Способ получения композитного материала на основе алюминиевой матрицы

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению металлоуглеродных композитных материалов в форме плоскопараллельных заготовок: плит, пластин, лент, фольги и др. Способ получения композитного материала на основе алюминиевой матрицы включает получение смеси порошков алюминия или его сплава и углеродных нанотрубок, спекание полученной смеси с формированием брикета с последующей его прокаткой, при этом смесь порошков спекают путем горячего прессования в защитной среде при температуре, составляющей 0,6-0,99 от температуры плавления порошка алюминия или его сплава, и давлении 20-100 МПа в течение 10-300 минут, сформированный брикет подвергают холодной прокатке. Изобретение позволяет сократить время получения композитного материала и обеспечить высокие механические свойства. 9 з.п.ф-лы, 2 пр.

 

Изобретение относится к технологиям получения металлоуглеродных композитных материалов в форме плоскопараллельных заготовок: плит, пластин, лент, фольги и др. и может быть использовано, преимущественно, в порошковой металлургии. В свою очередь, получаемые предлагаемым способом заготовки могут применяться в самых разнообразных отраслях промышленности для изготовления различных деталей.

Детали, выполненные из композитных материалов на основе алюминиевой матрицы, и содержащих в своем составе углеродные нанотрубки, характеризуются повышенной прочностью, термической стойкостью, твердостью и износостойкостью. Данные свойства могут быть использованы для замены стальных деталей, например в автомобилях, на детали из композитного материала на основе алюминия, которые будут иметь такие же характеристики, но в несколько раз меньший вес.

Известны различные способы получения композитных материалов на основе алюминиевой матрицы.

Например, известен способ получения металломатричного материала [Заявка США №20120164429, МПК В32/В 15/14], в соответствии с которым углеродные нанотрубки выращивают на неорганических волокнах, на поверхность которых предварительно нанесен катализатор. Далее этими волокнами с углеродными нанотрубками армируют металлическую матрицу, например алюминиевую, известными способами. В результате получают металломатричный композитный материал. Недостатком описанного способа получения композитного материала является анизотропия механических свойств полученного материала.

Известен также способ получения композитного материала на основе алюминиевой матрицы с углеродными нанотрубками [Заявка Китай №1827827, МКП B22F 3/14 С01В 31/02, С22С 45/08], в соответствии с которым углеродные нанотрубки очищают и смешивают с порошком алюминия таким образом, чтобы их содержание в порошковой смеси составляло 0,01-5% масс. Порошковую смесь подвергают холодному изостатическому прессованию с получением брикета, после чего проводят горячее прессование этого брикета в атмосфере воздуха, и затем проводят горячую экструзию. Недостатком этого способа является наличие большого числа технологических операций, приводящих, соответственно, к увеличению затрат на изготовление материала.

Известен способ получения композитного материала на основе металлической матрицы с наполнителем в виде углеродных нанотрубкок [Заявка США №20110180968, МКП В29С 45/00, C07F 13/00], в соответствии с которым углеродные нанотрубки очищают и функционализируют гидроксильными, или карбоксильными, или аминогруппами, или альдегидными группами, затем фильтруют, помещают в жидкость и обрабатывают ультразвуком в течение 10-30 минут, получая суспензию из нанотрубок. В полученную суспензию добавляют металлический порошок и повторно проводят обработку суспензии ультразвуком. После этого суспензию отстаивают и фильтруют для отделения жидкости и сушат в вакуумной печи. Затем смесь углеродных нанотрубок с порошком металла помещают в установку для горячего прессования и прессуют при давлении 50-100 МПа и температуре 300-400°С в атмосфере инертного газа, после чего охлаждают полученный материал до комнатной температуры. Недостатком описанного способа является то, что на стадии смешивания порошка металла и суспензии углеродных нанотрубок не возникает достаточно прочных адгезионных связей между ними, поскольку взаимодействие осуществляется за счет электростатических сил. Кроме того, получение материала по описанному способу, приведет к тому, что углеродные нанотрубки в композите находятся только на границах зерен спеченных частиц металла.

Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является способ получения металломатричного композитного материала с углеродными нанотрубками [Патент США №7998367, МПК Н01В 1/00, Н01В 1/14], в соответствии с которым получают порошковую смесь, смешивая порошок металла с размером частиц от 500 нм -100 мкм с порошком углеродных нанотрубок или их суспензией в спирте, полученную смесь затем спекают в инертной атмосфере или вакууме. Получение спеченного компактного материала может проводиться методом горячего изостатического прессования под действием всестороннего равномерного сжатия, или микроволонового спекания, или их комбинации при температуре, равной 0,1-0,9 температуры плавления порошкового металла, и давлении 140-420 МПа в течение 2-100 часов.

После спекания полученный материал может быть подвергнут действию растягивающей силы таким образом, чтобы углеродные нанотрубки и зерна металла были ориентированы в направлении растяжения. Растягивающую силу прикладывают путем экструзии, или горячей прокатки, или горячего волочения. Этот способ принят за прототип изобретения.

Недостатком прототипа является большая длительность стадии спекания, в результате чего на приготовление композитного материала затрачивается много времени. Кроме того, имеется высокая вероятность повреждения углеродных нанотрубок при продолжительном их контакте с разогретым до высокой температуры металлом, что в итоге отрицательно влияет на механическую прочность композитного материала. Также длительный контакт углеродных нанотрубок с разогретым до высокой температуры алюминием может приводить к образованию карбида алюминия в количестве, способствующем ухудшению механических и коррозионных свойств композитного материала.

Задачей предлагаемого изобретения является создание способа получения композитного материала на основе алюминиевой матрицы, требующего меньшего времени на его изготовление и обеспечивающего высокие механические свойства получаемого материала, в частности высокую механическую прочность.

Поставленная задача решается тем, что предлагается способ получения композитного материала на основе алюминиевой матрицы, включающий получение смеси порошков алюминия, или его сплава и углеродных нанотрубок, спекание полученной смеси порошков с формированием брикета и прокатку названного брикета, причем смесь порошков спекают путем горячего прессования в защитной среде при температуре, составляющей 0,6-0,99 от температуры плавления порошка алюминия, или его сплава и давлении 20-100 МПа, в течение 10-300 минут, а сформированный брикет подвергают холодной прокатке.

Порошок углеродных нанотрубок может включать как одностенные, так и двустенные или многостенные углеродные нанотрубки, так и их комбинации.

В качестве порошков алюминиевых сплавов могут использоваться, например, порошки сплавов из ряда: Д16, или АМг5, или АД31, или АВ, или В95, или В96Ц, или АМц, или АК2, или АК4-1, или АК6, или 1421 и другие. Эти марки алюминиевых сплавов приведены только в качестве примера и не ограничивают возможность применения иных сплавов алюминия для получения порошковой смеси.

Смесь порошков алюминия или его сплава и углеродных нанотрубок может быть получена для ее большей однородности путем совместного помола порошка алюминия, или его сплава и углеродных нанотрубок на мельнице, например планетарной шаровой, в защитной среде, причем исходный размер частиц порошка алюминия или его сплава равен 100-500 мкм, а размер частиц смеси порошков после помола равен 100 нм-1 мм.

Композитный материал получают, преимущественно, в форме плоскопараллельных заготовок, таких как: плита, или пластина, или лента, или фольга.

Защитной средой при горячем прессовании могут быть инертные газы, или азот, или вакуум.

Холодную прокатку брикета целесообразно проводить в несколько проходов, причем таким образом, чтобы при прокатке относительная деформация за каждый проход составляла не более 10%, а общая относительная деформация была не менее 30%.

При получении фольги холодную прокатку брикета преимущественно осуществляют с общей относительной деформацией не менее 50%.

