RU2768800C1 - Способ получения алюмоматричных композиционных материалов - Google Patents

Способ получения алюмоматричных композиционных материалов Download PDF

Info

Publication number
RU2768800C1
RU2768800C1 RU2021124948A RU2021124948A RU2768800C1 RU 2768800 C1 RU2768800 C1 RU 2768800C1 RU 2021124948 A RU2021124948 A RU 2021124948A RU 2021124948 A RU2021124948 A RU 2021124948A RU 2768800 C1 RU2768800 C1 RU 2768800C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
aluminum
samples
melt
molded samples
boron
Prior art date
Application number
RU2021124948A
Other languages
English (en)
Inventor
Рафаил Абдрахманович Апакашев
Станислав Яковлевич Давыдов
Марк Леонтьевич Хазин
Василий Алексеевич Чуркин
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Уральский государственный горный университет»
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Уральский государственный горный университет» filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Уральский государственный горный университет»
Priority to RU2021124948A priority Critical patent/RU2768800C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2768800C1 publication Critical patent/RU2768800C1/ru

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/12—Both compacting and sintering
    • B22F3/16—Both compacting and sintering in successive or repeated steps
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F7/00—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression
    • B22F7/02—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression of composite layers
    • B22F7/04—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression of composite layers with one or more layers not made from powder, e.g. made from solid metal
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/04—Making non-ferrous alloys by powder metallurgy
    • C22C1/05—Mixtures of metal powder with non-metallic powder
    • C22C1/051—Making hard metals based on borides, carbides, nitrides, oxides or silicides; Preparation of the powder mixture used as the starting material therefor
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C21/00—Alloys based on aluminium

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Manufacture Of Alloys Or Alloy Compounds (AREA)

Abstract

Изобретение относится к порошковой металлургии и может быть использовано для получения алюмоматричных композиционных материалов. В способе осуществляют смешивание реакционной смеси из термореагирующих компонентов в виде порошков металлов, углерод-, или азот-, или бор-, или кремнийсодержащих соединений и матричного компонента. Полученную смесь формуют под давлением. Сформованные образцы обрабатывают составом для предотвращения соединения поверхности образцов с защитной средой. Затем помещают их в печь и нагревают в защитной среде, в качестве которой используют алюминиевый расплав. Время нахождения сформованных образцов в среде алюминиевого расплава должно быть достаточным для плавления матричного компонента в виде порошка алюминия, входящего в состав сформованных образцов. При этом осуществляют обработку поверхности сформованных образцов борсодержащим соединением, в качестве которого используют обезвоженный оксид бора, для предотвращения соединения поверхности образцов с расплавленным алюминием. Обеспечивается упрощение технологии и исключение затрат на специальное оборудование и оснастку. 4 ил.

