Способ получения механически легированного композиционного материала на основе алюминиевого сплава

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к способам изготовления композиционных материалов на основе термически упрочняемых алюминиевых сплавов. Способ включает высокоэнергетическую механическую обработку исходного измельченного сырья, содержащего 20 об.% частиц упрочнителя и алюминиевый сплав в виде предварительно измельченной стружки, в планетарном активаторе в инертной атмосфере квазицилиндрическими мелющими телами. После чего проводят холодное прессование с достижением до 80% теоретической плотности и горячее прессование при температуре 400°С с выдержкой под нагрузкой в течение 20 мин. В качестве алюминиевого сплава используют закаленный сплав Д16, причем временной промежуток между его закалкой и высокоэнергетической механической обработкой не превышает 5 часов. В качестве упрочнителя используют порошок карбида кремния дисперсностью 8-12 мкм. Предварительно измельченную стружку сплава получают измельчением до размера не более 5 мм в планетарном активаторе или молотковой дробилке. Высокоэнергетическую механическую обработку осуществляют при отношении массы мелющих тел к массе исходного сырья 6:1 в течение 120-300 мин. Холодное прессование осуществляют при давлении 180-570 МПа. Технический результат изобретения - повышение твердости прессованных полуфабрикатов механически легированных композиционных материалов. 5 з.п. ф-лы, 9 табл.

 

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к разработке технологии изготовления высокопрочных композиционных материалов на основе термически упрочняемых алюминиевых сплавов путем механического легирования. Технической задачей изобретения является улучшение сохранности высокого уровня прочностных свойств механически легированных композиционных материалов на основе сплава Д16 в процессе горячего прессования.

В патенте РФ №2113941, выданном на "Способ получения легированного порошка на основе алюминия", раскрыт способ получения композиционного материала. По данному способу получают легированный порошок на основе алюминия, из которого горячим прессованием получают материал. Данный способ предусматривает высокоэнергетическую механическую обработку в инертной атмосфере заранее полученной порошкообразной шихты в виде исходного измельченного сырья с размером частиц 1-500 мкм, содержащей алюминий, магний и другие легирующие компоненты, при этом в способе регламентируются расход энергии на механическую обработку и локальная мощность в расчете на 1 кг шихты. Высокоэнергетическую обработку осуществляют до получения активированной смеси композиционного порошка с преимущественно сфероидной формой частиц, средний размер которых в 1,5-10 раз превышает средний размер частиц шихты. Затем осуществляют горячее прессование при 400-420°С активированной смеси для получения материала. Материал, полученный в соответствии с данным способом, характеризуется микротвердостью металлической матрицы в интервале 2300-3000 МПа (HV 230-300), увеличенным средним размером частиц и обладает улучшенной свариваемостью.

Другим близким способом к предложенному является способ изготовления композиционного материала на основе алюминия, включающий высокоэнергетическую механическую обработку в инертной атмосфере исходного измельченного сырья в виде порошка, содержащего алюминий или его сплав и оксид алюминия, в присутствии газообразного или жидкого органического поверхностно-активного вещества (ПАВ) с содержанием его не более 4% от веса шихты до измельчения упомянутого оксида алюминия до размера 10-200 нм в диаметре. Затем полученную активированную смесь консолидируют для получения материала путем прессования при температурах 800-950°F (427-511°С) (см. патент США №3740210).

Наиболее близким к предложенному способу получения механически легированного композиционного материала является способ получения композиционного материала на основе алюминия, изложенный в патенте РФ №2202643, включающий высокоэнергетическую механическую обработку в инертной атмосфере исходного измельченного сырья с получением активированной смеси и горячее прессование активированной смеси для получения материала, при этом в качестве исходного сырья используют смесь, содержащую 10-25 об.% оксида алюминия и предварительно измельченную стружку алюминиевого сплава АК12М2МгН - остальное, высокоэнергетическую обработку указанной смеси осуществляют в течение 2-120 мин, горячее прессование проводят при давлении 200-700 МПа, температуре 200-400°С и выдержке под давлением в течение 20-30 мин, а перед горячим прессованием осуществляют холодное двухстороннее прессование при давлении 150-300 МПа с выдержкой под давлением в течение 2-3 мин до достижения по меньшей мере 80% относительной плотности. При этом предварительно измельченную стружку сплава АК12М2МгН получают измельчением в планетарном активаторе до размера не более 5 мм, а в качестве порошка оксида алюминия используют порошок дисперсностью 8-12 мкм.

