Способ получения дисперсно-упрочненного нанокомпозитного материала на основе алюминия

Изобретение относится к получению дисперсно-упрочненного нанокомпозитного материала на основе алюминия. Способ включает введение лигатуры в расплав матрицы на основе алюминия при одновременном воздействии на расплав ультразвукового поля. Лигатуру готовят в виде компактированных стержней из равномерно перемешанной смеси, состоящей из 90 мас.% порошка алюминия микронных размеров и 10 мас.% нанопорошка алмаза с диаметром частиц 4÷6 нм, полученные стержни вводят в расплав матрицы на основе алюминия с обеспечением содержания нанопорошка алмаза в получаемом нанокомпозитном материале 0,1÷0,5 мас.% и выдерживают в нем не менее 10 мин при одновременном воздействии на расплав ультразвукового поля интенсивностью 20÷22 Вт/см2. Обеспечивается повышение прочности, твердости и пластичности нанокомпозитного материала. 1 пр.

 

Изобретение относится к области цветной металлургии и может быть использовано в авиаракетостроении для изготовления различных деталей самолетов и вертолетов, корпусов ракет, обтекателей, топливных и кислородных баков, защитных оболочек для литий-ионных батарей, корпусов приборов, малоинерционных робототехнических модулей, различных рычагов, в автомобильной промышленности, в снаряжении для спорта и отдыха.

Известны способы дисперсного упрочнения алюминиевых сплавов путем введения в материал микро- или наночастиц, относящиеся к порошковой металлургии. В частности, в [1] используют добавление в алюминиевую матрицу частиц ультрадисперсных алмазов (УДА) с удельной поверхностью 300÷400 м2/г. Ввод и смешение УДА с упрочняемой фазой металла проводили в механическом активаторе в среде аргона в течение (3÷6) мин. После обработки в механическом активаторе проводилась нормализация порошка при Т=250÷300°С в течение 1 ч. Для получения упрочненного материала (алюминий) количество УДА составляло 0.5÷1.0%, 1.5÷2.5%, 10%, 20% от массы порошка алюминия (марки АСД). Полученная смесь порошков по вышеприведенной технологии засыпалась в пресс-форму и брикетировалась на гидравлическом прессе при давлении p=0.45 ГПа. После брикетирования проводилось спекание при следующих параметрах: давление p=1.0 ГПа, время 5 мин, температура Т=550÷600°С.

В другом способе получения металломатричного композита [2] осуществляют механическое легирование матричного материала наночастицами с твердостью, большей, чем у матрицы и с максимальным размером не более 50 нм. При этом содержание наночастиц в металломатричном композите составляло 0.05÷10 об.%. Способ позволяет повысить качество композита за счет однородного распределения упрочняющих частиц в матрице.

Известен способ [3] получения металломатричного композита, который содержит матрицу на основе алюминия и упрочняющие алмазные наночастицы, внедренные в матрицу в течение 0.2÷5 ч механического легирования. Материал обладает высокими прочностными характеристиками и обеспечивает возможность получения деталей с низкой шероховатостью поверхности.

Недостатком данных способов является использование методов порошковой металлургии, которые связаны с прессованием материала, что значительно ограничивает номенклатуру выпускаемых изделий.

Наиболее близким по техническому решению к заявляемому изобретению является принятый за прототип способ получения упрочненного сплава на основе алюминия, включающий введение лигатуры в расплав матрицы на основе алюминия при одновременном воздействии на расплав ультразвукового поля [4]. Этот способ включает получение лигатуры из смеси порошков алюминия и диборида или карбида титана ударно-волновым компактированием в виде стержней при содержании в лигатуре 5 мас.% порошка диборида или карбида титана с размером частиц 1÷5 мкм и введение полученных стержней в расплав алюминиевой основы, разогретой до 720°С, при одновременном воздействии на расплав ультразвукового поля. Изобретение направлено на повышение прочности и износостойкости сплавов.

Техническим результатом настоящего изобретения является разработка способа получения дисперсно-упрочненного нанокомпозитного материала на основе алюминия с повышенными значениями прочности, твердости и пластичности.

Технический результат достигается тем, что разработан способ получения дисперсно-упрочненного нанокомпозитного материала на основе алюминия, включающий введение лигатуры в расплав матрицы на основе алюминия при одновременном воздействии на расплав ультразвукового поля. Лигатуру готовят в виде компактированных стержней из равномерно перемешанной смеси, состоящей из 90 мас.% порошка алюминия микронных размеров и 10 мас.% нанопорошка алмаза с диаметром частиц 4÷6 нм. Полученные стержни вводят в расплав матрицы на основе алюминия с обеспечением содержания нанопорошка алмаза в получаемом нанокомпозитном материале 0.1÷0.5 мас.% и выдерживают в нем не менее 10 мин при одновременном воздействии на расплав ультразвукового поля интенсивностью 20÷22 Вт/см2.