Брикет после холодной прокатки может быть подвергнут отжигу. Отжиг осуществляют любыми известными способами отжига алюминия или алюминиевого сплава. Очевидно, что выбор конкретного режима отжига зависит от марки алюминия или алюминиевого сплава, порошок которого используется в качестве порошка металла при изготовлении композитного материала, а также определяется получением необходимой степени пластичности композитного материала.

Предлагаемый способ осуществляют согласно следующему.

С помощью мельницы, например планетарной шаровой, в защитной среде готовят смесь порошков алюминия, или алюминиевого сплава и углеродных нанотрубок. Для приготовления смеси предпочтительно использовать порошок алюминия или алюминиевого сплава с исходным размером частиц 100-500 мкм и любые углеродные нанотрубки: одностенные, двустенные, или многостенные, или их смесь. Содержание порошка углеродных нанотрубок в смеси порошков может составлять 0,01-40% масс. и зависит от требований к механическим и физическим свойствам получаемого материала: твердости, пластичности, удельной электропроводности, удельной теплопроводности и др.

Очевидно, что в зависимости от условий смешивания порошков размеры частиц полученной смеси могут быть как меньше, так и равными, или больше размеров частиц исходного порошка алюминия или алюминиевого сплава. Для получения композитного материала предпочтительно, чтобы размер частиц смеси порошков после помола лежал в диапазоне от 100 нм до 1 мм.

Для получения смеси порошков пригодны как упомянутые шаровые планетарные мельницы, так и аттриторные мельницы и другие, позволяющих получить равномерное замешивание порошка углеродных нанотрубок с порошком алюминия или его сплава.

Полученную смесь порошков подвергают спеканию путем горячего прессования. Горячее прессование представляет собой процесс получения изделий путем спекания порошков или заготовок из них в пресс-формах в защитной среде с одновременным приложением внешнего давления с нагревом пресс-формы с помощью резистивного или индукционного нагревателя. Для этого смесь порошков помещают в пресс-форму, которую в свою очередь помещают в установку горячего прессования, и нагревают до температуры прессования.

Горячее прессование проводят в среде инертных газов, или азота, или в вакууме при температуре 0,6-0,99 от температуры плавления алюминия или используемого сплава. Например, для алюминия этот диапазон равен 396-653°С. Горячее прессование проводят, прикладывая к смеси порошков давление 20-100 МПа в течение 10-300 минут. Очевидно, что время горячего прессования и давление прессования, необходимые для получения качественного материала, зависят от температуры, при которой ведется прессование, и могут отличаться для различных условий прессования. Условия горячего прессования для алюминия и его сплавов отличаются друг от друга, но в пределах указанных диапазонов. Использование горячего прессования намного экономичнее в сравнении с горячим изостатическим прессованием, применяемом в прототипе, причем горячее прессование брикета происходит за меньшее время (не более 5 часов), а также требует меньших давлений. Кроме того, тщательный подбор длительности горячего прессования в зависимости от температуры позволяет исключить формирование карбида алюминия в количестве, достаточном для ухудшения механических и коррозионных свойств материала.

Полученный после горячего прессования брикет охлаждают и подвергают холодной прокатке. Холодную прокатку для получения готового композита во избежание разрушений целесообразно проводить с относительной деформацией в каждом проходе не более 10%, при этом количество проходов выбирают из условия получения общей относительной деформации не менее 30%. Для получения фольги из композитного материала холодная прокатка может проводиться с общей относительной деформацией не менее 50%.

Далее, в зависимости от требований к конечному материалу, заготовка может подвергаться отжигу, который проводят известными способами. Например, для алюминия отжиг проводят при температуре 150-500°С в течение 10-180 мин.

Проведение отжига позволяет увеличить пластичность композитного материала за счет релаксации напряжений, возникших в результате холодной прокатки.

В результате получают композитный материал в форме плоскопараллельной заготовки - плиты, пластины, ленты или фольги. Полученный композитный материал имеет высокую прочность при небольшом весе.