Недостатком всех известных методов получения композиционных материалов является перестаривание матричных сплавов в процессе горячего прессования при получении композиционных материалов на основе термически упрочняемых алюминиевых сплавов. Высокая степень наклепа активированной смеси способствует интенсификации процессов распада твердого раствора, и в процессе нагрева до температуры горячего прессования достигается высокая степень перестаривания и, соответственно, разупрочнения матричного сплава. В наиболее близком к предложенному изобретению способе получения композиционного материала горячее прессование проводят при температуре, не превышающей температуру начала рекристаллизации алюминиевого сплава. В течение непродолжительной выдержки при такой температуре полного растворения стабильных фаз старения не происходит, и они оказывают значительное влияние на конечные свойства прессованного полуфабриката. Другим недостатком прототипа является использование в качестве упрочнителя оксида алюминия. Для получения высокопрочного композиционного материала, пригодного для использования при повышенных температурах, частицы упрочнителя должны обладать максимально возможными значениями температуры плавления, модуля упругости и твердости и как можно меньшими плотностью и коэффициентом линейного расширения. Более распространенный и менее дорогой карбид кремния превосходит оксид алюминия по всем перечисленным параметрам (табл.1). В связи с этим в настоящем изобретении порошок оксида алюминия с размером частиц 10 мкм был заменен порошком карбида кремния аналогичного размера.

Таблица 1. Свойства оксида алюминия (Al2O3) и карбида кремния (SiC).
Тип упрочнителя	Тпл, °с	ρ·10-3, кг/м3	Твердость HV при 20°С, ГПа	Е, ГПа	КТР αТ·106, К-1
α-Al2O3	2040	3,98	27	350	8,4
SiC	2150	3,21	˜36	390	4,7

Также по сравнению с прототипом в предложенном изобретении повышено давление при холодном прессовании, так как увлечение данного параметра может способствовать улучшению качества прессованных полуфабрикатов.

Технической задачей изобретения является улучшение сохранности высокого уровня прочностных свойств механически легированных композиционных материалов на основе сплава Д16 в процессе горячего прессования.

Поставленная задача решается тем, что при изготовлении механически легированных композиционных материалов в качестве матричного сплава используют закаленный сплав Д16, причем временной промежуток между его закалкой и высокоэнергетической механической обработкой не превышает 5 часов, высокоэнергетическую механическую обработку смеси измельченной стружки закаленного сплава Д16 и 20 об.% частиц карбида кремния осуществляют в течение 120-300 мин в инертной атмосфере в планетарном активаторе в барабанах с квазицилиндрическими мелющими телами при отношении массы мелющих тел к массе исходного сырья 6:1. В качестве инертной атмосферы используют аргон. Получение прессованных полуфабрикатов проводят методом холодного двухстороннего прессования активированной смеси до достижения по меньшей мере 80% теоретической плотности при давлении 180-200 МПа для образцов с диаметром 25 мм и 510-570 МПа для образцов с диаметром 15 мм выдержкой под нагрузкой в течение 2-3 мин, с последующим горячим прессованием при таком же давлении и температуре 400°С с выдержкой под нагрузкой в течение 20 мин. При этом предварительно измельченную стружку сплава с размером не более 5 мм получают измельчением в планетарном активаторе или молотковой дробилке, а в качестве карбида кремния используют порошок дисперсностью 8-12 мкм.

Техническим результатом изобретения является повышение твердости прессованных полуфабрикатов композиционных материалов на основе Д16 на 21-37%.

Сущность изобретения состоит в следующем.

