CC BY
12
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-
следователи применяют сочетание А1 - (4,5-5) %Си [5, 6], либо промышленные серийные сплавы типа 2024, 6061, 7068, 7079 [7-10] и др. Во всех работах авторы отмечают значительное повышение механических характеристик получаемых композиционных материалов. Например, ученые из Индии [11] показали, что при добавлении в исходный сплав А1-4,5%Си лигатуры А1-10%ТЮ с целью получения сплава А1-4,5%Си-10%ТЮ происходит увеличение прочности со 118 до 147 МПа, а твердости - с 61 до 94 НУ.
Проведенные первоначально учеными СамГТУ исследования показали возможность синтеза композиционного материала состава А1-10%ТЮ методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) в расплаве чистого алюминия [12]. Далее были проведены работы по легированию матричной основы, в результате которых было показано, что введение в расплав алюминия элементных порошков меди (марки ПМС-1) и марганца (Мн-95) позволяет провести процесс СВС в расплаве алюминия
о
при температурах 800-900 С с последующим получением наноструктурно-го композиционного сплава (А1-5%Си-2%Мп)-10%Т1С, отличающегося повышенными показателями и прочности (ов= 208 МПа), и пластичности (5=6,6%) [13]. Также успешно был синтезирован композит (А1-5%Си-4%№)-10%ТЮ [14] с характеристиками ов= 224 МПа и 5=6,0%.
Но, как известно, в легированных алюминиевых сплавах наибольший упрочняющий эффект достигается в результате дисперсионного твердения после проведения закалки и искусственного старения (режим Т6), поэтому именно этот вид термической обработки чаще всего применяется исследователями. Например, в работе [15] предлагается получать композицию, полученную механическим замешиванием частиц БЮ с размером (3-40 мкм) в сочетании с графитом (до 5 об. %) в состав сплава АК12. Установлено, что проведение закалки и искусственного старения полученных композиционных сплавов положительно влияет на равномерность распределения упрочняющих керамических частиц, что повышает антифрикционные свойства материала, а возникающие при этом сжимающие напряжения положительно влияют на усталостную прочность и износостойкость. В работе [16] показано положительное влияние старения на износостойкость алюмоматричных композитов, что позволяет использовать их для производства поршней и шатунов. Ученые из Южной Кореи [17] показали, что получение методом СВС 12 об. % фазы ТЮ в составе матричного сплава A1-Cu-Mg после закалки с температуры 535°С и полного искусственного старения при 175°С с выдержкой 10-15 часов приводит к увеличению механических характеристик - модуля упругости и предела прочности до 93 ГПа и 461 МПа соответственно. На основании приведенных данных в данной работе была поставлена цель - изучение влияния термической обработки на структуру и механические характеристики легированного композиционного материала состава (А1-5%Си-2%Мп) -10%ТЮ.
в г
Рисунок 1. Микроструктура образца (А1-5%Си-2%Мп) - 10%ТЮ
Таблица 1 - Механические свойства композиционного материала _(А1-5%Си-2%Мп) - 10%ТС__
[МПа] [МПа] 5 [%] ¥ [%] НВ [МП а]
До термической обработки по режиму Т4
(А1-5%Си-2%Мп) - 10%ТЮ 114 208 6,6 7,3 970
После термической обработки по режиму Т4
(А1-5%Си-2%Мп) - 10%ТЮ 162,1 317,7 | 14,2 17,4 -
По результатам анализа литературных данных было принято решение о проведении двухступенчатой закалки (режим Т4): 1) 535°С (выдержка 5 часов, охлаждение в воде); 2) закалка 545 °С (выдержка 5 часов, охлаждение в воде). Термическая обработка проводилась в индукционной печи модели ПЛ5/12,5; исследование микроструктуры - на растровом электронном микроскопе ШОЬ 1БМ-6390А. Испытания на растяжение проводились на разрывной машине 1пврек 200 по ГОСТ 1497-84. Твердость по методу Бринелля полученных экспериментальных образцов определяли на твердомере ТШ-2М по ГОСТ 9012-59.
На рисунке 1 приведена микроструктура легированного сплава системы А1-ТЮ после закалки. Можно отметить равномерно распределенные округлые включения карбидной фазы размером преимущественно 100-300
нм, что свидетельствует о положительном влиянии термической обработки на характер распределения армирующей фазы.
В таблице 1 приводятся данные результатов изучения механических свойств до и после термической обработки.
Очевидно, что проведение двухступенчатой закалки способствует образованию твердых растворов с последующим выделением упрочняющих фаз-алюминидов CuAl2, MnAl6. Таким образом, совместное присутствие интерметаллидных и керамической фазы позволяет повысить прочностные характеристики при одновременном увеличении пластичности. В дальнейшем планируется изучение различных режимов старения на структуру и свойства легированных композиционных материалов системы Al-TiC.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ по проекту № 1938-90032.
