Способ получения литых композиционных алюмоматричных сплавов

Изобретение относится к области металлургии легких сплавов, в частности сплавов на основе алюминия, и может быть использовано при получении слитков различными методами литья. Способ получения литого композиционного материала на основе алюминиевого сплава, содержащего упрочняющие эндогенные включения интерметаллидных фаз состава Al₃X, где Х – легирующая добавка, выбранная из Ti, Zr, Ni, и экзогенные дискретные керамические микро- и наноразмерные частицы, выбранные из группы TiC, ZrC, B₄C, SiC, Al₂О₃, TiB₂, BN, TiN, включает введение в расплав алюминия порошка легирующего элемента и керамической фазы, выдержку расплава для образования интерметаллидных фаз, перемешивание и разливку, при этом высокотемпературные керамические фазы формируют металлотермическим синтезом в отдельном коническом тигле из графита с отверстием в донной части, введение керамической фазы в расплав осуществляют в жидком состоянии в количестве 0,2-10 мас.% при температуре 720-780°С и выдерживают до разливки 5-20 мин с образованием переходных интерметаллических фаз в количестве 20-35 об.% размером <10мкм и керамических частиц размером >70 нм. Изобретение направлено на получение литого композиционного материала на основе алюминиевого сплава с высоким уровнем жаропрочности и износостойкости. 1 пр.

 

Изобретение относится к области металлургии легких сплавов, в частности сплавов на основе алюминия, и может быть использовано при получении слитков различными методами литья.

Известен способ получения композиционного материала на основе алюминиевой матрицы, армированной частицами TiAl₃ (патент КНР №109913678 (А) опубликован 15.03.2019 МПК B22F 3/18; B22F 7/04; С22С 1/04; C22F 1/04). Способ получения включает следующие этапы, на которых нанотитановый порошок равномерно диспергируется в алюминиевой матрице, затем Ti и Al подвергаются горячей прокатке при температуре ниже температуры плавления алюминия, чтобы смесь прореагировала с образованием дисперсных частиц TiAl₃. чтобы получить композиционный материал на основе алюминиевой матрицы, армированной частицами TiAl₃, затем, Al в образце экструдируют путем горячей экструзионной прокатки при температуре, превышающей температуру плавления алюминия, так что содержание TiAl₃ в образце заметно увеличивается, повышается однородность частиц TiAl₃, и плотность образца дополнительно увеличивается в процессе горячей экструзионной прокатки.

Однако недостаток полученного материала в том, что процесс достаточно сложен, требует предварительной операции по диспергированию, горячей прокатке ниже температуры плавления алюминия и, в дальнейшем, горячей экструзивной прокатки при температуре, превышающей температуру плавления алюминия.

Также известен способ получения композитного матричного алюминиевого материала с армированием из высокоэнтропийного сплава (патент КНР CN 109261935 опубликован 25.01.2019 МПК B22D 18/02; С22С 21/02; С22С 21/08; С22С 21/10). Способ включает, смешивание порошка из высокоэнтропийного сплава и порошка алюминия, помещение в форму и прессование при нормальной температуре для получения заготовки. Преформу и пресс-форму подвергают термоизоляции и предварительному нагреву при температуре 400-550°С, расплавленный алюминий отливают в пресс-форму после термоизоляции, давление 10-30 МПа прикладывают к верхней части пресс-формы, расплавленный алюминий проникает в заготовку, и давление повышается до 50-100 МПа и поддерживается в течение 1-5 минут, чтобы получить матричный композитный материал, армированный алюминий с высоким энтропийным упрочняющим каркасом. Частицы высокоэнтропийного наполнителя в структуре приготовленного композиционного материала распределены равномерно и диспергировано, а поверхность раздела с алюминиевым сплавом имеют высокую адгезию и хорошую прочность и ударную вязкость.

Недостатками данного способа является сложность технологического процесса и сложность осуществления, обусловленная приготовлением и брикетированием порошковых материалов алюминия и переходного металла.