Полученный положительный эффект изобретения обусловлен следующими факторами.

1. Использование наночастиц алмаза с диаметром частиц в диапазоне 4÷6 нм обеспечивает возможность реализации механизма дисперсного упрочнения [5].

2. Использование лигатуры в виде компактированной шихты из 90 мас.% порошка алюминия и 10 мас.% нанопорошка алмаза позволяет сохранять неизменным химический состав матричного материала.

3. Содержание наночастиц алмаза в матричном материале в количестве 0.1÷0.5 мас.% позволяет достичь больших значений прочности относительно других концентраций, что было определено экспериментально.

4. Ультразвуковая обработка способствует равномерному распределению наночастиц алмаза в матрице основного металла и дегазации сплава для уменьшения его дефектности [6].

5. Интенсивность ультразвукового излучения в диапазоне 20÷22 Вт/см2 определена экспериментально и обусловлена реализацией в данном режиме обработки эффекта развитой кавитации, что способствует смачиванию наноразмерных частиц [7].

6. Время ультразвуковой обработки расплава выбрано с учетом литературных данных, которые свидетельствуют о гомогенном распределении частиц средним размером до 100 нм [8].

Пример реализации способа

В качестве исходных порошков для получения лигатур, используемых в предлагаемом способе для эффективного введения упрочняющих наночастиц, были взяты нанопорошок алмаза, полученный методом детонационного синтеза, и микропорошок алюминия марки АСД-6 (средний размер частиц 20 мкм). Для получения лигатур в виде прутков готовили смесь из нанопорошка алмаза и порошка алюминия в массовом соотношении 10-90%, соответственно. Полученную механическую смесь порошков помещали в контейнер, представляющий собой алюминиевую трубку длиной 400 мм, диаметром 10 мм (толщина стенки составляла 1 мм), закрытую с обеих сторон заглушками. Далее осуществляли взрывное компактирование по способу, описанному в [4].

Для получения дисперсно-упрочненных алюминиевых сплавов в качестве матричного материала был взят сплав марки АК7, содержащий 89.6÷93.8 мас.% алюминия, 6÷8 мас.% кремния, до 1.5 мас.% железа, до 0.5 мас.% марганца, остальное - примеси [9]. Плавку проводили в тигле в муфельной печи при температуре 720÷740°С, затем в тигель помещали предварительно нагретый ультразвуковой волновод. Глубина погружения волновода составляла 1÷2 см. После этого включали ультразвуковой генератор. При этой температуре проводили ультразвуковую дегазацию расплава в течение 1 мин, затем одновременно с ультразвуковой обработкой в расплав вводили заданное количество лигатуры. Далее выдерживали расплав в условиях поддержания температуры 720÷740°С и обрабатывали ультразвуком в течение не менее 10 мин. Затем проводили заливку расплава в кокиль.

Были проведены механические испытания полученных дисперсно-упрочненных нанокомпозитных материалов с целью определения механических свойств (предела текучести, предела прочности, твердости и пластичности). Полученные результаты сравнивались со свойствами прототипа - сплава АК7 без добавок наночастиц алмаза.

С целью исследований механических свойств сплава были подготовлены образцы в виде лопаток согласно ГОСТ 1497-84 [10]. Испытание образцов на растяжение проводили на Универсальной испытательной машине Instron 3369 со скоростью движения подвижного траверса 0.2 мм/мин.

Исследования показали, что среднее значение предела прочности для прототипа составило 145 МПа, в свою очередь, для дисперсно-упрочненного нанокомпозитного материала это значение составило 215 МПа. Таким образом, наблюдается увеличение значения прочности при растяжении почти в два раза.

Величины предела текучести и твердости также увеличивается с 65 до 90 МПа и с 40 до 60 НВ, соответственно.

Было установлено, что помимо увеличения прочностных свойств и твердости материалов, увеличилась пластичность материала (от 1.4% для прототипа до 1.8% для дисперсно-упрочненного нанокомпозитного материала).

Таким образом, приведенный пример реализации показывает, что заявляемый способ позволяет получить положительный технический результат изобретения, а именно увеличение предела прочности, предела текучести при растяжении почти в два раза с одновременным увеличением пластичности и твердости дисперсно-упрочненного нанокомпозитного материала на основе алюминия.

ЛИТЕРАТУРА

1. Патент РФ №2001718, МПК B22F 1/00. Способ получения дисперсно-упрочненного материала / С.П. Кожарский, В.Ф. Комаров, М.Г. Потапов, Е.А. Петров, А.Н. Попов, Г.В. Сакович, В.Н. Шалюта; опубл. 30.10.1993 г.

