Способ получения композиционных наноструктурированных сплавов

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ СПЛАВОВ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт порошковой металлургии(72) Авторы Андрушевич Андрей Александрович Чурик Михаил Николаевич Казаневская Ирина Николаевна(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт порошковой металлургии(56) Изменения в материалах, возникающие в условиях импульсных нагрузок. Мн., 2000. - С. 106-109. Ушеренко С.М. Особенности взаимодействия потока микрочастиц с металлами и создание процесса объемного упрочнения инструментальных материалов Автореф. дис. - Мн., 1998. - С. 12-13, 18-21. Ноздрин В.Ф. и др. Порошковая металлургия. Вып. 14. 1990. - С. 107-112.703585, 1979.800235, 1981.02194151 , 1990. Ушеренко С.М. и др. ИФЖ. - 2004. Т.77. -3. - С. 147-151. Ушеренко С.М. и др. ИФЖ. - 2003. Т.76. -1. - С. 93-97.(57) Способ получения композиционного наноструктурированного алюминиево-кремниевого сплава, включающий расплавление алюминия, введение в расплав кремния, выдержку при температуре, выше температуры плавления алюминия, охлаждение, разливку расплава в формы, его кристаллизацию и импульсную взрывную обработку сплава, отличающийся тем, что импульсную взрывную обработку ведут высокоскоростным потоком частиц порошковой композиции, состоящей из частиц карбида кремния размером 10-50 мкм и наноуглеродных частиц размером 10-300 нм, при этом нагружение продуктами детонации составляет 1-5 ГПа, а цикличность обработки составляет 2-5 раз. Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано в получении композиционных материалов, в частности алюминиевых наноструктурированных сплавов для получения деталей с повышенными свойствами. Композиционные материалы должны иметь неоднородную гетерогенную структуру и достаточно дисперсные включения интерметаллидов и других нерастворяющихся частиц,которые равномерно распределяются в металлической матрице. 10433 1 2008.04.30 Известно, что состояние структуры композиционных сплавов оказывает существенное влияние на механические свойства деталей, изготовленных из них Портной К.И. и др. Структура и свойства композиционных материалов. - М. Машиностроение, 1979. - С. 5-12. Известен способ получения композиционных дисперсно-упрочненных алюминиевых сплавов, включающий дополнительно направленную кристаллизацию расплава Калиниченко А.С., Бергман П.В. Управление и направленное затвердевание и лазерная обработка,теория и практика. - Мн. Технопринт, 2001. - С. 25-42. Недостатками способа являются его длительность, повышенные энергетические затраты и необходимость наличия специального оборудования. Известен также способ получения композиционных сплавов на основе алюминия, включающий приготовление и плавку шихты, нагрев ее на 100-400 С выше температуры плавления, который необходим для более полного усвоения вводимых в расплав дисперсных частиц и замешивания в расплав тугоплавких частиц А.с. СССР 920075, МПК С 22 С 1/02, 1982. Наибольшее распространение нашли способы получения композиционных сплавов,включающие введение в расплав матричного металла дисперсных частиц легирующих элементов Панфилов А.В., Панфилов А.А. Технология получения, свойства и применение литых алюмоматричных композиционных материалов // Литье и металлургия. - 2002.4. - С. 56-59. Наиболее близким является способ получения композиционного алюминиево-кремниевого сплава, включающий расплавление алюминия, введение в расплав кремния, выдержку при температуре, выше температуры плавления алюминия, охлаждение, разливку расплава в формы, его кристаллизацию и импульсную взрывную обработку сплава Изменения в материалах, возникающие в условиях импульсных нагрузок. - Мн., 2000. - С. 106-109. Однако при этом образуются неоднородные кристаллы первичного кремния больших размеров, что не обеспечивает необходимых свойств сплава. Задачей изобретения является улучшение структуры и повышение качества дисперсно-упрочненных композиционных сплавов. Поставленная задача достигается тем, что в способе получения композиционного наноструктурированного алюминиево-кремниевого сплава, включающем расплавление алюминия, введение в расплав кремния, выдержку при температуре, выше температуры плавления алюминия, охлаждение, разливку расплава в формы, его кристаллизацию и импульсную взрывную обработку сплава, импульсную взрывную обработку ведут высокоскоростным потоком частиц порошковой композиции, состоящей из частиц карбида кремния размером 10-50 мкм и наноуглеродных частиц размером 10-300 нм, при этом нагружение продуктами детонации составляет 1-5 ГПа, а цикличность обработки - 2-5 раз. Способ получения, например, наноструктурированного алюминиево-кремниевого композиционного материала осуществляли следующим образом. В индукционной печи ИСТ-016 с графитовым тиглем выплавляли сплав состава алюминий - 12 кремния. Плавку вели в течение 0,8-1,0 часа при температуре 750-860 С. В расплав алюминия А 7, нагретого выше температуры плавления, вводили кристаллический кремний 1 в виде дробленных кусков. Осуществляли выдержку 0,15-0,30 часа, охлаждали при перемешивании до температуры заливки 730-760 С и разливали в стальную металлическую форму (кокиль) для получения цилиндрических образцов длиной 200 мм, диаметром 40 мм. Рабочие поверхности кокиля предварительно подогревали до 250-300 С и окрашивали меловой краской. Образцы подвергали однократной импульсной взрывной обработке зарядом взрывчатого вещества аммонита 6 ЖВ с различным ударным нагружением и цикличной обработке 2-5 раз Ушеренко С.