Спосіб одержання алюмоматричних композиційних матеріалів

Корисна модель стосується порошкової металургії, а саме – технології виготовлення металоматричних композиційних матеріалів (КМ) на основі алюмінію і може бути використана для одержання деталей конструкційного призначення в автомобіле-, ракетобудуванні, авіаційній техніці, тощо.

Відомий спосіб отримання литого композиційного матеріалу на основі алюмінієвих сплавів, що включає механічне замішування дискретних керамічних частинок зміцнюючої фази в алюмінієвий розплав, паремішування розплаву та його рідке штампування (Пат. РФ 2136774 від 10.09.1999 р., МПК⁷ С22С 1/10, С22С 21/00).

Недоліком відомого способу є неможливість рівномірного розподілу дисперсних частинок твердої фази в розплаві, що призводить до появи значної кількості осередків їх локальної конгламерації.

Відомий спосіб одержання алюмоматричних композиційних матеріалів, який включає підготовку суміші порошку матричного матеріалу та керамічних часток, механічне легування суміші, дегазацію у вакууму, брикетування заготовок та їх гарячу екструзію (Пат. РФ 2246379 від 20.02.2005 р., МПК⁷ В22F 3/22, С22С 1/05).

Недоліком відомого способу є, те що при механічному легуванні через високу спорідненість алюмінію до кисню відбувається його інтенсивне окислення, що призводить до формування окисної плівки між керамічними частками (карбіди титану, кремнію) та металевою зв’язкою. В той же час, відсутність рідкофазної складової при подальшій обробці пресовок з такого порошку обумовлює недостатній рівень адгезійної міцності між частинками твердої фази та матричної складової. Це призводить до суттєвого зниження механічних властивостей отриманого матеріалу.

Відомий спосіб одержання дисперсно-зміцнених композиційних матеріалів, що включає підготовку шихти шляхом змішування порошків алюмінію, титану та вуглецю, пресування заготовок та їх спікання (Пат. США 4710348; 01.01.1987 р., МПК⁷ С22С 1/00).

Недоліком відомого способу є понижена щільність спечених матеріалів, обумовлена як реалізацією екзотермічних ефектів при нагріві суміші відповідних порошків, що призводить до появи вторинної пористості в пресовках, так і відсутністю додаткової обробки тиском спечених пористих пресовок.

Найбільш близьким до заявленого технічного рішення є спосіб одержання алюмоматричних композиційних матеріалів, що включає операцію термічного синтезу лігатури з механічної суміші порошків алюмінію, титану та вуглецю, що складається з частинок карбіду титану, рівномірно розподілених в алюмінієвій матричній фазі, подрібнення отриманої губки, її введення в алюмінієвий розплав та лиття заготовок (Пат. США 4751048; 14.06.1988 р., МПК⁷ С22С 1/10).

Недоліком відомого способу є те, що відносно тривалий контакт часток карбіду титану з брикетів лігатури з алюмінієвим розплавом призводить до формування деякої кількості крихкої фази Al₄C₃, наявність якої окрихчує матеріал відливки та значно погіршує основні фізико-механічні та експлуатаційні властивості матеріалу. Крім того, наявність значної кількості часток Al₄C₃ підвищує в’язкість розплаву, ускладнює процес лиття та погіршує якість відливок (особливо при отриманні відливок складної форми та відливок з тонкими стінками) (Clyne T.W. Metal Matrix Composites: Matrices and Processing / T.W. Clyne // Materials Research. – 2001. – Vol. 9. - № 4. – P. 357-372.).

В основу корисної моделі «Спосіб одержання алюмоматричних композиційних матеріалів», який включає операції термічного синтезу лігатури з механічної суміші порошків алюмінію, титану та вуглецю, подрібнення та введення в матричний матеріал, поставлено задачу підвищення фізико-механічних характеристик композиту за рахунок того, що подрібнення лігатури проводять до отримання порошків з максимальним розміром частинок менше 5 мікрон, а введення отриманого порошку лігатури в матричний матеріал проводять шляхом його змішування з порошком алюмінію або сплаву на основі алюмінію; із отриманої суміші пресують заготовки, здійснюють їх нагрів в атмосфері захисного газу та проводять їх наступне гаряче штампування в штампі, що забезпечує в процесі штампування реалізацію деформацій зсуву матеріалу заготовки.

Суть корисної моделі полягає в том, що спосіб одержання алюмоматричних композиційних матеріалів включає операції термічного синтезу лігатури з механічної суміші порошків алюмінію, титану та вуглецю, її подрібнення та введення в матричний матеріал. Подрібнення лігатури проводять до отримання порошків з максимальним розміром частинок менше 5 мікрон. Введення отриманого порошку лігатури в матричний матеріал проводять шляхом його змішування з порошком алюмінію або сплаву на основі алюмінію. Здійснюється пресовка заготівок із отриманої суміші та їх подальший нагрів в атмосфері захисного газу. Наступне гаряче штампування реалізує деформацію зсуву в об’ємі матеріалу.

