Способ получения наноструктурного композиционного материала на основе алюминия

Авторы патента:

C22C49/14 - характеризуемые волокнами или нитями

C22C47/14 - порошковой металлургией, т.е. обработкой смесей порошкового металла и волокон или нитей

Владельцы патента RU 2780728:

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ульяновский государственный технический университет" (RU)

Изобретение относится к способу получения наноструктурного композиционного материала на основе алюминия, модифицированного углеродными нанотрубками, и может быть использовано в машиностроении и авиакосмической отрасли. Смесь порошка алюминия, содержащего 0,6 вес.% стеариновой кислоты и углеродные нанотрубки в количестве 1,5-1,9 вес.%, обрабатывают 190 минут в аттриторе при частоте вращения 390 оборотов в минуту. Полученную порошковую смесь прессуют в заготовку при температуре 20°С и давлении 430 МПа, затем проводят горячее прессование полученной заготовки при температуре 545°С и давлении 610 МПа. Техническим результатом изобретения является повышение микротвердости и прочности композиционного материала на основе алюминия. 2 пр.

Изобретение относится к способу получения наноструктурного композиционного материала на основе алюминия, модифицированного углеродными нанотрубками, с улучшенными физико-механическими свойствами, который может использоваться в качестве конструкционного материала для машиностроения и авиакосмической отрасли.

Известен способ получения наноструктурного композиционного материала на основе алюминия (см. патент RU 2716930 опубл. 17.12.2019, С22С 1/05). Смесь стружки сплава алюминия, содержащего 6 вес.% магния, и порошка фуллерена С60 в количестве 0,1…0,5 вес.% подвергают обработке в планетарной шаровой мельнице в течение 45 мин при скорости вращения 1800 об/мин. Полученную порошковую смесь прессуют при 550 МПа в заготовку диаметром 50 мм и подвергают прямой горячей экструзии со степенью деформации 6,2 при давлении 1…1,5 ГПа и температуре 280°С.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа получения наноструктурного композиционного материала на основе алюминия, относится то, что выбранный наполнитель в виде углеродного наноматериала не обеспечивает требуемого армирования алюминиевой матрицы.

Известен способ изготовления алюминиевого композита, армированного углеродными нанотрубками (см. патент CN 103789564 опубл. 14.05.2014, С22С 1/05), выбранный в качестве прототипа. В качестве элементов легирования выбраны медь, магний, цинк, марганец, кремний, титан или цирконий, предварительный сплав выбирают из алюминиево-кремниевого сплава, алюминиево-магниевого или алюминиево-марганцевого сплава. Первоначально измельчают в шаровой мельнице легирующий компонент и пре-сплав. Эту смесь замешивают с чешуйчатым алюминием и углеродными нанотрубками также в шаровой мельнице. Размер металлических чешуек составляет от 5 до 500 мкм, диаметр нанотрубок меньше 50 нм, а соотношение длины к диаметру трубки больше 100. Из полученного порошка изготавливают заготовки для дальнейшей термической термообработки.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа изготовления алюминиевого композита, относится то, что углеродные нанотрубки недостаточно равномерно распределяются по объему алюминиевой матрицы, при этом нанотрубки частично разрушаются и аморфотизируются в процессе получения алюминиевого композита.

Технический результат - увеличение таких механических свойств как микротвердость, прочность при растяжении, сжатии и изгибе, что расширяет возможность использования материала в машиностроении и аэрокосмической отрасли.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе получения наноструктурного композиционного материла на основе алюминия, включающем обработку алюминиевого порошка и углеродных нанотрубок в аттриторе и термобарическую обработку, особенность заключается в том, что смесь порошка алюминия, содержащего 0,6 вес.% стеариновой кислоты и углеродные нанотрубки в количестве 1,5…1,9 вес.% обрабатывают 190 минут в аттриторе при частоте вращения 390 оборотов в минуту, прессуют заготовку при температуре 20°С и давлении 430 МПа и проводят горячее прессование при температуре 545°С и давлении 610 МПа.

Заявляемый способ получения наноструктурного композиционного материла на основе алюминия осуществляется следующим образом. На первом этапе выполняют дозирование компонентов исходной шихты: порошка алюминия, стеариновой кислоты, в количестве 0,6 вес.% и углеродных нанотрубок в количестве 1,5…1,9 вес.%. Далее производят обработку полученной смеси в течение 190 минут в аттриторе при частоте вращения 390 оборотов в минуту. На следующем этапе прессуют заготовку при температуре 20°С и давлении 430 МПа. На заключительном этапе проводят горячее прессование при температуре 545°С и давлении 610 МПа.

