Способ получения борсодержащего металломатричного композиционного материала на основе алюминия в виде листов


 


Владельцы патента RU 2590429:

Общество с ограниченной ответственностью "Технологии энергетического машиностроения" (ООО "ТЭМ") (RU)

Изобретение относится к области металлургии, в частности к деформированным борсодержащим алюмоматричным композиционным материалам в виде листов, к которым предъявляются специальные требования по поглощению нейтронного излучения в сочетании с низким удельным весом. Способ включает приготовление алюминиевого расплава, содержащего, мас.%: марганец от 0,5 до 2, магний от 0,5 до 4, кремний от 0,1 до 0,3, скандий от 0,15 до 0,3, формирование борсодержащих частиц в алюминиевом расплаве путем введения в расплав лигатуры, содержащей смесь порошка TiB2 и солей NaCl2, MgCl2 и KCl, причем температуру расплава в процессе замешивания лигатуры поддерживают в пределах от 720 до 800°С в течение 30-45 минут, получение слитка путем кристаллизации расплава, получение листа путем деформирования слитка и отжиг деформированного полуфабриката при температуре 250-350°С, при этом получают листы со структурой композиционного материала, содержащего частицы TiB2 в количестве от 4 до 8%. Техническим результатом изобретения является достижение высокого уровня прочностных характеристик (временное сопротивление при растяжении (σв) - не менее 280 МПа) без использования операции гомогенизации для слитков и закалки для листов. 1 з.п. ф-лы, 2 пр., 2 табл.

 

Область техники

Настоящее изобретение относится к области металлургии, в частности к деформированным борсодержащим алюмоматричным композиционным материалам в виде листов, к которым предъявляют требования по поглощению нейтронного излучения в сочетании с низким удельным весом.

Предшествующий уровень техники

Алюмоматричные композиционные материалы (АКМ), содержащие бор, обладают уникальным сочетанием физических и механических свойств, в частности низкой плотностью и хорошим поглощением нейтронное излучение, поэтому они широко применяются в ядерной энергетике [W.K. Barney, G.A. Shemel, W.E. Seymour, Nucl. Sci. Eng. 1 (1958) 439-448]. Несмотря на то, что борсодержащие АКМ достаточно давно эксплуатируются, их использование ограничено из-за ряда проблем, в частности, это связано с технологией их получения. Такая трудность получения борсодержащих сплавов по классической технологии литья определяется: 1) существенным повышением линии ликвидуса при увеличении концентрации бора, и как следствие малой растворимостью бора в жидком алюминии (при традиционных температурах получения алюминиевых сплавов); 2) низкой смачиваемостью некоторых борсодержащих частиц алюминиевым расплавом; 3) неизбежное взаимодействие бора с рядом основных легирующих элементов с образованием соответствующих борсодержащих интерметаллидов. Эти основные факторы определяют необходимость использования специальных способов получения борсодержащих АКМ.

Известны многочисленные способы получения борсодержащих АКМ с использованием методов порошковой металлургии. В частности, известен способ получения АКМ, в котором в качестве алюминиевой матрицы используются сплавы разных систем (1xxx, 3xxx, 6xxx и др.), в качестве борсодержащего наполнителя - карбид бора (В4С) в виде порошка размером 1-60 мкм (патент US 6602314 В1, опубл 05.08.2003). Данный способ производства АКМ включает спекание под давлением (с предварительным вакуумированием). Недостатком этого способа является трудность получения крупных заготовок, предназначенных для прокатки. Другим недостатком данного способа является то, что предложенные матричные сплавы обладают разным сочетание физико-химических свойств, что определяет широкий разброс по физико-механическим характеристикам, достигаемым в АКМ.

Известен также способ получения борсодержащего АКМ, разработанный компанией Alcan Aluminum Corporation, который включает жидкофазный процесс замешивания борсодержащих частиц соединения В4С в жидкий расплав (патент US 5531425 (1996)). По данному способу в кристаллизаторах получают слитки, далее применяется горячая прокатка для производства плит и листов. Недостатком данного способа является то, что получаемые листы имеют низкую прочность (σв<100 МПа).

