Получение литых алюмоматричных композитов с использованием нитрида алюминия марки СВС-Аз Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

ПОЛУЧЕНИЕ ЛИТЫХ АЛЮМОМАТРИЧНЫХ КОМПОЗИТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НИТРИДА АЛЮМИНИЯ МАРКИ

СВС-АЗ

Уварова И.А. магистрант, Титова Ю.В.

Самарский государственный технический университет, Самара,

mr.si.mp/e2amai/. ги

001:10.24411/9999-004А-2019-10025

Дисперсно-армированные сплавы при повышенном содержании керамической армирующей фазы могут применяться в качестве дискретно-упрочненных алюмоматричных композиционных материалов (КМ), а при небольшой доле армирующей фазы некоторые из них - в роли эффективных модифицирующих лигатур алюминиевых сплавов. Дисперсно-армированные КМ выгодно отличаются от волокнистой и слоистой изотропии своих свойств, универсальностью и сравнительной простотой технологии изготовления, в связи, с чем дисперсно-армированные металлические КМ нашли широкое использование в транспортном машиностроении, а среди них на первом месте по объему применения находятся алюмоматричные композиционные материалы (АМКМ).

АМКМ изготавливают в основном твердофазными методами порошковой металлургии или жидкофазными методами литья. В настоящее время динамично развиваются и внедряются более технологичные и дешевые жидкофазные способы, которые приводят к образованию сильной межфазной связи, необходимой для обеспечения высоких механических свойств композитов.

Вместе с тем внедрение в производство алюмоматричных композитов, армированных нанодисперсными частицами, затрудняется рядом нерешенных технологических и экономических проблем. Например, введение и равномерное распределение нанопорошков в расплаве алюминия представляет собой большую проблему по сравнению с применением более крупных порошков, так как наночастицы легко слипаются в агломераты, они плохо смачиваются жидким металлом. Твердофазным методам порошковой металлургии присущи заметная остаточная пористость, невысокая адгезия матрицы с наночастицами, значительная стоимость производства. При получении композита А1-АШ продувкой расплава азотом требуется многочасовое поддержание расплава при высокой температуре, что существенно увеличивает энергоемкость процесса. Наконец, исходные керамические нанопорошки, которые доступны для производства армированных алюминиевых сплавов, обладают очень высокой стоимостью. В настоящее время в России на рынке представлены нанопорошки оксидов, карбидов и нитридов, получаемые по энергоемкой технологии

плазмохимического синтеза с дорогим и сложным оборудованием, стоимость которых составляет от 20 до 60 тыс. руб./кг.

Заметный вклад в решение этих проблем может внести использование достижений простой энергосберегающей порошковой технологии на основе процесса самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) тугоплавких химических соединений (карбидов, нитридов, боридов, оксидов и др.), изобретенного в 1967 г. академиком А.Г. Мержановым с профессором И.П. Боровинской и профессором В.М. Шкиро. Существует более 20 разновидностей процесса СВС для получения самых разных наноразмерных керамических порошков, которые могут быть применены для армирования АМКМ. В общем виде вклад процесса СВС, например, в создание литых алюмоматричных композиционных сплавов, дискретно армированных наноразмерными керамическими частицами, может быть внесен по трем направлениям:

- синтез менее дорогих керамических нанопорошков для последующего их ввода в матричный расплав (ех-яНи);

- ввод готовых керамических наночастиц в матричный расплав (ех-яНи) с помощью процесса СВС, создающего большой градиент температуры и химического потенциала и этим способствующего смачиванию и равномерному распределению наночастиц;

- синтез недорогих армирующих керамических наночастиц непосредственно в расплаве алюминия (т-яНи) с обеспечением их хорошей адгезии к матрице.

В настоящей работе делается следующий шаг в исследованиях и более конкретно рассматривается, как порошки нитрида алюминия марки СВС-Аз могут быть использованы для армирования и модифицирования алюминиевых сплавов, в том числе по жидкофазной технологии ех-яНи.

Предложено несколько простых способов ввода наночастиц АШ марки СВС-Аз в расплав алюминия и его сплавов, и жидкофазного процесса получения нанокомпозитов А1-АШ:

- использование нанопорошковой псевдолигатуры Си-4%(АШ+ 35°/о№3АШ6) позволило получить литой композиционный алюминиевый сплав А1-1,2%Си-0,035%АШ;

- использование композиционной лигатуры, полученной сплавлением флюса KQ•MgQ2 с нанопорошком (АШ+35°/о№3АШ6) позволило получить литые композиционные сплавы АМг6+0,1°%АШ и АМг6+1,0°%АШ;

- ввод в твердожидкий расплав позволил получить литые композиционные алюминиевые сплавы АМ5-1°%АШ и АМ5-4%АШ;

- использование вспомогательной реакции синтеза карбида титана в расплаве алюминия» получить литой гибридный алюмоматричный нанокомпозит А1-7,7%АШ-19%ИС.

Для увеличения количества введенных наночастиц АШ марки СВС-Аз применялся также твердофазный процесс получения композитов с исходным

матричным алюминием в виде порошка, который позволил получить алюмоматричные композиты с повышенным содержанием армирующей фазы АШ до 30 %.

Таким образом, экспериментально установлено, что нанопорошки в количестве от 0,1 до 30 % можно успешно ввести в расплав алюминиевых сплавов простыми способами: в виде нанопорошковой псевдолигатуры (до 0,1 % АШ), вводом в твердожидкий расплав (до 4,0 % АШ), с использованием вспомогательной реакции синтеза карбида титана в расплаве (до 7,7 % АШ) и методом порошковой металлургии (до 30 % АШ).