ВВЕДЕНИЕ 4
Глава I. Современное состояние исследований в области разработки и
получения литых алюмоматричных композитов 6
1.1 Общая характеристика алюминиевых сплавов 6
1.2 Литые алюмоматричные композиты: получение, свойства, применение....10
1.3 Способы эндогенного армирования литых алюмоматричных
композитов 20
1.4 Основные закономерности структруообразования литых алюмоматричных
композитов 30
1.5 Выводы и постановка задач исследований 35
Глава 2. Объекты и методы исследований 37
2.1 Характеристика объектов исследования 37
2.2 Методика анализа диффузионных процессов при получении литых
алюмоматричных композитов 37
2.3 Методика выплавки опытных сплавов и металлографических
исследований 42
2.4 Прикладные программные продукты, использованные при выполнении
работы 45
Глава 3. Теоретические и экспериментальные исследования процессов структурообразования при получении литых алюмоматричных композитов
3.1 Кинетика взаимодействия в системе «алюминий - титан» 46
3.2 Кинетика взаимодействия в системе «алюминий - ванадий» 50
3.3 Кинетика взаимодействия в системе «алюминий - хром» 54
3.4 Кинетика взаимодействия в системе «алюминий - ниобий» 57
3.5 Кинетика взаимодействия в системе «алюминий - гафний» 61
3.6 Кинетика взаимодействия в системе «алюминий - цирконий» 64
3.7 Формирование микроструктуры алюмоматричных композитов при
взаимодействии алюминиевого расплава с переходными металлами 69
Выводы по работе 74
Список используемой литературы 76
Металломатричные композиты (ММК) являются важным классом конструкционных и функциональных материалов, которые все интенсивнее вытесняют традиционные материалы в автомобильной, аэрокосмической, строительной, атомной, нефтегазовой и других отраслях промышленности. ММК представляют собой комбинацию из двух или более материалов (один из которых является металлом или сплавом), в котором индивидуальные свойства, не достижимые в монолитных металлах или сплавах, достигаются систематическими комбинациями различных фазовых составляющих. ММК, как правило, состоят из металлической матрицы и распределенных в ней волокон либо дисперсных частиц. ММК могут быть синтезированы твердофазными, жидкофазными или газофазными методами [1-6].
Литые алюмоматричные композиты (АМК) не являются принципиально новыми для литейной отрасли. Несмотря на то, что традиционно не называют композитом эвтектический сплав системы «алюминий-кремний» (рис. 1А), который состоит из кремниевых игл, встроенных в алюминиевую матрицу, такая микроструктура может называться эндогенно-армированным композитом (in situ). Еще пример композита in situ, обычно производимого литейным производством, это высокопрочный чугун (рис. 1b), в котором графитовые включения диспергированы в ферритовой матрице. Ограничение композитов, таких как алюминий-эвтектический сплав кремния и пластичный чугун, это объемные проценты двух фаз, которые ограничены узкими диапазонами, предсказанными их фазовой диаграммой. Кроме того, пространственное расположение упрочнителей не может варьироваться так же свободно, как и в синтетически произведенном композиты, которые синтезируются путем физического замешивания армирующей фазы в металлический расплав.
В синтетических композитах можно изменять, почти по желанию, химический состав, форму, процентное содержание и распределение второй фазы (армирующих частиц).
Основной целью производства АМК является повышение прочности и жесткости алюминиевого сплава. Однако дополнительное преимущество, которое имеют алюминиевые матрицы, состоит в том, что они могут быть адаптированы для получения различных комбинаций жесткости и прочности и для получения различных значений тепловых коэффициентов расширения. Кроме того, АМК могут быть использованы при износе, поскольку износостойкость АМК может быть достаточно хорошей. Армирующая фаза в АМК может быть в виде волокон, микро- или макрочастиц, а также тонких "усов", распределенных в матрице в объеме от 2 до 70% [7].
Армирующая фаза присутствует в матрице в виде самостоятельных комплексов и выступают в роли добавок, обеспечивающих существенное повышение механических и/или эксплуатационных свойств по сравнению с обычными сплавами из алюминия [8].
В данной работе рассмотрены закономерности структурообразования и разработана технология получения литых алюмоматричных композитов. Отдельные результаты работы были представлены на финале Всероссийского инженерного конкурса - 2019 (при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации), в рамках проекта Профстажировки.рф (отмечен как победитель проекта), а также на Днях науки студентов и аспирантов ВлГУ в 2018-2020 гг.
На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований получены следующие основные результаты:
1. Проведены расчеты кинетических характеристик взаимодействия алюминиевого расплава с переходными металлами (Ti, V, Cr, Hf, Zr, Nb). Установлено, что для всех рассмотренных систем значение коэффициента диффузии и ширина диффузионной зоны возрастают с увеличением температуры процесса и времени выдержки, следовательно, скорость реакции между твердыми переходными металлами и алюминиевым расплавом будет повышаться с увеличением этих параметров. При этом характер полученных кривых для всех систем Al - ПМ свидетельствует, что процесс диффузии будет замедляться со временем.
2. Показано, что при сохранении общих тенденций кинетика взаимодействия существенно различается для различных переходных металлов. Так, для ниобия, гафния и циркония изменение ширины диффузионной зоны в зависимости от температуры носит значительно более существенный характер по сравнению с титаном, хромом и ванадием.
3. По результатам металлографических исследований в литых образцах
алюмоматричных композитов АК12 + 3% Ti, АК12 + 3% Nb и АК12 + 3% Zr выявлена дендритная структура характерной морфологии, состоящая из а(А1)-твердого раствора, окруженного эвтектикой. На фоне эвтектики отчетливо представлены включения первично кристаллизующихся интерметаллидных армирующих фаз, образующихся при взаимодействии алюминиевого расплава с переходными металлами.