Раскрытие изобретения

В основу изобретения положена задача создать новый борсодержащий АКМ в виде листов, упрочняемый без закалки, характеризующихся достаточной прочностью (σв>280 МПа), высокой технологичностью при получении слитков и их последующей деформации в лист (без использования гомогенизации) со структурой алюминиевой матрицы, в которой равномерно распределены частицы соединения TiB2 со средним размером не более 30 мкм и массовой долей от 4 до 8 масс. %.

Поставленная задача решается созданием способа получения листов из борсодержащего металломатричного композиционного материала на основе алюминия, включающий приготовление расплава, содержащего марганец, магний, кремний, скандий, формирование борсодержащих частиц в алюминиевом расплаве, получение слитка путем кристаллизации расплава, получение листа путем деформирования слитка и его термическую обработку, отличающийся тем, что готовят алюминиевый расплав, содержащий

марганец от 0,5 до 2 масс. %
магний от 0,5 до 4 масс. %
кремний от 0,1 до 0,3 масс. %
скандий` от 0,15 до 0,3 масс. %

формирование борсодержащих частиц проводят путем введения лигатуры, состоящей из смеси порошка TiB2 и солей NaCl2, MgCl2 и KCl, температуру расплава в процессе замешивания лигатуры поддерживают в пределах от 720 до 800°С в течение 30-45 минут, а отжиг деформированного полуфабриката проводят при температуре 250-350°С, при этом получают листы со структурой композиционного материала, содержащего частицы TiB2 в количестве от 4 до 8%. В частном исполнении лигатура дополнительно содержит парафин при следующем соотношении компонентов: TiB2 от 60 до 70 масс. %, NaCl2 от 3 до 5 масс. %, MgCl2 от 10 до 12 масс. %, KCl от 5 до 7 масс. %, парафин - остальное.

Технический результат, достигаемый от изобретения является достижение высокого уровня прочностных характеристик: временное сопротивление при растяжении (σв) - не менее 280 МПа, высокой технологичности при обработке давлением в совокупности с низкой плотностью и возможностью его использования в качестве защиты от нейтронного излучения.

Сущность изобретения

Сущность изобретения состоит в том, чтобы реализовать в листах из борсодержащего АКМ структуру на основе алюминиевой матрицы, упрочненной вторичными выделениями фаз Al6Mn и Al3Sc и с равномерно распределенными в ней частицами соединения TiB2 со средним размером не более 30 мкм и массовой долей от 4 до 8 масс. %. Такая структура позволяет обеспечить наилучшее сочетание механических свойств (более 280 МПа) и способность к поглощению нейтронного излучения (расчетное содержание бора для такой структуры составляет от 2 до 3,5 масс. %). Обоснование заявляемых количеств легирующих компонентов в данном сплаве приведено ниже.

Марганец в заявляемых количествах необходим для образования вторичных выделений (дисперсоидов) Al6Mn и твердорастворного упрочнения. Меньшие концентрации не обеспечат требуемой прочности, а при больших количествах будут понижены характеристики технологичности при обработке давлением из-за образования первичных кристаллов Μn-содержащей фазы.

Магний в заявляемых количествах необходим для твердорастворного упрочнения. Меньшие концентрации не обеспечат требуемого уровня прочности, а при больших количествах будут понижены характеристики технологичности при обработке давлением из-за высокого деформационного упрочнения.

Скандий в заявляемых количествах необходим для образования вторичных наночастиц фазы Al3Sc (кристаллическая решетка L12), имеющих средний размер не более 10 нм. При меньших концентрациях количество последних будет недостаточным для достижения требуемой прочности, а при больших количествах имеется опасность появления первичных кристаллов, что негативно сказывается на механических свойствах и технологичности.

Кремний в заявляемых количествах необходим для нейтрализации вредного влияния примеси железа (допустимое содержание железа до 0,5%), в частности для образования эвтектических включений (фазы Al15(Fe,Mn)3Si2), способствующих более равномерной деформации в микрообъемах в процессе обработки давлением.

