Способ получения наноструктурного композиционного материала на основе алюминия

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности, к получению наноструктурного композиционного материала на основе алюминия. Может использоваться в условиях переменных и ударных нагрузок, таких как высоконагруженные элементы конструкций, испытывающих значительную вибрацию и/или ударные воздействия. Смесь из порошка алюминия размером 20÷200 мкм, порошка магния размером 20÷200 мкм в количестве 3-9 вес.% и порошка фуллерена С60 размером менее 200 мкм в количестве 0,3 вес.% загружают в планетарную мельницу в атмосфере аргона, обрабатывают при скорости вращения ≈800 об/мин в течение 20 минут. Заготовку прессуют в атмосфере аргона при давлении 0,2 ГПа и обрабатывают в атмосфере аргона при 150°С в течение 60 минут. Горячее прессование проводят при давлении 1,2 ГПа и температуре 350°С в течение 5 минут, затем обрабатывают при 180°С в течение 72 часов в атмосфере аргона и охлаждают до комнатной температуры в течение 3 часов. Обеспечивается повышение пластичности, твердости и пределов прочности на растяжение и изгиб. 3 пр.

 

Изобретение относиться к области порошковой металлургии, и, в частности, к методам получения наноструктурных материалов на основе алюминия, имеющих повышенную прочность на изгиб и растяжение. Отличительной особенностью данного материала является пластичность, то есть способность пластично удлиняться при растяжении до момента разрушения. Это позволяет использовать его в условиях переменных и ударных нагрузок, например, в высоконагруженных элементах конструкций, испытывающих значительную вибрацию и/или ударные воздействия. Характеристика пластичности важна также, поскольку ее отсутствие означает повышенную хрупкость материала, что ограничивает число возможных применений в качестве конструкционного материала.

Известно, что в технике широко применяют материалы марки САП (спеченный алюминиевый порошок), получаемые спеканием частично окисленных алюминиевых порошков (Физико-химические основы производства полуфабрикатов из спеченных алюминиевых порошков. Учебник для ВУЗов. Под редакцией - Шеламов В.А., Литвинцев А.И., - М.: Металлургия, 1970. - 280 с.). Созданные на поверхности частиц оксидные пленки в процессе спекания образуют несущий нагрузку каркас, благодаря которому увеличивается прочность и жесткость материала. Материалы обладают сравнительно большой плотностью, а их предел прочности на растяжение (обычно 280÷420 МПа) ограничивается прочностью оксидных пленок и плохой сопряженностью пленок с металлической матрицей. К недостаткам можно отнести низкую пластичность таких материалов из-за ригидности несущего каркаса из окиси алюминия.

Известны способы армирования алюминиевой матрицы керамическими частицами (или волокнами) карбида кремния, оксида алюминия, борида титана, карбида бора и другими, в результате чего достигают увеличение прочности и повышение модуля Юнга (статья T.W. Clyne and P.J. Withers: An Introduction to Metal-Matrix Composites, Cambridge Solid-state Science Series, Cambridge University Press, 1993, pp. 318-359; патенты РФ №2159823, C22C 1/10, 23.03.1996; США №7087202, B22F 3/12, 08.08.2006; США №6290748, С22С 1/10, 18.09.2001). Обычно упрочняющие частицы вводят методом порошковой металлургии, а также методом перемешивания с расплавленным металлом в количестве 10÷50% и получают композиционные материалы с пределом прочности на растяжение 500÷620 МПа, плотностью 2,84÷2,94 г/см3. К недостаткам можно отнести низкую пластичность таких материалов.

Известны композиционные материалы, состоящие из наноструктурного алюминиевого сплава и упрочняющих наночастиц: Al2O3, В4С, TiB2, TiC, SiC, наноалмазов, углеродных нанотрубок (патенты США №6630008, С22С 001/05, 07.10.2003; №7217311, B22F 9/20, 15.05.2007; патент Болгарии №50504, С22С 1/04, 14.08.1992), в которых зерна алюминиевого сплава имеют размеры от 20 до 300 нм, а размеры упрочняющих наночастиц находятся в пределах 5÷100 нм. Наноструктурные композиционные материалы имеют предел прочности на растяжение 700÷900 МПа и плотность 2,8÷2,9 г/см3. К недостаткам можно отнести низкую пластичность таких материалов.

