Синтез алюминиевых сплавов, легированных редкими и переходными металлами Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

МЕТАЛЛУРГИЯ

УДК 669.296

У.А.АИМАТОВ

аспирант кафедры металлургии цветных металлов

СИНТЕЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ, ЛЕГИРОВАННЫХ РЕДКИМИ И ПЕРЕХОДНЫМИ МЕТАЛЛАМИ

Введение карбида титана в алюминиевые сплавы значительно повышает их прочностные характеристики. Исследован синтез алюминиевых сплавов, содержащих карбид титана, путем восстановления смеси TiCl4 - CCl4 сплавом Al-Mg. Рассмотрено одновременное введение карбидов титана и интерметаллидов скандия в алюминиевые сплавы.

Introduction carbide the titanium in aluminium an alloy considerably raises them strength characteristics. Synthesis of the aluminium alloys containing carbide the titanium, by restoration of mix TiCl4 - CCl4 is investigated by alloy Al-Mg. Simultaneous introduction carbides the titan and intermetallics scandium in aluminium alloys is considered.

При введении карбида титана в литые алюминиевые сплавы значительно повышаются их прочностные характеристики [2, 4]. Алюминиевые сплавы, упрочненные дисперсными частицами карбида кремния или углерода, получают путем подачи исходных порошков карбида кремния и углерода на поверхность активатора, вращающегося в расплавленной ванне алюминиевого сплава [3]. Известен способ получения алюминиевого сплава [1], при введении порошковых компонентов оксикарбонитри-дов титана в расплавленные металлы методом плазменной инжекции с помощью плазматрона.

Однако при синтезе легированных сплавов необходимо предварительное полу-

чение дорогостоящих дисперсных порошковых компонентов и дополнительная операция обработки порошков в аттриторах или вибромельницах. Данные операции способствуют значительному окислению и загрязнению их конструкционным материалом перемешивающего устройства. В конечном итоге синтезируются алюминиевые сплавы, содержащие относительно крупные и окисленные упрочняющие частицы, что снижает технологические характеристики изделия.

Исследован процесс получения алюминиевых сплавов при непосредственном взаимодействии исходных реагентов в момент их образования в расплаве матрицы. Протекающие процессы в общем виде описываются следующими реакциями:

TiCl4 + Mg(Al) ^ MgCl2 + Ti(Mg, Al) -

■ TiC + Mg

TiC

CCI4 + Mg(Al) ^ MgCl2 + C(Mg, Al) -

TiC + Al

Для выбора рациональных составов исходных реагентов и оптимизации процесса синтеза проанализированы физико-химичес-

кие и прикладные основы получения алюминиевых сплавов. Термодинамический анализ протекающих процессов свидетель-

ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т.170. Часть 1

ствует о большой вероятности образования карбида титана, нитрида и карбонитрида титана. Менее вероятно образование интер-металлидов титана при магнийтермическом восстановлении хлоридов.

Кинетические характеристики гетерогенных процессов в системе тугоплавкие металлы-хлориды и щелочные металлы определяются термической стабильностью исходных и конечных соединений. В случае магнийтермического восстановления тетрахлорида углерода, а также его смеси с хлоридом титана в интервале температур 830-1000 °С процесс восстановления протекает в диффузионном режиме. При взаимодействии хлоридов с магнием при температурах выше 1000 °С в системе реализуется кинетический режим, что связано с практически полным разложением тетра-хлорида углерода и образованием дисперсного углерода вне зоны реакции; это обстоятельство приводит к синтезу нестехио-метрического карбида титана (ориентировочного состава ТЮ0,6).

Процесс получения сплавов осуществляли путем подачи смеси хлоридов титана и углерода на поверхность перемешиваемых сплавов магния и алюминия. В исходный сплав вводили дополнительное количество магния для восстановления хлоридов титана и углерода. Температуру процесса поддерживали на уровне 800-900 °С, по окончании процесса восстановления полученные продукты охлаждали. Решающее влияние на

гомогенность образующихся материалов оказывает температура окончания процесса перемешивания.

Синтезированный сплав (в процентах) на основе МЛ5 (7,5-9,0 Л1; 0,2-0,8 Zn; 0,15-0,5 Мп) представляет собой магниевую матрицу, армированную сплошными цепочками из зерен карбида титана.