Нижний предел по массовой доли частиц фазы TiB2 выбран с целью достижения необходимого уровня поглощения нейтронного излучения, а верхний - с целью достижения необходимого уровня технологичности, в частности, при прокатке. Верхний предел по среднему раз меру фазы TiB2 выбран с целью достижения необходимого уровня механических свойств.

Обоснование заявляемых технологических параметров способа получения деформированных из данного сплава приведено ниже.

Снижение температуры расплава ниже 720°С может привести к снижению технологичности при получении слитков. Следствием этого возможно появление ликватов и других дефектов на поверхности слитка. Повышение температуры расплава выше 800°С и времени выдержки более 45 минут отрицательно может сказаться на размере частиц TiB2 в алюминиевом расплаве из-за их огрубления.

Если температура отжига листа будет ниже 250°С и выше 350°С, то не будет достигнут требуемый уровень упрочнения, что связано с недораспадом алюминиевого твердого раствора в первом случае и образованием грубых вторичных выделений Al3Sc во втором.

Примеры выполнения

ПРИМЕР 1

Для экспериментального обоснования предложенного изобретения было выполнено 5 вариантов получения борсодержащего АКМ, которые приведены в табл. 1. Приготовление расплава и формирование в нем борсодержащих частиц TiB2 проводили в индукционной печи «РЭЛТЕК» в графитошамотном тигле. Бор вводили в виде специально приготовленной смешением лигатуры, содержащей TiB2 и смеси (18 масс. % NaCl2, 54 масс. % MgCl2 и 28 масс. % KCl). При этом количество частиц TiB2 было различным, чтобы получить в конечной структуре разное количество борсодержащих частиц (Q).

Таблица 1
Составы расплавов АКМ, механические свойства и параметры структуры катаных листов
Концентрации, масс. % σв, МПа Q, масс. %
Μn Mg Si Sc Al
1 0,1 0,4 0,3 0,35 Основа 244 2,4
2 0,5 4 0,1 0,15 Основа 289 6,5
3 2 0,5 0,2 0,3 Основа 287 7,8
4 1 4 0,1 0,25 Основа 324 5,5
5 2,5 4 0,1 0,35 Основа Трещины при прокатке 10,1

Температуру расплава поддерживали около 770°С в течение 30 минут. Заливку проводили в металлическую изложницу, получая плоские слитки с размерами 40×120×200 мм. Далее слитки подвергали прокатке (сначала горячей. а затем холодной), получая листы толщиной 2 мм. Листы термообрабатывали по режиму: нагрев при 300°С в течение 3 часов.

Механические свойства листов (временное сопротивление (σв)) при одноосном растяжении определяли при комнатной температуре на универсальной испытательной машине в соответствии с ГОСТ 1497-84. Скорость испытания составляла 10 мм/мин, расчетная длина 50 мм.

Массовую долю борсодержащих частиц (Q) и их идентификацию определяли методом рентгенофазового анализа (на дифрактометре ДРОН-4.0-07).

Как видно из табл. 1, только предложенный способ получения борсодержащего АКМ (№2-4) обеспечивает заданный уровень механических свойств.

ПРИМЕР 2

Для обоснования температуры расплава было выполнено 5 вариантов получения борсодержащего АКМ (табл. 2) применительно к составу №4 (табл. 1). Оценка среднего размера (d) борсодержащих частиц TiB2 в листе проведена с использованием металлографического анализа на сканирующем микроскопе JEOL JSM-6610.

Количество магния, кремния, меди и борсодержащей лигатуры, вводимых в расплав во всех случаях было одинаковым и отвечало варианту 3 из примера 1 (см. табл. 1). Температура расплава варьировалась в пределах от 800 до 1000°С. Остальные условия эксперимента были такими же, как и в примере 1.

Как видно из табл. 2, только предложенный способ получения АКМ (№2-4) обеспечивает заданные параметры структуры.

