Управление качеством композиционного сплава типа спеченный алюминиевый порошок (сап) Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 620.22

Б01: 10.15587/2312-8372.2014.34692

управление качеством композиционного сплава типа спеченный алюминиевый порошок (сап)

В статье представлен анализ состава и свойств различных дисперсно-упрочненных композиционных материалов на основе алюминия, применяемых при производстве аэрокосмической техники. Проведен анализ свойств данных материалов для обеспечения управления их качеством. Построены математические модели зависимости параметров САП от содержания оксида алюминия и температуры.

Илпчевые слова: композиционный материал, дисперсно-упрочненный, алюминий, математическая модель, предел текучести, предел прочности.

Макаренко д. н.

1. введение

Композиционные материалы (КМ) довольно часто используются в технике. Их применение очень важно для таких отраслей промышленности как автомобилестроение, авиация, производство космической техники, гражданское строительство и т. д. На данный момент в общем случае существует 2 вида композиционных материалов, применяемых для этих целей:

1) КМ с металлической матрицей;

2) КМ с неметаллической матрицей.

Наиболее используемыми КМ с неметаллической

матрицей являются полимерные карбоволокниты, боро-волокниты и органоволокниты [1]. Из них изготавливаются различные детали авиационной техники — шасси, подшипники, диски авиационных тормозов и т. д.

Что же касается КМ с металлической матрицей, то они изготавливаются на основе различных металлов: алюминия, бериллия, магния, никеля, кобальта, хрома и т. д. Такие материалы называют дисперсно-упрочненными композиционными материалами (ДУКМ) [2]. ДУКМ принадлежат к группе композиционных материалов, которые сделаны, главным образом, методами порошковой металлургии. Микроструктура ДУКМ состоит из поликристаллических матриц, в которых диспергированы частицы (в основном оксиды, карбиды и/или нитриды) [3]. Их особенностью является то, что матрица из металла или сплава упрочняется мелкодисперсными искусственно введенными частицами, имеющими размер до 0,1 мкм в количестве от 0,1 до 15 %. В качестве упрочняющей фазы используются дисперсные частицы оксидов, карбиды, нитриды и другие тугоплавкие соединения.

После формирования и спекания для получения композитного материала проводится горячая пластическая деформация, в результате чего получается плотный полуфабрикат, не имеющий пор (ленты, полосы, профиля).

Данное исследование посвящено ДУКМ на основе алюминия. Такие материалы применяются, например, для обшивки гондол силовых установок в зоне выхлопа, штоки поршней, лопатки компрессоров и т. д.

2. Анализ литературных данных и постановка проблемы

Наиболее широко в качестве соединений, применяемых как упрочняющая фаза в ДКМ на основе алюминия и его сплавов, используются оксиды. На данный момент существует 3 марки ДКМ на основе алюминия: САП-1, САП-2 и САП-3. Отличие данных материалов друг от друга состоит в отличии по концентрации оксидов (от 6 % до 9 % А1203 для САП-1, от 9 % до 13 % А1203 для САП-2, от 13 % до 17 % А1203 для САП-3) [4]. Также в их состав входят до 25 % кремния и до 5 % железа. Кроме САП существуют и ДКМ А1-С. В таких материалах роль упрочняющей фазы выполняет карбид алюминия А14С3 [5]. С увеличением содержания А1203 в САП в общем случае происходит повышение твердости и прочности и снижение пластичности, коэффициента термического расширения, тепло- и электропроводности. Данные материалы имеют высокую коррозионную стойкость, не подвергаются коррозии под напряжением и межкристаллитной коррозии, а также имеют высокую радиационную стойкость [6-10].

Исследованиями установлено, что при температурах 300-500 °С ДКМ на основе алюминия превосходят по прочности все промышленные алюминиевые сплавы и отличаются высокими характеристиками по прочности и ползучести [4].

