АЛЮМОМАТРИЧНЫЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ С БОРСОДЕРЖАЩИМ НАПОЛНИТЕЛЕМ Российский патент 2013 года по МПК C22C21/08 

Область техники

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

Предшествующий уровень техники

Алюмоматричные композиционные материалы (АКМ), содержащие бор, в частности в виде соединения В₄С, обладают уникальным сочетанием физических и механических свойств. Поскольку бор имеет свойство хорошо поглощать нейтронное излучение, 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 боросодержащие АКМ достаточно давно эксплуатируются, их использование связанно с рядом проблем, например подверженность коррозии и проблема негомогенности структуры. Перспективным методом их производства, оказывающим положительное влияние на свойства материала, используемого в радиационно-защитных конструкциях, является механическое легирование [R.M. Mohanty, К. Balasubramanian, S.K. Seshadri, // Materials Science and Engineering - 2007. - V.A498. - P.42-52; M.Khakbiz, F.Akhlaghi, // Journal of Alloys and Compounds - 2009. - V.479 - P.334-341].

Известен патент GB 2361934 А (публ. 01.03.2001), в котором описывается АКМ, на основе сплава системы Al-Mg-Mn содержащий бор в количестве 0,5-10 масс.% и обладающий нейтронопоглощающими свойствами. Бор вводится в алюминий в форме соединения (борида) с размером частиц не более 300 мкм. Помимо алюминия и бора АКМ содержит магний, марганец, кремний, медь в количестве 0-50 атомных %. Способ изготовления сплава - литье с последующей прокаткой или ковкой при температуре 250-600°С или экструзией при температуре 400-550°С. Недостатком данного АКМ является наличие магния в составе, который отрицательно сказывается на технологических свойствах материала, из-за повышения окисляемости в процессе обработки.

Также известен АКМ, состоящий из алюминиевой матрицы и боросодержащего наполнителя в количестве 1,5-9 масс.% (пат. US 6602314 В1, публ. 05.08.03). В качестве матричных сплавов предложены: технический алюминий (1ххх серия), Al-Mn (3ххх серия), Al-Mg-Si (6ххх серия), Al-Zn-Mg (7ххх серия), Al-Fe (с содержанием железа от 1-10 масс.%), а в качестве боросодержащего наполнителя - карбид бора. Размеры исходных порошков алюминиевой матрицы 5-150 мкм и карбида бора 1-60 мкм. Способ производства композиционного материала - спекание под давлением, с предварительным вакуумированием. Недостатком данного АКМ является то, что предложенные матричные сплавы обладают разным сочетание физико-химических свойств, что определяет широкий разброс по характеристикам, достигаемым в АКМ.

Наиболее близким к заявленному изобретению является АКМ, описанный в патенте US 7177384 В2 (публ. 13.02.07). Этот АКМ состоит из алюминиевой матрицы и боросодержащего наполнителя. В качестве матричного предлагается сплав 6ххх серии на основе системы Al-Mg-Si. А в качестве боросодержащего наполнителя используется карбид бора В₄С или оксид бора В₂О₃, количество бора в материале колеблется от 1,5 до 9 масс.%. Также оговаривается введение порошков титана в количестве 0,2-4,0 масс.% и/или циркония в количестве 0,2-2,0 масс.% в шихту перед спеканием. Способ производства композиционного материала - спекание под давлением, с предварительным вакуумированием, при температуре 350-550°С и выдержкой 5-10 минут. Недостатком данного сплава является ограниченная термостойкость. Это связано с тем, что сплавы 6ххх серии сильно разупрочняются при нагреве свыше 200°С. Кроме того, производство данного АКМ требует использования первичных материалов в виде порошка.

Раскрытие изобретения

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание алюмоматричного композиционного материала, содержащего не менее 4 масс.% бора и обладающего повышенной термостойкостью (к нагревам до 350°С) при достаточном уровне механических свойств и возможности его приготовления на основе вторичного сырья в виде стружки.