При разработке изобретения было обнаружено, что использование в качестве сырья для высокоэнергетической механической обработки закаленного сплава Д16 приводит к большим значениям твердости прессованных полуфабрикатов в сравнении с композиционными материалами на основе искусственно и естественно состаренного Д16. Вероятно, это связано с тем, что Д16 является термически упрочняемым сплавом, и во время горячего прессования в нем активно протекают процессы старения и перестаривания. Высокая степень наклепа активированной смеси способствует ускорению распада твердого раствора, однако в случае предварительно закаленной матрицы степень перестаривания и, соответственно, разупрочнения ниже, чем в предварительно состаренных матрицах. В течение короткой выдержки под давлением при температуре 400°С полного растворения образовавшихся фаз старения не происходит, и их плотность и дисперсность влияют на конечные свойства прессованного полуфабриката.

Изобретение может быть проиллюстрировано следующим примером.

Пример 1. В качестве исходного сырья для обработки в планетарном активаторе (механоактиваторе) использовали:

- токарную стружку матричного сплава Д16 (Al - 4%, Cu - 1%, Mg), приготовленного литьем в металлическую изложницу со скоростью охлаждения - 10 К/с.

- частицы карбида кремния размером 10±0,8 мкм, которые по данным рентгеновского фазового анализа имели структуру политипа-II α-SiC.

Токарную стружку матричных сплавов получали из предварительно полученных из термически обработанных отливок сплава Д16. Были изготовлены композиционные материалы на основе закаленного, естественно и искусственно состаренного Д16. Режимы использованных термообработок и твердость матричных сплавов представлены в табл.2.

Таблица 2. Предварительная термическая обработка матричного сплава Д16.
Вид термической обработки	Д16
Закалка в воду	490-495°С 10 ч (91±3 HV)
Искусственное старение	190°С 8 ч (117±3 HV)
Естественное старение	Комнатная температура 720 ч (116±2 HV)

При изготовлении композиционных материалов на основе закаленного Д16 временной промежуток между закалкой и высокоэнергетической механической обработкой исходного сырья в механоактиваторе не превышал 5 ч. Степень протекания естественного старения Д16 в течение такого времени незначительна. Стружку матричных сплавов предварительно измельчали в молотковой дробилке или планетарном активаторе в течение 0,5 мин до размера не более 5 мм. Смеси частиц матричного сплава и 20 об.% частиц SiC обрабатывали в планетарном активаторе без применения поверхностно-активных веществ в герметичных барабанах с квазицилиндрическими мелющими телами. Обработку проводили в атмосфере аргона. При этом соотношение массы мелющих тел и обрабатываемого материала составляло 6:1. Обработку в механоактиваторе проводили в течение 120-300 мин. После обработки, из смеси формировали брикеты холодным двухсторонним прессованием при давлении 180-200 МПа для образцов с диаметром 25 мм или 510-570 МПа для образцов с диаметром 15 мм и выдержкой под давлением в течение 2-3 мин. Затем проводили горячее прессование при таком же давлении и температуре 400°С с выдержкой под давлением в течение 20 мин. Шлифы для структурных исследований механически легированных порошковых материалов и консолидированных образцов изготавливали методом механической полировки. Средний размер гранул механически легированных порошковых материалов оценивали методом световой микроскопии. Структуру консолидированных образцов композиционных материалов изучали на сканирующем электронном микроскопе JSM-35CF во вторичных и отраженных электронах. Размер кристаллита активированной смеси и консолидированных образцов оценивали дифрактометрическими методами. Количественный фазовый анализ консолидированных образцов проводили по обработке данных сканирующей электронной микроскопии и дифрактометрическими методами.

Микротвердость гранул активированной смеси композиционного материала после обработки в механоактиваторе в течение 120 и 300 мин составила соответственно 300 и 500 HV, вне зависимости от вида предварительной термообработки. Средний размер гранул (табл.3) и размер кристаллита (табл.4) активированной смеси также не зависели от предварительной термообработки.

В процессе горячего прессования активированной смеси протекали процессы рекристаллизации, старения и перестаривания. Средний размер кристаллита всех прессованных полуфабрикатов повысился в 1,5-2 раза в сравнении с размером кристаллита активированной смеси (табл.5).

