CC BY
98
УДК 669
ОБЗОР СПОСОБОВ IN-SITU ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ЛИТЫХ
АЛЮМОМАТРИЧНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ, УПРОЧНЕННЫХ КЕРАМИЧЕСКИМИ ЧАСТИЦАМИ Тимошкин Иван Юрьевич, к.т.н., доцент (e-mail: ivan-mns@mail.ru) Луц Михаил Михайлович, ученик (e-mail: luts_2003@mail.ru) Самарский государственный технический университет,
г. Самара, Россия
В статье приводится обзор патентных источников, касающихся последних разработок в области создания методами in-situ литейных алю-моматричных композиционных материалов, дискретно армированных керамическими частицами - карбидами и боридами.
Ключевые слова: алюминий, литейный композиционный материал, карбид, борид, шихта, флюс.
Композиционные материалы на алюминиевой основе, упрочненные тугоплавкими частицами, нашли широкое применение благодаря низкому удельному весу и оптимальному сочетанию комплекса механических и эксплуатационных свойств. Такие упрочненные сплавы широко используются в зарубежном автомобильном и авиационном двигателестроении. Их производство является активно развивающимся направлением промышленности, и все способы получения, по сути, можно объединить в три группы: твердо-жидкофазное компактирование (прессование, прокатка, экструзия); газотермическое напыление; литейные технологии (пропитка матричного каркаса, введение наполнителя извне, синтез наполнителя в составе расплава) [1-7].
Последняя группа методов - технологии, основанные на синтезе второй фазы в результате химического взаимодействия введенных в расплав компонентов (за рубежом получившая название in-situ) - характеризуется целым рядом преимуществ: доступное и сравнительно недорогое оборудование, короткий технологический цикл, высокая чистота и качество конечных сплавов. Наиболее перспективными для упрочнения алюминия являются растворимые в нем тугоплавкие высокомодульные фазы, не содержащие металла растворителя - бориды и карбиды переходных металлов [8].
Данная работа посвящена анализу последних патентных разработок по получению литейных композиционных материалов (ЛКМ), упрочненных дискретными керамическими частицами, и выполнена на основе открытых реестров ФГБУ «Федеральный институт промышленной собственности».
За основу можно принять способ приготовления литейного композиционного сплава алюминий-карбид титана с применением метода саморас-
пространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) (патент РФ №2448178) [9]. В нем поставленная цель достигается последовательным выполнением следующих технологических операций: плавление алюминия, введение в расплав алюминия порциями экзотермической смеси из порошков титана, углерода и флюса криолита в стехиометрическом соотношении с осуществлением после введения каждой порции СВС-реакции и кристаллизации множества керамических включений карбида титана с размером < 1-2 мкм и перемешивание расплава перед введением следующей порции экзотермической смеси, при этом получают сплав, содержащий 10% карбида титана. В зарубежном патенте (рatent Ш 20140219861 A1) [10], композит получают по аналогичной технологии. Однако в данном способе существенную трудность представляет введение порошков в расплав алюминия, поскольку введение их непосредственно в первоначальном состоянии неизбежно приводит к выгоранию на поверхности расплава части шихты и приводит к снижению количества образуемой целевой фазы. Решением этой проблемы стало искусственное гранулирование шихты с использованием связующего, выполняющего роль флюса, т.е. полученные гранулы вводятся в расплав в составе навесок из алюминиевой фольги (патент РФ № 2555321) [11].
Предлагается еще один подобный вариант: в расплав алюминия при температуре 750-800^ вводят 6 масс.% NaзAlF6, через промежуток времени не менее 10 минут в расплав вводят 5-6 масс.% модификатора (смесь порошков из 20 масс.% нанопорошка титана, 5 масс.% нанопо-рошка углерода, 75 масс.% NaзAlF6) при одновременной активации расплава в течение не менее 20 мин. Механическим перемешиванием и/или воздействием ультразвуковых колебаний частотой 10 кГц, и/или воздействием электромагнитного поля частотой 40 Гц. Обеспечивается повышение прочности и износостойкости дисперсно-упрочненных сплавов за счет образования т^Ш наночастиц карбида титана, равномерно распределенных в алюминиевой матрице (патент РФ № 2567779) [12].
Известен также способ получения ЛКМ, упрочненного карбидом титана, включающий введение в расплав алюминийсодержащей матрицы упрочняющих частиц. Процесс ведут путем подачи тетрахлорида титана и тетрахлорида углерода в молярном соотношении 1:1 на поверхность расплава матрицы из алюминиевого сплава, содержащего 40-60% магния, при непрерывном перемешивании, и по окончании процесса восстановления полученный продукт выдерживают в вакууме при температуре 650-750^ до получения материала, содержащего 5-8% магния (патент РФ №2120490) [13].