Description

Изобретение относится к порошковой металлургии и может быть использовано для получения алюмоматричных композиционных материалов.
Известен способ получения алюмоматричного композитного материала, включающий смешивание порошков алюминия и борсодержащих материалов и формование полученной смеси под давлением (Патент РФ № 2616315. Способ получения алюмоматричного композитного материала. Заявлено 07.12.2015; опубл. 14.04.2017. Бюл. № 11).
Известен способ получения металломатричного композиционного материала, включающий приготовление смеси из порошков борсодержащего соединения и матричного компонента и обработку контактной поверхности составом, предотвращающим соединение порошковой смеси при уплотнении и высокотемпературной прокатке с внутренней поверхностью вмещающей стальной оболочки (Патент РФ № 2528926. Способ получения металломатричного композиционного материала. Заявлено 30.04.2013; опубл. 20.09.2014. Бюл. № 26).
Недостатком отмеченных твердофазных способов является негативное явление, связанное с формированием недостаточно прочной связи армирующих частиц с металлической матрицей, так как совмещение (объединение) исходных компонентов происходит в твердом состоянии.
Эффективным способом устранения отмеченного недостатка, а также улучшения технологичности процесса изготовления композитов, является осуществление синтеза армирующих компонентов непосредственно в процессе получения композиционного материала. В этом случае образование композита является результатом химических реакций, обеспечивающих образование in situ (по месту) интерметалидных, оксидных, нитридных или карбидных армирующих фаз. Для реализации данного варианта получения композиционных материалов перспективны жидкофазные процессы, так как в таких процессах химические реакции in situ обеспечивают формирование в металлической матрице равновесных армирующих фаз. Эти равновесные фазы в большинстве случаев термодинамически стабильны, не имеют загрязнений поверхности и характеризуются лучшими межфазными свойствами (смачиваемостью).
Наиболее близким по технической сути к заявляемому является способ получения металломатричного композиционного материала в виде многослойной износостойкой пластины, включающий смешивание реакционной смеси из термореагирующих компонентов в виде порошков металлов, углерод-, или азот-, или бор-, или кремнийсодержащих соединений и матричного компонента, формование полученной смеси под давлением и нагрев сформованных образцов в защитной среде (Патент РФ № 2680489. Способ изготовления многослойной износостойкой пластины. Заявлено 10.11.2017; опубл. 21.02.2019. Бюл. № 6). Заготовку нагревают до температуры не менее температуры начала самовоспламенения реакционной смеси для прохождения реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза и деформируют до получения многослойной износостойкой пластины. При горении реакционной смеси происходит переход матричных компонентов в жидкофазное состояние. Для снижения риска окисления продуктов реакции нагрев заготовки производится в вакууме или в защитной среде инертного газа.
Недостатком этого способа является возможность газонасыщения матричного расплава при его контакте с инертным газом, что может негативно влиять на химический состав и свойства получаемого композита. При этом факторами, существенно усложняющими технологический процесс получения металломатричного композиционного материала, являются обеспечение механического давления на заготовку в процессе нагрева, а также создание вакуума или среды инертного газа.
Техническим результатом предлагаемого способа получения алюмоматричных композиционных материалов является исключение затрат на специальное оборудование и оснастку для создания как механического давления на заготовку в процессе нагрева, так и создания вакуума или среды инертного газа.
Технический результат достигается тем, что в способе получения алюмоматричных композиционных материалов, включающем смешивание реакционной смеси из термореагирующих компонентов в виде порошков металлов, углерод-, или азот-, или бор-, или кремний содержащих соединений и матричного компонента, формование полученной смеси под давлением, обработку сформованных образцов составом для предотвращения соединения поверхности образцов с вмещающей оболочкой, помещение сформованных образцов в печь и нагрев сформованных образцов в защитной среде, нагрев сформованных образцов производят в среде алюминиевого расплава при температуре, обеспечивающей сохранение жидкофазного состояния алюминиевого расплава после помещения в него сформованных образцов в течение времени, достаточного для плавления порошка алюминия, входящего в состав сформованных образцов, а борсодержащее соединение дополнительно используют для обработки поверхности сформованных образцов, предотвращающей соединение данной поверхности с расплавленным алюминием.
Способ получения алюмоматричных композиционных материалов поясняется графическими материалами, где на фиг. 1 - фотографии исходных частиц порошков металлов: a - алюминий, b - магний, c - титан, d - цинк; на фиг. 2 - алюмоматричный композиционный материал, армированный цинком и магнием (Al/Zn (20,6 % масс.), Mg (14,6 %)): а - микрофотография поверхности композита; b - карта распределения алюминия; с - карта распределения магния; d - карта распределения цинка; на фиг. 3 - алюмоматричный композиционный материал, армированный оксидом никеля (II) (Al/NiO (16,8 %)). В качестве прекурсора NiO использовали NiCO3: а - микрофотография поверхности композита; b - карта распределения алюминия; с - карта распределения никеля; на фиг. 4 - дифрактограмма алюмоматричного композиционного материала, армированного оксидом вольфрама (VI) и титаном (Al/Ti,WO3). В качестве прекурсора WO3 использовали паравольфрамат аммония (NH4)10(H2W12O42)·4H2O.
Способ получения алюмоматричных композиционных материалов, включает смешивание реакционной смеси из термореагирующих компонентов. Термореагирующие компоненты представлены в виде порошков металлов, углерод-, или азот-, или бор-, или кремнийсодержащих соединений и матричного компонента. Порошок борсодержащего соединения дополнительно используют для обработки поверхности сформованных образцов.
