Способ получения микроструктурных многослойных композиционных материалов из разнородных металлов или сплавов

Изобретение относится к области обработки металлов давлением и может быть использовано для получения многослойного композиционного материала с микроразмерной структурой слоев. Способ включает мерную резку исходных листовых заготовок из разнородных металлических материалов, обработку их поверхностей, сборку нарезанных заготовок в пакеты, горячую обработку давлением пакетов путем их нагрева и прокатки с получением многослойных пакетных заготовок с последующим повторением указанных технологических операций над пакетными заготовками для получения многослойного листового композиционного материала с заданным количеством слоев и требуемой толщины. В качестве исходных заготовок используют листы одинаковой или разной толщины из разнородных металлических материалов, взаимно растворимых друг в друге в интервале температуры нагрева при горячей обработке давлением. Сборку нарезанных заготовок в пакет, состоящий из не менее трех слоев, осуществляют с чередованием слоев из более легкоплавкого материала со слоями из менее легкоплавкого материала, обеспечивая при нагреве формирование дислокационного барьера прохождению рекристаллизации из одного слоя в другой и формирование микроразмерной структуры. Получение многослойного листового композиционного материала из пакетных заготовок осуществляют пластическим деформированием по многостадийной схеме до конечной толщины, при которой входящие в него слои обладают микроразмерной структурой. Затем проводят термодиффузионное легирование, включающее диффузионный отжиг продолжительностью, обеспечивающей проникновение диффузионных зон разнородных соприкасающихся слоев материалов, которые образуют пакет, на глубину в каждом, соизмеримую с толщиной одного слоя. Выполняют последующую упрочняющую термическую обработку, состоящую из закалки и старения, проводимых при температурах, соответствующих температурам закалки и старения более легкоплавкого материала. Обеспечивается получение многослойных композиционных материалов с микроструктурной структурой слоев с различной последовательностью их расположения, а также повышение производительности. 1 пр.

 

Изобретение относится к области обработки металлов давлением и может быть использовано для термодиффузионного легирования микроструктурных многослойных композиционных материалов из разнородных металлов для формирования требуемой микроструктуры и механических характеристик в процессе горячего пластического деформирования.

Известен способ получения микроструктурных многослойных композиционных материалов из разнородных металлов или сплавов, включающий мерную резку исходных заготовок из листов, обработку их поверхностей, сборку нарезанных заготовок в пакет, горячую обработку давлением пакета путем его нагрева и прокатки с последующим повторением данных технологических операций по получению супермногослойного листа с заданным числом слоев и требуемой толщиной (см., напр., патент РФ №2380234, B32B 15/00, опубл. 27.01.2010).

Основными недостатками известного способа является невозможность его применения при получении супермногослойных листовых композиций с различной последовательностью расположения слоев, а также его значительное усложнение при использовании операции вакуумирования, из-за своих технических особенностей занимающей большую продолжительность всей стадии обработки.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствования известного способа для возможности термодиффузионного легирования микроструктурных многослойных композиционных материалов из разнородных металлов с различной последовательностью расположения слоев при одновременном исключении операции вакуумирования из всего цикла обработки.

Поставленная задача решается тем, что в способе получения микроструктурных многослойных композиционных материалов из разнородных металлов или сплавов, включающем мерную резку исходных заготовок из листов, обработку их поверхностей, сборку нарезанных заготовок в пакет, горячую обработку давлением пакета путем его нагрева и прокатки с последующим повторением технологических операций для получения супермногослойных листовых композиций, исходный супермногослойный композиционный материал получают из пакета, состоящего из листов разнородных металлов или сплавов одинаковой или разной толщины с различной последовательностью их расположения, взаимно растворимых друг в друге металлов или сплавов в интервале температур горячей обработки давлением, который пластически деформируют по многостадийной схеме до конечной толщины, при которой размеры входящих в него слоев приближают к микрометрическому диапазону, при этом пакет содержит не менее трех слоев этих материалов, один из которых играет роль разделительной прослойки, служащей дислокационным барьером для прохождения рекристаллизации из одного слоя в другой и основным фактором для формирования микроструктуры, при этом полученный композит на окончательном этапе подвергают термодиффузионному легированию, включающему диффузионный отжиг продолжительностью, обеспечивающей проникновение диффузионных зон разнородных соприкасающихся слоев металлов или сплавов, которые образуют пакет, на глубину в каждом, соизмеримую с толщиной одного слоя, а также финальную стадию упрочняющей термической обработки, состоящей из закалки и старения.