Известны способы напыления пленок фуллерена С60 на поверхность (111) и (110) монокристалла алюминия в высоком вакууме (A.J. Maxwell at al., Phys. Rew. В v. 52, №8, pp. R5546-R5549 (1995); D.W. Owens at al., Phys. Rew. В v. 51, №23, pp. 17068-17072 (1995); A.J. Maxwell at al., Phys. Rew. B, v. 57, №12, pp. 7312-7326 (1998)). В указанных работах приводятся результаты изучения строения и транспортных свойств планарных монослойных пленок фуллерена применительно к задачам микро- и оптоэлектроники. К недостаткам можно отнести слоистое строение данного материала и невозможность получения изделий большого объема.

Известен способ (заявка WO 2006/076260 A1, B22F 3/105, 20.07.2006) синтеза объемных наноструктурных металлов и металломатричных композитов на основе алюминия, содержащего один из 24 перечисленных металлов или их комбинаций, и упрочняющих частиц, выбранных из ряда: Al2O3, AlN, SiC, В4С, включающий криоразмол порошков алюминиевого сплава и упрочняющих частиц, дегазацию активированной смеси порошков и ее последующую консолидацию методом электроразрядного спекания.

Полученный по данному способу композиционный материал состоит из сплава алюминия с размерами зерен от 5 до 150 нм, преимущественно 44÷60 нм, и 10 вес. % упрочняющих наночастиц Al2O3, AlN, SiC, В4С. Твердость наноструктурного композиционного материала, состоящего из зерен алюминиевого сплава марки 5083 и 10% частиц В4С, измеренная по Виккерсу при нагрузке 2,942 Н, составила 288,7÷233,3 HV (2830÷2290 МПа), а плотность - 2,64÷2,65 г/см3.

К недостаткам способа можно отнести недостаточно высокие механические свойства материала, что обусловлено применением разнородных упрочняющих частиц, кристаллическая решетка которых сильно отличается от решетки алюминиевого сплава, а также большим различием модулей упругости и коэффициентов термического расширения металла и упрочняющих частиц, что приводит к их слабому сцеплению с нанозернами алюминиевого сплава. К недостаткам способа можно также отнести низкую пластичность таких материалов.

Наиболее близок к заявляемому способ (Патент РФ №2440433, опубликовано 20.01.2012, МПК С22С 21/00 (2006.01); B22F 3/12 (2006.01); С22С 1/04 (2006.01)) получения наноструктурированного композиционного материала на основе алюминия путем смешивания в планетарной мельнице сплава алюминий-магний АМг 4,5 с фуллереном С60, последующим промежуточным прессованием, и дальнейшей обработкой в камере высокого давления типа «поршень-цилиндр» при давлении ≈1,2 ГПа и температуре до 350°С, причем содержание фуллерена составляет 0,5÷12 вес. %.

К недостаткам способа можно отнести высокую хрупкость материала, что обусловлено высокой дисперсностью структуры, одновременно с высоким относительным содержанием углерода, а также высоким уровнем твердорастворного и дисперсного упрочнения, как углеродсодержащими фазами, так и интерметаллидами алюминий-магний.

Задачей предлагаемого технического решения является устранение указанных недостатков и получение наноструктурного материала на основе алюминия с высокими пределами прочности на растяжение и изгиб, пластичностью не менее 3%, высокой твердостью и плотностью в диапазоне 2,5÷2,7 г/см3.

Исследование предлагаемого решения позволило установить, что свойством повышенной пластичности обладают материалы на основе алюминия с добавлением магния в количестве единиц весовых процентов и фуллерена С60 в количестве десятых долей весовых процентов, для создания наноструктуры которых используют высокоэнергетическую обработку в планетарной мельнице, а также последующее горячее прессование. При этом используют одну промежуточную и одну конечную термообработку, а материал на этапах обработки защищают от неблагоприятных воздействий защитной атмосферой.

Цель достигается тем, что смесь из порошка алюминия 20÷200 мкм, порошка магния 20÷200 мкм 3-9 вес. % и порошка фуллерена С60 менее 200 мкм 0,3 вес. % загружают в планетарную мельницу в атмосфере аргона, обрабатывают при скорости вращения ≈800 об/мин в течение 20 минут, прессуют заготовку в атмосфере аргона давлением 0,2 ГПа, обрабатывают в атмосфере аргона при 150°С с течение 60 минут, проводят горячее прессование при давлении 1,2 ГПа и температуре 350°С в течение 5 минут, затем обрабатывают при 180°С в течение 72 часов в атмосфере аргона и охлаждают до комнатной температуры в течение 3 часов.

