Жидкофазные технологии получения заготовок из алюмоматричных нанокомпозитов (обзор) Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies 4 (2014 7) 409-415

УДК 621.74:669.018.9

Жидкофазные технологии получения заготовок из алюмоматричных нанокомпозитов (обзор)

Г.А. Косников*

Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, Россия, 195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29

Received 12.10.2013, received in revised form 24.03.2014, accepted 15.04.2014

Рассмотрены процессы получения заготовок из алюмоматричных нанокомпозитов с использованием жидкофазных технологий. Предлагается совместное использование магнитогидродинамического перемешивания, ультразвуковой обработки суспензии в жидком и жидкотвердом состояниях и преимуществ тиксоформовки.

Ключевые слова: алюмоматричные нанокомпозиты, жидкофазные технологии, магнитогидродинамическое перемешивание, ультразвуковая обработка, полунепрерывное литье, тиксоформовка, заготовки.

Исследованию и разработке металломатричных композиционных сплавов (МКС) уделяется значительное внимание практически по всех экономически развитых странах благодаря комплексу механических и эксплуатационных свойств, которые могут быть получены в этом классе конструкционных материалов и которые недостижимы в материалах, получаемых с использованием традиционных технологий.

В МКС основой являются литейные или деформируемые сплавы, а армирующими элементами - дисперсные частицы, искусственно вводимые (ех^йи-процессы) или инициируемые в результате протекающих реакций (ш^ки-процессы, «реакционное литье»). При этом, как правило, в качестве упрочнителей микрометрических размеров используются тугоплавкие высокопрочные частицы оксидов, карбидов, боридов, нитридов (наиболее часто SiC, А1203, В4С, ^С). Химические реакции ш^йи, протекающие в расплаве при введении химически активных металлов, газов или химических соединений, формируют термодинамически устойчивые, смачиваемые расплавом за счет возникновения когерентных границ, термостабильные при повышенных температурах эксплуатации армирующие фазы. Разновидностью ш^йи-процессов выступают процессы получения композитов, при которых для синтеза армирующих частиц в расплаве алюминия используется СВС [1].

Главными критериями при выборе состава матричного сплава, размера, количества, природы армирующих частиц и способа их имплантации в расплав, метода формообразования и условий формирования свойств заготовки являются требования к свойствам готовых изделий,

© Siberian Federal University. All rights reserved

* Corresponding author E-mail address: genkosnikov@mail.ru

стабильность структуры и свойств в процессе их эксплуатации. Это предполагает многовариантность технологических решений при получении изделий из МКС. При этом в ряде случаев требуются новые конструкторские решения в отношении изделий, в которых традиционные материалы заменяются композитами.

Используют три основные технологические схемы производства МКС:

- введение частиц в расплав при интенсивном перемешивании с помощью импеллера или магнитогидродинамического (МГД) перемешивателя;

- пропитка дисперсных частиц или преформ матричным расплавом;

- порошковая технология.

За исключением вариантов, в которых порошковая технология реализуется путем ком-пактирования исходных порошков матричного сплава и армирующих компонентов в твердом состоянии, все три технологические схемы связаны с использованием расплавов, т.е. жидко-фазных технологий, для получения МКС.

Несмотря на обилие работ, посвященных исследованию и созданию МКС, их применение до сих пор фактически не вышло из стадии полупромышленного производства. Одной из причин такого положения считается ограниченность возможностей использования МКС для получения фасонных изделий различной массы и габаритов со сложными внутренними полостями. Благодаря своей универсальности наиболее приемлемыми с этой точки зрения являются как традиционные литейные технологии, предусматривающие заполнение литейных форм сплавами, находящимися в жидком состоянии, так и тиксотехнологии, предусматривающие заполнение форм сплавами, находящимися в двухфазном состоянии.

Особенностью литейных МКС признана необходимость обеспечения равномерности распределения дисперсных частиц в объеме расплава на всех этапах получения отливок традиционными методами литья, при этом проблема седиментационной устойчивости литейных композитов непосредственно связана не только с формированием структуры и свойств МКС, но и с реализуемыми методами изготовления отливок.

Алюминиевые сплавы в настоящее время являются наиболее востребованным и распространенным среди цветных сплавов конструкционным материалом, обладающим высокой удельной прочностью и универсальным комплексом механических, эксплуатационных и специальных свойств, что обусловливает исключительное значение материалов на алюминиевой основе для развития двигателестроения, авиационной и космической техники.

Микроразмерные частицы в алюмоматричных композитах (АМК) однозначно играют роль армирующих элементов, характер взаимодействий на границе «частица-расплав» определяется, главным образом, их смачиваемостью расплавом. Эти сплавы обеспечивают высокий уровень механических и эксплуатационных свойств и могут быть использованы для получения заготовок методом литья.