Поставка ДУКМ на основе алюминия осуществляется в различном виде: листы, профиля, полосы, прутки, штамповки, проволоки и др.

До этого времени задача определения параметров ДКМ на основе алюминия и моделирования их свойств для управления качеством в процессе создания, эксплуатации и утилизации в полной мере не была отражена в исследованиях. Исследование параметров ДКМ на основе алюминия позволит выделить их основные значимые параметры, дать оценку того, начиная с каких значений исследуемые параметры будут оказывать существенное влияние на требования, предъявляемые к ним, что позволит оптимизировать состав данных материалов с точки зрения как эксплуатации, так и последующей их утилизации.

3. цель и задачи исследования

Целью проведенных исследований являлся анализ свойств и состава дисперсно-упрочненных композиционных материалов на основе алюминия, применяемых как в производстве аэрокосмической техники (АКТ), так и в других отраслях промышленности, а также подбор оптимальных параметров данных материалов для обеспечения определения параметров качества, применяемых к ним.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

— разработка математической модели для определения связи химического состава и свойств ДКМ на основе алюминия;

— проведение анализа и выявление возможности уточнения требований, предъявляемых к составу и свойствам ДКМ на основе алюминия, для обеспечения управления их качеством.

4. методика исследования параметров дкм на основе алюминия

Таблица экспериментального материала была выбрана на основании работы [5] (табл. 1).

Х2 =-

Х2 — Х2

таблица 1

Механические свойства ДКМ на основе алюминия

Материал t, °C 00,2, МПа св, МПа 5, %

САП-1 20 200 290-310 7-9

250 — 180-190 4-6

350 — 140-150 3-4

500 — 100 2

САП-2 20 230 320 4

250 — 190 3

350 — 150 2

500 — 100 1

САП-3 20 340 400 3

250 — 240 1,5

350 — 190 1

500 — 130 1

h

(2)

где х1 и х2 — нормированные значение входных переменных, х*, х2 — натуральные значения входных переменных, х1, х2 — средние значения входных переменных х1 = 11 %, х2 = 260, Д, 12 — интервалы варьирования входных переменных (11 = 4, 12 = 240).

Математическую модель можно представить полиномом следующего вида:

Yi = а0 + а1х1 + а2х2 + а3(х2 -Р)+а4(х2 -Р) + а5Х1Х2 , (3)

где а{ — оцениваемые коэффициенты, Р — параметр, который рассчитывается в зависимости от числа точек ядра композиционного плана 2п - р, плеча «звездных» точек а и числа точек плана по формуле:

£ (xj )2

ß=^=-

N

2n—p + а : N '

(4)

Общий вид данных, необходимых для построения центрального ортогонального композиционного плана, приведен в табл. 2.

таблица 2

Представление данных для построения центрального ортогонального композиционного плана

Примечание: t — температура испытания образца; Со,2 — предел текучести; св — предел прочности; 5 — относительное удлинение

№ экс-пери-мента *1 x2 x2—ß x2 — ß Yj

1 vmax x1 v-max x2 xf™ —0,6667 xmax —0,6667 Yn

2 „min x1 „max x2 xp —0,6667 xmax —0,6667 Yi 2

3 vmax x1 v-min x2 xf™ —0,6667 x^ —0,6667 Y 3

4 vmin x1 „min x2 xp —0,6667 xmin —0,6667 Yi 4

5 vmax x1 „среднее ... x2 ... xf™ —0,6667 x2реднее — 0, 6667 Y 5

6 vmin x1 среднее x2 xp —0,6667 x2реднее — 0, 6667 Yi 6

7 среднее x1 „max x2 x1среднее — 0, 6667 xmax —0,6667 Yi 7

8 среднее x1 „min x2 xf"™™ — 0, 6667 xmin —0,6667 Yi 8

9 среднее x1 среднее x2 x1среднее — 0, 6667 x2реднее — 0, 6667 Yi 9

Анализируя полученные данные, можно заметить, что предоставляется возможным применение плана полного факторного эксперимента и определение значений выходных и входных переменных, принимая во внимание то, что число экспериментов соответствует N = 2к. Модель была получена на основании метода построения полного ортогонального центрального композиционного плана второго порядка [11, 12]. Нормирование значений входных переменных проводилось по следующим формулам:

Xl =-

X\ — Xi

h

Коэффициенты ai определены по следующим формулам:

(1)

ai = с1 £xjyj, i = 1,...,n,

j=i

ai = C2[(x/— n )2 — ß]yj, i = n + 1, ..., 2n,

ai = c3 £ x1lix{yj, i = 1, ..., n, ц^Х, i = 2n +1,..., k,

j=1

1 N N

a=n £ yj —ߣ an+i.

(5)

(6)

(7)

(8)

j=1

j=1

TECHNOLOGY AUDiT AND PRODUCTiON RESERVES — № 6/1(20], 2014

В формулах (5)-(8) с1, с2, с3 — коэффициенты для линейных, квадратичных и парных взаимодействий независимых переменных соответственно, п — число линейных членов модели, N — число экспериментов.

Для полинома второй степени вида (4) значения указанных параметров приведены в табл. 3.

Для оценки точности полученной модели производилось вычисление суммы квадратов отклонений экспериментальных значений выходных переменных от расчетных, полученных по модели ) и оценки дисперсий (SR ):

SR = (уэксп урасч ) ,

SR Sr=j

(9) (10)

где ф = N - ^ +1) — число степеней свободы, N— число экспериментов ^ =9), k — число оцениваемых параметров ^ = 5).

таблица 3

Значения параметров для расчета коэффициентов математической модели

N ß Ci C2 C3

9 0,6667 0,1667 0,5 0,25

Оценка значимости коэффициентов модели проводилась на основе использования 4р — критерия Стьюдента:

|а | ^ ^ , (11)

где tкр — критическое значение распределения Стью-дента для доверительной вероятности 95 % и числа степеней свободы ф = 3, S — среднее квадратическое отклонение, определяемое из формулы (10).

5. результаты исследования параметров дкМ на основе алюминия и их обсуждение

В качестве входных параметров были выбраны содержание А1203 в различных видах САП (х^, а также температура испытания образцов t (х2). Содержание А1203 для каждого конкретного вида САП бралось по среднему значению — 7 % для САП-1, 11 % для САП-2 и 15 % для САП-3. В качестве выходных параметров были взяты такие параметры как предел прочности ов (у{) и относительное удлинение 8 (у2).

Также учитывая отсутствие экспериментальных данных для значения х1среднее, величина данного параметра была определена по ближайшей известной величине ^ = 250 °С), что лежит в пределах погрешности 7 %. Данная погрешность в условиях поставленной задачи не является значимой.

5.1. определение влияния предела прочности при увеличении температуры. Как можно увидеть в экспериментальных данных, в общем случае при увеличении температуры значение предела прочности (ов) уменьша-

ется. Определим, начиная с какого значения температуры (£), данное влияние приобретает необратимый характер.

Подставляя данные в (3), была получена математическая модель, описывающая влияние содержания А1203 в различных видах САП и температуры испытания образцов на значение предела прочности. Данная модель имеет следующий вид:

у = 210,1435 + 27,055x1 -131, 693х2 - 4, 275хх +

+ 33, 225x2- 12,5х| . (12)

В табл. 4 приведены результаты расчетов нижней и верхней границы интервалов, позволяющих оценить значимость коэффициентов модели.