Поставленная задача решается созданием борсодержащего алюмоматричного композиционного материала на основе алюминиевого сплава, содержащего медь, марганец, цирконий, железо, кремний и карбид бора (B₄C), обладающего твердостью более 2,7 ГПа и характеризующегося структурой, состоящей из алюминиевого твердого раствора и равномерно распределенными в нем частицами фаз В₄С, Al₁₅(Fe,Mn)₃Si₂, Al₂₀Cu₂Mn₃ и Al₃Zr при следующем их количестве:

Фаза Массовая доля, % В₄С 6-15 Al₁₅(Fe,Mn)₃Si₂ 2-6 Al₂₀Cu₂Mn₃ 2-6 Al₃Zr 0,4-0,8

Предложенный АКМ может быть выполнен в виде деформированных полуфабрикатов, в которых после нагрева при 350°С в течение 10 часов достигаются следующие свойства на растяжение: временное сопротивление (σ_в) - не менее 450 МПа, предел текучести (σ_0,2) - не менее 400 МПа, относительное удлинение (δ) - не менее 4%.

Технология получения АКМ включает следующие основные этапы:

1) приготовление матричного расплава на основе алюминия;

2) получение литой заготовки путем кристаллизации расплава;

3) получение стружки путем обработки резанием литой заготовки;

4) измельчение стружки до размера чешуек не более 4 мм диаметром;

5) получение композиционных гранул путем механического легирования измельченной стружки и порошка карбида бора;

6) получение АКМ путем экструзии композиционных гранул.

Сущность изобретения состоит в том, чтобы реализовать структуру с равномерно распределенными частицами термически стабильных фаз. Такая структура позволяет обеспечить наилучшее сочетание физико-механических свойств и технологичности.

Нижний предел по карбиду бора выбран с целью достижения необходимого уровня поглощения нейтронного излучения, а верхний- с целью обеспечения необходимого уровня технологичности. Поскольку в процессе механического легирования (МЛ) фаза В₄С не взаимодействует с алюминиевым сплавом, то ее количество определяется введением до начала процесса МЛ.

Фаза Al₁₅(Fe,Mn)₃Si₂ формируется в процессе кристаллизации матричного алюминиевого сплава. Ее количество определяется соотношением марганца, железа и кремния в данном сплаве. На дальнейших технологических этапах происходит только изменение морфологии частиц этой фазы.

Фазы Al₂₀Cu₂Mn₃ и Al₃Zr формируются в виде вторичных выделений в процессе технологических нагревов до начала экструзии. Их количества определяются как составом алюминиевого сплава, так и параметрами технологического процесса.

Примеры выполнения

Для экспериментального обоснования предложенного изобретения были приготовлены АКМ на основе 5 алюминиевых сплавов с разным содержанием меди, марганца, циркония, железа и кремния. Сплавы (в виде плоских слитков с размерами 15×60×180 мм) готовили в электрической печи сопротивления в графитошамотных тиглях на основе отходов алюминиевой катанки марки А5Е и других марочных алюминиевых сплавов, а также двойных лигатур (Al-Mn и Al-Zr). Далее использовали стружку, полученную при обточке слитков.

Для получения АКМ использовали: а) стружку матричных сплавов в виде тонких чешуек шириной не более 4 мм и толщиной 0,5 мм; б) порошок карбида бора (В₄С) со средним размером частиц около 100 мкм. Исходные стружку и порошок измельчали, а затем загружали в планетарную мельницу для проведения процесса МЛ. Далее гранулы подвергали компактированию и последующей экструзии на прессе, получая заготовку диаметром 25 мм и высотой 10 мм. Из прессованных заготовок также делали листовой прокат для определения механических свойств на растяжение.

Металлографические исследования проводили с помощью световой (NEOPHOT 32) и электронной (HITACHI ТМ1000) микроскопии. Фазовый состав образцов определялся при помощи рентгеновского анализа (ДРОН-4.0-07) и локального химического анализа (JEOL JSM-6610LV с системой локального микроанализа INCA).