М. Сверхглубокое проникание частиц в преграды и создание композиционных материалов. - Мн., 1998. - С. 10-15. Параметры получения композиционного алюминиевого сплава по известному и предлагаемому способам приведены в табл. 1. 2 10433 1 2008.04.30 Таблица 1 Параметры получения композиционных наноструктурированных сплавов Импульсная обСредний Темпе- Время ТемпеЦикработка давлениразмер Наличие ратура вы- ратура лич ем, ГПа, рабочее включе- канальнагре- держ- заливность,веществоний крем- ных зон ва, С ки, ч ки, С раз наночастицы ния, мкм 1 Известный 800 0,3 750 30-50 2-860 0,3 760 10 один 15-60 имеются Пример 1. Получали сплав алюминий - 12 кремния в индукционной печи ИСТ-016 с нагревом расплава до 800 С. Разливали приготовленный расплав после выдержки и охлаждения до температуры заливки 730 С в стальной кокиль и получали цилиндрические образцы длиной 200 мм и 40 мм. Образцы подвергали импульсной взрывной обработке следующим образом. В плоское песчаное основание помещали обрабатываемый образец. На торце образца устанавливали линзу с порошком и вокруг равномерно распределяли заряд взрывчатого вещества (аммонит 6 ЖВ) массой 0,2 кг на одну обработку. В качестве порошковой композиции использовали порошок карбида кремния (наполнитель) 10-50 мкм с наноуглеродсодержащими частицами 10-300 нм. Инициирование осуществляли электродетонатором ЭД 8. При этом имели технологические параметры обработки скорость детонации взрывчатого вещества 2900 м/с, давление продуктов детонации на торце образца 1,0 ГПа. Приготовление естественного композиционного материала без применения импульсной взрывной обработки приводит к образованию игольчатых пластин эвтектического кремния и отдельных кристаллов первичного кремния близко к квадратной форме с размером 30-60 мкм. Взрывная обработка в режиме сверхглубокого проникания частиц - однократная или многократная (2-5 раз) - приводит к разрушению и дроблению кремния, что ведет к уменьшению их размеров и более равномерному распределению в алюминиевой основе сплава, а также образованию вокруг каналов аморфизированных зон с наноразмерами зерен. Обработка зарядами небольшой мощности (давление 0,5 ГПа,9, 10 в табл. 1) существенно не изменяет размеры включений по сравнению с размерами кристаллов кремния в сплаве, полученном известным способом, и не формирует наноструктурированные зоны. Использование заряда большей мощности не обеспечивает однородного измельчения кремния (давление 10 ГПа,11) и технически трудноосуществимо, приводя к разрушению материала. Изучение микроструктуры сплавов, полученных известным и предлагаемым способами,показало, что размеры частиц эвтектического кремния и кристаллов первичного кремния уменьшаются в среднем в 2-3 раза при использовании импульсной взрывной обработки с одновременным изменением их формы в результате дробления прямых игл до отдельных прямоугольных включений. Получали композиционный сплав с размерами включений кремния 10-30 мкм и наноструктурированными зонами вокруг канальных образований размерами 100-500 нм (табл. 1). Способ получения сплавов 10433 1 2008.04.30 Использование предлагаемого способа позволяет заметно повысить механические свойства сплава при минимальном расходе модификатора за счет более однородного распределения кристаллов кремния и уменьшения их размеров. Механические свойства алюминиево-кремниевого сплава, полученного известным и предлагаемым способами, приведены в табл. 2. Таблица 2 Свойства сплава АК 12 после импульсной обработки Механические свойства Способ получения Плотность,Предел прочности Твердость п/п композиционного сплава г/см 3 по Бринеллю,на растяжение, в,2 В, кг/мм МПа Известный способ 1 пер.800 С зл.750 С 270 74 2,676 2 пер.820 С зл.760 С 260 70 2,682 Предложенный способ пер.800 С зл.750 С 3 Р 1 ГПа, однократное 280 90 2,690 нагружение Р 3 ГПа, однократное 4 300 92 2,700 нагружение Р 5 ГПа, однократное 5 310 95 2,692 нагружение Р 1 ГПа, двухкратное 6 280 88 2,690 нагружение Р 1 ГПа, трехкратное 7 290 90 2,705 нагружение Р 1 ГПа, пятикратное 8 306 96 2,708 нагружение Р 0,5 ГПа, однократное 9 260 84 2,680 нагружение Р 10 ГПа, однократное 10 образец разрушился нагружение Пояснения к табл. 2 пер. - температура нагрева расплава в печи, С зал. - температура заливки расплава в кокиль, С (в 3-10 пер.800 С зл.750 С) Р - давление продуктов детонации на материал, ГПа. Предлагаемый способ позволяет повысить качество литых заготовок благодаря более высокой дисперсности структуры сплава. Как видно из табл. 2 механические свойства сплава АК 12 возрастают при изготовлении по предлагаемому способу предел прочности на 10-15 , твердость по Бринеллю в 1,2-1,3 раза. Одновременно повышается плотность образцов, что увеличивает герметичность литья. Эффект измельчения структурных составляющих устойчиво сохраняется при всех температурах нагрева, ниже температуры рекристаллизационного отжига. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4