таблица 4

Результаты расчетов нижней и верхней границы интервалов, позволяющих оценить значимость коэффициентов модели

Значения отклонений tкрS¡

Для линейных коэффициентов Для квадратичных коэффициентов Для коэффициентов при парном взаимодействии

52,78982 91,4255 64,64759

Сравнение численных значений оценок коэффициентов и значений, приведенных в табл. 4, позволяют сделать вывод о том, что в данной модели незначимыми коэффициентами являются коэффициенты при квадратичном взаимодействии, парном взаимодействии и коэффициент при значении Х1. Таким образом, математическую модель можно представить в виде:

y1 = 210,1435 -131, 693x2.

(13)

После проведенного уточнения математической модели можно сделать вывод о том, что фактор «содержание А1203» в различных видах САП не оказывает существенного влияния на значение предела прочности (ов).

Поверхность отклика, описывающая значения предела прочности (ов) при различных значениях температуры испытания образцов (£) и содержания А1203 в различных видах САП (%) в выбранной области планирования приведена на рис. 1.

рис. 1. Поверхность отклика, описывающая значения предела прочности (св) при различных значениях температуры испытания образцов (А и содержания А1гОз в различных видах САП (%) в выбранной области планирования

Визуальный анализ поверхности отклика позволяет подтвердить вывод о том, что содержание А1203 не оказывает существенного влияния на предел прочности и в математической модели существенной будет лишь температура испытания образцов. Анализируя полученную поверхность отклика, можно сделать вывод о том, что с увеличением температуры испытания образца САП происходит уменьшение значения предела прочности, что подтверждает имеющиеся экспериментальные данные.

5.2. Определение влияния относительного удлинения при увеличении температуры. Как

можно увидеть в экспериментальных данных, в общем случае при увеличении температуры значение относительного удлинения (8) уменьшается. Определим, начиная с какого значения температуры (Ь) данное влияние приобретает необратимый характер.

Подставляя данные в (3), была получена математическая модель, описывающая влияние содержания А1203 в различных видах САП и температуры испытания образцов на значение относительного удлинения. Данная модель имеет следующий вид:

у2 = 2,73 -1,5835x1 -1, 8337х2 + 0, 7025x1х2 -- 0,0475x2 + х22 . (14)

В табл. 5 приведены результаты расчетов нижней и верхней границы интервалов, позволяющих оценить значимость коэффициентов модели.

Таблица 5

Результаты расчетов нижней и верхней границы интервалов, позволяющих оценить значимость коэффициентов модели

Значения отклонений t^S,

Для линейных коэффициентов Для квадратичных коэффициентов Для коэффициентов при парном взаимодействии

1,160357 2,009597 1,421

Сравнение численных значений оценок коэффициентов и значений, приведенных в табл. 5, позволяют сделать вывод о том, что в данной модели незначимыми коэффициентами являются коэффициенты при квадратичном взаимодействии и парном взаимодействии.

Таким образом, математическую модель можно представить в таком виде:

у2 = 2,73-1,5835x1 -1, 8337х2 . (15)

Поверхность отклика, описывающая значения относительного удлинения (8) при различных значениях температуры испытания образцов (Ь) и содержания А1203 в различных видах САП (%) в выбранной области планирования, приведена на рис. 2.

Визуальный анализ поверхности отклика позволяет сделать вывод о том, что существенными показателями для определения относительного удлинения образцов САП являются как содержание А1203, так и темпера-

тура испытания. Анализируя полученную поверхность отклика можно сделать вывод о том, что с увеличением содержания А1203 в САП происходит уменьшение относительного удлинения образца.

Также с увеличением температуры испытания происходит уменьшение относительного удлинения образца.

6. Выводы

В результате проведенных исследований построены математические модели для определения связи химического состава дисперсно-упрочненных композиционных материалов на основе алюминия и температуры их испытания со значениями предела прочности и относительного удлинения для данных материалов. Полученные модели представляют собой уравнения регрессии, оцениваемые параметры которого получены реализацией центрального ортогонального композиционного плана полного факторного эксперимента второго порядка. Анализ данных моделей и полученных поверхностей отклика показал, что предел прочности для ДУКМ на основе алюминия типа САП наиболее зависит от температуры испытания образца (температуры эксплуатации), а содержание Al2O3 существенного влияния не оказывает. Что же касается относительного удлинения образцов, то оно практически в равной мере зависит как от температуры испытания (эксплуатации), так и от содержания Al2O3. Установлено, что увеличение значений содержания Al2O3 и температуры испытания образцов приводит к уменьшению предела прочности и к уменьшению относительного удлинения ДУКМ на основе алюминия.

