Введение к работе
Актуальность работы
В настоящее время большое внимание в научных и практических исследованиях уделяется созданию новых функциональных и конструкционных сплавов, обладающих комплексом повышенных свойств. Особое место среди них занимают металломатричные композиционные сплавы, поскольку их физико-механические и эксплуатационные характеристики значительно превосходят свойства традиционных сплавов. Значительный объем исследований связан с разработкой алюмоматричных композиционных сплавов (АКС). Однако характер взаимодействия армирующих фаз и особенности формирования структуры и свойств при получении АКС до настоящего времени недостаточно изучены, что сдерживает их широкое промышленное применение. Поэтому разработка новых АКС и технологий их получения является одной из актуальных научно-технических задач в этой области.
Из известных способов получения литейных АКС наиболее распространенным является механическое замешивание армирующих частиц в расплав благодаря своей относительной простоте и экономичности. Однако способ имеет ряд существенных недостатков, главными из которых является сильное газонасыщение и окисление расплава в процессе активного механического перемешивания и, как следствие, повышенная пористость отливок. Поэтому в последнее время активно ведутся исследования по разработке и освоению таких жидкофазных технологий получения АКС, в которых армирование матрицы осуществляется не вводом упрочнителей извне, а за счет формирования заданных эндогенных фаз в объеме матричного сплава при протекании контролируемых химических реакций между предварительно введенными компонентами (in-situ-процесс). Большинство процессов in-situ (в частности, методы, основанные на использовании порошковых прекурсоров) основаны на явлении самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). Однако АКС, армированные только эндогенными фазами, зачастую не обеспечивают достижения заданного уровня физико-механических и эксплуатационных свойств. Перспективным направлением расширения потенциальных возможностей АКС с точки зрения формирования заданных свойств и обеспечения более высокой эффективности их применения является разработка технологий комплексного армирования матрицы эндогенными и экзогенными фазами.
Работа выполнена в соответствии с аналитической ведомственной целевой программой «Развитие научного потенциала высшей школы» (2009-2011 годы), а также при поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере в рамках программы «У.М.Н.И.К».
Исходя из вышеизложенного, цель работы заключается в создании алюмоматричных композиционных сплавов (АКС), армированных эндогенными и экзогенными фазами, и разработке на основе жидкофазного СВС-процесса технологии их получения для изделий с повышенными эксплуатационными характеристиками.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
Разработать новые многокомпонентные композиционные сплавы на основе алюминиевой матрицы с выбором рационального состава армирующего комплекса.
Выявить закономерности взаимодействия исходных компонентов и механизм образования фазовых составляющих при получении АКС систем [Al]-Ti02-B-Ti-SiC и [Al]-Ti02-C-Ti-SiC.
Разработать технологические режимы жидкофазного СВС-процесса получения АКС, комплексно-армированных эндогенными и экзогенными фазами.
Установить закономерности изменения структуры, механических и триботехнических свойств АКС системы [Al]-Ti02-B(C)-Ti-SiC с различной долей армирующих фаз.
5. Оценить возможность переработки и рециклинга АКС.
Научная новизна работы заключается в следующем:
предложен и экспериментально обоснован механизм межфазного взаимодействия компонентов при получении АКС системы [А1]-ТЮ2-B(C)-Ti-SiC, позволяющий в условиях жидкофазного СВС-процесса прогнозировать формирование заданных эндогенных армирующих фаз;
выявлены особенности жидкофазного СВС-процесса получения комплексно-армированных АКС системы [Al]-Ti02-B(C)-Ti-SiC;
установлено влияние экзогенных наполнителей на скорость протекания реакций синтеза эндогенных армирующих фаз при получении АКС и выявлены закономерности их формирования в условиях жидкофазного СВС-процесса;
выявлена зависимость механических и триботехнических свойств композитов на основе сплава АК12М2МгН от содержания компонентов в составе армирующего комплекса;
установлено влияние переплавов АКС систем Al-Ti, Al-Ti-SiC, А1-ТЮ2-B(C)-Ti-SiC на равномерность распределения и размеры армирующих фаз.
