ВВЕДЕНИЕ 9
1 Композиционные материалы (КМ) 10
1.1 Строение композиционных материалов 11
1.2. Дисперсно-упрочненные композиционные материал 12
1.3 Существующие методы получения КМ 14
1.4 Литые КМ 14
1.4.1 КМ, полученные на основе механического замешивания в расплав
армирующих частиц 16
1.4.2 Синтез армирующих частиц в расплаве 17
1.4.3 Современные дисперсно-упрочненные материалы на основе Al.... 1g
1.5 Выводы и задачи исследования 20
2 Исходные материалы и методики проведения экспериментов 22
2.1 Материалы для получения быстрозакристализованных лигатур 22
2.2 Методика приготовления сплавов и лигатур 22
2.3 Приготовление лигатур 24
2.4 Рентгеноспектральный анализ исследуемых образцов 25
2.5 Металлографическое исследование КМ и лигатур 27
2.6 Синхронный термический анализатор STA 449C Jupiter и синхрон- 29
ный термический анализ
3 Результаты опытов и их обсуждение 31
3.1 Термодинамический анализ возможности синтеза армирующих частиц в расплаве Al 31
3.2 Совместимость частиц с расплавом Al 37
3.3 Исследование технологических параметров плавки и литья на формирование структуры армирующих лигатур 38
3.4 Исследование структуры армирующих и модифицирующих лигатур 41
3.4.1 Исследование структуры модифицирующей лигатуры системы
41
Al-Ti-B
3.4.2 Исследование структуры армирующей лигатуры Al-Ti-C, Al-Zr-C,
Al-B-C 47
3.5 Получение KM с применением армирующей лигатуры 55
3.5.1 Исследование структуры композиционного материала 55
3.5.2 Исследование механических свойств композиционного материала 57
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 60
Список использованных источников 62
Повышение прочностных свойств конструкционных материалов является важнейшей проблемой в машиностроении. Однако по мере увеличения прочности материалов происходит резкое снижение их пластичности, увеличивается склонность к хрупкому разрушению. Это сильно ограничивает использование высокопрочных материалов в качестве конструкционного материала. За последние годы был создан ряд искусственных композитов на металлической основе, армированных неорганическими частицами высокой прочности и жёсткости. ( книга) Важным направлением в области создания новых сплавов, обладающих повышенными механическими и эксплуатационными свойствами, является разработка эффективных технологий получения алюмоматричных композиционных сплавов, состоящих из металлической основы и термостабильных наполнителей в виде тугоплавких частиц, вводимых или инициируемых в результате экзотермических реакций. Однако синтез упрочняющих боридных и карбидных фаз непосредственно в расплаве при приготовлении композиционного сплава требует его высокого перегрева для растворения исходных компонентов, что приводит к угару и повышенному окислению алюминия при плавке, а также препятствует полному взаимодействию компонентов в процессе синтеза армирующих частиц. Поэтому для производства дисперсно-упрочняющих композиционных сплавов на основе алюминия весьма актуальным является разработка и применение промежуточных сплавов (лигатур), содержащих в достаточно большом количестве армирующих частиц заданного размера, практически нерастворимых при температурах плавки и литья. Форма и размер структурных составляющих лигатурных сплавов зависит от условий литья. В частности, высокая степень диспергирования упрочняющей фазы достигается повышенной скоростью кристаллизации сплава. Моделирование позволяет оценить теплофизические процессы, происходящие при кристаллизации и охлаждении лигатурных сплавов..
Решение задач, поставленных в работе, позволили сделать следующие выводы:
1. На основе экспериментального исследования смачивания расплавом алюминия частиц карбидов и боридов, образовавшихся в реакциях in-situ, обоснованы устойчивость дисперсных систем и возможность равномерного распределения упрочняющих фаз в литой матрице.
2. Структура и свойства новых литых алюмоматричных композиционных материалов изучены в сравнении с электротехническим алюминием марки А5Е и традиционными литейными сплавами системы Al-Zr, применяемыми для получения электротехнической катанки. Наиболее эффективным для изделий электротехнического назначения оказался композиционный сплав системы Al-B-C, для которого заданный комплекса свойств достигается без термической обработки.
3. Разработана технология получения армирующих лигатур систем Al-Ti(Zr)-C, Al-B-C, в которых упрочняющие углеродсодержащие фазы в количестве до 5 мас.% синтезированы непосредственно в расплаве при температурах 1000-1100 0С с последующей кристаллизацией в металлических формах при скоростях охлаждения 10-100 0С/с.
4. Оценили структуру и фазовый состав полученных лигатур системы Al- Ti(Zr)-C, Al-B-C в сравнении с зарубежной лигатурой Al-Ti-B. Отмечено, что размер упрочняющих фаз (боридов, карбидов и алюминидов) составляют для карбидов и боридов менее 1-2 мкм, а алюминидов титана в виде тонких пластин длиной до 100 мкм. Однако, лигатуры систем Al-Ti(Zr)-C, Al-B-C более предпочтительны, так как упрочняющие углеродсодержащие фазы не склонны к укрупнению и имеют большее структурное сходство с гранецентрированной решёткой алюминий твёрдого раствора, чем частица диборида титана.
5. Исследованы микроструктура и фазовый состав лигатур. В структуре
всех лигатур выявлены три фазы: алюминиевый твердый раствор (Ala), микро-
59
размерные частицы ZrC, TiC, C2Al3B48, равномерно распределенные в металлической матрице и алюминиды титана, циркония, бора игольчатой или пластинчатой морфологии. С повышением скорости охлаждения сплавов с 10 до 100 0С/с происходит измельчение структурных составляющих лигатуры в 5-10 раз.