Смесь подвергают формованию механическим давлением в пресс-форме. Формование полученной смеси производят при давлении до 1000 МПа. Формование заготовки может быть произведено при помощи гидравлического или механического прессов, кузнечного оборудования, а также вручную при помощи слесарного инструмента.
Для предотвращения соединения поверхности образцов с защитной средой проводят обработку сформованных образцов. В качестве состава для обработки поверхности образцов используют порошок обезвоженного оксида бора B2O3.
После обработки поверхности сформованные образцы помещают в расплавленный алюминий в печи, что позволяет предотвратить окисление синтезируемого алюмоматричного композиционного материала. Температура алюминиевого расплава должна обеспечивать сохранение его жидкофазного состояния после погружения в него сформованных образцов, а время их нахождения в расплаве должно быть достаточным для плавления порошка алюминия, входящего в состав сформованных образцов. Холодное прессование исходной порошковой шихты и применение расплавленного алюминия в качестве защитной среды, в которой происходит синтез композита, существенно упрощают технологический процесс получения алюмоматричных композиционных материалов. Упрощение достигается за счёт исключения технологических операций, связанных как с обеспечением механического давления на заготовку в процессе нагрева, так и с вакуумированием реакционного пространства или с его заполнением инертным газом.
Для практической реализации предлагаемого способа получения алюмоматричных композиционных материалов были использованы порошки различных металлов: первичного алюминия (марка А0), первичного магния (марка Мг90), первичного цинка (марка Ц0), технического титана (марка ВТ1-00).
Порошки металлов получали пилением монолитных образцов. На фиг. 1 представлены фотографии частиц порошков металлов. Фотографии получены с помощью цифрового металлографического микроскопа Альтами МЕТ 1Т. Характерная форма частиц металлов способствует более плотному формованию шихты под давлением.
Для синтеза композитов также использовали карбонат никеля NiCO3 в качестве прекурсора оксида никеля (II) и паравольфрамат аммония (NH4)10(H2W12O42)·4H2O, являющийся прекурсором металлического вольфрама и других его соединений.
Практическую апробацию способа получения алюмоматричных композиционных материалов проводили следующим образом.
Готовили смесь на основе порошка алюминия с добавками для формирования армирующей фазы. Компоненты смеси перетирали в агатовой ступке до однородного состояния. Суммарная масса компонентов смеси составляла величину около 10 г. Достижение однородности смеси контролировали визуально с помощью микроскопа. Формование смеси осуществляли на гидравлическом прессе в цилиндрической пресс-форме с внутренним диаметром 25 мм, прикладывая нагрузку в 150 кН.
Поверхность сформованных образцов обрабатывали, посыпая порошком обезвоженного оксида бора.
Сформованные образцы с обработанной поверхностью выдерживали в расплавленном алюминии при температуре 800 оС в течение 45 мин. Указанная температура обеспечивала сохранение жидкофазного состояния защитного алюминиевого расплава после погружения в него образцов. Опытным путем установлено, что при температуре 800 оС период времени в 45 мин. достаточен для плавления матричного металла в составе сформованных образцов, термической деструкции вещества – прекурсора дисперсного наполнителя матрицы и удаления газообразных веществ, образующихся при разложении прекурсора.
После высокотемпературной выдержки в печи сформованные образцы извлекали из расплава и охлаждали при комнатной температуре. После охлаждения отделяли от поверхности образцов остатки пленки защитного расплава.
В ходе практической апробации способа получения алюмоматричных композиционных материалов были синтезированы экспериментальные композиты различного состава. Выполненные эксперименты подтверждают возможности разработанного способа с точки зрения упрощения технологии получения качественных алюмоматричных композиционных материалов, армированных широким спектром функциональных частиц.
Так, на фиг. 2 представлены микрофотография структуры композита и карты распределения химических элементов для алюмоматричного композиционного материала, армированного цинком и магнием. Микрофотографии структуры и карты распределения химических элементов получали с помощью сканирующего электронного микроскопа SNE4500M. Содержание компонентов представлено в массовых процентах. Из рисунка видно, что композиционный материал имеет бездефектную монолитную структуру, характеризующуюся равномерным распределением входящих в его состав атомов алюминия, цинка и магния.
На фиг. 3 представлен полученный алюмоматричный композиционный материал, армированный оксидом никеля (II). В качестве прекурсора NiO использовали NiCO3. Данный рисунок также свидетельствует об образовании плотной структуры композиционного металлического материала с равномерным распределением входящих в его состав компонентов.
На фиг. 4 представлена дифрактограмма синтезированного алюмоматричного композиционного материала из исходной термореагирующей смеси, содержащей порошки алюминия, титана и паравольфрамата аммония. Фазовый состав полученного композита исследовали с помощью рентгеновского дифрактометра XRD 7000 (Shimadzu). Полученный металломатричный композит содержит 48,3 % Al3Ti и 20,6 % WO3. Результаты рентгенофазового анализа свидетельствуют о протекании в процессе синтеза композиционного материала высокотемпературных химических процессов, обеспечивающих образование in situ (по месту) функциональных интерметалидных и оксидных армирующих фаз.
Холодное прессование исходной порошковой смеси и применение расплавленного алюминия в качестве защитной среды, в которой происходит синтез композита, существенно упрощают технологический процесс получения алюмоматричных композиционных материалов. Температура алюминиевого расплава должна обеспечивать сохранение его жидкофазного состояния после погружения в него сформованных образцов, а время их нахождения в расплаве должно быть достаточным для плавления порошка алюминия, входящего в состав сформованных образцов.
Таким образом техническим результатом разработки является исключение затрат на специальное оборудование и оснастку для создания как механического давления на образец в процессе нагрева, так и создания вакуума или среды инертного газа.

