RU2539496C1

RU2539496C1 - Method for obtaining multilayer composite based on copper and aluminium using combined machining

Info

Publication number: RU2539496C1
Application number: RU2014100787/02A
Authority: RU
Inventors: Иван Александрович Дитенберг; Константин Игоревич Денисов; Александр Николаевич Тюменцев; Михаил Алексеевич Корчагин; Александр Вениаминович Корзников
Priority date: 2014-01-10
Filing date: 2014-01-10
Publication date: 2015-01-20

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: method for obtaining a multilayer composite based on copper and aluminium involves machining of a mixture of metal powders in a ball mill in inert atmosphere and further compaction by twisting at quasi-hydrostatic pressure on Bridgman anvils. As initial materials, a mixture of copper and aluminium powders with purity of at least 98% and fraction of aluminium of 5 to 50 wt % is used; processing of the powders is performed in a planetary ball mill at acceleration of balls of 100 to 600 m/s² with duration of 0.5 to 10 minutes. Compaction is performed at the temperature of 10 to 100°C and pressure of 2 to 10 GPa and relative turn of anvils at twisting till shear deformation γ≥100 is achieved.

EFFECT: material is characterised by increased area of inter-phase boundaries, which increases its hardness.

3 dwg, 1 ex

Description

Изобретение относится к области материаловедения и может быть использовано в технологических циклах получения многослойных композитов на основе системы Cu-Al, а также прекурсоров для синтеза наноструктурных интерметаллических соединений данной системы. Известен способ получения многослойных нанокомпозитных материалов путем многократной пакетной прокатки (Карпов М.И., Внуков В.И., Волков К.Г. и др. Возможности метода вакуумной прокатки как способа получения многослойных композитов с нанометрическими толщинами слоев // Материаловедение. 2004. №1. С.48-53). На начальном этапе каждого цикла собирается многослойный пакет, который сначала подвергается прокатке на вакуумном прокатном стане с предварительным нагревом, а затем прокатывается при комнатной температуре до ленты тонкого сечения. В первом цикле пакеты собираются из чередующихся фольг двух или более разнородных металлов и сплавов, а в каждом из последующих циклов уже из многослойных фольг, полученных после предыдущего цикла. Этот способ позволяет получать композиты с минимальной толщиной слоев около 10 нанометров. Недостатком данного способа является технологическая сложность процесса обработки, требующего нагрева материала, чистоты поверхности образцов и вакуума.The invention relates to the field of materials science and can be used in technological cycles for producing multilayer composites based on the Cu-Al system, as well as precursors for the synthesis of nanostructured intermetallic compounds of this system. A known method for producing multilayer nanocomposite materials by multiple batch rolling (Karpov M.I., Vnukov V.I., Volkov K.G. et al. Possibilities of the vacuum rolling method as a method for producing multilayer composites with nanometric layer thicknesses // Materials Science. 2004. No. 1. S. 48-53). At the initial stage of each cycle, a multilayer package is assembled, which is first subjected to rolling in a vacuum rolling mill with preliminary heating, and then rolled at room temperature to a thin section tape. In the first cycle, packages are assembled from alternating foils of two or more dissimilar metals and alloys, and in each of the subsequent cycles from multilayer foils obtained after the previous cycle. This method allows to obtain composites with a minimum layer thickness of about 10 nanometers. The disadvantage of this method is the technological complexity of the processing process, requiring heating of the material, the surface cleanliness of the samples and vacuum.

Известен способ получения многослойных покрытий методом осаждения из газовой фазы (Wadley H.N.G., Hsiung L.M., Lankey R.L. Artificially layered nanocomposites fabricated by jet vapor deposition // Composites Engineering. 1995. Vol.5, №7. P.935-950), позволяющий получать толщину слоев Cu и Al на уровне нескольких десятков нанометров.A known method of producing multilayer coatings by gas vapor deposition (Wadley HNG, Hsiung LM, Lankey RL Artificially layered nanocomposites fabricated by jet vapor deposition // Composites Engineering. 1995. Vol.5, No. 7. P.935-950), which allows the thickness of the Cu and Al layers at the level of several tens of nanometers.

Недостатком данного способа являются низкая скорость нанесения покрытий.The disadvantage of this method is the low coating rate.