Картирование шлифов показало одновременное присутствие в армирующих частицах алюминия и титана, наличие марганца не наблюдалось. Сканирование шлифов проб полученных сплавов на основе магниевого сплава МЛ5 подтвердило присутствие в армирующих частицах алюминия и титана (см. рисунок, а).

Картирование образцов свидетельствует о присутствии частиц карбидизированно-го титана округлой и неправильной формы, в то же время железо и марганец, очевидно, представлены остроугольными частицами.

Сканирование шлифов алюминиевого сплава (см. рисунок, б) подтверждает присутствие в упрочняющих частицах титана, а также марганца. Особенно важно подчеркнуть наличие в них алюминия, содержание которого постепенно снижается по оси частицы.

Рентгеноструктурный анализ полученных образцов свидетельствует о присутствии карбида титана, при этом слабо проявляются фазы типа Т^Л1 или Т^Л1С. Количество упрочняющих частиц в матрице составляло 3-5 %, содержание связанно-

Mg-3000

"П-520

Al-220

и 8

Мп-570 и "П-8700 | Л1-108000 й

25

50

75 Длина L

Mg

"П

Л1

150 ДлинаL

Мп

Ti

Л1

Распределение элементов в шлифах легированных сплавов на основе магниевого (а)

и алюминиевого (б) сплава

б

а

1

0

0

_ 151

Санкт-Петербург. 2007

го углерода в карбидизированном титане изменялось от 15 до 19 %.

Увеличение прочности сплава, сверхпластичных характеристик и хорошей свариваемости обеспечивает присутствие в сплаве одновременно с переходными металлами скандия, который способствует образованию наночастиц упрочняющих компонентов, равномерно распределенных по всему объему сплава [5].

Перспективным представляется восстановление солевой среды, содержащей оксид скандия, алюминиево-магниевым сплавом с последующим взаимодействием последнего со смесью ^С14-СС14. На первом этапе образуются интерметаллиды скандия (Л1^с), которые равномерно распределяются в алюминии-коллекторе.

При последующем восстановлении смеси хлоридов титана и углерода магнием, присутствующим в интенсивно перемешиваемом алюминиево-магниевом сплаве, в момент синтеза образуются частицы карбида титана. Весьма важно, что при осуществлении процесса образуются свежевосстанов-ленные армирующие частицы (тугоплавкие соединения титана и карбида титана). Сплавы алюминия и магния освобождаются от примесей; в конечном итоге поверхность раздела сплава и упрочняющей фазы не содержит примесей, частицы («атомно-

чистые») имеют повышенную активность. Присутствие скандия (в виде интерметалли-дов А1^с) способствует измельчению упрочняющих частиц, поэтому образующийся сплав обладает высокой прочностью и модулем упругости.

Таким образом, физико-химические и технологические основы процессов получения новых высокопрочных конструкционных материалов базируются на металлотер-мическом восстановлении хлоридных соединений редких и переходных металлов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Борисов В.Г. Новые материалы композиционного типа на алюминиевой основе для машиностроения / В.Г.Борисов, А.А.Казаков // Цветные металлы. 1997. № 4. С.71-73.

2. Батуринская Н.Л. Исследование упрочнения литого алюминия, содержащего тугоплавкие соединения титана / Н.Л.Батуринская, Н.А.Кальчук, М.Г.Сервецкая и др. // Изв. АН. Металлы. 1983. № 3. С.166-170.

3. Канг С.Б. Опыт получения литых композиционных материалов на основе алюминиевого сплава АК9, содержащего дисперсные частицы карбида кремния или углерода / С.Б.Канг, А.В.Панфилов, И.К.Каллиопин и др. // СПб: Политехника, 2001. С.44-48.

4. Овсянников Б.В. Влияние модифицирования лигатурой ТЮА1 на свойства слитков и плит сплава В95Пч // Цветные металлы. 2003. № 10. С.85-88.

5. Рохлин Л.Л. Физико-химическое взаимодействие в сплавах алюминия со скандием / Л.Л.Рохлин, Т.В.Добаткина, М.Л.Характерова // Технология легких сплавов. 1997. № 5. С.32-36.

Научный руководитель д.т.н. проф. С.В.Александровский

152 _

ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т.170. Часть 1