Спосіб здійснюється наступним чином. Порошки алюмінію, титану та вуглецю при стехіометричному співвідношенні мас титану та вуглецю (близько 80: 20) змішують та пресують у брикети під тиском 200¸ 500 МПа. Термічний синтез лігатур проводять шляхом нагріву та витримки при температурі 800¸ 1000 ⁰С у печі із захисним газовим середовищем. Після синтезу та охолодження брикети лігатури вміщують у розмельний пристрій (планетарний млин, атритор, вібромлин, тощо) разом з розмельними кулями, заливають захисною рідиною (ацетон, етиловий спирт, бензин та ін.), що забезпечує захист часток порошків від окислення та інтенсифікує процес розмолу, та проводять процес розмолу при режимах, що забезпечують оторимання порошків лігатури розміром до 5 мкм. Після розмолу проводять сушку порошку та наступне його змішування з порошком алюмінію. Максимальний розмір часток порошків лігатури обумовлений необхідністю забезпечення рівномірного розподілення останніх на поверхні часток порошку алюмінію або сплаву, середній розмір яких складає 20-60 мкм, в процесі змішування та подільшої обробки.

Вміст складу лігатури в суміші вибирають таким чином, щоб забезпечити загальний вміст в масі композиту карбіду титану, що виділився при синтезі лігатури, 3¸ 15 %.

Суміш порошків алюмінію та лігатури пресують під тиском 300¸ 500 МПа, нагрівають в середовищі захисного газу та піддають гарячому штампуванню для отримання (деталей) заготовок відповідної форми та розмірів. В процесі гарячого штампування необхідно забезпечити реалізацію деформації зсуву матеріалу заготовки для підвищення рівня міжчасткової міцносці та подрібнення структури матеріалу.

Гаряча обробка тиском дозволяє досягти високої щільності матеріалу композиту в поєднанні з дрібнозернистою структурою, що утворюється за рахунок використання відносно низької температури обробки у порівнянні з ливарною технологією, що використовується у способі-прототипі.

Для експериментального підтвердження заявленого технічного рішення був проведений термічний синтез лігатури з суміші порошків, які змішали в пропорції Al - 45 %, Ti - 44 %, C - 11 %), що забезпечує утворення після проведення синтезу близько 50¸ 55 % (мас.) зміцнюючої фази TiC. Для проведення синтезу із суміші порошків під тиском 500 МПа пресували брикети, які спікали в атмосфері аргону при 900 ⁰С. З використанням отриманої лігатури були виготовлені зразки алюмоматричних композитів відповідно до способу прототипу брикети лігатури подрібнювали та вводили (10, 15 та 20 % (мас.)) в розплав алюмінію при температурі останнього 800 ^оС. Розплав з карбідовмішуючою лігатурою перемішували протягом 10 хвилин та розливали в ливарні форми.

За технологією відповідно до заявляємого способу: брикети синтезованої лігатури подрібнювали на планетарному млині для отримання часток порошку < 5 мкм та додавали її до порошку алюмінію. Вміст лігатури в шихті складав (10, 15 та 20 % (мас.)). Отриману порошкову шихту змішували у барабанному змішувачі протягом 30 хв. в середовищі етилового спирту. Після змішування та сушки порошкової суміші останню піддавали холодному пресуванню на гідравлічному пресі під тиском 500 МПа. Спресовані заготовки нагрівали в середовищі аргону до 400 ⁰С та проводили гаряче штампування в закритому штампі на дугостаторному пресі. Відносна щільність заготовок після гарячого штампування складала 98, 5¸ 99, 5 %.

Після вказаної обробки із отриманих матеріалів виготовляли зразки для визначення їх основних механічних характеристик та проводили порівняльний аналіз отриманих результатів.

Результати випробувань наведені в таблиці.

Як показали приведені в таблиці результати, рівень основних механічних характеристик матеріалів, виготовлених з використанням заявленого способу, перевищує відповідні значення останніх для композитів, виготовлених за схемою-прототипом при однаковій кількості твердої фази внаслідок наявності значної кількості часток фази Al₄C₃. в матеріалі, отриманому з використанням способу прототипу, а також в результаті отримання більш дрібнозернистої структури при використанні заявленого способу.

Таблиця 1

Корисна модель відноситься до галузі порошкової металургії і може бути використана для виготовлення деталей конструкційного призначення для автомобілебування, авіаційної та космічної техніки, тощо.

Заявник: Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М.Францевича НАН України

Заступник директора Г.А. Баглюк