RU2496902C1 - Aluminium-matrix composite material with boron-containing filler - Google Patents
Aluminium-matrix composite material with boron-containing filler Download PDFInfo
- Publication number
- RU2496902C1 RU2496902C1 RU2012137087/02A RU2012137087A RU2496902C1 RU 2496902 C1 RU2496902 C1 RU 2496902C1 RU 2012137087/02 A RU2012137087/02 A RU 2012137087/02A RU 2012137087 A RU2012137087 A RU 2012137087A RU 2496902 C1 RU2496902 C1 RU 2496902C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- boron
- composite material
- aluminum
- akm
- hardness
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Область техникиTechnical field
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.The present invention relates to the field of metallurgy, in particular to boron-containing aluminomatrix composite materials, which are required to absorb neutron radiation in combination with a low specific gravity.
Предшествующий уровень техникиState of the art
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].Alumomatrix composite materials (AKM) containing boron, in particular in the form of compound B 4 C, have a unique combination of physical and mechanical properties. Since boron has the ability to absorb neutron radiation well, they are widely used in nuclear energy [WK Barney, GA Shemel, WE Seymour, Nucl. Sci. Eng. 1 (1958) 439-448]. Despite the fact that boron-containing AKMs have been in operation for a long time, their use is associated with a number of problems, for example, susceptibility to corrosion and the problem of inhomogeneity of structure. A promising method for their production, which has a positive effect on the properties of the material used in radiation protective structures, is mechanical alloying [RM Mohanty, K. Balasubramanian, SK Seshadri, // Materials Science and Engineering - 2007. - V.A498. - P.42-52; M. Khakbiz, F. Ahlaghi, // 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.Known patent GB 2361934 A (publ. 01.03.2001), which describes AKM, based on an alloy of the Al-Mg-Mn system containing boron in an amount of 0.5-10 wt.% And having neutron-absorbing properties. Boron is introduced into aluminum in the form of a compound (boride) with a particle size of not more than 300 microns. In addition to aluminum and boron, AKM contains magnesium, manganese, silicon, and copper in an amount of 0-50 atomic%. A method of manufacturing an alloy is casting, followed by rolling or forging at a temperature of 250-600 ° C or extrusion at a temperature of 400-550 ° C. The disadvantage of this AKM is the presence of magnesium in the composition, which adversely affects the technological properties of the material, due to increased oxidation during processing.
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.Also known AKM, consisting of an aluminum matrix and boron-containing filler in an amount of 1.5-9 wt.% (US Pat. US 6602314 B1, publ. 05.08.03). As matrix alloys are proposed: technical aluminum (1xxx series), Al-Mn (3xxx series), Al-Mg-Si (6xxx series), Al-Zn-Mg (7xxx series), Al-Fe (with an iron content of 1 -10 wt.%), And boron carbide as a boron-containing filler. The sizes of the initial powders of the aluminum matrix 5-150 microns and boron carbide 1-60 microns. A method of manufacturing a composite material is sintering under pressure, with preliminary evacuation. The disadvantage of this AKM is that the proposed matrix alloys have a different combination of physicochemical properties, which determines a wide range of characteristics achieved in AKM.
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.Closest to the claimed invention is AKM, described in patent US 7177384 B2 (publ. 13.02.07). This AKM consists of an aluminum matrix and a boron-containing filler. An alloy of the 6xxx series based on the Al-Mg-Si system is proposed as a matrix. And as a boron-containing filler, boron carbide B 4 C or boron oxide B 2 O 3 is used , the amount of boron in the material varies from 1.5 to 9 wt.%. Also stipulated is the introduction of titanium powders in an amount of 0.2-4.0 wt.% And / or zirconium in an amount of 0.2-2.0 wt.% In the mixture before sintering. A method of manufacturing a composite material is sintering under pressure, with preliminary evacuation, at a temperature of 350-550 ° C and holding for 5-10 minutes. The disadvantage of this alloy is the limited heat resistance. This is due to the fact that alloys of the 6xxx series are greatly softened when heated above 200 ° C. In addition, the production of this AKM requires the use of primary materials in the form of a powder.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
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.The task to which the claimed invention is directed is to create an aluminomatrix composite material containing at least 4 wt.% Boron and having high heat resistance (to heat up to 350 ° C) with a sufficient level of mechanical properties and the possibility of its preparation based on secondary raw materials in the form shavings.
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:The problem is solved by creating a boron-containing aluminomatrix composite material based on an aluminum alloy containing copper, manganese, zirconium, iron, silicon and boron carbide (B 4 C), with a hardness of more than 2.7 GPa and characterized by a structure consisting of aluminum solid solution and uniformly the particles of phases B 4 C, Al 15 (Fe, Mn) 3 Si 2 , Al 20 Cu 2 Mn 3 and Al 3 Zr distributed in it, with the following quantity:
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 (σв) - не менее 450 МПа, предел текучести (σ0,2) - не менее 400 МПа, относительное удлинение (δ) - не менее 4%.The proposed AKM can be made in the form of deformed semi-finished products in which, after heating at 350 ° C for 10 hours, the following tensile properties are achieved: tensile strength (σ in ) - at least 450 MPa, yield strength (σ 0.2 ) - not less than 400 MPa, elongation (δ) - not less than 4%.
