ВВЕДЕНИЕ 4
1 Свойства пеноалюминия и перспективы применения композиционных материалов пеноалюминий-титан 7
1.1 Свойства пеноалюминия и область применения 7
1.2 Производство пенометаллов 13
1.3 Перспективы производства композиционных материалов пеноалюминий-титан жидкофазными способами 16
2 Методика исследования процессов формирования слоистых композиционных материалов пеноалюминий-титан жидкофазными способами 21
2.1 Влияние гранулометрического состава солей на процесс пропитки 21
2.2 Методика исследования влияния гидравлических условий на процессы формирования композитов пеноалюминия-титан 27
2.3 Методика исследования тепловых режимов на процессы формирования композиционных материалов пеноалюминий-титан 30
2.4 Методика исследования влияния химического состава алюминиевого слоя на процессы формирования композита 36
2.5 Методика исследования процессов смачивания титана алюминиевыми расплавами 38
2.6 Методика исследования прочности сцепления слоев титана и алюминия 45
3 Исследования процессов формирования слоистых композиционных материалов пеноалюминий-титан 48
3.1 Исследования влияния гидравлических условий на процессы формирования 48
3.2 Результаты расчётов глубины пропитки при формировании композиционных материалов пеноалюминий-титан 56
3.2.1 Расчет проходного сечения каналов гранульной засыпки 56
3.2.2 Расчет высоты пропитки гранульной засыпки 62
3.3 Экспериментальные исследования тепловых условий формирования пористого слоя при литье композиционных материалов пеноалюминий-титан 66
3.3.1 Экспериментальные исследования влияния тепловых режимов на глубину пропитки пористого слоя 66
3.3.2 Экспериментальные исследования процессов охлаждения пористого слоя композиционного материала пеноалюминий-титан 69
4 Исследование процессов смачивания и растекания алюминия по титану при формировании слоистых композиционных материалов пеноалюминий-титан 81
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 87
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ 89
Малый удельный вес, низкий коэффициент теплопроводности, способность поглощать акустические и электромагнитные колебания, возможность деформироваться при постоянной нагрузке делают пеноалюминий перспективным материалом для применения в различных поглотителях механической, звуковой, электромагнитной энергии. Пеноалюминий применяется в строительстве, транспортном машиностроении, в авиационнокосмической промышленности [1-4].
Пеноалюминий впервые экспонировался на ВВЦ в 1999 году, награжден Золотой медалью. Защищен патентами и авторскими свидетельствами. Впервые использован в конструкции шумозащитных экранов на ряде участков МКАД и Каширского шоссе. Пеноалюминий является ячеистым материалом с закрытой и открытой пористостью, размер пор в зависимости от параметров технологии может изменяться от долей миллиметра до 20-30 и более мм. Плотность пеноалюминия регулируется в пределах от 1,5 до 0,3 и менее г/см3. Вспененный алюминий, сохраняя основные достоинства исходного металла - коррозионную стойкость, свариваемость, хорошую обрабатываемость, высокую удельную прочность - приобретает новые качества. Пеноалюминий хорошо окрашивается и склеивается, эффективно поглощает энергию удара, имеет высокий коэффициент звукопоглощения, пониженную теплопроводность, оригинальный внешний вид. Масса изделий из пеноалюминия не превышает массы изделий из пластмасс или дерева, при этом они не горючи, не токсичны, термо- и биостойки, не разрушаются при воздействии горюче-смазочных веществ, растворителей, ультрафиолета и радиации. При попадании в воду, пеноалюминий плавает, не набухая, при воздействии открытого огня, постепенно размягчается, если температура в зоне нагрева достигает 650 - 800°С.
Пеноалюминий чаще всего получают замешиванием в алюминиевый расплав газа (азота, аргона, воздуха, углекислого газа, водяного пара) или проформа (вещества, при нагреве разлагающего и выделяющего газовую составляющую) и формировании пористой структуры в процессе затвердевания алюминиевого расплава [1-4]. Недостатком указанных технологий является нестабильность получаемого материала по пористости и размеру пор, малая дисперсность пузырьков, большая трудоемкость и, соответственно, высокая стоимость продукции из пеноалюминия.
