КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ ИЛИ АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ Российский патент 2021 года по МПК C22C49/06 C22C49/14 C22C101/04 C22C1/10 

Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению композиционного материала на основе алюминия или алюминиевого сплава, упрочненного дискретными волокнами Al₂O₃ диаметром нанодиапазона, который может быть использован в различных областях техники в качестве конструкционного материала, обладающего повышенной твердостью без увеличения плотности. К областям приоритетного применения относятся: космические системы, авиастроение, машиностроение, приборостроение, судостроение, железнодорожный и другой вид транспорта.

Известен способ изготовления порошкового композиционного материала, который содержит матрицу из алюминиевого или магниевого сплава, и 20-80 об.% упрочнителя, выполненного в виде армирующих нановолокон оксида алюминия, покрытых пленкой аморфного углерода (Патент РФ №2374355 от 27.11.2009). Недостатком предложенного изобретения является сложность технологии, необходимость применения специализированного оборудования, трудность изготовления образцов, опасность горения порошка и взрыва в процессе производства.

Известен также способ получения сплава на основе алюминия (патент РФ №2516679, от 20.05.2014), который получают механическим замешиванием дискретных керамических частиц углеродсодержащей боридной фазы C₂Al₃B₄₈ размером 1-2 мкм в расплав в количестве 0,1- 0,6% по массе. Предлагаемый способ механического замешивания практически трудно осуществить по причине агломерации частиц и потери жидкотекучести расплава, к тому же способ не обеспечивает равномерного распределения частиц в матрице и, следовательно, стабильного уровня свойств ЛКМ.

В качестве прототипа был выбран литой композиционный материал на основе алюминиевого сплава и способ его получения(Патент РФ №2353475 от 27.04.2009), заключающийся в смешивании в размольно-смесительном устройстве порошков матричного компонента из алюминиевого сплава Al+3%Mg и армирующих дискретных керамических частиц карбида кремния зернистостью 30-50 мкм в количестве 3-5 мас.% или 9-15 мас.%, брикетирование смеси под давлением 28-35 МПа, введение брикетов в расплав сплава Al+3%Mg, перемешивание расплава и разливка. Недостатком предложенного изобретения является большой размер наполнителя, неэффектифность изготовления композиционных материалов упрочненных наноразмерными наполнителями из-за проблемы введения наноразмерного армирующего фазы в расплав.

Задача, на решение которой направленно заявленное изобретение, заключается в разработке состава и способа производства литого композиционного материала на основе алюминия или алюминиевого сплава, упрочненного дискретными волокнами Al₂O₃ диаметром нанодиапазона.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что предлагаемый литой композиционный материал на основе алюминия или алюминиевого сплава наполнен дискретными волокнами Al₂O₃ диаметром нанодиапазона. В качестве эффективного компонента, который с одной стороны может выступать легирующим элементом для матричного материала, а с другой - элементом, обеспечивающим транспортные функции при введении нанаволокон предложено использовать медь. Транспортирующий порошок меди предварительно перетирается с наполнителем, образуя некоторый конгломерат.

Способ поясняется графическими материалами: фиг.1, фиг.2. На фиг.1 представлена схема получения композиционного материала на основе алюминия или алюминиевого сплава, упрочненного дискретными волокнами Al₂O₃ диаметром нанодиапазона. На фиг.2 показана схема получения конгломерата.

Предлагаемый способ получения литого композиционного материала состоит в перемешивании армирующих фаз, содержащих дискретные волокна оксида алюминия диаметром нанодиапазона (10-20 нм) и микронные порошки меди (10-20 мкм) с последующим механическим замешиванием конгломерата в матричный расплав.

Перемешивание армирующих фаз осуществляют в керамической ступке при комнатной температуре. Время перемешивания 30-40 минут со скоростью 60 об/минут. Полученный конгломерат вводят в матричный расплав, разогретый до 800±10°C, при условии постоянного перемешивания со скоростью 600 об/минут. В ходе исследований эмпирическим путем установлена оптимальная температура расплава, обеспечивающая должное усвоение наполняющего компонента. При 750-800°C расплав выдерживали в течение 10-15 мин для распределения наполнителя в объеме, затем перемешивали при контролируемом понижении температуры до 740-750°C и разливали. Последующая кристаллизация расплава проходила самопроизвольно.

По вышеизложенной технологии были изготовлены образцы для измерения физических и механических свойств. Характеристики испытуемых материалов приведены в табл. 1 и 2.

Таким образом, предлагаемый литой композиционный материал отличается от исходных матричных материалов лучшим комплексом свойств: повышением твердости на 41%, микротвердости на 22%. При сохранении плотности на уровне точности второго знака после запятой. Эффект упрочнения при введении нановолокон продемонстрирован в таблице 2 по уровню работы удара. Работа удара уменьшается на 53%.

Таблица 1 Материал Плотность
(г/см³) Твердость
(НВ) Микротвердость (HV0,1) Исходный матричный материал Al 2,6917 19,07±1,36 26,1±2,91 Исходный материал
Al + 1% Cu материал 2,6736 22.42±1,64 29,94 ±2,26 Al + 1% (наноAl₂O₃ +Cu)
композиционный материал 2,6739 26,87±1,54 31,86±3,16

Таблица 2 Материал Работа удара (Дж) Исходный матричный материал
Al 67,4±5,9 Исходный материал
Al + 1% Cu материал 22,5±2,2 Al + 1% (наноAl₂O₃ +Cu)
композиционный материал 31,3±1,1

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 литого композиционного материала включает смешивание дискретных волокон оксида алюминия диаметром 10-20 нм и порошков меди размером 10-20 мкм в течение 30-40 мин, введение полученных конгломератов в расплав алюминия или алюминиевого сплава при температуре 750-800 °С, перемешивание со скоростью 600 об/мин с выдержкой в течение 10-15 мин для протекания процессов распределения дискретных волокон по объему расплава, затем перемешивание при контролируемом понижении температуры до 740-750 °C и разливку в формы. Изобретение направлено на повышение твердости и микротвердости композиционного материала на основе алюминия или алюминиевого сплава при сохранении его плотности. 2 н.п. ф-лы, 2 ил., 2 табл.

1. Литой композиционный материал на основе алюминия или алюминиевого сплава, содержащий матрицу из 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.%.

2. Способ получения литого композиционного материала на основе алюминия или алюминиевого сплава, отличающийся тем, что он включает смешивание дискретных волокон оксида алюминия диаметром 10-20 мкм и порошков меди размером 10-20 мкм в течение 30-40 мин, введение полученных конгломератов в расплав алюминия или алюминиевого сплава при температуре 750-800 °С, перемешивание со скоростью 600 об/мин в течение 10-15 мин для протекания процессов распределения дискретных волокон по объему расплава алюминия или алюминиевого сплава, затем осуществляют перемешивание при контролируемом понижении температуры до 740-750 °С и разливку в формы для получения литых композиционных материалов.