Claims (1)

  1. Способ получения алюмоматричных композиционных материалов, включающий смешивание реакционной смеси из термореагирующих компонентов в виде порошков металлов, углерод-, или азот-, или бор-, или кремнийсодержащих соединений и матричного компонента в виде порошка алюминия, формование полученной смеси под давлением, помещение полученных сформованных образцов в печь и их нагрев в защитной среде, отличающийся тем, что осуществляют обработку сформованных образцов борсодержащим соединением, в качестве которого используют обезвоженный оксид бора, для предотвращения соединения поверхности образцов с защитной средой, при этом нагрев сформованных образцов в защитной среде, в качестве которой используют алюминиевый расплав, осуществляют при температуре, обеспечивающей сохранение жидкофазного состояния алюминиевого расплава после помещения в него сформованных образцов в течение времени, достаточного для плавления матричного компонента в виде порошка алюминия, входящего в состав сформованных образцов.
RU2021124948A 2021-08-24 2021-08-24 Способ получения алюмоматричных композиционных материалов RU2768800C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021124948A RU2768800C1 (ru) 2021-08-24 2021-08-24 Способ получения алюмоматричных композиционных материалов

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021124948A RU2768800C1 (ru) 2021-08-24 2021-08-24 Способ получения алюмоматричных композиционных материалов

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2768800C1 true RU2768800C1 (ru) 2022-03-24

Family

ID=80819518

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2021124948A RU2768800C1 (ru) 2021-08-24 2021-08-24 Способ получения алюмоматричных композиционных материалов

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2768800C1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2793662C1 (ru) * 2022-06-10 2023-04-04 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Удмуртский федеральный исследовательский центр Уральского отделения Российской академии наук Способ получения композиционных алюмоматричных материалов, содержащих борид титана, методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2080964C1 (ru) * 1988-11-10 1997-06-10 Ланксид Текнолоджи Компани, Л.П. Способ изготовления композиционного материала с металлической матрицей и композиционный материал, полученный этим способом
DE60104429D1 (de) * 2000-07-14 2004-08-26 3M Innovative Properties Co Verfahren zur herstellung von metallmatrixverbundwerkstoffen
DE102011120988A1 (de) * 2011-12-13 2013-06-13 Daimler Ag Flächiges Halbzeug aus einer Aluminiummatrixverbundlegierung mit Borcarbid-Partikeln zur Herstellung einer mit Borcarbid-Partikeln angereicherten Platte und Herstellungsverfahren
RU2679020C2 (ru) * 2017-06-09 2019-02-05 Александр Викторович Калмыков Нейтронно-поглощающий алюмоматричный композитный материал, содержащий гадолиний, и способ его получения
RU2680489C1 (ru) * 2017-11-10 2019-02-21 Общество с ограниченной ответственностью "СОЛИД ФЛЭЙМ" Способ изготовления многослойной износостойкой пластины