Таблица 3. Средний размер гранул активированной смеси Д16/20 об.% SiC.
Вид предварительной термообработки	Продолжительность механического легирования, ч	Средний размер гранул A16/20 об.% SiC, мкм
Закалка в воду	2	52,42±53,59
5	25,17±21,58
Искусственное старение	2	59,62±48,1
5	32,06±27,84
Естественное старение	2	36,94±30,27
Таблица 4. Средний размер кристаллита активированной смеси Д16/20 об.% SiC.
Вид предварительной термообработки	Продолжительность механического легирования, ч	Средний размер кристаллита Д16/20 об.% SiC, нм
Закалка в воду	2	33,6
5	29,1
Искусственное старение	2	26,53
5	26
Естественное старение	2	28,4
Таблица 5. Средний размер кристаллита прессованных полуфабрикатов композиционного материала Д16/20 об.% SiC.
Вид предварительной термообработки	Продолжительность механического легирования, ч	Средний размер кристаллита Д16/20 об.% SiC, нм
Закалка в воду	2	45,5
5	43
Искусственное старение	2	49,6
5	68,3
Естественное старение	2	52,5

Твердость прессованных полуфабрикатов определялась типом предварительной термообработки матричного сплава (табл.6). Наиболее высокие значения твердости прессованных полуфабрикатов были обнаружены в композиционных материалах на основе закаленного Д16 и составили 230 и 260 HV в случае соответственно 120 и 300 мин обработки в механоактиваторе. Согласно данным сканирующей электронной микроскопии и рентгеновского фазового анализа, данные композиционные материалы характеризовались меньшей объемной долей стабильных фаз старения в сравнении с композиционными материалами на основе состаренных матриц (табл.7, табл.8). Данные сканирующей электронной микроскопии и рентгеновского фазового анализа отличаются между собой в связи с тем, что при анализе изображений сканирующей электронной микроскопии учитываются только частицы фаз старения более 0,2-0,3 мкм на 3-4 участках площадью ˜3400 мкм², а при рентгеновском анализе в расчете участвуют все частицы фаз старения на всей поверхности прессованного полуфабриката. В случае композиционных материалов на основе состаренных матриц данные сканирующей электронной микроскопии и рентгеновского фазового анализа практически совпадают в пределах доверительного интервала. Для композиционных материалов на основе закаленных матриц данные сканирующей микроскопии существенно ниже данных рентгеновского анализа. Это связано с тем, что в данных композиционных материалах значительная часть фаз старения не фиксируется методом сканирующей микроскопии вследствие высокой дисперсности. Таким образом, композиционные материалы на основе закаленных матриц характеризуются большей дисперсностью фаз старения в сравнении с композиционными материалами на основе состаренных матриц, что приводит к большим значениям твердости прессованных полуфабрикатов.

Таблица 6. Твердость прессованных полуфабрикатов композиционного материала Д16/20 об.% SiC.
Вид предварительной термообработки	Продолжительность механического легирования, ч	Твердость КМ Д16/20 об.% SiC, HV
Закалка в воду	2	227±15
5	260±26
Искусственное старение	2	194±8
5	187±13
Естественное старение	2	177±8

Таблица 7. Объемная доля стабильных фаз старения композиционного материала Д16/20 об.% SiC, определенная по СЭМ-изображениям.
Вид предварительной термообработки	Продолжительность механического легирования, ч	Доля фаз старения, об.%
Закалка в воду	2	3,85±0,6
5	2,65±0,53
Искусственное старение	2	6,5±0,68
5	4,7±0,46
Естественное старение	2	5,8±0,68
Таблица 8. Объемная доля стабильных фаз старения композиционного материала Д16/20 об.% SiC, по данным рентгеновского фазового анализа.
Вид предварительной термообработки	Продолжительность механического легирования, ч	Доля фаз старения, об.%
Закалка в воду	2	5±0,5
5	3,6±0,36
Искусственное старение	2	5,3±0,53
5	4,6±0,46
Естественное старение	2	6,1±0,61