Также известен способ получения композиционного материала на основе алюминиевой матрицы, армированной нано-CuAl₂/Al₂O₃, методом синтеза in-situ (патент CN 109082568 опубликован 25.12.2018 МПК B22F 9/04; С22С 1/05; С22С 21/12; С22С 32/00). Способ приготовления включает следующие стадии: (1) подготовка смешанного порошка, взвешивание смешанного порошка в соответствии с массовым отношением порошка оксида меди к алюминиевому порошку или порошку алюминиевого сплава, составляющим менее 10%, (2) измельчение шариком смешанный порошок, помещая смешанный порошок в графитовый резервуар с шаровидным графитом и измельчая в шарике смешанный порошок под защитой аргона, где параметры измельчения шарика представляют собой отношение шарика к материалу 5:1-15:1, скорость вращения 200 об/мин и время измельчения шаров 1-4 часа; (3) спекание и формование.

Основными недостатками способа является необходимость использования специального оборудования, необходимость предварительного производства или приобретения готовых армирующих частиц, необходимость предварительного брикетирования шихты, сложность достижения равномерности распределения армирующих частиц в матрице и т.д. Все это обуславливает ограниченность использования при получении алюмоматричных композиционных сплавов в промышленности в сравнении с технологиями, предусматривающими использование стандартного литейного производства. В этой связи более перспективным представляется подход, основанный на получении путем простой плавки и литья алюминиевых сплавов с естественно-композитной структурой, формирование которой происходит вследствие протекания при кристаллизации эвтектических превращений.

Наиболее близким к предлагаемому составу сплава и способу его получения, т.е. прототипом, является способ получения литого композиционного материала (ЛКМ) на основе алюминиевого сплава, упрочненного эндогенными включениями интерметаллидных фаз состава Al₃X (где X - легирующие добавки Ti, Zr, V, Fe, Ni) и экзогенными дискретными керамическими микро- и наноразмерными частицами (TiC, ZrC, В₄С, SiC, Al₂O₃, ZrO₂, BN, TiN), включающий смешивание порошка легирующего элемента с дискретными керамическими частицами, брикетирование полученной. смеси и введение ее в расплав алюминия, выдержку расплава для образования упрочняющих интерметаллидных фаз, перемешивание и разливку (Патент РФ №2323991, А.В. Панфилов, Д.Н. Бранчуков, А.А. Панфилов, А.В. Петрунин и др., приоритет от 22.09.2006, дата выдачи 10.05.2008 г. С22С 1/10 (2006.01), С22С 21/00 (2006.01), B22F 3/02 (2006.01), B22F 3/26 (2006.01), В82В 3/00 (2006.01))

Недостатком такого способа получения является то, что в качестве армирующих наполнителей используются в основном экзогенные частицы, а комплекс эндогенных наполнителей ограничен только интерметаллидными фазами состава Al₃X. Такой подход зачастую не обеспечивает существенного повышения уровня эксплуатационных свойств по сравнению с базовым сплавом. Известно, что армирование осуществляется наиболее эффективно и, как следствие, наиболее полно реализуется необходимый комплекс свойств, при использовании широкого спектра именно эндогенных упрочняющих соединений, формирующихся в ходе экзотермических реакций между предварительно введенными исходными реакционноактивными компонентами непосредственно в расплаве, поскольку такие процессы обеспечивают достижение хорошей адгезионной связи между наполнителем и матрицей, обусловленной близким решеточным соответствием матрицы и синтезированных фаз.

Технической задачей, решаемой изобретением, является способ получения литого композиционного материала на основе алюминиевого сплава с высоким уровнем жаропрочности и износостойкости, отличающегося низкой себестоимостью.

Поставленная задача достигается тем, что в способе получения литого композиционного материала на основе алюминиевого сплава, содержащего упрочняющие эндогенные включения интерметаллидных фаз состава Al3X, где Х – легирующая добавка, выбранная из Ti, Zr, Ni, и экзогенные дискретные керамические микро- и наноразмерные частицы, выбранные из группы TiC, ZrC, B4C, SiC, Al2О3, TiB2, BN, TiN, включающем введение в расплав алюминия порошка легирующего элемента и керамической фазы, выдержку расплава для образования интерметаллидных фаз, перемешивание и разливку, согласно изобретению высокотемпературные керамические фазы формируют металлотермическим синтезом в отдельном коническом тигле из графита с отверстием в донной части, введение керамической фазы в расплав осуществляют в жидком состоянии в количестве 0,2-10 мас.% при температуре 720-780 ⁰С, и выдерживают до разливки 5-20 мин с образованием переходных интерметаллических фаз в количестве 20-35 об.% размером <10мкм и керамических частиц размером >70 нм.