2. Патент РФ №2423539, МПК С22С 1/05. Металломатричный композит / В.А. Попов; опубл. 10.07.2011 г.

3. Патент РФ №2456361, МПК С22С 1/05. Металломатричный композит / В.А. Попов; опубл. 20.07.2012 г.

4. Патент РФ №2542044, МПК С22С 1/03. Способ получения упрочненных сплавов на основе алюминия / А.Б. Ворожцов, С.А. Ворожцов, В.А. Архипов, С.Н. Кульков, Э.Р. Шрагер; опубл. 20.02.2015 г.

5. Конева Н.А. Физика прочности металлов и сплавов // Соросовский образовательный журнал. 1997. №7. С. 95-102.

6. Добаткин В.И., Эскин Г.И., Абрамов О.В. Воздействие мощного ультразвука на межфазную поверхность металлов // М.: Наука, 1986. - 276 с.

7. Эскин Г.И. Влияние кавитационной обработки расплава на структуру и свойства литых и деформированных легких сплавов // Вестник Российской академии естественных наук, 2010, №3, С. 82-89.

8. Повышение эффективности технологических процессов в поле акустических колебаний: сб. статей / под ред. Н.Н. Хавского. - М.: МИСиС, 1981.-132 с.

9. ГОСТ 1583-93. Сплавы алюминиевые литейные. Технические условия.

10. ГОСТ 1497-84. Методы испытаний на растяжение.

Способ получения дисперсно-упрочненного нанокомпозитного материала, включающий введение лигатуры в расплав матрицы на основе алюминия при воздействии на расплав ультразвукового поля, отличающийся тем, что предварительно получают лигатуру в виде компактированных стержней из равномерно перемешанной смеси, состоящей из 90% порошка алюминия микронных размеров и 10% нанопорошка алмаза с диаметром частиц в диапазоне 4÷6 нм, полученные стержни вводят в расплав матрицы и выдерживают не менее 10 мин при одновременном воздействии на расплав ультразвукового поля интенсивностью не менее 25 Вт/см2, при этом содержание нанопорошка алмаза в полученном материале составляет 0,1÷0,5 мас.%.



 

Похожие патенты:
Группа изобретений относится к получению композиционного материала, содержащего металлическую матрицу и упрочняющие наночастицы. Способ включает подготовку смеси исходных материалов и ее механическое легирование.

Изобретение относится к изготовлению монокристального алмазного инструмента. Способ включает пластифицирование твердосплавной порошковой смеси, засыпку полученной шихты в металлическую пресс-форму, прессование шихты в брикет, укладку монокристалла алмаза на поверхность брикета и спекание брикета с монокристаллом алмаза с пропиткой легкоплавким металлом или сплавом в направлении снизу вверх.

Изобретение относится к изготовлению алмазных инструментов на основе твердосплавных порошковых смесей. Способ получения алмазосодержащей матрицы алмазного инструмента включает приготовление твердосплавной порошковой смеси, ее пластифицирование, послойную засыпку приготовленной шихты и укладку алмазных зерен, имеющих оболочку из частиц хрома, в металлическую пресс-форму, прессование шихты с алмазными зернами в брикет и спекание брикета в печи с пропиткой легкоплавки металлом или сплавом в направлении снизу вверх.

Группа изобретений относится к изготовлению поликристаллического материала и изделий, содержащих этот материал для защиты от повреждений. Способ изготовления поликристаллического материала включает получение гранулированной структуры-предшественника, включающей железо, кремний и источник углерода или азота, нагрев структуры-предшественника, нанесение на основу слоя нагретой структуры-предшественника и охлажение слоя структуры-предшественника.

Изобретение относится к изготовлению изделий из порошковой композиции на основе сверхтвердых материалов. Способ включает предварительное нормализующее спекание порошковой композиции при температуре нагрева до 1150°С и окончательное пресс-спекание при температуре нагрева 1800-2200°С и давлении 8-10 ГПа.

Изобретение относится к изготовлению алмазного инструмента. Способ включает приготовление твердосплавной порошковой смеси, ее пластифицирование, послойную засыпку приготовленной смеси и укладку алмазов в металлическую пресс-форму, прессование упомянутой смеси с алмазами в брикет, спекание и пропитку легкоплавкими металлами или сплавами в печи в вакууме.
Группа изобретений относится к изготовлению спеченного композитного изделия, содержащего частицы кубического нитрида бора, диспергированные в матрице из цементированного карбида.

Изобретение относится к порошковым фрикционным сплавам на основе железа, которые могут быть использованы в узлах трения предохранительных фрикционных муфт сцепления винтовых стрелочных переводов, применяемых на высокоскоростных железнодорожных магистралях.