С увеличением времени обработки активированной смеси разница в твердости прессованных полуфабрикатов на основе закаленных и состаренных матриц увеличивается и составляет 30 и 70 HV для соответственно 120 и 300 мин обработки в механоактиваторе. Более деформированная структура активированной смеси, соответствующая увеличенному времени обработки, приводит к дополнительному повышению плотности и дисперсности фаз старения, выделяющихся в процессе нагрева для горячего прессования. Выделяющиеся более дисперсные фазы старения быстрее растворяются в процессе выдержки при температуре прессования, что приводит к снижению объемной доли фаз старения и, соответственно, степени перестаривания прессованных полуфабрикатах при повышении времени обработке в механоактиваторе. В случае прессованных полуфабрикатов композиционных материалов на основе состаренного Д16 объемная доля стабильных фаз старения (табл.7) остается достаточно высокой (4,7%), и упрочнения с увеличением времени обработки в механоактиваторе не происходит. Тогда как в прессованных полуфабрикатах на основе закаленного Д16 объемная доля крупных фаз старения снижается до 2,65% и приводит к дополнительному упрочнению композиционного материала (табл.7).

Температурный коэффициент линейного расширения прессованных полуфабрикатов оценивали на дилатометре L 75/30 фирмы "Linseis". Использование в качестве матрицы закаленного Д16 приводит к повышению температурного коэффициента линейного расширения на 1-2·10^-6 К^-1 в сравнении с композиционными материалами на основе состаренного Д16, при этом значения коэффициента в интервале температур 30-400°С не превышают 17·10^-6 К^-1 и остаются достаточными для применения при повышенных температурах.

Полученный композиционный материал характеризуется меньшим значением коэффициента линейного расширения в сравнении с композиционным материалом на основе АК12М2МгН с 20 об.% Al₂O₃, изготовленным по методу, описанному в патенте РФ №2202643. Коэффициенты линейного расширения сплавов Д16, АК12М2МгН и композиционных материалов на их основе представлены в табл.9. Видно, что коэффициент термического расширения используемого в настоящем изобретении сплава Д16 на 10-16% выше, чем у сплава АК12М2МгН, однако применение карбида кремния вместо оксида алюминия позволило получить на основе сплава Д16 композиционный материал с меньшим значением коэффициента линейного расширения.

Таблица 9. Значения коэффициента термического расширения сплавов Д16, АК12М2МгН и прессованных полуфабрикатов композиционных материалов Д16/20 об.% SiC, АК12М2МгН/20 об.% Al2О3 (продолжительность обработки в механоактиваторе 2 ч).
Материал	Температурный интервал, °С	КТР, 10-6 К-1
Д16/20 об.% SiC закаленная матрица	30-100	13,9
	30-200	16,0
	30-300	16,6
30-400	16,8
Д16/20 об.% SiC искусственно состаренная матрица	30-100	12,3
	30-200	13,5
	30-300	14,4
30-400	15
Д16 отожженный, закаленный и естественно состаренный	20-100	22,7
	20-200	23,4
20-300	24,8
АК12М2Мг/20%Al2O3	20-100	13,6
	20-200	15,9
	20-300	16,7
20-400	17,8
АК12М2МгН литой	20-100	19,6
	20-200	20,9
20-300	22,5

1. Способ изготовления композиционного материала на основе термически упрочняемого алюминиевого сплава, включающий высокоэнергетическую механическую обработку исходного измельченного сырья, содержащего 20 об.% частиц упрочнителя и алюминиевый сплав в виде предварительно измельченной стружки, в планетарном активаторе в инертной атмосфере квазицилиндрическими мелющими телами, последующее холодное прессование с достижением до 80% теоретической плотности и горячее прессование при температуре 400°С с выдержкой под нагрузкой в течение 20 мин, отличающийся тем, что в качестве алюминиевого сплава используют закаленный сплав Д16, причем временной промежуток между его закалкой и высокоэнергетической механической обработкой не превышает 5 ч.

2. Способ по п.1 отличающийся тем, что в качестве упрочнителя используют порошок карбида кремния дисперсностью 8-12 мкм.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что предварительно измельченную стружку сплава получают измельчением до размера не более 5 мм в планетарном активаторе или молотковой дробилке.

4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что высокоэнергетическую механическую обработку осуществляют при отношении массы мелющих тел к массе исходного сырья 6:1.

5. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что высокоэнергетическую обработку осуществляют в течение 120-300 мин.

6. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что холодное прессование осуществляют при давлении 180-570 МПа.