Оптимальная концентрация фуллерена в сплаве на основе алюминия была найдена экспериментально. Уменьшение содержания фуллерена менее 0,1 вес. % не позволяет достичь высоких значений прочности на растяжение и изгиб, а также твердости. Увеличение содержания фуллерена более 0,3 вес. % приводит к уменьшению пластичности конечного материала.

Оптимальная скорость вращения ≈800 об/мин при обработке в планетарной мельнице была найдена экспериментально, и обеспечивает получение первичной наноструктуры путем диспергирования алюминия и магния до размеров 70÷90 нм, а также гомогенное перемешивание компонент смеси. При уменьшении скорости ниже ≈600 об/мин не обеспечивается диспергирование алюминия и магния до размеров 70÷90 нм, а при увлечении скорости выше ≈1000 об/мин происходит нежелательный намол материала контейнера и шаров планетарной мельницы, загрязняющий материал.

Температура 150°С и время 60 минут последующей термообработки в атмосфере аргона найдены экспериментально. Такую обработку используют для снятия избыточных напряжений и первичного формирования фазового состава промежуточного материала, что облегчает пластическую деформацию зерен во время последующего горячего прессования, способствует достижению большей плотности и более прочного соединения зерен друг с другом.

Параметры последующего горячего прессования 1,2 ГПа, 350°С и время 5 минут были найдены экспериментально. Уменьшение давления и/или температуры и/или времени приводит к уменьшению плотности конечного материала; увеличение температуры обработки приводит к нежелательной рекристаллизации - все это ухудшает механические свойства материала. Увеличение давления выше 1,2 ГПа технологически неоправданно, поскольку не ведет к улучшению свойств материала.

Температура 180°С и время 72 часов последующей термообработки в атмосфере аргона найдены экспериментально. Такую обработку используют для снятия избыточных напряжений и конечного формирования фазового состава материала. С уменьшением температуры и/или времени обработки конечный материал становится менее пластичным, а с увеличением менее прочным.

Пример 1

Готовят предварительную смесь, для этого порошок алюминия 20÷200 мкм, порошок магния 20÷200 мкм в количестве 3 вес. %, и порошок фуллерена С60 менее 200 мкм в количестве 0,3 вес. % помещают в контейнеры планетарной мельницы АГО-2У внутри перчаточного бокса с защитной атмосферой аргона, причем соотношение массы размольных тел к массе обрабатываемого материала составляет 20:1. Контейнеры герметично закрывают и через шлюз переносят в планетарную мельницу, устанавливают скорость ≈800 об/мин, обрабатывают в течение 20 минут. Затем контейнеры перемещают в перчаточный бокс, заполненный аргоном. Смесь извлекают из контейнеров, прессуют из нее заготовку размером ∅10×15 давлением 0,2 ГПа, которую через шлюз перчаточного бокса переносят в печь, нагревают в атмосфере аргона до 150°С и выдерживают в течение 60 минут. Затем воздействуют давлением 1,2 ГПа и температурой 350°С в течение 5 минут в реакционной ячейке камеры высокого давления типа «поршень-цилиндр». Полученный образец извлекают, механически обрабатывают в заданный размер, переносят в печь, напускают аргон, нагревают до 180°С, выдерживают 72 часов, охлаждают до комнатной температуры в течение 3 часов. При этом аргон в качестве защитной атмосферы берут чистотой не ниже 99,99%.

Образец имеет: предел прочности на растяжение 520 МПа при относительном удлинении 11%, предел прочности на изгиб 660 МПа, твердость по Виккерсу 1420 МПа при плотности 2,65 г/см3.

Пример 2

Все, как в примере 1, но предварительную смесь готовят с добавлением 6 вес. % магния.

Образец имеет: предел прочности на растяжение 640 МПа при относительном удлинении 7%, предел прочности на изгиб 770 МПа, твердость по Виккерсу 1950 МПа при плотности 2,63 г/см3.

Пример 3

Все, как в примере 1, но предварительную смесь готовят с добавлением 9 вес. % магния.

