RU2780728C1 - Method for producing an aluminium-based nanostructural composite material - Google Patents

Method for producing an aluminium-based nanostructural composite material Download PDF

Info

Publication number
RU2780728C1
RU2780728C1 RU2021130233A RU2021130233A RU2780728C1 RU 2780728 C1 RU2780728 C1 RU 2780728C1 RU 2021130233 A RU2021130233 A RU 2021130233A RU 2021130233 A RU2021130233 A RU 2021130233A RU 2780728 C1 RU2780728 C1 RU 2780728C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
composite material
aluminum
carbon nanotubes
aluminium
mpa
Prior art date
Application number
RU2021130233A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Валерий Викторович Сапунов
Сергей Александрович Варламов
Original Assignee
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ульяновский государственный технический университет"
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ульяновский государственный технический университет" filed Critical федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ульяновский государственный технический университет"
Application granted granted Critical
Publication of RU2780728C1 publication Critical patent/RU2780728C1/en

Links

Abstract

FIELD: composite materials.
SUBSTANCE: invention relates to a method for producing a nanostructural composite material based on aluminium modified with carbon nanotubes and can be used in mechanical engineering and the aerospace industry. A mixture of aluminium powder containing 0.6 wt.% stearic acid and carbon nanotubes in an amount of 1.5 to 1.9 wt.% are processed for 190 minutes in an attritor at a rotation speed of 390 rpm. The resulting powder mixture is pressed into a workpiece at a temperature of 20°C and a pressure of 430 MPa, followed by hot pressing the resulting workpiece at a temperature of 545°C and a pressure of 610 MPa.
EFFECT: increase in the microhardness and strength of the aluminium-based composite material.
1 cl, 2 ex

Description

Изобретение относится к способу получения наноструктурного композиционного материала на основе алюминия, модифицированного углеродными нанотрубками, с улучшенными физико-механическими свойствами, который может использоваться в качестве конструкционного материала для машиностроения и авиакосмической отрасли.The invention relates to a method for producing a nanostructured composite material based on aluminum modified with carbon nanotubes with improved physical and mechanical properties, which can be used as a structural material for mechanical engineering and the aerospace industry.

Известен способ получения наноструктурного композиционного материала на основе алюминия (см. патент RU 2716930 опубл. 17.12.2019, С22С 1/05). Смесь стружки сплава алюминия, содержащего 6 вес.% магния, и порошка фуллерена С60 в количестве 0,1…0,5 вес.% подвергают обработке в планетарной шаровой мельнице в течение 45 мин при скорости вращения 1800 об/мин. Полученную порошковую смесь прессуют при 550 МПа в заготовку диаметром 50 мм и подвергают прямой горячей экструзии со степенью деформации 6,2 при давлении 1…1,5 ГПа и температуре 280°С.A known method for producing a nanostructured composite material based on aluminum (see patent RU 2716930 publ. 12/17/2019, C22C 1/05). A mixture of aluminum alloy shavings containing 6 wt.% magnesium and C60 fullerene powder in an amount of 0.1...0.5 wt.% is processed in a planetary ball mill for 45 min at a rotation speed of 1800 rpm. The resulting powder mixture is pressed at 550 MPa into a workpiece with a diameter of 50 mm and subjected to direct hot extrusion with a degree of deformation of 6.2 at a pressure of 1...1.5 GPa and a temperature of 280°C.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа получения наноструктурного композиционного материала на основе алюминия, относится то, что выбранный наполнитель в виде углеродного наноматериала не обеспечивает требуемого армирования алюминиевой матрицы.The reasons hindering the achievement of the technical result indicated below when using the known method for obtaining a nanostructured aluminum-based composite material include the fact that the selected filler in the form of a carbon nanomaterial does not provide the required reinforcement of the aluminum matrix.