Таблица 2
Температуры расплава приготовления экспериментальных АКМ и параметры структуры катаных листов
Температура расплава, °С Время выдержки расплава, мин d, мкм
1 710 20 не равномерное распределение частиц
2 720 45 21
3 770 30 25
4 800 30 26
5 850 60 41

В способе №5 в течение длительного времени выдержки и повышения температуры выше 800°С привело к формирование грубых частиц соединения TiB2 со средним размером около 41 мкм.

1. Способ получения листов из борсодержащего металломатричного композиционного материала на основе алюминия, включающий приготовление расплава, содержащего марганец, магний, кремний и скандий, формирование борсодержащих частиц в алюминиевом расплаве, получение слитка путем кристаллизации расплава, получение листа путем деформирования слитка и его термическую обработку, отличающийся тем, что готовят алюминиевый расплав, содержащий

марганец от 0,5 до 2 мас. %
магний от 0,5 до 4 мас. %
кремний от 0,1 до 0,3 мас. %
скандий от 0,15 до 0,3 мас. %

формирование борсодержащих частиц проводят путем введения в расплав лигатуры, содержащей смесь порошка TiB2 и солей NaCl2, MgCl2 и KCl, температуру расплава в процессе замешивания лигатуры поддерживают в пределах от 720 до 800°С в течение 30-45 минут, а термическую обработку проводят путем отжига деформированного полуфабриката при температуре 250-350°С, при этом получают листы со структурой композиционного материала, содержащего частицы TiB2 в количестве от 4 до 8%.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что лигатура дополнительно содержит парафин при следующем соотношении компонентов: TiB2 от 60 до 70 мас. %, NaCl2 от 3 до 5 мас. %, MgCl2 от 10 до 12 мас. %, KCl от 5 до 7 мас. %, парафин - остальное.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к композиционному материалу, содержащему благородные металлы, и способу его производства. Композиционный материал содержит сплав золота и алюминия и керамику на основе бора с температурой плавления выше, чем у золота, и плотностью, максимально равной 4 г/см3.
Изобретение относится к области нанотехнологии, а именно к композиционным материалам с металлической матрицей и наноразмерными упрочняющими частицами. Задачей изобретения является повышение прочностных характеристик композиционного материала при минимизации объемной доли упрочняющих частиц.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к получению армированных композиционных материалов, и может быть использовано для получения композиционных материалов, работающих в условиях трения в качестве электротехнических изделий, таких как токосъемники, вставки пантографов, электротехнические щетки и т.п.

Изобретение относится к области получения литых композиционных материалов и может быть использовано для получения пропиткой композиционных материалов с углеграфитовым каркасом, которые работают в условиях трения в качестве электротехнических изделий, таких как токосъемники, вставки пантографов, электротехнические щетки и т.п.

Изобретение относится к области материаловедения, а именно к определению критической концентрации одной из фаз в многофазной системе. Способ определения концентрационного положения порога перколяции в наногранулированных композитных материалах с системой фаз металл-диэлектрик включает определение концентрации металлической фазы и определение электрического сопротивления композитных материалов до и после термообработки.
Изобретение относится к области металлургии благородных металлов, в частности к производству платины или платинородиевых сплавов, упрочненных дисперсными оксидными частицами, и может быть использовано при изготовлении стеклоплавильных аппаратов (СПА) и фильерных питателей (ФП), эксплуатируемых в агрессивных средах в условиях высоких температур.
Изобретение относится к порошковой металлургии. Способ получения композиционного материала на основе никеля включает перемешивание порошков для приготовления матрицы материала и дисперсного порошка оксида металла, механическое легирование полученной смеси, компактирование и прокатку полученного сплава.

Изобретение относится к получению литого композиционного материала на основе алюминиевого сплава для изготовления деталей сложной формы. Расплавляют основу, вводят в нее композицию, включающую армирующие частицы Аl2О3, на поверхности которых механической активацией предварительно сформирован слой Аl, и разливают в форму.
Изобретение относится к получению композиционных порошков для защитных износостойких покрытий. Готовят смесь неметаллической керамической компоненты и металлического порошка при массовом соотношении 1:(1-4).