Об эффективности предлагаемого способа изготовления можно судить по следующим примерам.

Пример 1. На первом этапе произвели дозирование компонентов формовочной смеси: матричный алюминиевый порошок ПАД-1 (СТО22436138-006-2006) - 97,6% масс; одностенные углеродные нанотрубки TUBALL 01RW01 (ТУ 2166-001-91735575-2014) (ОУНТ) - 1,8% масс; стеариновая кислота (ГОСТ 6484-96) - 0,6% масс. Размер гранул алюминиевого порошка не превышал 30 мкм. Средний внешний диаметр ОУНТ не превышал значения 3 нм, полная удельной поверхность ОУНТ составляла не менее 300 м²/г. Кислоту стеариновую использовали в качестве поверхностно-активного реагента, регулирующего процесс. Далее производили обработку полученной шихты в аттриторе оригинальной конструкции в течение 190 мин. В процессе обработки частотой вращения варьировали в диапазоне 390 оборотов в минуту. Мелющие тела - шары из стали ШХ15 диаметром 10 мм. Массовое соотношение шаров и шихты - 55:1. Обработку производили в среде аргона марки «Ч». Далее производили компактирование композиционных гранул холодным прессованием при давлении 400 МПа и температуре 20°С в брикеты диаметром 39,2 мм и высотой 12,5 мм, с плотностью 2,25…2,3 г/см³. На заключительном этапе брикеты диаметром 39,2 мм подвергали горячему прессованию (горячей подпрессовке) при давлении 610 МПа и температуре 545°С с получением образцов с плотностью 2,60…2,64 г/см³. Произвели замер микротвердости и предела текучести у полученных образцов из композиционного материла и образцов, изготовленных из исходного матричного материала. Выявлено, что предложенный способ получения наноструктурного композиционного материала на основе алюминия обеспечивает изготовление образцов с микротвердостью, превышающей микротвердость образцов из исходного матричного материала не менее чем в 2,8 раза и с пределом текучести, превышающим предел текучести образцов из исходного матричного материала не менее чем в 3 раза. Произвели исследование структурных параметров, структурно-зависимых характеристик и фазового состава образцов из композиционного материала на рентгеновском дифрактометре ДРОН-3М. На дифрактограммах образцов отмечено отсутствие рефлексов карбида алюминия, что свидетельствует о сохранности нанотрубок (отсутствии или незначительной их аморфотизации при легировании в исследованном процессе механического легирования). При этом имеет место следующее: зафиксировано увеличение полуширины рентгеновской линии β₁₁₁ до 0,266 с соответствующим уменьшением размера нанокристаллитов D до 47,82 нм (по сравнению с образцами из исходного матричного материала).

Пример 2. Получение наноструктурного композиционного материала на основе алюминия, при концентрации углеродных нанотрубок, отличающейся от оптимальной, приведенной в примере 1. Произвели дозирование компонентов формовочной смеси: матричный алюминиевый порошок ПАД-1 (СТО22436138-006-2006) - 95,4% масс; одностенные углеродные нанотрубки TUBALL 01RW01 (ТУ 2166-001-91735575-2014) (ОУНТ) - 4% масс; стеариновая кислота (ГОСТ 6484-96) - 0,6% масс. Дальнейшие операции проводили аналогично примеру 1. В результате были получены образцы с микротвердостью, превышающей микротвердость образцов из исходного матричного материала не менее чем в 2,1 раза и с пределом текучести, превышающим предел текучести образцов из исходного матричного материала не менее чем в 2,2 раза.

Способ получения наноструктурного композиционного материла на основе алюминия, включающий обработку алюминиевого порошка и углеродных нанотрубок в аттриторе и термобарическую обработку, отличающийся тем, что смесь порошка алюминия, содержащего 0,6 вес.% стеариновой кислоты и углеродные нанотрубки в количестве 1,5-1,9 вес.%, обрабатывают 190 минут в аттриторе при частоте вращения 390 оборотов в минуту, прессуют заготовку при температуре 20°С и давлении 430 МПа и проводят горячее прессование при температуре 545°С и давлении 610 МПа.