Пример реализации способа. Готовят шихту следующего состава (масс. %): оксид никеля NiO - 20; оксид циркония ZrO₂ - 3; оксид титана TiO₂ - 5; сажа техническая - 8,5; оксид бора B₂O₃ - 3,5; оксид хрома Cr₂O₃ - 8,5; нитрат натрия NaNO₃ - 3,5; фторид кальция CaF₂ - 28; порошковый алюминий Al - 25. Шихтовые материалы, в виде порошка, смешивают в шаровой мельнице в течении 15-20 минут, затем просушивают при температуре 300°С для удаления диспергированной воды в течении 3 часов в сушильном шкафу. Отдельно в печи сопротивления, при температуре 750°С, расплавляют марочный алюминиевый сплав ВАЛ10, массой в отношении к массе исходной шихты 1:50. Исходную шихту загружают в верхний отдельный многократно используемый конический тигель из графита, покрытый огнеупорной краской, с отверстием в донной части. После производят поджиг шихты сверху с помощью вольфрамовой проволоки с обдувом аргоном, расплав выдерживают при температуре 780°С в течение 15 минут. На поверхность расплава наносится покровно-рафинирующий флюс «Эвтектика» (для защиты от окисления), через 5 минут проводится дегазация гексахлорэтаном.

Далее производят разливку металлического расплава в охлаждаемые изложницы. Это обеспечивает отсутствие ликвации и однородную структуру слитка.

По результатам количественного элементного и фазового анализа, в составе слитка имеются включения интерметаллидных фаз состава Al₃X, AlX, AlX₃, где X - Ti, Zr, Ni, а также армирующие дискретные керамические микро- и наноразмерные экзогенные частицы ZrC, В₄С, SiC, BN, TiN и эндогенные частицы TiB₂, TiC, Al₂O₃.

Таким образом, техническим эффектом настоящего изобретения является получение литого композиционного сплава на базе стандартных алюминиевых сплавов, обладающего повышенными механическими и триботехническими свойствами и. обеспечивающего стабильную эксплуатацию изделий при повышенных температурах. Технический эффект достигается тем, что в литом композиционном сплаве на базе стандартных алюминиевых сплавов, содержащем включения интерметаллидных фаз размером <10 мкм в количестве 20-35 об. %, армирующие армирующие дискретные керамические микро- и наноразмерные частицы размером >70 им, полученные металлотермическим синтезом в верхнем отдельном многократно используемом коническом тигле из графита, с отверстием в донной части, в количестве 0,2-10% от массы металла и введенные в жидком состоянии в матричный сплав, в качестве интерметаллидных включений содержатся включения интерметаллидных фаз состава Al₃X, AlX, AlX₃, где X - Ti, Zr, Ni, в качестве армирующих дискретных керамических микро- и наноразмерных частиц содержатся экзогенные частицы ZrC, В₄С, SiC, BN, TiN и эндогенные частицы TiB₂, TiC, Al₂O₃, формируемые в объеме расплава в верхнем отдельном многократно используемом коническом тигле из графита, с отверстием в донной части.

Способ получения литого композиционного материала на основе алюминиевого сплава, содержащего упрочняющие эндогенные включения интерметаллидных фаз состава Al₃X, где Х – легирующая добавка, выбранная из Ti, Zr, Ni, и экзогенные дискретные керамические микро- и наноразмерные частицы, выбранные из группы TiC, ZrC, B₄C, SiC, Al₂О₃, TiB₂, BN, TiN, включающий введение в расплав алюминия порошка легирующего элемента и керамической фазы, выдержку расплава для образования интерметаллидных фаз, перемешивание и разливку, отличающийся тем, что высокотемпературные керамические фазы формируют металлотермическим синтезом в отдельном коническом тигле из графита с отверстием в донной части, введение керамической фазы в расплав осуществляют в жидком состоянии в количестве 0,2-10 мас.% при температуре 720-780°С и выдерживают до разливки 5-20 мин с образованием переходных интерметаллических фаз в количестве 20-35 об.% размером <10мкм и керамических частиц размером >70 нм.