Поскольку исходный супермногослойный композиционный материал получают из пакета, состоящего из листов разнородных металлов или сплавов одинаковой или разной толщины с различной последовательностью их расположения, взаимно растворимых друг в друге металлов или сплавов в интервале температур горячей обработки давлением, который пластически деформируют по многостадийной схеме до конечной толщины, при которой размеры входящих в него слоев будут приближены к микрометрическому диапазону, при этом пакет должен содержать не менее трех слоев этих материалов, один из которых играет роль разделительной прослойки, служащей дислокационным барьером для прохождения рекристаллизации из одного слоя в другой и основным фактором для формирования микроструктуры, при этом полученный композит на окончательном этапе подвергают термодиффузионному легированию, включающему диффузионный отжиг продолжительностью, обеспечивающей проникновение диффузионных зон разнородных соприкасающихся слоев металлов или сплавов, которые образуют пакет, на глубину в каждом, соизмеримую с толщиной одного слоя, а также финальную стадию упрочняющей термической обработки, состоящей из закалки и старения, таким образом, обеспечивается термодиффузионное легирование микроструктурных многослойных композиционных материалов из разнородных металлов с различной последовательностью расположения слоев при одновременном исключении операции вакуумирования.

Способ термодиффузионного легирования микроструктурных многослойных композиционных материалов из разнородных металлов проводят следующим образом.

На начальном этапе получают супермногослойную листовую композицию. В процессе ее получения из исходных листовых материалов вырезают мерные заготовки с одинаковыми размерами в плане. Обработку поверхности проводят для удаления технологической смазки, поверхностных загрязнений, оксидных пленок и могут осуществлять как механическими, химическими способами, так и их комбинацией. После обработки поверхности осуществляют сборку нарезанных листов в пакет. Листы в пакете закрепляются при помощи заклепок.

После сборки пакета его нагревают в печи до температуры, при которой активно протекают процессы рекристаллизации в материале с низкой температурой плавления. При сборке пакетов из материалов, подверженных сильному окислению при нагреве, пакеты следует нагревать в технологической оболочке, например, из алюминиевой фольги. Затем нагретый пакет пластически деформируют в валках прокатного стана до толщины, равной или меньшей толщины слоя, входящего в пакет. Минимально возможная толщина ограничена теплофизическими свойствами прокатываемого материала и зависит от его способности сохранять заданный интервал температуры за время деформирования.

При достижении конечной толщины прокатанную заготовку режут на мерные части с удалением боковых кромок и очищают от окислов. Вновь сформированный пакет, состоящий из полученных многослойных листовых заготовок, повторно (возможно неоднократно) подвергают описанному циклу обработки.

Результатом многократно повторенного технологического цикла является плоская заготовка заданного размера, в поперечном сечении которой расположены чередующиеся слои требуемой толщины в неограниченной последовательности, твердый-мягкий-твердый (Т-М-Т) или мягкий-твердый-мягкий (М-Т-М) и др., отличающиеся друг от друга степенью проработки структуры.

На последующем этапе полученный супермногослойный композиционный материал подвергают диффузионному отжигу в диапазоне температур активного протекания диффузионных процессов в более легкоплавком материале и продолжительностью, обеспечивающей необходимую глубину проникновения диффузионной зоны и насыщения (легирования) одного материала другим, распространяющуюся не менее чем в приграничные области контакта разнородных слоев. Кроме этого, на завершающем этапе, после диффузионного отжига, проводят комплексную упрочняющую термическую обработку, состоящую из закалки, осуществляемой при нагреве супермногослойного композиционного материала до температур закалки, характерных легкоплавкой составляющей композиционного материала и ускоренного охлаждения в охлаждающей среде (воде, масле и т.д., в зависимости от типа металла или сплава, составляющего основу композиционного материала), и старения (естественного или искусственного), проводимого по режимам, регламентированным для материала легкоплавкой составляющей композиционного материала.