Изобретение относится к области получения поликристаллических материалов, которые могут быть использованы, преимущественно, для изготовления бурового и правящего инструмента.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению алмазных абразивных инструментов. Композиционный алмазосодержащий материал содержит, мас.%: технический порошок алмазов зернистостью 315/250 мкм - 5,0-7,0; ультрадисперсный порошок алмазов зернистостью 2/0 мкм - 1,0-3,0; олово - 18,0-20,0; медь - остальное.

Изобретение относится к способу получения алюминиевой лигатуры с 2 мас.% скандия. Способ включает электролиз расплава, содержащего фториды калия, натрия, алюминия, загрузку в расплав оксида скандия и проведение электролиза расплавленной смеси с оксидом скандия в электролизере при температуре 800-850°С и катодной плотности тока не выше 1А/см2 с периодической выгрузкой алюминиевой лигатуры из электролизера и загрузкой оксида скандия и металлического алюминия в электролизер с расплавленной смесью, при этом оксид скандия в расплавленную смесь загружают в количестве 3-6 мас.% от расплавленной смеси, а металлический алюминий – в количестве, обеспечивающем соотношение масс алюминия и расплавленной смеси в электролизере, составляющее 1:1-4.

Изобретение относится к литейному производству в области металлургии, в частности к модифицированию литейных алюминиевых сплавов. Пруток изготавливают путем раскатки алюминиевой пластины до толщины 0,2-0,3 мм, рекристаллизации полученной алюминиевой ленты при температуре 200-300°С, нанесения на нее рассыпчатого модификатора на основе наноуглерода и последующей запрессовки ленты с модификатором в пруток.

Изобретение относится к области металлургии высокопрочных материалов на основе алюминия и может быть использовано при получении изделий, работающих под действием высоких нагрузок, таких как детали летательных аппаратов, автомобилей и других транспортных средств, детали спортинвентаря и др.

Изобретение относится к области металлургии, в частности легированным сплавам на основе TiAl с преобладающей фазой γ-TiAl, и может быть использовано при изготовлении компонентов авиационных газотурбинных двигателей.

Изобретение относится к области металлургии цветных металлов и может быть использовано для получения сплава алюминий-скандий в условиях промышленного производства.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к деформируемым сплавам на основе алюминия, предназначенным для использования в виде деформированных полуфабрикатов, преимущественно в виде прессованных прутков, в качестве электропроводного конструкционного материала преимущественно для токопроводящих элементов конструкции в авиакосмической технике, судостроении, транспортном машиностроении и других отраслях промышленности, а также в качестве заготовки для получения электропроводов.

Изобретение относится к области цветной металлургии и электротехники, в частности к материалам на основе алюминия, и может быть использовано при получении изделий электротехнического назначения: проводников круглого и квадратного сечения, проводов линий электропередач и токопроводящих элементов, работающих при повышенных температурах и механических нагрузках.
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению композитов на основе металлической матрицы из алюминия или его сплавов c наполнителем из частиц борсодержащего материала и вольфрама.

Изобретение относится к изготовлению расходуемого электрода для выплавки слитков титан-алюминиевых сплавов, содержащих 15-63 мас. % алюминия.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для получения поршней двигателей внутреннего сгорания из заэвтектического силумина. В способе осуществляют расплавление шихты в печи, рафинирование расплава от водорода, внепечное модифицирование расплава лигатурой, содержащей соединения фосфора, получение поршневой заготовки и ее гомогенизацию.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к получению легких сплавов на основе алюминия с повышенной прочностью. Способ заключается во введении в расплав алюминия лигатуры, содержащей модифицирующую добавку, при одновременном воздействии на расплав ультразвукового поля, причем лигатуру получают в виде цилиндрических рулонных элементов из алюминиевой фольги, на одну из поверхностей которой предварительно наносят электростатическим напылением модифицирующую добавку - порошок оксида алюминия, при содержании порошка оксида алюминия с размерами частиц 1-15 мкм в лигатуре 4,5-5,5 мас.

Изобретение относится к получению дисперсно-упрочненного нанокомпозитного материала на основе алюминия. Способ включает введение лигатуры в расплав матрицы на основе алюминия при одновременном воздействии на расплав ультразвукового поля. Лигатуру готовят в виде компактированных стержней из равномерно перемешанной смеси, состоящей из 90 мас. порошка алюминия микронных размеров и 10 мас. нанопорошка алмаза с диаметром частиц 4÷6 нм, полученные стержни вводят в расплав матрицы на основе алюминия с обеспечением содержания нанопорошка алмаза в получаемом нанокомпозитном материале 0,1÷0,5 мас. и выдерживают в нем не менее 10 мин при одновременном воздействии на расплав ультразвукового поля интенсивностью 20÷22 Втсм2. Обеспечивается повышение прочности, твердости и пластичности нанокомпозитного материала. 1 пр.

Наверх