Известен способ изготовления алюминиевого композита, армированного углеродными нанотрубками (см. патент CN 103789564 опубл. 14.05.2014, С22С 1/05), выбранный в качестве прототипа. В качестве элементов легирования выбраны медь, магний, цинк, марганец, кремний, титан или цирконий, предварительный сплав выбирают из алюминиево-кремниевого сплава, алюминиево-магниевого или алюминиево-марганцевого сплава. Первоначально измельчают в шаровой мельнице легирующий компонент и пре-сплав. Эту смесь замешивают с чешуйчатым алюминием и углеродными нанотрубками также в шаровой мельнице. Размер металлических чешуек составляет от 5 до 500 мкм, диаметр нанотрубок меньше 50 нм, а соотношение длины к диаметру трубки больше 100. Из полученного порошка изготавливают заготовки для дальнейшей термической термообработки.A known method of manufacturing an aluminum composite reinforced with carbon nanotubes (see patent CN 103789564 publ. 05/14/2014, C22C 1/05), selected as a prototype. Copper, magnesium, zinc, manganese, silicon, titanium or zirconium are selected as alloying elements, the preliminary alloy is selected from aluminum-silicon alloy, aluminum-magnesium or aluminum-manganese alloy. Initially, the alloying component and the pre-alloy are ground in a ball mill. This mixture is kneaded with flake aluminum and carbon nanotubes also in a ball mill. The size of metal flakes is from 5 to 500 microns, the diameter of nanotubes is less than 50 nm, and the ratio of the length to the diameter of the tube is more than 100. Preforms are made from the obtained powder for further heat treatment.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа изготовления алюминиевого композита, относится то, что углеродные нанотрубки недостаточно равномерно распределяются по объему алюминиевой матрицы, при этом нанотрубки частично разрушаются и аморфотизируются в процессе получения алюминиевого композита.The reasons hindering the achievement of the technical result indicated below when using the known method for manufacturing an aluminum composite include the fact that carbon nanotubes are not evenly distributed over the volume of the aluminum matrix, while the nanotubes are partially destroyed and amorphized in the process of obtaining an aluminum composite.

Технический результат - увеличение таких механических свойств как микротвердость, прочность при растяжении, сжатии и изгибе, что расширяет возможность использования материала в машиностроении и аэрокосмической отрасли.The technical result is an increase in such mechanical properties as microhardness, tensile strength, compression and bending, which expands the possibility of using the material in mechanical engineering and the aerospace industry.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе получения наноструктурного композиционного материла на основе алюминия, включающем обработку алюминиевого порошка и углеродных нанотрубок в аттриторе и термобарическую обработку, особенность заключается в том, что смесь порошка алюминия, содержащего 0,6 вес.% стеариновой кислоты и углеродные нанотрубки в количестве 1,5…1,9 вес.% обрабатывают 190 минут в аттриторе при частоте вращения 390 оборотов в минуту, прессуют заготовку при температуре 20°С и давлении 430 МПа и проводят горячее прессование при температуре 545°С и давлении 610 МПа.The specified technical result in the implementation of the invention is achieved by the fact that in the known method for obtaining a nanostructured composite material based on aluminum, including the processing of aluminum powder and carbon nanotubes in an attritor and thermobaric treatment, the peculiarity lies in the fact that a mixture of aluminum powder containing 0.6 wt. % stearic acid and carbon nanotubes in the amount of 1.5 ... 1.9 wt.% are processed for 190 minutes in an attritor at a rotation speed of 390 rpm, the workpiece is pressed at a temperature of 20 ° C and a pressure of 430 MPa and hot pressing is carried out at a temperature of 545 ° C and pressure 610 MPa.

Заявляемый способ получения наноструктурного композиционного материла на основе алюминия осуществляется следующим образом. На первом этапе выполняют дозирование компонентов исходной шихты: порошка алюминия, стеариновой кислоты, в количестве 0,6 вес.% и углеродных нанотрубок в количестве 1,5…1,9 вес.%. Далее производят обработку полученной смеси в течение 190 минут в аттриторе при частоте вращения 390 оборотов в минуту. На следующем этапе прессуют заготовку при температуре 20°С и давлении 430 МПа. На заключительном этапе проводят горячее прессование при температуре 545°С и давлении 610 МПа.The inventive method of obtaining a nanostructured composite material based on aluminum is carried out as follows. At the first stage, dosing of the components of the initial mixture is performed: aluminum powder, stearic acid, in the amount of 0.6 wt.% and carbon nanotubes in the amount of 1.5 ... 1.9 wt.%. Next, the resulting mixture is processed for 190 minutes in an attritor at a rotation speed of 390 rpm. At the next stage, the workpiece is pressed at a temperature of 20°C and a pressure of 430 MPa. At the final stage, hot pressing is carried out at a temperature of 545°C and a pressure of 610 MPa.