Альтернативой к данной технологии является формирование пористой структуры заливкой формы с водорастворимыми гранулами с последующей операцией выщелачивания гранул. Преимуществом данной технологии является возможность управления размером пор, а также достаточно высокая производительность [9-10].
Однако широкое применение пеноалюминия сдерживается его недостатками: низкой прочностью при растяжении и изгибе. Для повышения механических свойств было предложено использовать вместо пеноматериалов слоистую композиционную конструкцию пеноалюминий-сплошной металл. В качестве арматуры можно использовать титан и титановые сплавы, которые отличаются высокой прочностью при относительно невысокой плотности [7, 11-14].
При этом прочностные свойства композиционного материала будут определяться относительным объемом сплошного материала и ее механическими свойствами.
Для получения слоистого композиционного материала пеноалюминий- титан было предложено использовать совместную прокатку. Однако высокая стоимость процесса и ограничения по получаемой номенклатуре сдерживают применения данного способа. Авторами было предложено формировать пористую структуру и армировать титаном одновременно в металлической форме. При этом для формирования армированного пеноалюминия в литейную форму предварительно предложено устанавливать титановую арматуру (проволоку), а для формирования пористой структуру форма так же заполняется растворимыми гранулами. После затвердевания отливку выщелачивают, что обеспечивает формирование пористого слоя в композиционном материале.
Таким образом, целью работы является снижение себестоимости изготовления слоистых композиционных материалов пеноалюминий-титан, путем проведения исследований физико-химических процессов формирования слоистых композиционных материалов пеноалюминий-титан жидкофазной фильтрацией расплавов через водорастворимые соли и разработка технологии их производства.
1. Широкое применение пеноалюминия сдерживается его недостатками: низкой прочностью при растяжении и изгибе. Для повышения механических свойств было предложено использовать вместо пеноматериалов слоистую композиционную конструкцию пеноалюминий-сплошной металл. В качестве арматуры можно использовать титан и титановые сплавы, которые отличаются высокой прочностью при относительно невысокой плотности.
2. Для получения слоистого композиционного материала пеноалюминий-титан было предложено формировать пористую структуру и армировать титаном одновременно в металлической форме. При этом для формирования армированного пеноалюминия в литейную форму предварительно предложено устанавливать титановую арматуру (проволоку), а для формирования пористой структуру форма заполняется гранулами из водорастворимых солей. После затвердевания полученную отливку извлекают из формы и помещают в воду для растворения соли.
3. Разработаны расчетные и экспериментальные методы исследования тепловых и гидравлических условий формирования слоистых композиционных материалов пеноалюминий-титан. Разработана методика исследования процессов смачивания и растекания алюминия по титану.
4. Моделирование процессов формирования композиционных материалов пеноалюминий-титан позволили установить гидродинамические особенности заполнения формы с водорастворимыми гранулами жидким расплавом при верхней, нижней заливке и при заливке формы через вертикально-щелевую литниковую систему;
5. Нижняя литниковая система при формировании композиционных материалов, как показали моделирование и экспериментальные исследования процессов заливки формы с гранулами, позволяет плавно заполнять форму, создавая благоприятные условия для активации титановой арматуры и формирования адгезионной связи между алюминиевым и титановым слоем композита. Большие тепловые потери расплавленного металла и низкие скорости движения металла в форме с гранулами ограничивают толщину получаемого качественного пористого слоя и создают условия для недоливов и неспаев в пористом слое композита.
6. Верхняя литниковая система по сравнению с нижней, как показали моделирование и экспериментальные исследования процессов заливки формы с гранулами, позволяет заполнять форму с меньшими тепловыми потерями с большей скоростью заполнения, что создает предпосылки для увеличения толщины слоя пеноалюминия и повышения качества заполнения пористого слоя композита. При верхней заливки высокая вероятность размыва гранульной засыпки, а при низкой прочности гранул возможно их разрушение под давлением потока расплава. Экспериментальные исследования процессов заливки через верхнюю литниковую систему, показали, что поток расплава при формировании композиционных пеноматериалов будет двигаться вдоль стенки арматуры сверху вниз смывая активирующий флюс и уменьшая вероятность образования адгезионной связи между титаном и пеноалюминием.