Образец имеет: предел прочности на растяжение 710 МПа при относительном удлинении 3%, предел прочности на изгиб 790 МПа, твердость по Виккерсу 1980 МПа при плотности 2,58 г/см3.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет получать наноструктурный композиционный материал на основе алюминия, содержащий магний в количестве 3÷9 вес. % и углерод в количестве 0,3 вес. % имеющий прочности на растяжение 520÷710 МПа при относительном удлинении 3÷11%, предел прочности на изгиб 660-790 МПа, твердость по Виккерсу 1420-1980 МПа при плотности 2,58÷2,65 г/см3.

Способ получения наноструктурного композиционного материала на основе алюминия путем горячего прессования смеси порошков алюминия с размерами частиц 20÷200 мкм, магния с размерами частиц 20÷200 мкм и фуллерена С60 с размерами частиц менее 200 мкм, предварительно подвергнутой механической обработке, отличающийся тем, что используют смесь, содержащую магний в количестве от 3 до 9 вес.% и фуллерен С60 в количестве 0,3 вес.%, механическую обработку проводят в планетарной мельнице в атмосфере аргона при скорости вращения ≈800 оборотов в минуту в течение 20 минут, затем прессуют заготовку в атмосфере аргона давлением 0,2 ГПа, нагревают в печи в атмосфере аргона до 150°С, выдерживают 60 минут, охлаждают, воздействуют давлением 1,2 ГПа и температурой 350°С в течение 5 минут, нагревают в атмосфере аргона до 180°С, выдерживают 72 часа и охлаждают до комнатной температуры в течение 3 часов.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности, к получению наноструктурного композиционного материала на основе алюминия, модифицированного фуллереном С60.

Изобретение относится к способу электролитического получения лигатур алюминия из оксидного сырья. Способ включает электролиз оксидно-фторидного расплава, который ведут с использованием твердого катода при температуре выше 570 °С, а продукты электролиза с включениями компонентов расплава отделяют от твердого катода и смешивают с жидким алюминием при температуре от 800 до 900 °С.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к сплаву на основе алюминия, и может быть использовано для изготовления деформированных полуфабрикатов, предназначенных для получения деталей ответственного назначения, пригодных для аргонодуговой сварки и допускающих нагревы до 350°С.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к сплавам на основе алюминия, и может быть использовано при получении тонкостенных отливок сложной формы, преимущественно литьем под давлением, и может быть использовано для литья деталей для автомобилестроения, корпусов электронных устройств и др.

Изобретение относится к получению литого композиционного материала с алюминиевой матрицей, армированной пластинчатыми включениями оксида алюминия. Способ включает насыщение расплава водородом с последующей продувкой в интервале 1-3 часа расплава газообразным кислородом при объемном расходе 0,06-1 м3/ч под сформированным на зеркале расплава слоем шлака, который по окончании продувки удаляют и заливают полученный расплав в литейную форму.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для получения фасонных отливок гравитационным литьем в кокиль, литьем под давлением, кристаллизацией под давлением, используемых в автомобилестроении, для корпусов электронных устройств, а также в качестве деталей ответственного назначения, способных работать при повышенных температурах.
Изделие из алюминиевого сплава включает пару внешних областей и внутреннюю область, расположенную между этими внешними областями. Первая концентрация эвтектикообразующих легирующих элементов во внутренней области меньше, чем вторая концентрация эвтектикообразующих легирующих элементов в каждой из внешних областей, при этом изделие из алюминиевого сплава имеет значение степени плоскостной анизотропии дельта r от 0 до 0,10.

Изобретение относится к металлургическим технологиям в области редких и цветных металлов и может быть использовано для получения лигатуры алюминия со скандием.
Изобретение относится к области металлургии, в частности к композиционным материалам на основе алюминиевого сплава, к которым предъявляются промышленные требования по повышенной прочности, жаропрочности, а также стойкости против абразивного износа и образования трещин.
Изобретение относится к области металлургии, в частности к композиционным материалам на основе алюминиевого сплава, к которым предъявляются промышленные требования по повышенной прочности, жаропрочности, а также стойкости против абразивного износа и образования трещин.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности, к получению наноструктурного композиционного материала на основе алюминия, модифицированного фуллереном С60.

