Способ изготовления металломатричного композита

 

Изобретение относится к композиционным материалам, а именно к металломатричным композитам. В способе изготовления металломатричного композита, включающем подготовку усиливающих элементов в виде порошка, подготовку материала матрицы в виде порошка, смешивание и перемешивание порошков и последующую термообработку полученной смеси, согласно изобретению в качестве материала матрицы используют нанопорошок размером 1-150 нм в количестве 1-100 мас. % от массы материала матрицы; смешивание порошков осуществляют в процессе получения нанопорошка материала матрицы; причем смешивание порошков осуществляют в консерванте, а после перемешивания удаляют консервант вакуумированием; после получения смеси порошков осуществляют обработку давлением полученной смеси магнитно-импульсным прессованием; после получения смеси порошков осуществляют обработку давлением полученной смеси взрывным методом; после магнитно-импульсного прессования осуществляют обработку взрывом, при этом давление при обработке взрывом превышает давление при магнитно-импульсном прессовании в 1,1-20 раз, а скорость увеличения нагрузки - в 1,1-10 раз; после получения смеси порошков ее нагревают до расплавления материала матрицы, а затем полученную суспензию, состоящую из твердых усиливающих элементов и расплавленного материала матрицы, перемешивают и охлаждают; при перемешивании суспензии, состоящей из твердых усиливающих частиц и расплавленного материала матрицы, в нее добавляют порошок материала матрицы. Обеспечивается повышение прочностных характеристик и износостойкости композита. 7 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к композиционным материалам, а именно к такому их виду как металломатричные композиты. Данный материал может применяться в различных отраслях техники, например, в машиностроении (включая автомобилестроение), электронике и электротехнике.

Известны способы изготовления металломатричных композитов, состоящих из алюминиевой матрицы и усиливающих элементов в виде порошка карбида кремния размером 23 мкм [Axel Kolsgaard, Stig Brusethaug Settling of SiC particles in an AISi7Mg melt. Materials Science and Engineering, A173 (1993) 213-219]. Однако такой способ не позволяет получить материал с высокой равномерностью свойств, так как при расплавлении крупные порошинки быстро оседают.

В качестве ближайшего аналога для заявленного способа предлагается способ изготовления металломатричного композита (RU 2158779 С1, кл. С 22 С 1/10, 10.11.2000), включающий подготовку усиливающих элементов в виде порошка, подготовку материала матрицы в виде порошка, смешивание и перемешивание порошков и последующую термообработку полученной смеси. Равномерность свойств по сечению детали из такого материала значительно выше. Прочностные характеристики и износостойкость такого материала значительно выше, чем у алюминиевого неармированного сплава. Однако такой способ не позволяет получить максимально возможные прочностные показатели из-за того, что сцепление (адгезия) материала матрицы и усиливающих частиц при таком способе не достигает максимально возможного уровня.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков и достижение технического результата, заключающегося в повышении прочностных характеристик и износостойкости металломатричного композита за счет увеличения сил сцепления (адгезии) между материалом матрицы и услиливающими частицами.

Указанный технический результат достигается тем, что способе изготовления металломатричного композита, включающем подготовку усиливающих элементов в виде порошка, подготовку материала матрицы в виде порошка, смешивание и перемешивание порошков и последующую термообработку полученной смеси, отличающемся тем, что в качестве материала матрицы используют нанопорошок размером 1-150 нм в количестве 1-100 мас.%. от массы материала матрицы. В способе изготовления металломатричного композита возможно согласно изобретению смешивание порошков осуществлять в процессе получения нанопорошка матрицы.

В способе изготовления металломатричного композита возможно согласно изобретению смешивание порошков осуществлять в консерванте, а после перемешивания удалять консервант вакуумированием.

В способе изготовления металломатричного композита возможно согласно изобретению после получения смеси порошков осуществлять обработку давлением полученной смеси магнитно-импульсным прессованием.