Механические свойства (предел прочности (σ_в), предел текучести (σ_0,2) и относительное удлинение (δ)) при одноосном растяжении (по ГОСТ 1497-84) и измерение твердости по Виккерсу (по ГОСТ 2999-75) определяли при комнатной температуре на универсальной испытательной машине Zwick Z250 и универсальном твердомере Wilson Wolpert 930N соответственно.

Как видно из табл.1, только предложенный АКМ (№№2-4) обеспечивает высокое сочетание твердости, термостойкости и технологичности. В АКМ, содержащем частицы фаз В₄С, Al₁₅(Fe,Mn)₃Si₂, Al₂₀Cu₂Mn₃ и Al₃Zr ниже заявленных пределов (№1), не достигается требуемый уровень твердости. Наличие этих фаз выше заявленных пределов (№5) приводит к недопустимому снижению технологичности (разрушению в процессе экструзии).

Таблица 1 Структурные характеристики экспериментальных АКМ и значения твердости до и после нагрева № Массовая доля фазы, % Твердость, HV¹ ГПа В₄С Al₁₅(Fe,Mn)₃Si₂ Al₂₀Cu₂Mn₃ Al₃Zr HV₀ HV₃₅₀ ΔHV 1 3 (2,3)² 1 1 0,2 1,4 0,8 0,6 2 6 (4,7) 2 6 0,8 2,8 2,6 0,2 3 10 (7,8) 4 4 0,6 3,0 2,8 0,2 4 15 (11,7) 6 2 0,4 3,2 3,1 0,1 5 20 (15,7) 8 8 1,0 Разрушение заготовки при экструзии ¹ HV₀ - твердость в исходном состоянии; HV₃₅₀ - твердость после нагрева при 350°С в течение 10 часов; ΔHV - изменение твердости ² содержание бора в АКМ, мас.%

На примере композиции №2 определяли механические свойства на растяжения 2 мм листа, отожженного при температуре 350°С в течение 10 ч. Полученные результаты показывают, что в деформированных полуфабрикатах достигается следующий средний уровень свойств на одноосное растяжение: предел прочности (σ_в) - 465 МПа, предел текучести (σ_0,2) - 420 МПа, относительное удлинение (δ) - 4,2%.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к содержащим бор алюмоматричным композиционным материалам, и может быть использовано при получении изделий, к которым предъявляются требования низкого удельного веса в сочетании со специальными свойствами, в частности высокий уровень поглощения при нейтронном излучении. Композиционный материал содержит медь, марганец, цирконий, железо, кремний бор и имеет структуру, состоящую из алюминиевого твердого раствора и равномерно распределенных в нем фаз при следующем их соотношении в твердом растворе, в мас.%: 6-15 В₄С, 2-6 Al₁₅(Fe, Mn)₃Si₂, 2-6 Al₂₀Cu₂Mn₃, 0,4-0,8 Al₃Zr. Техническим результатом изобретения является повышение термостойкости материала к нагревам до 350°С при достаточном уровне механических свойств, составляющих: временное сопротивление (σ_в) - не менее 450 МПа, предел текучести (σ_0,2) - не менее 400 МПа, относительное удлинение (δ) - не менее 4%, твердость не менее 2,7 ГПа. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 5 пр.

1. Алюмоматричный композиционный материал на основе алюминиевого сплава, содержащего медь, марганец, цирконий, железо, кремний, бор, отличающийся тем, что он имеет твердость более 2,7 ГПа и характеризуется структурой, состоящей из алюминиевого твердого раствора и равномерно распределенных в нем частиц фаз B₄C, Al₁₅(Fe,Mn)₃Si₂, Al₂₀Cu₂Mn₃ и Al₃Zr при следующем их соотношении в твердом растворе, мас.%:
B₄C 6-15 Al₁₅(Fe,Mn)₃Si₂ 2-6 Al₂₀Cu₂Mn₃ 2-6 Al₃Zr 0,4-0,8

2. Алюмоматричный композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что он выполнен в виде деформированных полуфабрикатов, которые после нагрева при 350°С в течение 10 ч имеют временное сопротивление (σ_в) не менее 450 МПа, предел текучести (σ_0,2) не менее 400 МПа, относительное удлинение (δ) не менее 4%.