Изобретение относится к области специальной металлургии, конкретно к способам производства высоколегированных жаропрочных сплавов на основе никеля с содержанием титана и алюминия в узких пределах.

Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности литейному производству, а именно к получению литого композиционного материала (ЛКМ) на основе меди для изготовления деталей электротехнического назначения, работающих при повышенных температурах и давлениях.

Изобретение относится к получению титанового сплава Ti-Al. Исходную смесь, содержащую алюминий, возможно, AlCl3 и, возможно, один или более галогенидов легирующего элемента, нагревают до температуры предварительного нагрева, затем вводят в исходную смесь TiCl4 при первой температуре реакции для восстановления по существу всего Ti4+ в TiCl4 до Ti3+, затем производят нагрев до второй температуры реакции для восстановления по существу всего Ti3+ до Ti2+ с получением промежуточной смеси, которая содержит соль Ti2+, и вводят промежуточную смесь в реакционную камеру при температуре реакции диспропорционирования с получением из Ti2+ титанового сплава посредством реакции диспропорционирования.

Предложенное изобретение относится к способу получения композиционного материала с керамической матрицей, используемого для устройств, требующих термической прочности при высоких температурах, таких как двигатели реактивного самолета.

Изобретение относится к получению литого композиционного материала с алюминиевой матрицей, армированной пластинчатыми включениями оксида алюминия. Способ включает насыщение расплава водородом с последующей продувкой в интервале 1-3 часа расплава газообразным кислородом при объемном расходе 0,06-1 м3/ч под сформированным на зеркале расплава слоем шлака, который по окончании продувки удаляют и заливают полученный расплав в литейную форму.

Изобретение относится к получению композиционного материала из стали и смесей порошков никеля и борида вольфрама. Способ включает размещение в цилиндрической стальной ампуле прессуемой порошковой смеси, инициирование процесса детонации в заряде взрывчатого вещества (ВВ) и взрывное прессование.

Изобретение относится к получению износостойких композиционных материалов взрывным прессованием, которые могут быть использованы для изготовления пар трения. Прессуемую порошковую смесь, состоящую из никеля и 45-50 мас.% борида вольфрама, размещают в цилиндрических ампулах в виде труб из аустенитной стали, укладывают их вплотную друг к другу на стальное основание в виде пластины, устанавливают с двух сторон полученного пакета из цилиндрических ампул вспомогательные стержни в виде стальных труб, заполненных высокопластичным легкоплавким металлом, с таким же наружным диаметром, как у цилиндрических ампул, устанавливают на поверхности пакета из цилиндрических ампул метаемую стальную пластину с зарядом ВВ, размещают полученную сборку на грунте и осуществляют взрывное прессование путём инициирования процесса детонации в заряде ВВ вдоль пакета из ампул.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к изготовлению листового пеноалюминия. Может применяться в машиностроении, в частности гражданское, дорожное строительство, авиастроение, автомобилестроение, вагоностроение.

Изобретение относится к коррозионно-стойким алюминиевым сплавам с высоким содержанием магния, в частности к непрерывнолитой полосе из Al-Mg сплава, содержащего 6,1-10% вес.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности, к получению наноструктурного композиционного материала на основе алюминия, модифицированного фуллереном С60.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности, к получению наноструктурного композиционного материала на основе алюминия. Может использоваться в условиях переменных и ударных нагрузок, таких как высоконагруженные элементы конструкций, испытывающих значительную вибрацию иили ударные воздействия. Смесь из порошка алюминия размером 20÷200 мкм, порошка магния размером 20÷200 мкм в количестве 3-9 вес. и порошка фуллерена С60 размером менее 200 мкм в количестве 0,3 вес. загружают в планетарную мельницу в атмосфере аргона, обрабатывают при скорости вращения ≈800 обмин в течение 20 минут. Заготовку прессуют в атмосфере аргона при давлении 0,2 ГПа и обрабатывают в атмосфере аргона при 150°С в течение 60 минут. Горячее прессование проводят при давлении 1,2 ГПа и температуре 350°С в течение 5 минут, затем обрабатывают при 180°С в течение 72 часов в атмосфере аргона и охлаждают до комнатной температуры в течение 3 часов. Обеспечивается повышение пластичности, твердости и пределов прочности на растяжение и изгиб. 3 пр.

Наверх