Особый интерес представляют работы, направленные на получение металломатричных нанокомпозитов за счет комплексного использования ех-яШ- и ш^йи-процессов (полиармирование). Положительное влияние наноразмерных дисперсных частиц в композитах, получаемых, главным образом, методами порошковой металлургии, доказало перспективность наноструктурных АМК (НАМК). Все положительные качества микроразмерных композитов в нанокомпозитах реализуются в значительно большей степени. Однако высокие энергетиче-

ский потенциал, удельная поверхность и межфазная энергия частиц, поверхностное натяжение расплава, усиление диффузионных процессов, протекающих тем интенсивнее, чем выше технологические температуры и ниже вязкость расплава, требуют принятия специфических технологических решений, отличных от технологий получения микроразмерных композиций

Примером, иллюстрирующим заинтересованность в разработке нанокомпозитов, служит принятая в США программа по созданию дискретно-армированных нанокомпозитов на основе алюминиевых сплавов системы Al-Mg-Sc-Zr с целью расширения температурных пределов эксплуатации материалов для ракетных двигателей, ГТД и авиационных конструкций [2].

Внимание, уделяемое этой проблеме в нашей стране, иллюстрируется государственными программами (соответствующая подпрограмма на 2011-2015 гг. ФЦП "Национальная технологическая база", направленная на создание композитов на базе силуминов и внедрение тиксотех-нологий в дизелестроении; ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы»; конкурс Минпром-торга, предусматривающий разработку сплавов и оборудования для тиксолитья; мероприятия, осуществляемые в соответствии с постановлением Правительства Российской Федерации от 9 апреля 2010 г. № 218 и др.), а также тематикой и количеством защищенных диссертаций, грантов различного уровня.

В РФ вопросами получения НАМК, преимушественно триботехнического назначения, занимаются в различных организациях, наиболее интенсивно - в ИММ им. А.А. Байкова РАН, ВлГТУ, Сибирском ГАУ им. акад. М.Ф. Решетнева, МИСиС, СПбГПУ

Большинство исследователей наночастицам в алюминиеых сплавах отводят роль модификаторов. Микрочастицы SiC располагаются преимущественно на границах эвтектических зерен, а наночастицы SiC - в дендритах первичного твердого раствора. Тенденция микрочастиц располагаться по границам зерен приводит к снижению вязкости разрушения, прочности и твердости при повышенных температурах и ухудшению обрабатываемости [3]. Наночастицы SiC и Al2O3 влияют на размер и морфологию образующихся в расплаве интерметаллидных соединений, а в результате взаимодействия наноразмерных частиц SiC с Ti образуется упрочняющая фаза TiC [4]. Высказывается мнение, что нанопорошки обладают близким модифицирующим эффектом независимо от химического состава, структурного типа и других параметров [5].

Независимо от влияния, которое наночастицы оказывают на кристаллизующийся сплав, они сохраняются в твердом композите как изолированные включения, влияют на процессы разрушения композитов, причем это влияние в значительной степени зависит от места их расположения по отношению к границам дендритов и зерен.

Задача введения наночастиц в расплав и их равномерного распределения в объеме суспензии решается преимущественно за счет применения механического и МГД-замешивания частиц, при этом порошки армирующих частиц могут вводиться инжекцией в струе нейтрального газа, в виде таблеток, брикетов, порошковой проволоки, протяженных прессованных композиций. Эффективен способ введения наночастиц в расплав в виде наноразмерных порошковых композиционных материалов (НПКМ), получаемых методом механолегирования [6].

Рядом преимуществ обладает метод плазменного синтеза в сочетании с двухплоскостным МГД-перемешиванием [7, 8]. Двухплоскостное МГД-перемешивание широкоинтервальных

сплавов, в частности доэвтектических силуминов, в жидком и двухфазном состояниях позволяет одновременно решать задачи равномерного распределения частиц в объеме расплава и вырождения дендритной структуры, дает возможность использования всех преимуществ тик-солитья для получения нанокомпозитов [9]. В частности, применение избыточного давления при тиксоформовке позволяет избавиться от газовой пористости в заготовке.

Работы отечественных [10] и зарубежных [11] исследователей показывают, что одним из эффективнейших методов воздействия на процессы формирования структуры сплавов является их обработка в жидком и двухфазном состояниях мощным ультразвуком. Ультразвук диспергирует, распределяет и разрушает наноразмерные кластеры, при сочетании ультразвуковой обработки в режиме кавитации с введением модификаторов зародышевого типа в отливке формируется вырожденная дендритная структура.

Эффективность влияния ультразвука ослабевает при удалении от излучателя, поэтому целесообразно использовать эффект УЗ-обработки совместно с МГД-перемешиванием. Задача введения наночастиц в расплав может быть упрощена за счет предварительного получения высокопроцентных нанокомпозитных лигатур с последующим введением их в расплавы. При получении градиентных нанокомпозитных изделий может использоваться технология центробежного литья.