В способе изготовления металломатричного композита возможно согласно изобретению после получения смеси порошков осуществлять обработку давлением полученной смеси взрывным методом.

В способе изготовления металломатричного композита возможно согласно изобретению после магнитно-импульсного прессования осуществлять обработку взрывом, при этом давление при обработке взрывом превышает давление при магнитно-импульсном прессовании в 1,1-20 раз, а скорость увеличения нагрузки - в 1,1-10 раз.

В способе изготовления металломатричного композита возможно согласно изобретению после получения смеси порошков ее нагревать до расплавления материала матрицы, а затем полученную суспензию, состоящую из твердых усиливающих частиц и расплавленного материала матрицы, перемешивать и охлаждать.

В способе изготовления металломатричного композита возможно согласно изобретению при перемешивании суспензии, состоящей из твердых усиливающих частиц и расплавленного материала матрицы, в нее добавлять материал матрицы.

Способ изготовления металломатричного композита осуществляют следующим образом. Вначале осуществляют подготовку усиливающих элементов в виде порошка и подготовку материала матрицы в виде порошка. Эта операция включает контроль качества исходного материала, дозировку порошка, в некоторых случаях предварительную обработку порошков различными методами, транспортировку порошков к смесителям и т.п. Согласно способу для материала матрицы применяют нанопорошок размером 1-150 нм в количестве 1-100 мас.% от массы матрицы. После подготовки порошков осуществляют смешивание и перемешивание порошков до получения однородной смеси. Полученную смесь подвергают термообработке (нагреву по определенным режимам).

Это был описан способ изготовления металломатричного композита в базовом варианте. В способе возможны некоторые дополнительные операции. В способе возможно смешивание порошков осуществлять в процессе получения нанопорошка (например, при получении нанопорошка плазменным методом).

В способе возможно также смешивание порошков осуществлять в консерванте, а после перемешивания удалять консервант вакуумированием.

В способе возможно после получения смеси порошков осуществлять обработку давлением полученной смеси магнитно-импульсным прессованием.

В способе возможно после получения смеси порошков осуществлять обработку давлением полученной смеси взрывным методом.

В варианте способа изготовления металломатричного композита, включающем магнитно-импульсное прессование смеси порошков, возможно осуществлять обработку взрывом, при этом применяют давление при обработке взрывом, превышающее давление при магнитно-импульсном прессовании, в 1,1-20 раз, а скорость увеличения нагрузки - в 1,1-10 раз.

В способе возможно после получения смеси порошков нагревать смесь до расплавления материала матрицы, а затем полученную суспензию, состоящую из твердых усиливающих частиц и расплавленного материала матрицы, перемешивать и охлаждать.

В способе, включающем нагревание смеси до расплавления материала матрицы, возможно при перемешивании суспензии, состоящей из твердых усиливающих частиц и расплавленного материала матрицы, в нее добавлять материал матрицы.

Способ изготовления металломатричного композита включает применение для материала матрицы нанопорошка размером 1-150 нм в количестве 1-100 мас.% от массы матрицы. Материал матрицы в виде нанопорошка применяют для увеличения сил сцепления (адгезии) между материалом матрицы и усиливающими элементами, что достигается благодаря высокой активности материала в наносостоянии. Получение порошка размером менее 1 нм связано с большими трудностями и его применение для этого способа является экономически нецелесообразным. При размерах порошка более 150 нм актиность его снижается и эффект увеличения сил сцепления между материалом матрицы и усиливающими элементами не наблюдается. Нанопорошок может составлять 1-100 мас.% от всего материала матрицы. В случае когда все 100% материала матрицы состоят из нанопорошка достигается максимально возможный эффект от применения нанопорошков. Однако нанопорошки имеют высокую стоимость, поэтому целесообразно при возможности снижение количества его применения. Исследования показали, что даже применение нанопорошков в количествах менее 100 мас.% от массы матрицы приводит к положительным результатам. Нанопорошок частично покрывает усиливающие частицы, добавление материала матрицы в обычном расплавленном состоянии приводит к тому, что смачивание усиливающих частиц осуществляется легче и начинается с мест контакта нанопорошинок с усиливающими частицами. Исследования показали, что минимальное количество, при котором нанопорошок оказывает положительное влияние на процессы смачивания, является 1% от количества материала матрицы.