В патентах американских авторов (рatent EP 2526214 A2; раtent Ш 2013/0189151 A1) предлагается получать композиционный сплав Al-5%TiC путем добавки в расплавленный алюминий соли K2TiF6 и углерода [14, 15]. Главное отличие технологии состоит в том, что синтез производится в за-
щитной атмосфере аргона или азота. Но, несмотря на предложенные меры, в структуре сплава фиксируется небольшое количество фаз Т1Л13 и Л14С3. При этом, следует отметить, что, хотя в названии патентов заявлено о получении наноструктурированных ЛКМ, авторы не сообщают точный размер синтезированных частиц Т1С.
Лигатуры, содержащие карбид титана, по сути, также можно отнести к алюмоматричным композиционным сплавам. Интересен способ получения прутковой лигатуры алюминий-титан-бор (патент РФ № 2110597) [16], который предусматривает загрузку чушкового алюминия, его расплавление до температуры 770оС, и затем ввод бора из расчета получения в лигатуре содержания бора 1%. После введения и окончания реакции восстановления бора вводят губчатый титан из расчета получения в лигатуре 5%, затем расплав перемешивают для усреднения химического состава, снимают шлак и производят разливку. Недостатком способа является использование дополнительной операции прессования для получения прутка, неравномерность распределения боридов по сечению прутка.
Предлагается способ, в котором синтез упрочняющей керамической фазы (размером 2-100 нм) происходит из наноалмазных частиц и карбидообра-зующего элемента из ряда, включающего кремний, титан, хром и вольфрам (патент РФ № 2630159) [17]. Обеспечивается повышение механических характеристик композиционного материала.
В патентах последних лет также сообщается о создании сплавов, содержащих упрочняющую фазу диборида титана. Например, ЛКМ на основе алюминиевого сплава для изготовления циклически и термически нагруженных до 230°С деталей авиационного назначения (патент РФ № 2547988) [18]. Способ получения ЛКМ включает получение модифицированной лигатуры Л1-Т1-Б путем сухой механофрикционной обработки в размольно-смесительном устройстве крупнозернистого порошка или стружки лигатуры Л1-Т1-Б, выбранной из ряда Л1Т13Б1, Л1Т15Б02, Л1Т15Б06, Л1Т15Б1, введения в нее в заданном количестве дискретных керамических частиц оксида алюминия зернистостью 10-100 нм, перемешивания, брикетирования смеси посредством холодного изостатиче-ского прессования под давлением 200-400 МПа для достижения плотности свыше 60% от теоретической и введение полученных брикетов в расплав алюминиевого сплава системы A1-Cu-Mg-Ag, перегретый до 750-850°С. Термообработка включает гомогенизирующий отжиг при 450-500°С в течение 2-24 часов, нагрев до 510-520°С с выдержкой в течение 1-5 часов, закалку в воду и последующее искусственное старение при температуре 190-250°С в течение 2-10 часов. Конечный ЛКМ содержит армирующие дискретные керамические частицы оксида алюминия зернистостью 10-100 нм в количестве 0,2-10 об.% и диборида титана зернистостью 0,5-1,5 мкм в количестве 0,1-0,2 масс.%. На создание композиционного алюминиевого сплава с низким удельным весом и с высоким уровнем поглощения при нейтронном излучении направлено изобрете-
ние, в котором в состав алюминиевого расплава, содержащего 1-2 мас.% железа и 0,2-0,6 мас.% кремния, при температуре 900-1100°С вводят бор в виде борной кислоты и титан в виде стружки в соотношении, позволяющем получить в литой структуре частицы диборида титана в количестве от 4 до 8 мас.% (патент РФ № 2496899) [19].
В заключение следует отметить создание ЛКМ, в состав которого входит сложно построенная жаропрочная фаза с высокой электропроводностью, содержащая и углерод, и бор - C2Al3B48. Для его получения в расплав технического алюминия вводится лигатура Al-В, затем идет перемешивание в течение 5-10 мин, введение в расплав при температуре 980-1000°C алмазографитового наноразмерного порошка и выдерживание в течение 10-15 мин для протекания синтеза керамических дискретных частиц и их распределения в объеме расплава. В конце процесса проводится модифицирование расплава лигатурой Al-Sr и разливка при температуре 740-750°C. Авторами отмечается, что содержание углеродсодержащей боридной фазы C2Al3B48 в количестве 0,1-0,6 масс.% позволяет получать сплав, обладающий повышенной электропроводностью, прочностью и пластичностью, позволяющей подвергать композиционный материал холодной деформации и достигать высокой степени обжатия без промежуточных отжигов (патент РФ № 2516679) [20].
На основании приведенных данных, касающихся получения in-situ литых алюминиевых композиционных материалов, армированных керамическими частицами карбидов и боридов, можно сделать вывод о том, что разработка технологий их получения является актуальным направлением развития материаловедения, а сами ЛКМ демонстрируют широкие функциональные возможности, что еще раз подтверждает их перспективность.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ по проекту № 17-48-630695/18.
Список литературы
1. Батаев, А. А. Композиционные материалы: строение, получение, применение. А, А. Батаев, В. А. Батаев.- Новосибирск:: НГТУ, 2002.- 384 с.