Технология получения АКМ включает следующие основные этапы:The technology for producing AKM includes the following main steps:
1) приготовление матричного расплава на основе алюминия;1) preparation of a matrix melt based on aluminum;
2) получение литой заготовки путем кристаллизации расплава;2) obtaining a cast billet by crystallization of the melt;
3) получение стружки путем обработки резанием литой заготовки;3) obtaining chips by machining cast billets;
4) измельчение стружки до размера чешуек не более 4 мм диаметром;4) grinding chips to the size of flakes no more than 4 mm in diameter;
5) получение композиционных гранул путем механического легирования измельченной стружки и порошка карбида бора;5) obtaining composite granules by mechanical alloying of crushed chips and boron carbide powder;
6) получение АКМ путем экструзии композиционных гранул.6) obtaining AKM by extrusion of composite granules.
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.The essence of the invention is to realize a structure with uniformly distributed particles of thermally stable phases. This structure allows you to provide the best combination of physico-mechanical properties and manufacturability.
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.The lower limit on boron carbide is chosen in order to achieve the necessary level of absorption of neutron radiation, and the upper limit is in order to provide the necessary level of manufacturability. Since in the process of mechanical alloying (ML) the B 4 C phase does not interact with the aluminum alloy, its amount is determined by the introduction of ML before the start of the process.
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.The Al 15 (Fe, Mn) 3 Si 2 phase is formed during the crystallization of the matrix aluminum alloy. Its amount is determined by the ratio of manganese, iron and silicon in this alloy. At further technological stages, only a change in the morphology of particles of this phase occurs.
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.The phases Al 20 Cu 2 Mn 3 and Al 3 Zr are formed in the form of secondary precipitates during the process of heating before extrusion. Their quantities are determined by both the composition of the aluminum alloy and the process parameters.
Примеры выполненияExecution examples
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.For experimental substantiation of the proposed invention, AKMs based on 5 aluminum alloys with different contents of copper, manganese, zirconium, iron and silicon were prepared. Alloys (in the form of flat ingots with dimensions of 15 × 60 × 180 mm) were prepared in an electric resistance furnace in graphite chamotte crucibles based on waste aluminum wire grade A5E and other branded aluminum alloys, as well as double alloys (Al-Mn and Al-Zr). Next, the chips obtained by turning the ingots were used.
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.To obtain AKM, we used: a) shavings of matrix alloys in the form of thin flakes with a width of not more than 4 mm and a thickness of 0.5 mm; b) boron carbide powder (B 4 C) with an average particle size of about 100 microns. The initial chips and powder were ground, and then loaded into a planetary mill to carry out the ML process. Next, the granules were compacted and then extruded on a press to obtain a preform with a diameter of 25 mm and a height of 10 mm. Sheet metal was also made from pressed blanks to determine the tensile mechanical properties.
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).Metallographic studies were performed using light (NEOPHOT 32) and electron (HITACHI TM1000) microscopy. The phase composition of the samples was determined using x-ray analysis (DRON-4.0-07) and local chemical analysis (JEOL JSM-6610LV with the local microanalysis system INCA).
Механические свойства (предел прочности (σв), предел текучести (σ0,2) 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.Mechanical properties (tensile strength (σ in ), yield strength (σ 0.2 ) and elongation (δ)) under uniaxial tension (according to GOST 1497-84) and Vickers hardness measurement (according to GOST 2999-75) were determined at room temperature on the Zwick Z250 universal testing machine and the Wilson Wolpert 930N universal hardness tester, respectively.
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).As can be seen from table 1, only the proposed AKM (No. 2-4) provides a high combination of hardness, heat resistance and manufacturability. In AKM containing particles of phases B 4 C, Al 15 (Fe, Mn) 3 Si 2 , Al 20 Cu 2 Mn 3 and Al 3 Zr below the stated limits (No. 1), the required level of hardness is not achieved. The presence of these phases above the declared limits (No. 5) leads to an unacceptable decrease in manufacturability (destruction during extrusion).
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 (σв) - 465 МПа, предел текучести (σ0,2) - 420 МПа, относительное удлинение (δ) - 4,2%.Using composition No. 2 as an example, the tensile properties of 2 mm of the sheet annealed at 350 ° C for 10 hours were determined. The results show that the following average uniaxial tensile properties are achieved in deformed semi-finished products: tensile strength (σ in ) - 465 MPa, yield strength (σ 0.2 ) - 420 MPa, elongation (δ) - 4.2%.