Изобретение относится к области металлургии, в частности, к составам исходных порошковых материалов для процессов аддитивного производства, а именно для метода селективного лазерного плавления. Композиционный углеродсодержащий алюминиевый порошковый материал для аддитивных технологий включает алюмосодержащую матрицу в виде порошка при следующем соотношении компонентов в матрице, мас.%: кремний 10,0-11,5, магний 0,30-0,45, алюминий - остальное, и наноразмерную добавку в виде смеси углеродных волокон с диаметром 20-50 нм и длиной 300-500 нм и порошка сферичного оксида алюминия со средним размером частиц 5-10 нм, при следующем соотношении компонентов, мас.%: углеродные волокна 0,5-1,0, сферичный оксид алюминия 0,5-1,0, алюмосодержащая матрица - остальное, при этом медианный размер частиц порошка композиционного материала составляет 30-40 мкм.

Способ изготовления металломатричных композитных материалов // 2770398

Изобретение относится к металлургии, а именно к способу металломатричного композитного материала с улучшенными механическими свойствами и коррозионной стойкостью. Способ изготовления металломатричного композиционного материала включает следующие стадии: (a) расплавление металла или сплава металлов матрицы, (b) добавление к расплаву металла или сплава металлов матрицы из стадии (а) базальтовых волокон в пропорции от 1 мас.% до 10 мас.%, (c) перемешивание расплава металла или сплава металлов матрицы и базальтовых волокон из стадии (b) со скоростью от 400 об/мин до 1200 об/мин, в течение периода времени от 1 минуты до 60 минут, (d) обработка расплава металла или сплава металлов матрицы и базальтовых волокон из стадии (с) ультразвуком в течение от 1 минуты до 15 минут, с частотой от 10 кГц до 30 кГц, мощностью от 2 кВт до 5 кВт и амплитудой от 20 мкм до 50 мкм и (e) отливка расплава металла или сплава металлов матрицы и базальтовых волокон из стадии (d) при температуре от 200°С до 780°С, в форму, предварительно нагретую при температуре от 150°С до 500°С в течение периода времени от 1 часа до 2 часов.

Способ получения цилиндрических армированных элементов для изготовления деталей моноколеса газотурбинного двигателя // 2761530

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для изготовления деталей газотурбинного двигателя. Способ получения композитных цилиндрических заготовок для изготовления моноколеса газотурбинного двигателя включает аддитивное выращивание матричного компонента композитных заготовок в виде профилированных пластин из титанового сплава с толщиной стенки от 80 до 130 мкм, сварку выращенных профилированных пластин в непрерывную ленту, намотку ленты в кольцевую полость, выполненную во внутренней части цилиндрического корпуса заготовки, изготовленного из титанового сплава, одновременную укладку в профилированные пластины армирующего компонента в виде керновых волокон карбида кремния диаметром от 100 до 145 мкм с покрытием из пироуглерода и объемной долей в композитной заготовке 25-40%, при этом на начальной и завершающей стадии намотки керновое волокно механически фиксируют с передним и задним концом непрерывной ленты, последующее капсулирование полученной композитной цилиндрической заготовки, изостатическое прессование полученной капсулы и механическую обработку.

Композитный материал с алюминиевой матрицей и углеродным волокном и способ его получения. // 2759840

Группа изобретений относится к области химической промышленности и может быть использована при изготовлении композитных материалов с металлической матрицей и углеродным волокном. Способ получения композитного материала включает пропитку углеродного волокна с барьерным покрытием жидким алюминием или его сплавом.

Композиционный материал на основе алюминия или алюминиевого сплава и способ его получения // 2755353

Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению литого композиционного материала на основе алюминия или алюминиевого сплава, упрочненного дискретными волокнами Al2O3 наноразмерного диаметра, и может использоваться в различных областях техники в качестве конструкционного материала. Литой композиционный материал содержит матрицу из алюминия или алюминиевого сплава и упрочнитель, выполненный в виде конгломерата дискретных волокон оксида алюминия диаметром 10-20 нм и транспортных порошков меди размером 10-20 мкм, при этом суммарное содержание оксида алюминия и меди составляет 1 мас.%.

Способ получения углеграфитового композиционного материала // 2751866

Изобретение относится к области металлургии, а именно к созданию композиционных материалов пропиткой пористого каркаса, имеющих высокую электропроводность, антифрикционные свойства, стойкость в агрессивных средах. Способ получения углеграфитового композиционного материала включает вакуумную дегазацию пористой углеграфитовой заготовки в растворе электролита, нанесение на нее четырехслойного гальванического покрытия, содержащего медный, серебряный и никелевый слои, ее пропитку расплавом матричного сплава свинца под воздействием избыточного давления за счет термического расширения расплава при нагреве выше температуры ликвидус сплава свинца, при этом вакуумную дегазацию проводят в растворе никелевого электролита, содержащего 140 г/л сульфата никеля, 50 г/л сульфата натрия, 30 г/л сульфата магния, 20 г/л сухой борной кислоты, а гальваническое покрытие последовательно наносят из внутреннего никелевого, промежуточных цинкового и медного и наружного серебряного слоев.