2. Bernd Arthur Huchler. Pressure Infiltration Behaviour and Properties of Aluminium Alloy - Oxide Ceramic Preform Composites: A thesis submitted to the School of Metallurgy and Materials College of Engineering and Physical Sciences of The University of Birmingham for the degree of Doctor of Philosophy [Text]/ Bernd Arthur Huchler, 2009. - 248 р.
3. Metal Matrix Composites. Custom-made Materials for Automotive and Aerospace Engineering. Edited by Karl U. Kainer. Copyright © 2006 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim ISBN: 3-527-31360-5.
4. Sie Chin Tjong, Novel Nanoparticle-Reinforced Metal Matrix Composites with Enhanced Mechanical Properties/ Advanced Engineering Material, Vol.9, 8 (2007), pp.639-652.
5. Hartaj Singh, Sarabjit, Nrip Jit, Anand K Tyagi. An overview of metal matrix composite: processing and SiC based mechanical properties/ Journal of Engineering Research and Studies. - 2011. - Vol. II/ Issue IV/October-December. - pp.72-78;
6. Froyen L., Verlinden B. Aluminium Matrix Composites Materials/ European Aluminium Association: TALAT Lecture 1402. - 1994. - 28 p.
7. Surappa M. K. Aluminium matrix composites: Challenges and opportunities/ Sadhana. - Vol.28, Parts1&2, February/April 2003. - pp. 319-334;
8. Бабкин, В.Г. Литые металломатричные композиционные материалы электротехнического назначения / В.Г. Бабкин, Н.А. Терентьев, А.И. Перфильева // Журнал Сибирского федерального университета. 2014. Т. 7. №4. С. 416-423.
9. Патент РФ № 2448178. Способ получения литейного композиционного сплава алюминий-карбид титана / Амосов А.П., Луц А.Р., Орлов А.В., Герасимов И.О.// Опубл. 18.08.2009 г.
10. Patent US № 20140219861 А1. Method of producing particulate-reinforced composites and composites produced thereby / Qingyou Han Zhiwei Liu // Priority date 10.11.2010.
11. Патент РФ № 2555321. Метод получения литейного алюмоматричного композиционного сплава / Амосов А.П., Самборук А.Р., Луц А.Р., Ермошкин А.А., Тимошкин И.Ю. // Опубл. 26.06.2013 г.
12. Патент РФ № 2567779 / Ворожцов А.Б., Архипов В.А., Даммер В.Х., Жуков А.С., Жуков И.А., Ворожцов С.А. // Опубл. 15.07.2014 г.
13. Патент РФ № 2120490. Метод производства композиционного материала / Александровский С В. // Опубл. 02.12.1997 г.
14. Patent EP 2526214 A2. Particulate aluminium matrix nano-composites and a process for producing the same / Vivek Srivastava, Anirban Giri // Priority date 21.01.2010.
15. Patent US № 2013/0189151 A1. Particulate aluminium matrix nano-composites and a process for producing the same / Vivek Srivastava, Anirban Giri // Priority date 20.07.2012.
16. Патент РФ № 2110597. Способ получения прутковой лигатуры Al-Ti-B / Шпаков В.И., Севрюков В.С., Галиева Л.В., Нощик А.И., Трифоненков Л.П., Иванова Н.В., Разумкин В С., Никитин В.М.// Опубл. 17.06.1996 г.
17. Патент РФ № 2630159. Способ получения высокотемпературного порошкового композиционного материала на основе карбидов кремния и титана / Каченюк М.Н., Ог-лезнева С.А., Сомов О.В.// Опубл. 05.09.2017 г.
18. Патент РФ № 2547988. Литой композиционный материал на основе алюминиевого сплава и способ его получения / Кайбышев Р.О., Дубина А.В., Тагиров Д.В., Гази-зов М.Р. // Опубл. 10.04.2015 г.
19. Патент РФ № 2496899. Способ получения борсодержащего композиционного материала на основе алюминия / Белов Н.А., Алабин А.Н., Курбаткина Е.И. // Опубл. 27.10. 2013 г.
20. Патент РФ № 2516679. Литой композиционный материал на основе алюминия и способ его получения / Бабкин В.Г., Черепанов А.И., Терентьев Н.А. // Опубл. 20.05.2014 г.
Luts Mikhail Mikhaylovich, apprentice
(e-mail: luts_2003@mail.ru)
MBOUSchool№10 "Success", Samara, Russia
Timoshkin Ivan Yur'yevich, Associate Professor
(e-mail: ivan-mns@mail.ru)
Samara State Technical University, Samara, Russia
REVIEW OF IN-SITU METHODS FOR THE PRODUCTION OF LITHIUM ALUMOMATIC COMPOSITE MATERIALS REINFORCED BY CERAMIC PARTICLES
The article gives an overview of patent sources concerning the latest developments in the field of in situ casting aluminum-matrix composites, discretely reinforced with ceramic particles - carbides and borides.
Key words: aluminum, foundry composite, carbide, boride, batch, flux.