В способе возможно смешивание порошков осуществлять в процессе получения нанопорошка из материала матрицы. Данную операцию проводят в тех случаях, когда активность нанопорошков снижается в результате хранения, что может происходить в результате укрупнения порошков или реагирования порошков с другими веществами. Смешивание порошков в процессе получения нанопорошков позволяет использовать нанопорошки в том состоянии, в котором они обладают наибольшей активностью.

В способе возможно смешивание порошков осуществлять в консерванте, а после перемешивания удалять консервант вакуумированием. Применение этой операции позволит, с одной стороны, предотвратить снижение активности порошков и, с другой стороны, позволит повысить равномерность перемешивания порошков.

В способе возможно после получения смеси порошков осуществлять обработку давлением полученную смесь магнитно-импульсным прессованием. Применение этой операции позволит получить компактный материал с высокой плотностью. Следует заметить, что комбинация приемов "применение магнитно-импульсного прессования" и "применение наноматериалов" позволяет добиться повышенных результатов в области сцепления матрицы с усиливающими частицами, чем простое арифметическое сложение положительного эффекта от применения каждого приема. Следует заметить также, что возможно проводить несколько циклов обработки материала магнитно-импульсным прессованием, так как исследования показали, что несколько циклов (2-3 цикла) обработки улучшают свойства материалов, а дальнейшее увеличение циклов обработки не приводит к дальнейшему увеличению качества материала, а в некоторых случаях даже может приводить к ухудшению свойств.

В способе возможно после получения смеси порошков осуществлять обработку давлением полученной смеси взрывным методом. Обработка взрывом позволяет получать компактный материал с высокой плотностью. Комбинация приемов "применение обработки взрывным методом" и "применение наноматериалов" позволяет добиться повышенного сцепления матрицы с усиливающими частицами по сравнению с простым арифметическим результатом сложения положительного эффекта от применения каждого приема. Следует заметить также, что возможно проводить несколько циклов обработки материала взрывным способом, так как исследования показали, что несколько циклов (2-3 цикла) обработки улучшают свойства материалов, а дальнейшее увеличение циклов обработки не приводит к дальнейшему увеличению качества материала, а в некоторых случаях даже может приводить к ухудшению свойств.

В способе возможно после магнитно-импульсного прессования осуществлять обработку взрывом, при этом давление при обработке взрывом превышает давление при магнитно-импульсном прессовании в 1,1-20 раз, а скорость увеличения нагрузки - в 1,1-10 раз. Исследования показали, что возможно проводить несколько циклов обработки материала динамическим нагружением (магнитно-импульсным прессованием или обработкой взрывом). При этом для достижения значительных положительных результатов при втором цикле нагружения требуется увеличение нагрузки, поэтому первым циклом выбран метод магнитно-импульсного прессования, а вторым - обработка взрывом. Так как при первом цикле обработки (то есть при магнитно-импульсном прессовании) материал уже подвергся значительному давлению, то улучшение свойств после второго цикла обработки (то есть после обработки взрывом) наступает только при увеличении давления по сравнению с давлением при магнитно-импульсном прессовании как минимум в 1,1 раз; увеличение давления при втором цикле деформации более, чем в 20 раз приводит к значительному удорожанию процесса обработки, но не приводит к дальнейшему улучшению свойств. Для достижения положительного результата (аналогично) скорость увеличения нагрузки при обработке взрывом должна превышать скорость увеличения нагрузки при магнитно-импульсном прессовании как минимум в 1,1 раз; превышение скорости увеличения нагрузки при обработке взрывом по сравнению с магнитно-импульсным прессованием более, чем в 10 раз не приводит к дальнейшему улучшению свойств.