Полученные результаты могут быть применены для подбора необходимых материалов в производстве различной техники при известных температурах ее эксплуатации, а также для проведения компромиссной оптимизации исследуемых параметров для управления качеством композиционных сплавов типа САП.

Литература

1. Brautman, L. J. Composite Materials [Text] / L. J. Brautman, R. H. Krock. — New York: Academic Press, 1975.

2. Лахтин, Ю. М. Материаловедение [Текст]: учебник / Ю.М.Лах-тин, В. П. Леонтьева. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Машиностроение, 1990. — 528 с.

Рис. 2. Поверхность отклика, описывающая значения относительного удлинения (8) при различных значениях температуры испытания образцов (А и содержания А^Оз в различных видах САП (%) в выбранной области планирования

TECHNOLOGY AUDiT AND PRODUCTiON RESERVES — № 6/1(20], 2014

67-J

3. Mendoza-Ruiz, D. C. Dispersion of graphite nanoparticles in a6063 aluminum alloy by mechanical milling and hot extrusion [Text] / D. C. Mendoza-Ruiz, M. A. Esneider-Alcala, I. Estrada-Guel, M. Miki-Yoshida, M. Lpez-Gmez, R. Martinez-Sanchez // Reviews on advanced materials science. — 2008. — Vol. 18. — P. 280-283.

4. Арзамасов, Б. Н. Конструкционные материалы [Текст] / Б. Н. Арзамасов. — М.: Машиностроение, 1990. — 687 с.

5. Ковалева, А. В. Композиционные материалы в технике и исследование возможностей получения изделий из разнородных материалов в литейном производстве [Текст]: учебное пособие / А. В. Ковалева, А. А. Черный. — Пенза: Пензенский государственный университет, 2008. — 161 с.

6. Андреева, А. В. Основы физикохимии и технологии композитов [Текст] / А. В. Андреева. — М.: Радиотехника, 2001. — 191 с.

7. Balog, M. Forged HITEMAL: Al-based MMCs strengthened with nanometric thick Al2O3 skeleton [Text] / M. Balog, P. Krizik, M. Nosko, Z. Hajovska, M. Victoria Castro Riglos, W. Rajner, D.-S. Liu et al. // Materials Science and Engineering: A. — 2014. — Vol. 613. — P. 82-90. doi:10.1016/j.msea.2014.06.070

8. Habibnejad-Korayem, M. Work hardening behavior of Mg-based nano-composites strengthened by Al2O3 nano-particles [Text] / M. Habibnejad-Korayem, R. Mahmudi, W. J. Poole // Materials Science and Engineering: A. — 2013. — Vol. 567. — P. 89-94. doi:10.1016/j.msea.2012.12.083

9. Ustinov, A. Diffusion welding of aluminium alloy strengthened by Al2O3 particles through an Al/Cu multilayer foil [Text] / A. Ustinov, Y. Falchenko, T. Melnichenko, A. Shishkin, G. Kharchenko, L. Petrushinets // Journal of Materials Processing Technology. — 2013. — Vol. 213, № 4. — P. 543-552. doi:10.1016/ j.jmatprotec.2012.11.012

10. Sun, W. Preparation of nano-Al2O3 dispersion strengthened coating via coating-substrate co-sintering and underwater shock wave compaction [Text] / W. Sun, X. Li, K. Hokamoto // Ceramics International. — 2013. — Vol. 39, № 4. — P. 3939-3945. doi:10.1016/j.ceramint.2012.10.241

11. Дёмин, Д. А. Оптимизация технологического процесса в цехе предприятия [Текст] / Д. А. Дёмин // ВосточноЕвропейский журнал передовых технологий. — 2005. — № 6/1. — С. 48-59.