Наиболее близким по технической сущности решением, выбранным в качестве прототипа, является способ получения композита на основе системы Mg-Ni (Révész A., Kánya Zs., Verebélyi Т., Szabó P.J., Zhilyaev A.P., Spassov T. The effect of high-pressure torsion on the microstructure and hydrogen absorption kinetics of ball-milled Mg70Ni30 // Journal of Alloys and Compounds. 2010. Vol.504. №1. P.83-88). Этот способ включает механическую обработку смеси порошков Mg и Ni в шаровой мельнице и последующее компактирование методом кручения под давлением. При этом подобная комбинированная механическая обработка в целях получения многослойных композитных материалов на основе меди и алюминия ранее не использовалась.The closest technical solution, selected as a prototype, is a method of producing a composite based on the Mg-Ni system (Révész A., Kánya Zs., Verebélyi T., Szabó PJ, Zhilyaev AP, Spassov T. The effect of high-pressure torsion on the microstructure and hydrogen absorption kinetics of ball-milled Mg70 Ni30 // Journal of Alloys and Compounds. 2010. Vol.504. No. 1. P.83-88). This method involves machining a mixture of Mg and Ni powders in a ball mill and subsequent compacting by pressure torsion. Moreover, such combined machining in order to obtain multilayer composite materials based on copper and aluminum has not been previously used.

Задачей настоящего изобретения является разработка способа получения композита меди и алюминия разного состава со слоистой (ламинатной) структурой, характеризующейся наномасштабным размером зерен и слоев, повышенной твердостью и большой удельной площадью межфазных границ.The present invention is to develop a method for producing a composite of copper and aluminum of various compositions with a layered (laminate) structure, characterized by nanoscale grain and layer sizes, increased hardness and a large specific area of interfaces.

Поставленная задача решается посредством того, что заявленный способ включает механическую обработку смеси металлических порошков в шаровой мельнице в инертной атмосфере и последующее компактирование кручением под квазигидростатическим давлением (на наковальнях Бриджмена), но в отличие от прототипа в качестве исходных материалов используют смесь порошков меди и алюминия чистотой не менее 98% с долей алюминия от 5 до 50 мас.%, обработку порошков проводят в планетарной шаровой мельнице при ускорении шаров от 100 до 600 м/с²продолжительностью от 0,5 до 10 минут, компактирование осуществляют при температуре от 10 до 100°C, давлении от 2 до 10 ГПа и относительном повороте наковален при кручении до достижения сдвиговой деформации γ≥100.The problem is solved by the fact that the claimed method involves machining a mixture of metal powders in a ball mill in an inert atmosphere and subsequent compacting by torsion under quasi-hydrostatic pressure (on Bridgman anvils), but unlike the prototype, a mixture of copper and aluminum powders with a purity of not less than 98% with a share of aluminum from 5 to 50 wt.%, the processing of powders is carried out in a planetary ball mill with acceleration of balls from 100 to 600 m / s ² duration from 0.5 to 10 minutes, compaction is carried out at a temperature of from 10 to 100 ° C, a pressure of from 2 to 10 GPa and a relative rotation of the anvil during torsion to achieve shear strain γ≥100.

Предложенный способ осуществляется следующим образом.The proposed method is as follows.

На первом этапе проводится механическая обработка (активация) смеси порошков Cu и Al в шаровой мельнице. Загрузка и обработка порошков производятся в инертной атмосфере. Продолжительность механической активации, коэффициент загрузки, количество и размер мелющих тел выбираются в зависимости от характеристик шаровой мельницы. Для ограничения разогрева материала в процессе обработки мельница оснащается водяным охлаждением или обработка осуществляется с перерывами. В процессе механической активации в шаровой мельнице формируются композитные порошинки из меди и алюминия. В результате комплексной реализации процессов деформации, слипания и фрагментации происходит механическое перемешивание компонентов внутри порошинок, что сопровождается увеличением площади межфазных границ и уменьшением размеров фаз. Выбор параметров обработки ограничен, с одной стороны, необходимостью как можно более глубокого перемешивания компонентов композита. С другой стороны, механическая активация способна обеспечить активацию процессов синтеза интерметаллических фаз Al₄Cu₉, AlCu, Al₂Cu и др. на межфазных границах, интенсивность которых зависит как от общего разогрева материала и оснастки мельницы, так и от величины тепловой энергии, выделяющейся в локальной области при единичном акте столкновения. В связи с этим максимальная продолжительность обработки ограничена допустимыми пределами объемных долей этих интерметаллидов, а также загрязнения материала продуктами износа оснастки мельницы.At the first stage, mechanical processing (activation) of a mixture of powders of Cu and Al in a ball mill is carried out. Powders are loaded and processed in an inert atmosphere. The duration of mechanical activation, load factor, the number and size of grinding media are selected depending on the characteristics of the ball mill. To limit the heating of the material during processing, the mill is equipped with water cooling or processing is carried out intermittently. During mechanical activation, composite powders of copper and aluminum are formed in a ball mill. As a result of the complex implementation of the processes of deformation, adhesion and fragmentation, mechanical mixing of the components inside the powders occurs, which is accompanied by an increase in the area of interphase boundaries and a decrease in the size of the phases. The choice of processing parameters is limited, on the one hand, by the need to mix the components of the composite as deeply as possible. On the other hand, mechanical activation is capable of activating the synthesis of intermetallic phases Al ₄ Cu ₉ , AlCu, Al ₂ Cu, etc. at interphase boundaries, the intensity of which depends both on the total heating of the material and equipment of the mill, and on the amount of thermal energy released in the local area with a single act of collision. In this regard, the maximum processing time is limited by the permissible limits of the volume fractions of these intermetallic compounds, as well as contamination of the material by wear products of the mill equipment.