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2080964C1 (ru) * 1988-11-10 1997-06-10 Ланксид Текнолоджи Компани, Л.П. Способ изготовления композиционного материала с металлической матрицей и композиционный материал, полученный этим способом
DE60104429D1 (de) * 2000-07-14 2004-08-26 3M Innovative Properties Co Verfahren zur herstellung von metallmatrixverbundwerkstoffen
DE102011120988A1 (de) * 2011-12-13 2013-06-13 Daimler Ag Flächiges Halbzeug aus einer Aluminiummatrixverbundlegierung mit Borcarbid-Partikeln zur Herstellung einer mit Borcarbid-Partikeln angereicherten Platte und Herstellungsverfahren
RU2679020C2 (ru) * 2017-06-09 2019-02-05 Александр Викторович Калмыков Нейтронно-поглощающий алюмоматричный композитный материал, содержащий гадолиний, и способ его получения
RU2680489C1 (ru) * 2017-11-10 2019-02-21 Общество с ограниченной ответственностью "СОЛИД ФЛЭЙМ" Способ изготовления многослойной износостойкой пластины

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2793662C1 (ru) * 2022-06-10 2023-04-04 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Удмуртский федеральный исследовательский центр Уральского отделения Российской академии наук Способ получения композиционных алюмоматричных материалов, содержащих борид титана, методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Gilman et al. The structure and properties of aluminum alloys produced by mechanical alloying: Powder processing and resultant powder structures
DE69907346T2 (de) Kompositwerkstoff auf Siliciumcarbidbasis und Herstellungsverfahren dafür
Zhang et al. In situ formation of low interstitials Ti-TiC composites by gas-solid reaction
Horie et al. Synthesis of nickel aluminides under high-pressure shock loading
KR20170047016A (ko) 알루미늄 및 알루미늄 합금의 분말성형방법
Sina et al. Studies on the formation of aluminides in heated Nb–Al powder mixtures
Sujith et al. An investigation into fabrication and characterization of direct reaction synthesized Al-7079-TiC in situ metal matrix composites
Gupta et al. Influence of processing parameters on corrosion behavior of metal matrix nanocomposites
US9138806B2 (en) In-situ combustion synthesis of titanium carbide (TiC) reinforced aluminum matrix composite
Collet et al. Oxide reduction effects in SPS processing of Cu atomized powder containing oxide inclusions
RU2768800C1 (ru) Способ получения алюмоматричных композиционных материалов
US5015440A (en) Refractory aluminides
Dyzia et al. Aluminium matrix composites reinforced with AlN particles formed by in situ reaction
Povarova et al. NiAl powder alloys: I. Production of NiAl powders
Lazarev et al. structure and phase formation of a Ti–Al–Si based alloy prepared by self-propagating high-temperature synthesis compaction
Bodrova et al. Interaction of niobium and tungsten monocarbides in molten copper
RU2032496C1 (ru) Способ получения алюминидов переходных металлов
Sengupta et al. Processing, microstructure and mechanical properties of in-situ Al-TiB2 metal matrix composites
Kobashi et al. Synthesis of AlN/Al alloy composites by in situ reaction between Mg3N2 and aluminum
RU2750784C1 (ru) Способ получения порошкового композиционного материала
Yamazaki et al. Mechanical alloying of Mg-Al alloy with addition of metal silicides
Yang et al. Solid-state hot pressing of elemental aluminum and titanium powders to form TiAl (γ+ α 2) intermetallic microstructure
Kuzina Obtaining nanopowder pseudo-ligatures Cu–(SiC+ Si 3 N 4) for modification and reinforcement of aluminum alloys
RU2263089C1 (ru) Способ получения композиционного материала
Khalifa et al. Fabrication and characterization of aluminium metal matrix composite reinforced with in-situ intermetallic compounds via stir casting technique