В способе возможно после получения смеси порошков нагревать ее до расплавления материала матрицы, а затем полученную суспензию, состоящую из твердых усиливающих частиц и расплавленного материала матрицы, перемешивать и охлаждать. Данная операция позволит получить увеличение сцепления между усиливающими элементами и материалом матрицы за счет растекания материала матрицы по поверхности частиц усиливающих элементов. Как показали исследования, активность материала матрицы в наносостоянии чрезвычайно высока, что позволяет добиться высокого уровня смачиваемости, то есть высокого уровня сцепления между компонентами композиционного материала.

В способе возможно при перемешивании суспензии, состоящей из твердых усиливающих частиц и расплавленного материала матрицы, в нее добавлять материал матрицы. Эта операция позволит экономить наноматериал. Как показали исследования, для достижения полного смачивания усиливающих частиц материалом матрицы в наносостоянии достаточно 40-45 вес.% материала матрицы, то есть усиливающих частиц может быть 55-60%. Однако в большинстве случаев применяются материалы с меньшим содержанием усиливающих частиц (наиболее распространенным является содержание 20%), поэтому указанная операция позволит получить композиционный материал с нужной концентрацией при высокой степени сцепления между компонентами композиционного материала.

Пример 1 Металломатричный композит был изготовлен методами порошковой металлургии с применением нанотехнологий. Усиливающими элементами служили частицы карбида кремния со средним размером 10 мкм, процентное содержание которых составляло 50 мас.%. Матрица была выполнена из технически чистого алюминия. Для получения матрицы применили нанопорошок алюминия размером 150 нм, полученный методом взрыва проволоки. Из нанопорошка алюминия были выполнены все 100% матрицы (то есть 50 мас.% от всего металломатричного композита). Нанопорошок алюминия был законсервирован в консерванте. В консерванте было осуществлено перемешивание порошка матрицы и порошка усиливающих элементов. Далее смесь была вакуумирована и скомпактирована прессованием. В результате был получен металломатричный композит высокого качества.

Пример 2 Металломатричный композит был изготовлен методами порошковой металлургии с применением нанотехнологий. Усиливающими элементами служили частицы карбида кремния со средним размером 10 мкм, процентное содержание которых составляло 20 мас.%. Матрица была выполнена из алюминиевого сплава с содержанием 7% кремния и 1% магния с применением нанотехнологий следующим образом. Нанопорошок размером 1 нм получали при помощи лазера (перевод сплава при обработке лазером в парогазовое состояние и последующая конденсация паров с образованием нанопорошка). В камере образования и сбора нанопорошка располагали порошок карбида кремния при постоянном его перемешивании. Таким образом было получено 1% нанопорошка от всей массы матрицы. Далее полученную смесь поместили в консервант, провели дальнейшее смешивание с порошком сплава матрицы (размер порошка варьировался в пределах 5-10 микрометров). Далее осуществили компактирование по обычной технологии. В результате был получен металломатричный композит высокого качества.

Пример 3 Металломатричный композит был изготовлен методами порошковой металлургии с применением нанотехнологий. Усиливающими элементами служили частицы карбида кремния со средним размером 1 мкм, процентное содержание которых составляло 20 мас. %. Матрица была выполнена из технически чистого алюминия. Для получения матрицы применили нанопорошок алюминия размером 150 нм, полученный методом взрыва проволоки. Из нанопорошка алюминия были выполнены все 100% матрицы (то есть 80 мас.% от всего металломатричного композита). Нанопорошок алюминия был законсервирован в консерванте. В консерванте было осуществлено перемешивание порошка матрицы и порошка усиливающих элементов. Далее смесь была вакуумирована и обработана магнитно-импульсным прессованием. В результате был получен металломатричный композит высокого качества.