Поскольку предлагаемый способ изготовления материала имеет ограниченное время контакта углеродных нанотрубок с алюминием, или компонентами алюминиевых сплавов при высокой температуре, углеродные нанотрубки получают меньше повреждений, кроме того, сокращение длительности контакта углеродных нанотрубок с разогретым до высокой температуры алюминием уменьшает вероятность образования карбида алюминия в количестве, способствующем ухудшению механических и коррозионных свойств композитного материала. В результате полученный предлагаемым способом материал имеет большую по сравнению с прототипом прочность.

Пластичность композита также повышается и может быть еще увеличена с помощью выбора подходящего режима отжига.

Длительность стадии получения спеченной компактной заготовки посредством горячего прессования в предлагаемом способе короче, чем в прототипе, что позволяет тратить на изготовление композитного материала меньше времени.

Пример 1

Алюминиевый порошок с размером частиц 250-450 мкм и порошок многостенных углеродных нанотрубок с внешним диаметром углеродных нанотрубок 10-20 нм и длиной несколько микрон смешивают посредством совместного помола указанных порошков в шаровой планетарной мельнице в среде аргона.

Содержание углеродных нанотрубок в смеси - 1% масс. Затем полученную смесь подвергают горячему прессованию при температуре 630°С и давлении 50 МПа в течение 60 минут в среде аргона. Полученные брикеты с помощью холодной прокатки раскатывают в фольгу толщиной 0,05-0,15 мм, причем величина относительной деформации за 1 проход не превышает 10%, а суммарная относительная деформация составляет 98%.

Предел прочности полученной фольги 418 МПа.

Пример 2

Алюминиевый порошок с размером частиц 250-450 мкм и порошок многостенных углеродных нанотрубок с внешним диаметром углеродных нанотрубок 10-20 нм и длиной несколько микрон смешивают посредством совместного помола указанных порошков в шаровой планетарной мельнице в среде аргона.

Содержание углеродных нанотрубок в смеси - 1% масс. Затем полученную смесь подвергают горячему прессованию при температуре 653°С и давлении 50 МПа в течение 60 минут в среде аргона. Полученные брикеты с помощью холодной прокатки раскатывают в фольгу толщиной 0,05-0,15 мм, причем величина относительной деформации за 1 проход не превышает 10%, а суммарная относительная деформация составляет 97,2%. Предел прочности полученной фольги 441 МПа.

Прочность фольги, полученной при тех же условиях, но без углеродных нанотрубок не превышает 357 МПа.

1. Способ получения композитного материала на основе алюминиевой матрицы, включающий получение смеси порошков алюминия или его сплава и углеродных нанотрубок, спекание полученной смеси порошков с формированием брикета и его прокатку, отличающийся тем, что смесь порошков спекают путем горячего прессования в защитной среде при температуре, составляющей 0,6-0,99 от температуры плавления порошка алюминия или его сплава, и давлении 20-100 МПа в течение 10-300 минут, а сформированный брикет подвергают холодной прокатке.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что порошок углеродных нанотрубок включает одностенные, и/или двустенные, и/или многостенные углеродные нанотрубки.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что смесь порошков алюминия или его сплава и углеродных нанотрубок получают путем совместного помола порошка алюминия или его сплава и углеродных нанотрубок на мельнице в защитной среде до размера частиц 100 нм -1 мм.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что смесь порошков алюминия или его сплава и углеродных нанотрубок содержит 0,01-40 мас.% порошка углеродных нанотрубок.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что полученный материал после холодной прокатки отжигают.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что композитный материал получают в форме плоскопараллельной заготовки в виде плиты, или пластины, или ленты или фольги.

7. Способ по п.п.1 или 3, отличающийся тем, что в качестве защитной среды используют инертный газ или азот или используют вакуум.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что при холодной прокатке относительная деформация брикета за каждый проход составляет не более 10%.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что холодную прокатку брикета осуществляют в несколько проходов с общей относительной деформацией не менее 30%

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что для получения фольги холодную прокатку брикета осуществляют с общей относительной деформацией не менее 50%.