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012137087/02A RU2496902C1 (en) | 2012-08-31 | 2012-08-31 | Aluminium-matrix composite material with boron-containing filler |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012137087/02A RU2496902C1 (en) | 2012-08-31 | 2012-08-31 | Aluminium-matrix composite material with boron-containing filler |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2496902C1 true RU2496902C1 (en) | 2013-10-27 |
Family
ID=49446752
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2012137087/02A RU2496902C1 (en) | 2012-08-31 | 2012-08-31 | Aluminium-matrix composite material with boron-containing filler |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2496902C1 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2639088C1 (en) * | 2016-05-23 | 2017-12-19 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Composite material based on aluminium boron carbide-reinforced alloy and method of its production |
RU2697675C1 (en) * | 2019-01-25 | 2019-08-16 | Общество с ограниченной ответственностью "Сталь-Дон-Титан" | Alloy for absorption of thermal neutrons based on aluminum |
RU2809613C1 (en) * | 2022-11-30 | 2023-12-13 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Удмуртский федеральный исследовательский центр Уральского отделения Российской академии наук | Method for producing composite aluminium matrix materials containing chromium boride components using self-propagating high-temperature synthesis |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2159823C2 (en) * | 1995-03-31 | 2000-11-27 | Мерк Патент Гмбх | METALLIC COMPOSITE MATERIALS ON BASE OF ALUMINUM ALLOYS REINFORCED WITH CERAMIC PARTICLES TiB2 |
US6217632B1 (en) * | 1998-06-03 | 2001-04-17 | Joseph A. Megy | Molten aluminum treatment |
US7177384B2 (en) * | 1999-09-09 | 2007-02-13 | Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. | Aluminum composite material, manufacturing method therefor, and basket and cask using the same |
US20110266068A1 (en) * | 2010-04-28 | 2011-11-03 | Baker Hughes Incorporated | Earth-boring tools and methods of forming earth-boring tools |
-
2012
- 2012-08-31 RU RU2012137087/02A patent/RU2496902C1/en active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2159823C2 (en) * | 1995-03-31 | 2000-11-27 | Мерк Патент Гмбх | METALLIC COMPOSITE MATERIALS ON BASE OF ALUMINUM ALLOYS REINFORCED WITH CERAMIC PARTICLES TiB2 |
US6217632B1 (en) * | 1998-06-03 | 2001-04-17 | Joseph A. Megy | Molten aluminum treatment |
US7177384B2 (en) * | 1999-09-09 | 2007-02-13 | Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. | Aluminum composite material, manufacturing method therefor, and basket and cask using the same |
US20110266068A1 (en) * | 2010-04-28 | 2011-11-03 | Baker Hughes Incorporated | Earth-boring tools and methods of forming earth-boring tools |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2639088C1 (en) * | 2016-05-23 | 2017-12-19 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Composite material based on aluminium boron carbide-reinforced alloy and method of its production |
RU2697675C1 (en) * | 2019-01-25 | 2019-08-16 | Общество с ограниченной ответственностью "Сталь-Дон-Титан" | Alloy for absorption of thermal neutrons based on aluminum |
RU2809613C1 (en) * | 2022-11-30 | 2023-12-13 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Удмуртский федеральный исследовательский центр Уральского отделения Российской академии наук | Method for producing composite aluminium matrix materials containing chromium boride components using self-propagating high-temperature synthesis |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4461080B2 (en) | Aluminum powder alloy composite material for neutron absorption, method for manufacturing the same, and basket manufactured therewith | |
AU2014284083B2 (en) | Aluminum alloy composition with improved elevated temperature mechanical properties | |
US3902862A (en) | Nickel-base superalloy articles and method for producing the same | |
WO2004102586A1 (en) | Aluminum based neutron absorber and method for production thereof | |
WO2016077213A1 (en) | Radiation shielding composition and method of making the same | |
Shevtsova et al. | Spark plasma sintering of mechanically activated Ni and Al powders | |
US20130143070A1 (en) | Aluminium Material Which Can Be Exposed To High Temperatures, Is Alloyed With Scandium And Has Improved Extrudability | |
WO2018222065A1 (en) | High-strength aluminium-based alloy | |
RU2496902C1 (en) | Aluminium-matrix composite material with boron-containing filler | |
EP1956107B1 (en) | Aluminum powder alloy composite material for absorbing neutrons, process of production thereof and basket made thereof | |
RU2538789C1 (en) | Production of boron-bearing alumomatrix composite | |
CN1548572A (en) | Endogenous composite material of high-strength magnesium-base metallic glass | |
Jones et al. | Ballistic analysis of new military grade magnesium alloys for armor applications | |
RU2590429C1 (en) | Production of boron-bearing metal-matrix composite based on aluminium sheet | |
RU2722378C2 (en) | Composite materials with improved mechanical properties at high temperatures | |
RU2509818C1 (en) | Method of making composite material | |
Lesz et al. | Characterisation of Mg-Zn-Ca-Y powders manufactured by mechanical milling | |
US3150975A (en) | Method of making intermetallic compound-composition bodies | |
RU2484168C1 (en) | High-strength sparingly-alloyed aluminium-based alloy | |
JP3993344B2 (en) | Aluminum composite material with neutron absorption capability and method for producing the same | |
Shevtsova et al. | Spark plasma sintering of mechanically activated Ni and Al nanopowders | |
CN105603229B (en) | A kind of preparation method of anticorrosion aluminium | |
RU2419663C2 (en) | High-strength alloy on base of aluminium | |
JPH01168833A (en) | Boron-containing titanium alloy | |
JP3903301B2 (en) | Aluminum alloy powder for neutron absorbing material and neutron absorbing material |