Пример 4 Металломатричный композит был изготовлен методами порошковой металлургии с применением нанотехнологий. Усиливающими элементами служили частицы карбида кремния со средним размером 5 мкм, процентное содержание которых составляло 50 мас.%. Матрица была выполнена из технически чистого алюминия. Для получения матрицы применили нанопорошок алюминия размером 100 нм, полученный методом взрыва проволоки. Из нанопорошка алюминия были выполнены все 100% матрицы (то есть 50 мас.% от всего металломатричного композита). Нанопорошок алюминия был законсервирован в консерванте. В консерванте было осуществлено перемешивание порошка матрицы и порошка усиливающих элементов. Далее смесь была помещена в специальную технологическую форму, вакуумирована и обработана взрывом. В результате был получен металломатричный композит высокого качества.

Пример 5 Металломатричный композит был изготовлен методами порошковой металлургии с применением нанотехнологий. Усиливающими элементами служили частицы карбида кремния со средним размером 10 мкм, процентное содержание которых составляло 20 мас. %. Матрица была выполнена из технически чистого алюминия. Для получения матрицы применили нанопорошок алюминия размером 100 нм, полученный методом взрыва проволоки. Из нанопорошка алюминия были выполнены все 100% матрицы (то есть 80 мас.% от всего металломатричного композита). Нанопорошок алюминия был законсервирован в консерванте. В консерванте было осуществлено перемешивание порошка матрицы и порошка усиливающих элементов. Далее смесь была вакуумирована и скомпактирована магнитно-импульсным прессованием при давлении 0,5 ГПа. После этого материал был подвергнут обработке взрывом при давлении 10 ГПа, что превышает давление при магнитно-импульсном прессовании в 20 раз. В результате был получен металломатричный композит высокого качества.

Пример 6 Металломатричный композит был изготовлен методами порошковой металлургии с применением нанотехнологий. Усиливающими элементами служили частицы карбида кремния со средним размером 15 мкм, процентное содержание которых составляло 20 мас.%. Матрица была выполнена из алюминиевого сплава с содержанием 7% кремния и 1% магния. Для получения матрицы применили нанопорошок алюминия размером 100 нм, полученный методом плазменного распыления. Из нанопорошка алюминиевого сплава было выполнено 25% матрицы (то есть 20 мас.% от всего металломатричного композита). Нанопорошок алюминия был законсервирован в консерванте. В консерванте было осуществлено перемешивание порошка матрицы и порошка усиливающих элементов. Далее смесь была вакуумирована и нагрета до расплавления матрицы. После этого в расплав добавили оставшиеся 75% материала матрицы в расплавленном состоянии. После тщательного перемешивания расплав охладили. В результате был получен металломатричный композит высокого качества.

Формула изобретения

1. Способ изготовления металломатричного композита, включающий подготовку усиливающих элементов в виде порошка, подготовку материала матрицы в виде порошка, смешивание и перемешивание порошков и последующую термообработку полученной смеси, отличающийся тем, что в качестве материала матрицы используют нанопорошок размером 1-150 нм в количестве 1-100 мас.% от массы материала матрицы.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что смешивание порошков осуществляют в процессе получения нанопорошка материала матрицы.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что смешивание порошков осуществляют в консерванте, а после перемешивания удаляют консервант вакуумированием.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что после получения смеси порошков осуществляют обработку давлением полученной смеси магнитно-импульсным прессованием.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что после получения смеси порошков осуществляют обработку давлением полученной смеси взрывным методом.

6. Способ по п.4, отличающийся тем, что после магнитно-импульсного прессования осуществляют обработку взрывом, при этом давление при обработке взрывом превышает давление при магнитно-импульсном прессовании в 1,1-20 раз, а скорость увеличения нагрузки - в 1,1-10 раз.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что после получения смеси порошков ее нагревают до расплавления материала матрицы, а затем полученную суспензию, состоящую из твердых усиливающих элементов и расплавленного материала матрицы, перемешивают и охлаждают.

8. Способ по п. 7, отличающийся тем, что при перемешивании суспензии, состоящей из твердых усиливающих частиц и расплавленного материала матрицы, в нее добавляют порошок материала матрицы.