Об эффективности предлагаемого способа изготовления можно судить по следующим примерам.The effectiveness of the proposed manufacturing method can be judged from the following examples.

Пример 1. На первом этапе произвели дозирование компонентов формовочной смеси: матричный алюминиевый порошок ПАД-1 (СТО22436138-006-2006) - 97,6% масс; одностенные углеродные нанотрубки TUBALL 01RW01 (ТУ 2166-001-91735575-2014) (ОУНТ) - 1,8% масс; стеариновая кислота (ГОСТ 6484-96) - 0,6% масс. Размер гранул алюминиевого порошка не превышал 30 мкм. Средний внешний диаметр ОУНТ не превышал значения 3 нм, полная удельной поверхность ОУНТ составляла не менее 300 м2/г. Кислоту стеариновую использовали в качестве поверхностно-активного реагента, регулирующего процесс. Далее производили обработку полученной шихты в аттриторе оригинальной конструкции в течение 190 мин. В процессе обработки частотой вращения варьировали в диапазоне 390 оборотов в минуту. Мелющие тела - шары из стали ШХ15 диаметром 10 мм. Массовое соотношение шаров и шихты - 55:1. Обработку производили в среде аргона марки «Ч». Далее производили компактирование композиционных гранул холодным прессованием при давлении 400 МПа и температуре 20°С в брикеты диаметром 39,2 мм и высотой 12,5 мм, с плотностью 2,25…2,3 г/см3. На заключительном этапе брикеты диаметром 39,2 мм подвергали горячему прессованию (горячей подпрессовке) при давлении 610 МПа и температуре 545°С с получением образцов с плотностью 2,60…2,64 г/см3. Произвели замер микротвердости и предела текучести у полученных образцов из композиционного материла и образцов, изготовленных из исходного матричного материала. Выявлено, что предложенный способ получения наноструктурного композиционного материала на основе алюминия обеспечивает изготовление образцов с микротвердостью, превышающей микротвердость образцов из исходного матричного материала не менее чем в 2,8 раза и с пределом текучести, превышающим предел текучести образцов из исходного матричного материала не менее чем в 3 раза. Произвели исследование структурных параметров, структурно-зависимых характеристик и фазового состава образцов из композиционного материала на рентгеновском дифрактометре ДРОН-3М. На дифрактограммах образцов отмечено отсутствие рефлексов карбида алюминия, что свидетельствует о сохранности нанотрубок (отсутствии или незначительной их аморфотизации при легировании в исследованном процессе механического легирования). При этом имеет место следующее: зафиксировано увеличение полуширины рентгеновской линии β111 до 0,266 с соответствующим уменьшением размера нанокристаллитов D до 47,82 нм (по сравнению с образцами из исходного матричного материала).Example 1. At the first stage, the components of the molding sand were dosed: matrix aluminum powder PAD-1 (STO22436138-006-2006) - 97.6% of the mass; single-walled carbon nanotubes TUBALL 01RW01 (TU 2166-001-91735575-2014) (SWNT) - 1.8% of the mass; stearic acid (GOST 6484-96) - 0.6% wt. The size of aluminum powder granules did not exceed 30 μm. The average outer diameter of SWCNTs did not exceed 3 nm, and the total specific surface area of SWCNTs was no less than 300 m2 /g. Stearic acid was used as a surface-active agent that regulates the process. Next, the mixture obtained was processed in an attritor of the original design for 190 min. During processing, the rotational speed was varied in the range of 390 rpm. The grinding bodies are balls made of ShKh15 steel with a diameter of 10 mm. Mass ratio of balls and charge - 55:1. The treatment was carried out in an environment of argon brand "Ch". Further, composite granules were compacted by cold pressing at a pressure of 400 MPa and a temperature of 20°C into briquettes with a diameter of 39.2 mm and a height of 12.5 mm, with a density of 2.25...2.3 g/cm 3 . At the final stage, briquettes with a diameter of 39.2 mm were subjected to hot pressing (hot prepressing) at a pressure of 610 MPa and a temperature of 545°C to obtain samples with a density of 2.60...2.64 g/cm 3 . The microhardness and yield strength of the obtained samples from the composite material and samples made from the original matrix material were measured. It was found that the proposed method for obtaining a nanostructured aluminum-based composite material provides for the manufacture of samples with microhardness exceeding the microhardness of samples from the original matrix material by at least 2.8 times and with a yield strength exceeding the yield strength of samples from the original matrix material by at least 3 times. The structural parameters, structure-dependent characteristics and phase composition of composite material samples were studied on a DRON-3M X-ray diffractometer. The diffraction patterns of the samples show the absence of aluminum carbide reflections, which indicates the preservation of nanotubes (their absence or slight amorphization during alloying in the studied mechanical alloying process). In this case, the following takes place: an increase in the half-width of the X-ray line β 111 to 0.266 was recorded with a corresponding decrease in the size of nanocrystals D to 47.82 nm (compared to samples from the initial matrix material).