Компактирование полученных после механической активации прекурсоров проводится путем приложения высокого квазигидростатического давления. Для более полной консолидации (минимизации остаточной пористости) давление выбирается не ниже напряжения пластического течения обрабатываемого композита. В условиях приложенного давления производится деформация сдвигом, что приводит к формированию в материале анизотропной слоистой структуры, в поперечном сечении представленной чередующимися полосами меди и алюминия, преимущественно параллельными направлению действия сдвиговых напряжений. Ширина полос в направлении, параллельном оси кручения, зависит от предварительной механической активации и степени сдвиговой деформации. Возможно получение состояний, в которых более 50% объема материала занимают полосы с шириной менее 70 нм. При этом в предлагаемом способе степень деформации сдвигом не должна быть ниже γ=L/h, где L - средний размер однофазных областей в порошке после обработки в шаровой мельнице, h - требуемая средняя ширина слоев в данном участке образца. Сдвиговая деформация также способствует снижению остаточной пористости, что обеспечивает повышение механических (прочностных) характеристик композита. Следует отметить, что процесс компактирования и деформации может проводиться при комнатной температуре без внешнего нагрева или охлаждения образца.The precursors obtained after mechanical activation are compacted by applying high quasi-hydrostatic pressure. For a more complete consolidation (minimization of residual porosity), the pressure is chosen not lower than the plastic flow stress of the composite being processed. Under the conditions of the applied pressure, shear deformation is performed, which leads to the formation of an anisotropic layered structure in the material, in the cross section represented by alternating strips of copper and aluminum, mainly parallel to the direction of shear stresses. The width of the strips in the direction parallel to the torsion axis depends on the preliminary mechanical activation and the degree of shear deformation. It is possible to obtain states in which more than 50% of the volume of the material is occupied by bands with a width of less than 70 nm. Moreover, in the proposed method, the degree of shear deformation should not be lower than γ = L / h, where L is the average size of single-phase regions in the powder after processing in a ball mill, h is the required average layer width in this section of the sample. Shear deformation also helps to reduce residual porosity, which provides an increase in the mechanical (strength) characteristics of the composite. It should be noted that the compaction and deformation process can be carried out at room temperature without external heating or cooling of the sample.

Пример использования заявленного изобретения приведен ниже.An example of the use of the claimed invention is given below.

ПРИМЕРEXAMPLE

Использовались порошки Cu (чистота 99,5%) и Al (марки ПА-4, чистота не менее 98%). Смесь порошков 70 мас.% Cu и 30 мас.% Al была подвергнута механической активации в планетарной шаровой мельнице АГО-2 - продолжительностью 3 минуты. При обработке использовалась стальная оснастка, атмосфера Ar, центробежное ускорение шаров составляло 400 м/с². Как показано на рисунке 1 (морфология смеси Cu+Al после 30 секунд (а) и 3 минут (б) механической обработки в шаровой мельнице, растровая электронная микроскопия), после механической активации размер порошинок находится в диапазоне от субмикронных до 100-200 микрометров.Powders of Cu (purity 99.5%) and Al (grade PA-4, purity no less than 98%) were used. A mixture of powders of 70 wt.% Cu and 30 wt.% Al was subjected to mechanical activation in an AGO-2 planetary ball mill for a duration of 3 minutes. When processing, steel equipment was used, the atmosphere was Ar, the centrifugal acceleration of the balls was 400 m / s ² . As shown in Figure 1 (morphology of the Cu + Al mixture after 30 seconds (a) and 3 minutes (b) of the mechanical treatment in a ball mill, scanning electron microscopy), after mechanical activation, the size of the powders is in the range from submicron to 100-200 micrometers.

