологии, применения: Уч. пособие / С.Н. Колокольцев - Долгопрудный: Интеллект. 2012. - 296 с.
30. Qianqian Li., Christian A., Rottmair Li. CNT reinforced light metal composites produced by melt stirring and high pressure die casting // Composite Science and Technology, 2010. - №70. - р. 2242-2247
31. 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
32. Wei-Si Tian, Qing-Long Zhao, Chuan-Jiang Zhao, Feng Qiu, Qi-Chuan Jiang. The Dry Sliding Wear Properties of Nano-Sized TiCp/Al-Cu Composites at Elevated Temperatures / Materials, 2017. - №, 10, р. 939
Luts Alfiya Rasimovna, Cand. Tech. Sci., associate professor
(e-mail: [email protected])
Samara state technical university, Samara, Russia
Rybakov Anton Dmitrievich, PhD student
Samara state technical University, Samara, Russia
ON THE POSSIBILITY OF USING DIFFERENT CARBON FORMS FOR THE SYNTHESIS OF TITANIUM CARBIDE BY SHS METHOD IN ALUMINUM MELT Abstract. The paper presents the state of the question regarding the synthesis of titanium carbide in the composition of aluminum and its alloys, as well as analyzes the possibility of using different carbon forms for the synthesis of composite materials of the Al-TiC system. Keywords: self-propagating high-temperature synthesis (SHS), aluminum alloys, ceramic phase, titanium carbide.
УДК 536.74
ВЛИЯНИЕ ДВУХСТУПЕНЧАТОЙ ЗАКАЛКИ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА (Al-5%Cu-2%Mn)-10%TiC Луц Альфия Расимовна, к.т.н., доцент
(e-mail: [email protected]) Рыбаков Антон Дмитриевич, аспирант (e-mail: [email protected]) Самарский государственный технический университет, г.Самара, Россия
В работе обосновывается необходимость проведения термической обработки алюмоматричных композиционных материалов с легирующими добавками. Приводится анализ структуры и механических свойств легированного композиционного материала (Al-5%Cu-2%Mn)-10%TiC после проведения двухступенчатой закалки.
Ключевые слова: композиционные материалы, керамическая фаза, карбид титана, термическая обработка.
Разработка алюмоматричных композиционных материалов является одним из приоритетных направлений современной науки. Для армирования алюминиевой матрицы наиболее перспективными считаются карбиды, и, в частности, карбид титана, обладающий высокими показателями твердости, теплостойкости и модуля упругости [1]. В настоящее время усилия исследователей направлены на изучение возможности повышения прочностных свойств композитов за счет легирования матричной алюминиевой основы. Например, в работе [2] сообщается, что добавка Mg, Zn, Sn существенно улучшает механические свойства СВС-сплавов, полученных горячим прессованием. В частности, добавка 14% Mg позволяет увеличить прочность на сжатие композита Al-TiC сразу на 353 МПа. В литых композитах легирование также способно повышать смачиваемость карбидов за счет того, что легирующие элементы, например, титан или магний, будут сегрегировать на границе раздела, уменьшая ее энергию [3]. В исследовании [4], например, отмечается, что легирование алюминиевого матричного сплава 1%Mo позволяет существенно повысить смачиваемость и добиться равномерного распределения частиц карбида титана по объему композиционного материала. Но чаще всего в качестве легированной основы ис-