Практическая значимость работы:
разработаны и оптимизированы составы АКС, обеспечивающие высокие в сравнении с матричными сплавами триботехнические свойства, а также технологические режимы их получения, обеспечивающие полное протекание реакций синтеза эндогенных армирующих фаз А1203, TiB2, ТіС, ТіА13 (и др.) и высокую степень усвоения экзогенной фазы SiC;
дана сравнительная оценка механических и триботехнических свойств базового сплава АК12М2МгН с композитом на его основе, подтверждающая эффективность использования нового сплава;
разработана и внедрена в действующее производство технология получения многокомпонентных АКС при выпуске отливок триботехнического назначения;
показана принципиальная возможность переработки и повторного использования АКС систем Al-Ti, Al-Ti-SiC, Al-Ti02-B(C)-Ti-SiC. Достоверность и обоснованность результатов обеспечивается корректным использованием теории термодинамики и контактных явлений в металлических расплавах, теории оптимизации, современных методов исследования структуры и свойств АКС (рентгенофазовый анализ, оптическая металлография и растровая электронная микроскопия), методов математического планирования эксперимента и статистической обработки результатов с использованием современного программного обеспечения, сопоставлением теоретических результатов с экспериментальными данными, широкой апробацией на различных российских и международных конференциях и семинарах, а также реализацией результатов работы в производственных условиях. Личный вклад автора
Основные теоретические положения и научные результаты получены автором самостоятельно. Экспериментальные исследования и обсуждение результатов проведены совместно с соавторами опубликованных работ. На защиту выносятся следующие положения:
Состав комплексно-армированного композиционного сплава и особенности технологии получения АКС с применением жидкофазного СВС-процесса.
Закономерности взаимодействия исходных компонентов и механизм образования фазовых составляющих при получении АКС системы [А1]-Ti02-B(C)-Ti-SiC в условиях жидкофазного СВС-процесса.
Результаты сравнительной оценки механических и триботехнических свойств базового сплава АК12М2МгН с АКС на его основе.
Влияние переплавов АКС на равномерность распределения и размеры армирующих фаз.
Результаты опытно-промышленного внедрения технологии получения комплексно-армированных АКС системы АК12М2МгН-{Ті02-В(С)-Ті-SiC} для изготовления отливок триботехнического назначения.
Апробация работы. Основные результаты работы представлены на следующих
научно-технических и научно-практических конференциях: XIX
международной Интернет-ориентированной конференции молодых ученых и
студентов по современным проблемам машиноведения «МИКМУС», Москва,
2007; VIII международной конференции «Эффективность реализации научного,
ресурсного и промышленного потенциала в современных условиях», п.
Славское, Карпаты, 2008; XXVIII, XXIX, XXX международной конференции и
выставке «Композиционные материалы в промышленности»
(СЛАВПОЛИКОМ), г. Ялта, 2008, 2009, 2010; V международной конференции «Материалы и покрытия в экстремальных условиях: исследования, применение, экологически чистые технологии производства и утилизация изделий» (МЕЕ-2008), г. Б. Ялта, Жуковка, 2008; I, III международной конференции «Функциональные наноматериалы и высокочистые вещества», г. Суздаль, 2008, 2010; V Российской конф. молодых научных сотрудников и аспирантов, ИМЕТ им. А.А. Байкова РАН, Москва, 2008; IX съезде литейщиков России, г. Уфа,
2009; научно-методической конференции «Патентно-лицензионная деятельность в государственном научно-образовательном секторе и организациях, образующих национальную нанотехнологическую сеть Владимирской области»; V международной научно-практической конференции «Прогрессивные литейные технологии», НИТУ МИСиС, Москва, 2009; IV Всероссийской конференции «Химия поверхности и нанотехнология», Хилово, 2009; I, II международной конференции и школе-семинаре «Современные нанотехнологии и нанофотоника для науки и производства», г. Владимир, 2008, 2009; общероссийской научной конференции «Актуальные вопросы современной науки и образования», г. Красноярск, 2010; Workshop for Initiation of German-Russian Research and Development Projects, Fraunhofer-Institute for Integrated Circuiits IIS, Erlangen, Germany, 2010; Seminario «Las tecnologias avanzadas rusas», Madrid, Spain, 2011; на научных семинарах кафедры ЛПиКМ ВлГУ в 2005-2012 гг.
Публикации. По теме исследования опубликовано 23 работы в научных журналах и сборниках трудов российских и международных конференций, в том числе 6 статей в журналах из Перечня ведущих научных журналов и изданий ВАК РФ, 1 патент РФ и 2 учебно-методические разработки. Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и общих выводов; изложена на 169 страницах машинописного текста, включая приложение, и содержит 46 рисунков, 20 таблиц и список литературы из 173 наименований.