Задача обеспечения седиментационной устойчивости расплава, предотвращения агрегации наночастиц при непосредственной подаче композиции в формообразующую полость, а также при рецинклинге композитов и повторном нагреве перед формообразованием ранее полученных нанокомпозитных шихтовых заготовок решается в зависимости от варианта получения изделий из нанокомпозитов.

При непосредственной транспортировке суспензии в формобразующую полость целесообразно использовать метод композиционного литья (Compocasting), при этом интересные перспективы открывает использование для этих целей турбоиндукционных печей [12] и МГД-насосов [13].

Наиболее легко реализуемый вариант - порционная заливка суспензии в формообразующую полость.

При приготовлении композита в виде шихтовой заготовки для тиксоформовки предпочтительно использование процесса полунепрерывного литья, который позволяет обеспечить эффективный ввод дисперсных частиц в расплав (инжекция с помощью инертного газа, порошковая проволока и др.), их перемешивание, вырождение дендритов твердого раствора (МГД-перемешиватель, УЗ-обработка). Полное вырождение дендритной структуры дает возможность мерную заготовку нагревать только до технологической температуры формообразования. С этой точки зрения заслуживают внимания работы, направленные на интенсификацию процессов вырождения дендритов за счет комплексного электротокового воздействия [14].

Расширение номенклатуры материалов, пригодных для тиксолитья, за счет деформируемых твердорастворных сплавов типа АД31 [15] позволяет использовать их как основы для получения нанокомпозитов при тиксоформовке.

Перспективны разработки в области получения НАКС с использованием в качесте арми-руюших комплексов наноуглеродных материалов, в частности фуллеренов С60, нанотрубок,

наноалмазов, наноразмерных продуктов модифицирования природных углеродосодержащих пород (шунгитов) [16-18].

Развитие процессов тиксоформовки (тиксолитья, тиксоштамповки) показывает, что исследование и разработка этих процессов делает особенно перспективным сотрудничество литейщиков и специалистов в области пластической обработки сплавов. При этом литейщики призваны решать вопросы обеспечения «прокатчиков» заготовками для тиксоштамповки. Предметом общих интересов могут стать и совместные работы в области получения листовых и профильных изделий из нанокомпозитов методами бесслитковой прокатки.

В настоящее время бурно развиваются гранульные технологии, в частности новое мате-риаловедческое направление - наноструктурные гранульные композиты, объединяющее достоинства гранульной металлургии и принципы создания объемного композиционного материала из гранул. Для компактирования используются, как правило, всестороннее гидро- или газостатическое прессование [19]. С учетом опыта литейщиков в области суспезионного литья, возможности использования наноструктурных гранул для введения наночастиц в расплав представляется весьма перспективным сотрудничество литейщиков и специалистов гранульной металлургии в области разработки гибридных процессов, способных, в конечном итоге, обеспечивать получение фасонных изделий из нового класса нанокомпозитов.

Вопросы получения изделий из нанокомпозитов с использованием жидкофазных технологий требуют системного подхода к решению всего комплекса возникающих проблем, привлечения специалистов в различных областях знания (термодинамики, физико-химии расплавов и физики твердого тела, механики разрушения, технологии получения и обработки сплавов в жидком, двухфазном и твердом состояниях, компьютерных технологий, сварки, механической обработки).

Решение этой комплексной проблемы возможно при участии многопрофильных научных учреждений, которыми, в первую очередь, служат научно-исследовательские (политехнические) университеты.

Заключение

1. Основными изделиями, на которые в настоящее время ориентировны отечественные разработки НАКС, являются детали триботехнического назначения и жаропрочные композиты для ЦПГ ДВС. Перспективны для применения НАКС и другие области машиностроения, в частности нефтедобывающая и нефтеперерабатывающая промышленность.

2. Теория наноструктурных металломатричных, в частности алюмоматричных, композиционных сплавов находится в стадии становления. Необходимо выяснить роль наночастиц различного состава и происхождения в процессах кристаллизации и перекристаллизации композитов, в процессах разрушения изделий в различных условиях эксплуатации, что требует, в частности, определения теплофизических характеристик композитов, разработки соответствующих математических и физических моделей.

3. При разработке нанокомпозитов необходимо не только исходить из заданного комплекса их механических и специальных свойств, но рассматривать в качестве обязательных конструктивные особенности конкретных заготовок (деталей), метод их получения, особенности механической и термической обработок.