Изобретение относится к металлургии, в частности к получению литых композиционных сплавов для отливок ответственного назначения. .

Изобретение относится к области металлургии, в частности к деформируемым сплавам на основе алюминия, и может быть использовано при получении деформированных полуфабрикатов в виде прессованных профилей, прутков, труб, катаных плит и листов, предназначенных для использования в строительстве, судостроении, авиационной, автомобильной и других отраслях промышленности.

Изобретение относится к металлургии, в частности к получению травленой конденсаторной алюминиевой фольги. Способ получения травленой катодной конденсаторной алюминиевой фольги, содержащей 0,001-0,1 мас.% скандий, толщиной 20-60 мкм, включает легирование алюминия высокой чистоты скандием, горячую прокатку и холодную прокатку до толщины 20-60 мкм, при этом легирование осуществляют путем добавления к алюминию чистотой 99,99% лигатуры Al-Sc2% в соотношении по массе от 1:2000 до 1:20, а после холодной прокатки гладкую фольгу подвергают электрохимическому травлению в водном электролите, содержащем, г/л: NaCl - 150-300, Na2SO4 - 15-30, полиэтиленгликоль - 0,1-1, при температуре 85-95°С и плотности тока - 0,5-0,7 А/см2.

Изобретение относится к области металлургии цветных металлов и может быть использовано для производства лигатуры алюминий-скандий-иттрий, применяемой для модифицирования алюминиевых сплавов.

Изобретение относится к высокопрочным кованым изделиям из алюминиевых сплавов и способам их получения. Кованое изделие, выполненное из деформируемого алюминиевого сплава, упрочняемого термообработкой, имеет кристаллическую микроструктуру, содержащую зерна первого типа с отклонением зерен от ориентации текстуры ≤3°, имеющие среднее отношение размеров в плоскости LТ-ST по меньшей мере 3,5:1, и зерна второго типа, отличные от зерен первого типа, причем зерна первого типа содержатся в количестве от 5 об.% до 50 об.%, при этом максимальная интенсивность текстуры по графику ODF составляет по меньшей мере 30.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к деформируемым сплавам на основе алюминия системы Al-Fe-Si в виде тонколистового проката, фольги, листов, плит, прессованных профилей, проволоки и др.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к составам антифрикционных сплавов на основе алюминия, а также к способам изменения их металлографической структуры сочетанием термической обработки и пластической деформации, и может быть использовано, например, в производстве подшипников скольжения.

Группа изобретений относится к способу и устройству получения содержащего алюминий и титан сплава - интерметаллида. Способ включает получение сплава из водной суспензии частиц руд, содержащих соединения алюминия и титана.

Изобретение относится к металлургии, в частности к производству литейных алюминиевых антифрикционных сплавов, используемых в машиностроении при изготовлении монометаллических подшипников скольжения.

Изобретение относится к алюминиевым сплавам, предназначенным для производства электропроводников, работающих при высоких температурах. Алюминиевый сплав содержит, мас.%: лантан и церий в сумме до 9, никель до 0,7, стронций до 0,001, алюминий - остальное, при соотношении церия к лантану 1,0-1,5 и никеля к сумме лантана и церия 0,1-0,3.

Изобретение относится к литейному производству. Алюминиевый сплав, содержащий в мас.%: никель 2-6, цирконий 0,1-0,4, ванадий 0,1-0,4, марганец до 5, железо до 2, титан до 1, алюминий, содержащий не более 1 мас.% производственных примесей, - остальное, заливают в форму машины литья под давлением.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к деформируемым сплавам на основе алюминия, и может быть использовано при получении деформированных полуфабрикатов в виде прессованных профилей, прутков, труб, катаных плит и листов, предназначенных для использования в строительстве, судостроении, авиационной, автомобильной и других отраслях промышленности.
Наверх