Данный способ за счет использования сборной пакетной заготовки не требует применения специального оборудования и инструмента, имеет более низкую себестоимость, при использовании термодиффузионного легирования позволяет управлять микроструктурой, тем самым влияя на механические характеристики супермногослойного композиционного материала.

Пример осуществления способа. Для изготовления супермногослойного листового материала толщиной 1 мм в качестве исходных заготовок используются металлические карточки толщиной 0,5 мм из меди М1 и 2 мм - технически чистого алюминия АД1. Карточки в количестве 3 шт., из которых две из АД1, после очистки и промывки укладывают в пакет по симметричной схеме АД1-М1-АД1, после чего пакет помещают в технологическую оболочку из фольги и нагревают до температуры 375°C. Нагретый пакет прокатывают на листовом прокатном стане до толщины 1 мм с деформацией за первый проход 50-75%. Затем полученную полосу разрезают на карточки и, поочередно, собирают их в новый пакет. Пакет аналогичным способом нагревают и деформируют. Превращение медного слоя начальной толщины (0,5 мм) в конечный слой (0,00007 мм) осуществлялось за 6 циклов формирования пакетов, при этом алюминиевые прослойки начальной толщины (2 мм) продеформировались в конечный слой (0,0003 мм). Затем полученный композиционный материал на стадии термодиффузионного легирования подвергают диффузионному отжигу путем его нагрева до температуры 450°C и длительной выдержке в печи при этой температуре в течение 7-12 часов. За это время температуру в камере печи медленно понижают (в час на 20°C), вплоть до ее охлаждения до 300°C, после чего композиционный материал охлаждают на воздухе. После диффузионного отжига проводят упрочняющую термическую обработку - закалку, нагревая композиционный материал до температуры 450°C и резко охлаждая его в воде комнатной температуры, и искусственное старение при температуре 170°C и выдержке 4-6 часов с последующим охлаждением в печи.

За время диффузионного отжига в зоне контакта медного и алюминиевого слоев длительная выдержка привела к росту диффузионной зоны, проходящей на глубину до 0,0004 мм и соизмеримой с толщиной самого алюминиевого слоя. Степень легирования алюминия медью, в таком диапазоне толщин, лежит в пределах от 4 до 8%, что аналогично по содержанию меди в группе дуралюминов.

Таким образом, в предложенном способе супермногослойный материал представляет собой комбинацию листов из разнородных металлов или сплавов различной объемной доли и с различной последовательностью расположения, имеющих взаимную растворимость друг в друге в интервале температур горячей обработки давлением. В исходном состоянии используемые сплавы при нормальных условиях могут иметь как одинаковые, так и различные кристаллические решетки, но при этом они должны быть взаимно растворимыми, для возможности их термодиффузионного легирования.

Способ получения многослойного композиционного материала с микроразмерной структурой слоев, включающий мерную резку исходных листовых заготовок из разнородных металлических материалов, обработку их поверхностей, сборку нарезанных заготовок в пакеты, горячую обработку давлением пакетов путем их нагрева и прокатки с получением многослойных пакетных заготовок с последующим повторением указанных технологических операций над пакетными заготовками для получения многослойного листового композиционного материала с заданным количеством слоем и требуемой толщины, отличающийся тем, что в качестве исходных заготовок используют листы одинаковой или разной толщины из разнородных металлических материалов, взаимно растворимых друг в друге в интервале температуры нагрева при горячей обработке давлением, сборку нарезанных заготовок в пакет, состоящий из не менее трех слоев, осуществляют с чередованием слоев из более легкоплавкого материала со слоями из менее легкоплавкого материала, обеспечивая при нагреве формирование дислокационного барьера прохождению рекристаллизации из одного слоя в другой и формирование микроразмерной структуры, при этом получение многослойного листового композиционного материала из пакетных заготовок осуществляют пластическим деформированием по многостадийной схеме до конечной толщины, при которой входящие в него слои обладают микроразмерной структурой, после чего проводят термодиффузионное легирование, включающее диффузионный отжиг продолжительностью, обеспечивающей проникновение диффузионных зон разнородных соприкасающихся слоев материалов, которые образуют пакет, на глубину в каждом, соизмеримую с толщиной одного слоя, с последующей упрочняющей термической обработкой, состоящей из закалки и старения, проводимых при температурах, соответствующих температурам закалки и старения более легкоплавкого материала.