4. Представляется целесообразным дальнейшие работы в области получения фасонных изделий из НАКС ориентировать в следующих направлениях:

- в качестве матричных использовать широкоинтервальные и твердорастворные сплавы, обеспечивающие возможность их обработки в жидком и двухфазном состояниях;

- при порционной обработке расплава или полунепрерывном литье заготовок использовать комплексы из микроразмерных частиц элементов-носителей (медь, переходные металлы) и тугоплавких наночастиц, получаемые механолегированием, а также гранульные нанокомпозиты при их введении в виде прессованных брикетов, порошковой проволоки с помощью газовой инжекции;

- равномерное распределение наночастиц в объеме расплава обеспечивать за счет комплексного использования в оптимальных режимах процессов МГД-перемешивания и УЗ-обработки, при этом ориентируясь на реализацию одностадийности процесса полного вырождения дендритов твердого раствора и создания тиксотропной структуры;

- в качестве основного метода получения готовых изделий из НАКС использовать методы формообразования нанокомпозитов в двухфазном состоянии (тиксолитье, тиксо-штамповка, композиционное литье);

- применять для достижения заданного уровня свойств НАКС в готовых изделиях весь арсенал достижений в области плавки, обработки в жидком, двухфазном и твердом состояниях матричных сплавов;

- рассматривать работы в области создания НКАС как базу для разработки нанокомпози-тов на основе других сплавов, в первую очередь магниевых.

Список литературы

[1] Амосов А.П. // Вестник СамГТУ, сер. Технические науки. 2007. № 2(20). C. 77.

[2] Кондратенко А.Н., Голубкова Т.А. // Конструкции из композиционных материалов. 2009. № 1. С. 24.

[3] Lilian Ivanchev, Sigqibo Templeton Camagu, Gonasagren Govender // J. Solid State Phenomena. 2013. Vol. 192193. P. 61.

[4] Панфилов А.В., Петрунин А.В., Панфилов А.А. //Литейщик России. 2008. № 7. С. 42.

[5] Крушенко Г.Г., Решетникова С.Н. // Вестник СибГАУ 2007. Вып. 3(16). С. 103.

[6] Косников Г.А., Баранов В.А., Петрович С.Ю., Калмыков А.В. // Литейное производство. 2012. № 2. С. 4.

[7] Борисов В.Г. // Металлург. 2008. № 11. С. 102.

[8] Косников Г.А., Колесов С.С. // Труды VII съезда литейщиков России. Новосибирск, 2005. Т. 1. С. 298.

[9] Семенов Б.И., Куштаров К.М.. Производство изделий из металла в твердожидком состоянии. Новые промышленные технологии. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010. 223 с.

[10] Приходько В.М., Абрамов О.В., Эльдарханов А.С. Мощный ультразвук в металлургии и машиностроении. М.: Янус-К, 2006. 688 с.

[11] Michael De Cicco, Lih Sheng Turng, Xiao Chun Li, John H. Perepezko // Proceedings of 10th International Conference on Semi-Solid Processing of the Alloys and Composites S2P 2008,

September 16th-18th, 2008 Aachen, Germany and Liege, Belgium. Ed. G. Hirt, A. Rassili, A. Buhrig-Polaczek. TTP Trans Tech Publications LTD, Switzerland

[12] Лузгин В.И., Петров А.Ю., Рачков С.А. и др. // Литейное производство. 2010. № 3. С. 12.

[13] Найдек В.Л. // Литейное производство. 2009. № 11. С. 6.

[14] Борисов Г.П., Борисов А.Г., Цуркин В.Н. и др. // Процессы литья. 2012. № 3. С. 32.

[15] Косников Г.А., Колесов C£. // Литейщик России. 2007. № 4. С. 28.

[16] Евдокимов И. А., Прусов Е. С., Киреев А. В. // Ползуновский альманах. 2010. № 2. С. 264.

[17] Prokhorov V.M., Blank V.D., Pivovarov G.I., Solovyeva L.F. // Proc. Int., Sci. Conf. New promising materials and processes of their preparation (NPM-2004). Volgograd, 2023 Sept., 2004. P. 124

[18] Кондратенко А.Н., Голубкова Т.А. // Конструкции из композиционных материалов. 2009. № 1. С. 29.

[19] Москвичев Ю.П, Панин В.И, Агеев С.В. и др. // Actual Conference. 2011. № 1(70). С. 44.

Liquidphase Production Technologies of Alumomatrix Nanocomposit Billets (Review)

Gennady A. Kosnikov

St.Petesburg State Politechnical University, 29 Politechnicheskaya Str., St.Petersburg, 195251, Russia

Liquidphase production technologies of alumomatrix nanocomposit billets are considered. Complex using of magnetohydrodynamic stirring, ultrasonic treatment of suspension during liquid and liquidsolid states and thixoforming advantages are proposed.

Keywords: alumomatrix nanocomposities, liquidphase technologies, magnetohydrodynamic stirring, ultrasonic treatment, semicontinious casting, thixoforming, billets.