12. Коваленко, Б. П. Оптимизация состава холоднотвердеющих смесей (ХТС) с пропиленкарбонатом [Текст] / Б. П. Коваленко, Д. А. Дёмин, А. Б. Божко // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. — 2006. — № 6. — С. 59-61.

упраблшня ямстю композицшного сплаву типу спечений АлюмiИiEвий порошок (сап)

У статт представлений анашз складу i властивостей рiз-них дисперсно-змщнених композицшних матер1ашв на основi алюмМю, що застосовуються при виробництвi аерокосмiчноi техшки. Проведено анашз властивостей даних матер1ашв для забезпечення управлшня 1'хньою ягастю. Побудовано матема-тичш моделi залежносл параметрiв САП вщ вмюту оксиду алюмМю i температури.

Kлючовi слова: композицшний матер1ал, дисперсно-змщне-ний, алюмшш, мщшсть, математична модель, границя плин-носл, границя мщность

Макаренко Дмитрий Николаевич, ассистент, кафедра автомобилей и транспортной инфраструктуры, Национальный аэрокосмический университет им. Н. Е. Жуковского «Харьковский авиационный институт», Украина, e-mail: makaronesi@ukr.net.

Макаренко Дмитро Миколайович, асистент, кафедра ав-томобШв та транспортног тфраструктури, Нащональний аерокосмiчний утверситет ж. М. G. Жуковського «Хартвський авiацiйний iнститут», Украгна.

Makarenko Dmytro, Zhukovsky National Aerospace University «Kharkiv Aviation Institute», Ukraine, e-mail: makaronesi@ukr.net

УДК 681.3

001: 10.15587/2312-8372.2014.34756

Федотов в. в. сучасиий стаи досл1джень

оптичних властивостей

НАПшПровшНИковИХ МАтер1ал1в

Дослгджено та проаналгзовано оптичнг властивостг натвпровгдникових матергалгв. В результатI теоретичного анал1зу було виявлено основнг залежностг показникгв заломлення, поглинання та вгдбиття вгд довжини хвилг випромтювання. Встановлено залежнгсть мгж ¡нтенсивтстю падаючого пучка та ¡нтенсивтстю вихГдного (вгдбитого або такого, що пройшов через натв-провгдник) пучка з урахуванням коефщгенту поглинання (вгдбиття) матершлу.

ключов1 слова: натвпровгдник, оптична властивкть, фотон, оптична ширина забороненог зони, показник заломлення.

1. вступ Дослщження нелшшно-оптичних явищ у натвпровщ-

никах викликае тдвищений штерес, як з погляду фунда-

В останнш час вщбуваеться постшне зростання обсяпв ментальноi науки, так 1 з погляду величезних перспектив

шформацп, що передаеться в обчислювальних системах, практичного використання результапв дослщжень при

що обумовлюе для них актуальтсть проблем паралельного створенш нових прилад1в квантовоi електрошки. Роз-

введення вели^ кшькосп шформацп. Вже досить довгий виток лазерноi техшки й можливкть генерацп коротких

час кнують електрично кероват натвпровщников1 тран- 1 ультракоротких 1мпульс1в дозволили виявити й дослщ-

спаранти, як мають оптичт виходи. Однак, таю пристроi жувати нов1 явища, у тому числ1 й вищеописаний ефект

мають багато проблем. Вони, зазвичай, споживають багато самовщбиття.

енергп, тому 1 не використовуються масово у пристроях, Найб1льш характерною оптичною властив1стю на-

що працюють в реальних цифрових системах [1]. твпровщника е кнування краю поглинання Ео. Для