Список литературы
I. Михеев Р.С., Чернышова Т.А. Дискретно армированные композиционные материалы системы Al-TiC // Загот. пр-ва в машиностр. 2008. №11. С. 44-53
2. Shu S, Lu J, Qiu F, Xuan Q and Jiang Q. Effects of alloy elements (Mg, Zn, Sn) on the microstructures and compression properties of high-volume-fraction TiCx/Al composites // Scripta Materialia. 2010. - № 63. - P. 1209-11
3. Панфилов А.В. Современное состояние и перспективы развития литых дискретно-армированных алюмоматричных композиционных материалов // Литейщик России. 2008. №7. С. 23-28
4. Wu Q, Yang C and Xue F. Effect of Mo addition on the microstructure and wear resistance of in situ TiC/Al composite// Mat. & Design. 2011. - №32. - P. 4999-5003
5. Das B., Roy S., Rai R. N., Saha S.C. Development of an in-situ synthesized multi-component reinforced Al-4,5%Cu-TiC metal matrix composite by FAS technique - Optimization of process parameters // Engineering Science and Technology. 2015.- P. 1-13
6. Hulia Kaftelen, Necip Unlu, Gultekin Goller, M. Lutfi Ovecoglu. Comparative processing-structure-property studies of Al-Cu matrix composites reinforced with TiC particulates // Composites: Part A, 2011. - P. 812-824
7. Ma Ming-Zhen Microstructure and mechanical property of in-situ TiCh/2024 cjmhosites // Polzunov bulletetin. 2002. - P. 26-31
8. Chun-Liang Chen, Chen-Han Lin. A Study on the Aging Behavior of Al6061 Composites Reinforced with Y2O3 and TiC // Metals. 2017.- P. 7-11
9. Amin Azimi, Ali Shokuhfar, Omid Nejadseyfu, Hamid Fallahdoost, Saeid Salehi. Optimizing consolidation behavior of Al 7068-TiC nanocomposites using Taguchi statistical analysis // Transactios Nonferrous Metals Society of China. 2015. No. 25. - P. 2499-2508
10. Sujith S.V., Mahapatra M. M., Mulik R. S. An investigation into fabrication and characterization of direct reaction synthesized Al-7079-TiC in situ metal matrix composites / Archives of civil and mechanical ehgineering. 2019. - №19. - P. 63-78
II. Kumar Anand, Mahapatra Manas Mohan, Jha Pradeep Kumar. Fabrication and Characterizations of Mechanical Properties of Al-4.5%Cu/10TiC Composite by In-Situ Method // Journal of Minerals and Materials Characterization and Engineering. - 2012. - No. 11.- P. 1075-1080
12. Луц, А.Р. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез модифицирующих лигатур и композиционных сплавов в расплаве алюминия с применением флюсов: дисс. ...канд. техн. наук.- Самара.- 2006.- 176 с.
13. Луц А.Р., Амосов А.П., Латухин Е.И., Рыбаков А.Д., Новиков В.А., Шипилов С.И. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез наноструктурных компо-
зиционных сплавов (Al-2%Mn)-10%TiC (Al-5%Cu-2%Mn)-10%TiC при легировании порошковым марганцем / Изв. Вузов. ПМ и ФП. 2018. - №3.- С. 30-40
14. Рыбаков А.Д., Колибасов В.А., Луц А.Р. Получение легированного композиционного сплава системы (Al -5%Cu - 4%Ni) - 10%TiC - 2% Na2TiF6 методом СВС / В сб. мат. ХVII Всерос. науч.-технич. интернет-конференции «Высокие технологии в машиностроении». - Самара. - 25-28 октября 2018. - С. 144-147
15. Курганова Ю.А. Литейные методы изготовления дисперсно упрочненных КМ на основе алюминиевых сплавов и особенности технологических операций при производстве изделий // Технология металлов. 2007. №9. С. 40 - 43
16. Varuh Sethi. Effect of aging on Abrasive Wear Resistance of Silicon Carbide Particulate Reinforced Aluminum Matrix (USA). 2007. - P.114
17. Cho Y.H., Lee J.M., Kim S.H. Al-TiC Composites Fabricated by a Thermally Activated Reaction Process in an Al Melt Using Al-Ti-C-CuO Powder Mixtures: Part II. Microstructure Control and Mechanical Properties // Metallurgical & Materials Transactions. 2015. -Vol .46A. - р. 1374-1384
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
INFLUENCE OF TWO-STAGE HARDENING ON THE STRUCTURE AND PROPERTIES OF COMPOSITE MATERIAL (Al-5%Cu-2%Mn) -10% TiC
Abstract. The paper substantiates the need for heat treatment of aluminomatric composite materials with alloying additives. The analysis of the structure and mechanical properties of the alloyed composite material (Al-5% Cu-2% Mn) -10% TiC after two-stage quenching is carried out.
Keywords: composite materials, ceramic phase, titanium carbide, heat treatment.