Способ получения углеграфитового композиционного материала // 2751864

Изобретение относится к области металлургии, а именно к созданию композиционных материалов пропиткой пористого каркаса и может быть использовано для изготовления токосъемников, вставок пантографов, электрических щеток, уплотнителей и т.д. Способ получения углеграфитового композиционного материала включает вакуумную дегазацию пористой углеграфитовой заготовки в растворе электролита, нанесение на нее гальванического покрытия и пропитку пористой заготовки расплавом матричного сплава алюминия под воздействием избыточного давления за счет термического расширения расплава при нагреве выше температуры ликвидус сплава алюминия, при этом вакуумную дегазацию проводят в растворе никелевого электролита, содержащего 140 г/л сульфата никеля, 50 г/л сульфата натрия, 30 г/л сульфата магния, 20 г/л сухой борной кислоты, а гальваническое покрытие последовательно наносят, выполняют из внутреннего никелевого, промежуточных цинкового и медного и наружного серебряного слоев.

Способ получения углеграфитового композиционного материала // 2750075

Изобретение относится к области металлургии, а именно к созданию композиционных материалов пропиткой пористого каркаса, имеющих высокую электропроводность, антифрикционные свойства, стойкость в агрессивных средах. Cпособ получения углеграфитового композиционного материала включает вакуумную дегазацию пористой углеграфитовой заготовки в растворе медного электролита, нанесение на заготовку двухслойного гальванического покрытия, включающего внутренний медный слой, ее пропитку в камере пропитки расплавом матричного сплава сурьмы под воздействием избыточного давления за счет термического расширения расплава свинца в камере давления при нагреве на 100°С выше температуры ликвидус матричного сплава одновременно с расплавом свинца, при этом наружный слой гальванического покрытия, состоящего из 60 мас.% олова и 40 мас.% свинца, наносят электролизом из электролита, содержащего 35 г/л олова борфтористоводородного, 25 г/л свинца борфтористоводородного, 40 г/л кислоты борфтористоводородной, 25 мл/л кислоты борной, 3 г/л клея мездрового, 0,5 г/л гидрохинона.

Способ получения углеграфитового композиционного материала // 2750073

Изобретение относится к области металлургии, а именно к созданию композиционных материалов пропиткой пористого каркаса, имеющих высокую электропроводность, антифрикционные свойства, стойкость в агрессивных средах. Технический результат достигается в способе получения углеграфитового композиционного материала, включающем вакуумную дегазацию пористой углеграфитовой заготовки в растворе электролита, нанесение на пористую заготовку медьсодержащего гальванического покрытия, ее пропитку в камере пропитки расплавом матричного сплава сурьмы под воздействием избыточного давления за счет термического расширения расплава свинца в камере давления при нагреве на 100°С выше температуры ликвидус матричного сплава одновременно с расплавом свинца, при этом в качестве раствора электролита используют состав, содержащий 40 г/л сернокислой меди, 40 г/л сернокислого олова, 8 г/л фенола, 70 г/л серной кислоты, 0,0005 г/л тиомочевины, и наносят гальваническое покрытие, состоящее из 80% меди и 20% олова.

Способ получения углеграфитового композиционного материала // 2750072

Изобретение относится к области металлургии, а именно к созданию композиционных материалов пропиткой углеграфитового пористого каркаса, имеющих высокую электропроводность, антифрикционные свойства, стойкость в агрессивных средах. Cпособ получения углеграфитового композиционного материала включает вакуумную дегазацию пористой углеграфитовой заготовки в растворе электролита, содержащего 40 г/л сернокислой меди, 40 г/л сернокислого олова, 8 г/л фенола, 70 г/л серной кислоты, 0,0005 г/л тиомочевины, нанесение на пористую заготовку слоя гальванического покрытия, состоящего из 80% меди и 20% олова, размещение заготовки с покрытием в камере для пропитки, на 2/3 заполненной расплавом сплава свинца, пропитку под воздействием избыточного давления за счет теплового и термического расширения расплава при нагреве выше температуры ликвидус сплава свинца.

Композиционный углеродсодержащий алюминиевый порошковый материал для аддитивных технологий // 2771718