Компактирование и деформация механоактивированной смеси осуществлялось методом кручения под давлением 7 ГПа на наковальнях Бриджмена при температуре 20°C. Величина относительного поворота наковален составила 2 оборота. В результате были получены образцы в форме дисков диаметром 8 мм и толщиной 0,2 мм. Степень деформации рассчитывали по формуле γ=2×π×N×r/H, где N - число оборотов, r - расстояние от оси кручения, Н - толщина образца. Таким образом, на расстоянии 3 мм от оси кручения степень деформации составила γ≈188. На рисунке 2 приведены светлопольные изображения микроструктуры и соответствующая картина микродифракции, полученные в просвечивающем электронном микроскопе в сечении, перпендикулярном плоскости наковален на расстоянии 3 мм от оси кручения. В указанном сечении микроструктура представлена чередующимися полосами Cu и Al, а также полосами или частицами интерметаллических соединений (преимущественно Al₂Cu). Ширина полос, разделенных как межфазными, так и межзеренными границами, составляет, как правило, 10-100 нм (рис.3. Ширина полос в композите Cu+Al после консолидации). Согласно проведенным на основе полученных результатов оценкам удельная площадь межфазных границ в данном материале составляет порядка 3,5 м²/г, что свидетельствует о высокой реакционной способности композита. Микротвердость механокомпозита на этапе механической активации возрастает до 3 ГПа, а на этапе компактирования - до 4-5 ГПа.The mechanically activated mixture was compacted and deformed by torsion under a pressure of 7 GPa on Bridgman anvils at a temperature of 20 ° C. The value of the relative rotation of the anvils was 2 turns. As a result, samples were obtained in the form of disks with a diameter of 8 mm and a thickness of 0.2 mm. The degree of deformation was calculated by the formula γ = 2 × π × N × r / H, where N is the number of revolutions, r is the distance from the torsion axis, and N is the thickness of the sample. Thus, at a distance of 3 mm from the torsion axis, the degree of deformation was γ≈188. Figure 2 shows the bright-field images of the microstructure and the corresponding microdiffraction pattern obtained in a transmission electron microscope in a section perpendicular to the anvil plane at a distance of 3 mm from the torsion axis. In this section, the microstructure is represented by alternating bands of Cu and Al, as well as bands or particles of intermetallic compounds (mainly Al ₂ Cu). The width of the bands separated by both interphase and grain boundaries is, as a rule, 10-100 nm (Fig. 3. The width of the bands in the Cu + Al composite after consolidation). According to estimates made on the basis of the results obtained, the specific area of interphase boundaries in this material is about 3.5 m ² / g, which indicates a high reactivity of the composite. The microhardness of the mechanocomposite at the stage of mechanical activation increases to 3 GPa, and at the stage of compacting, to 4-5 GPa.

Важной особенностью структурных состояний, полученных настоящим способом, является фрагментация полос на зерна и субзерна с высокой плотностью дефектов кристаллического строения в их объеме и на межзеренных границах, что обеспечивает как дополнительные возможности повышения механических характеристик композита (деформационное упрочнение), так и изменение теплофизических свойств материала за счет аккумулированной энергии деформации.An important feature of the structural states obtained by the present method is the fragmentation of bands into grains and subgrains with a high density of defects in the crystal structure in their volume and at grain boundaries, which provides additional opportunities for increasing the mechanical characteristics of the composite (strain hardening) and changing the thermophysical properties of the material due to the accumulated strain energy.

К преимуществам изобретения следует отнести технологическую простоту обработки, отсутствие требования дополнительного нагрева материала в процессе обработки, малую продолжительность цикла обработки, формирование в материале наноструктурного состояния с шириной полос несколько десятков нанометров, увеличение реакционной способности компонентов композита в связи с увеличением площади межфазных границ, реализацию деформационного и дисперсного упрочнения материала.The advantages of the invention include technological simplicity of processing, the absence of the requirement for additional heating of the material during processing, the short duration of the processing cycle, the formation of a nanostructured state in the material with a band width of several tens of nanometers, an increase in the reactivity of composite components due to an increase in the area of interphase boundaries, and the implementation of deformation and dispersed hardening of the material.

Claims

A method of producing a multilayer composite based on copper and aluminum, including machining a mixture of metal powders in a ball mill in an inert atmosphere and subsequent compacting by torsion under quasi-hydrostatic pressure on Bridgman anvils, characterized in that a mixture of copper and aluminum powders with a purity of at least 98% with a share of aluminum from 5 to 50 wt.%, The processing of powders is carried out in a planetary ball mill with acceleration of balls from 100 to 600 m / s ² lasting from 0, 5 to 10 minutes, compaction is carried out at a temperature of from 10 to 100 ° C, a pressure of from 2 to 10 GPa and a relative rotation of the anvil during torsion to achieve shear strain γ≥100.