Пример 2. Получение наноструктурного композиционного материала на основе алюминия, при концентрации углеродных нанотрубок, отличающейся от оптимальной, приведенной в примере 1. Произвели дозирование компонентов формовочной смеси: матричный алюминиевый порошок ПАД-1 (СТО22436138-006-2006) - 95,4% масс; одностенные углеродные нанотрубки TUBALL 01RW01 (ТУ 2166-001-91735575-2014) (ОУНТ) - 4% масс; стеариновая кислота (ГОСТ 6484-96) - 0,6% масс. Дальнейшие операции проводили аналогично примеру 1. В результате были получены образцы с микротвердостью, превышающей микротвердость образцов из исходного матричного материала не менее чем в 2,1 раза и с пределом текучести, превышающим предел текучести образцов из исходного матричного материала не менее чем в 2,2 раза.Example 2. Obtaining a nanostructured composite material based on aluminum, at a concentration of carbon nanotubes that differs from the optimal one given in example 1. The components of the molding sand were dosed: matrix aluminum powder PAD-1 (STO22436138-006-2006) - 95.4% of the mass ; single-walled carbon nanotubes TUBALL 01RW01 (TU 2166-001-91735575-2014) (SWNT) - 4% wt; stearic acid (GOST 6484-96) - 0.6% wt. Further operations were carried out analogously to example 1. As a result, samples were obtained with microhardness exceeding the microhardness of samples from the original matrix material by at least 2.1 times and with a yield strength exceeding the yield strength of samples from the original matrix material by at least 2.2 times.

Claims (1)

Способ получения наноструктурного композиционного материла на основе алюминия, включающий обработку алюминиевого порошка и углеродных нанотрубок в аттриторе и термобарическую обработку, отличающийся тем, что смесь порошка алюминия, содержащего 0,6 вес.% стеариновой кислоты и углеродные нанотрубки в количестве 1,5-1,9 вес.%, обрабатывают 190 минут в аттриторе при частоте вращения 390 оборотов в минуту, прессуют заготовку при температуре 20°С и давлении 430 МПа и проводят горячее прессование при температуре 545°С и давлении 610 МПа.A method for producing an aluminum-based nanostructured composite material, including processing of aluminum powder and carbon nanotubes in an attritor and thermobaric treatment, characterized in that a mixture of aluminum powder containing 0.6 wt.% stearic acid and carbon nanotubes in an amount of 1.5-1, 9 wt.%, treated for 190 minutes in an attritor at a rotation speed of 390 rpm, the workpiece is pressed at a temperature of 20°C and a pressure of 430 MPa and hot pressing is carried out at a temperature of 545°C and a pressure of 610 MPa.
RU2021130233A 2021-10-15 Method for producing an aluminium-based nanostructural composite material RU2780728C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2780728C1 true RU2780728C1 (en) 2022-09-29