7. Применение вертикально-щелевой литниковой системы обеспечивает более спокойное заполнение гранульной засыпки по сравнению с верхней, а условия взаимодействия флюса, титана и алюминия аналогичны условиям при использовании нижней литниковой системы. Подача свежих порций расплава при литье на заполняемый уровень обеспечивает одинаковые физико-химические условия формирования адгезионной связи между титаном и пеноалюминием по высоте композиционного материала, что не наблюдается при использовании нижней литниковой системы. Условия формирования пористого слоя в связи с особенностями заполнения засыпки гранул через щелевой питатель обеспечивают более высокую скорость заполнения формы, уменьшается вероятность образования недоливов и неслитин по сравнению с заливкой через нижнюю литниковую систему.
8. Проведенные исследования показали, что увеличение диаметра гранул способствует увеличению площади проходного сечения в результате чего снижается сопротивление движению расплава металла и увеличивается глубина пропитки. Проходное сечение гранульной засыпки вдоль стенок формы в 2.7 раза больше, чем в основной засыпке. Такое соотношение приводит к изменению структуры движение расплава алюминия, при котором более быстрое движение проходит вдоль стенки формы, а затем происходит наполнение формы со дна формы.
Соли гранул не смачиваются расплавом алюминия, в результате этого снижается проходное сечение гранульной засыпки в пределах 25-60%, при этом, чем меньше диаметр гранул, тем данное значение больше.
9. Предложенная математическая модель позволяет определить глубину проникновения расплава (глубину пропитки) от тепловых и гидродинамических режимов литья. Установлено, что глубина пропитки в большей степени определяется диаметром используемых гранул. Для увеличения глубины пропитки и получения композиционных материалов с большой толщиной слоя пеноалюминия целесообразно увеличивать диаметр гранул, а не температурные и гидродинамические режимы литья (температуру расплава, температуру формы, скорость расплава).
10. Проведенные экспериментальные исследования подтвердили результаты расчётов глубины пропитки в зависимости от тепловых условий литья и диаметра используемых гранул. Применение верхней литниковой системы обеспечивает более значительную глубину пропитки. Применения гранул с рассредоточенным фракционным составом способствует снижению глубины пропитки на 10-20%.
11. При формировании пористого слоя композиционного материала пеноалюминий-титан наблюдается значительное увеличение скорости охлаждения расплава и увеличение величины переохлаждения при кристаллизации, что связано с более низкой температурой гранул, большой площадью контакта гранул и алюминиевого расплава. Высокие скорости охлаждения и высокая величина переохлаждения расплава при кристаллизации способствуют измельчению структуры металла, формирования неравновесных структур и высокой степени пресыщения легирующих элементов в алюминиевой матрице. Эти факторы приводят к повышению механических свойств алюминиевых сплавов в композиционном материале.
12. Вследствие высоких скоростей охлаждения расплава при формировании композиционных материалов пеноалюминий-титан для образования адгезионной связи между слоями композита и получения пористого слоя без недоливов и неслитин требуется перегрев расплава по отношению к оптимальным температурам формирования адгезионной связи на 50-200 °C или же высокий предварительный перегрев формы с гранулами и титановой арматурой.
13. Исследования процессов формирования композиционных материалов пеноалюминий-тита показали, что применение флюсов на основе системы KF-A1F3 эвтектической концентрации и на основе солей K2TiF6, K2ZrF6 обеспечивает хорошее растекание и смачивание титана алюминием. Прочность сцепления слоев алюминия и титана при активации титана указанными флюсами составляет 60-90МПа. Наиболее высокая прочность сцепления титана и алюминия при жидкофазных процессах формирования композиционных материалов титан-алюминий обеспечивается применением флюсов на основе системы K2ZrF6, что связано с легированием переходного интерметаллидного слоя, образующегося между алюминием и титаном, цирконием.
14. Прочность сцепления слоев пеноалюминия и титана в промышленных образцах композиционных материалов при использовании флюсов системы KF-A1F3 составляет около 12 МПа, а при использовании флюсов на основе K2TiF6, K2ZrF6 составляет около 15 МПа.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