Family

ID=

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2511154C1 (en) * 2012-12-14 2014-04-10 Мсд Текнолоджис Частная Компания С Ограниченной Ответственностью Method for obtaining composite material based on aluminium matrix
CN103924110A (en) * 2014-03-26 2014-07-16 南昌大学 Method for preparing nanometer reinforced aluminum-based composite material by use of aluminum-carbon nano-tube master alloy
CN103789564B (en) * 2014-01-23 2015-10-14 上海交通大学 A kind of method for preparing powder metallurgy of carbon nano tube reinforced aluminum alloy composite material
CN105734459A (en) * 2014-12-12 2016-07-06 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 Preparation method of carbon nanotube reinforced aluminum base composite material
CN105861961A (en) * 2016-04-12 2016-08-17 苏州赛福德备贸易有限公司 Carbon nanotube reinforced aluminum alloy and preparation method thereof

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2511154C1 (en) * 2012-12-14 2014-04-10 Мсд Текнолоджис Частная Компания С Ограниченной Ответственностью Method for obtaining composite material based on aluminium matrix
CN103789564B (en) * 2014-01-23 2015-10-14 上海交通大学 A kind of method for preparing powder metallurgy of carbon nano tube reinforced aluminum alloy composite material
CN103924110A (en) * 2014-03-26 2014-07-16 南昌大学 Method for preparing nanometer reinforced aluminum-based composite material by use of aluminum-carbon nano-tube master alloy
CN105734459A (en) * 2014-12-12 2016-07-06 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 Preparation method of carbon nanotube reinforced aluminum base composite material
CN105861961A (en) * 2016-04-12 2016-08-17 苏州赛福德备贸易有限公司 Carbon nanotube reinforced aluminum alloy and preparation method thereof

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Seyed Pourmand et al. Aluminum matrix composites reinforced with graphene: a review on production, microstructure, and properties
Munir et al. Improving the strengthening efficiency of carbon nanotubes in titanium metal matrix composites
Li et al. Improving graphene distribution and mechanical properties of GNP/Al composites by cold drawing
Choi et al. Reinforcing effects of carbon nanotubes in structural aluminum matrix nanocomposites
Bastwros et al. Effect of ball milling on graphene reinforced Al6061 composite fabricated by semi-solid sintering
US9410228B2 (en) Metal matrix composite, and preparation method thereof
RU2456361C1 (en) Metal-matrix composite
Sethuram et al. Characterization of graphene reinforced Al-Sn nanocomposite produced by mechanical alloying and vacuum hot pressing
Zheng et al. Preparation and properties of graphene nanoplatelets reinforced aluminum composites
Aborkin et al. Effect of ceramic coating on carbon nanotubes interaction with matrix material and mechanical properties of aluminum matrix nanocomposite
Evdokimov et al. Nanostructured composite materials based on Al–Mg alloy modified with fullerene C 60
Kuz’min et al. Preparation of aluminum–carbon nanotubes composite material by hot pressing
Akçamlı et al. Processing and characterization of graphene nano-platelet (GNP) reinforced aluminum matrix composites
Wang et al. Mechanical properties and friction behaviors of CNT/AlSi 10 Mg composites produced by spark plasma sintering
Radhamani et al. Structural, mechanical and corrosion properties of CNT-304 stainless steel nanocomposites
Suárez et al. Carbon Nanotube (CNT)-reinforced metal matrix bulk composites: Manufacturing and evaluation
Bastwros et al. Fabrication of graphene reinforced aluminum composite by semi-solid processing
Huot et al. Improvement of hydrogen storage properties of magnesium alloys by cold rolling and forging
RU2780728C1 (en) Method for producing an aluminium-based nanostructural composite material
Kumar et al. Effect of graphene addition on flexural properties of Al 6061 nanocomposites
RU2716930C1 (en) Method of producing aluminum-based nanostructure composite material
Larionova et al. Fullerene Soot-Reinforced Al-Based Composites and Their Densification Via Copper Addition
Dobrzański et al. Effect of carbon nanotubes content on morphology and properties of AlMg1SiCu matrix composite powders
Evdokimov et al. Nanostructured Strain-Hardened Aluminum–Magnesium Alloys Modified by C 60 Fullerene Obtained by Powder Metallurgy: Part 1. The Effect of the Magnesium Concentration on the Structure and Phase Composition of Powders
JP7362066B2 (en) Titanium parts and methods for manufacturing titanium parts