Содержание к диссертации
Ведение 6
1. Формирование КМ на основе AI, получаемых жидкофазной пропиткой
под давлением и механическим замешиванием 13
1.1. Процессы смачивания на границе раздела матрица - УЭ 14
1.1.1 Смачиваемость при жидкофазной пропитке волокон на основе Fe, AI2O3, SiC 2, муллитокремнезема и SiC 17
1.1.1.1. Смачиваемость в системе А1 - волокна на основе Fe 18
1.1.1.2. Смачиваемость в системе А1 - KB на основе АЬОз, S1O2 и муллитокремнезема 19
1.1.1.3. Смачиваемость в системе А1 - длинномерные бескерновые KB SiC 32
1.1.2 Смачивание при механическом замешивании КЧ SiC 34
1.2. Процессы взаимодействия на межфазной границе матрица - УЭ 39
1.2.1. Взаимодействие в системе А1-волокна на основе Fe 41
1.2.2.Взаимодействие в системе Al-Si-0 45
1.2.2.1. Исследование процессов взаимодействия KB на основе АЬОз, Si02 и муллитокремнезема с А1 и его сплавами 46
1.2.3.Взаимодействие в системе Al-Si-C 55
1.2.3.1. Исследование процессов взаимодействия SiC с расплавом чистого А1 56
1.2.3.2. Исследование процессов взаимодействия SiC со сплавами системы Al-Si 65
1.2.3.3. Построение диаграммы состояния системы Al-Si-C 71
1.2.3.4.Исследование процессов взаимодействия в КМ на основе системы Al-Mg-Si-C 86
1.2.3.5.Исследование процессов взаимодействия в КМ на основе системы Al-Cu-Si-C П5
1.2.3.6.Исследование процессов взаимодействия в КМ на основе системы Al-Zn-Si-C и Al-Zn-Mg-Cu-Si-C П7
1.3. Разработка КМ, получаемых методами механического замешивания в расплав и жидкофазной пропиткой под давлением 128
1.3.1. КМ, получаемые методом механического замешивания УЭ, предназначенные для получения деталей ДВС 129
1.3.1 Л. Влияние ГИП и ЖШ на структуру и свойства КМ 130
1.3.1.2. Оценка литейных свойств КМ на основе сплавов АК12ММгН и АК9ч, упрочненных КЧ SiC 134
1.3.1.3. Оптимизация технологии термической обработки отливок из КМ, упрочненных КЧ SiC 136
1.3.1.4. Паспортные характеристики KM AK94-15o6.%SiC и AK12MMrH-15o6.%SiC 140
1.3.2. КМ, получаемые методом жидкофазной пропитки под давлением, предназначенные для получения поршней ДВС 142
1.3.2.1. Выбор состава и структуры матрицы и ВПК для получения КМ.. 144
1.3.2.2. Оптимизация режимов жидкофазной пропитки преформ из ВПК при получении точных отливок поршней 155
1.3.2.3. Исследование возможности получения комбинированных порш ней с упрочняющими нирезистовыми вставками 160
1.3.2.4. Оптимизация режимов термической обработки КМ 161
1.3.2.5.Разработка КМ на основе сплава АК12ММгН и ВПК и технологии получения точных отливок из них поршней тяжело нагруженных ДВС 167
Выводы по главе 1 176
2. Формирование структуры дисперсно-упрочненных КМ на основе AI и Си, получаемых методом механического легирования из крупных шихтовых составляющих, в том числе из вторичного сырья 182
2.1. Прогнозирование оптимальной структуры дисперсно-упрочненных КМ и важнейших факторов, способных оказать на нее влияние 184
2.2. Формирование структуры дисперсноупрочненных КМ в процессе обработки в высокоэнергетических мельницах 190
2.2.1. Структура и свойства механически легированных КМ на основе А1 сплавов 194
2.2.1.1 КМ, получаемые в аттриторе методом совместной обработки матричных и КЧ 197
2.2.1.2 КМ, получаемые механическим легированием в ПМ методом совместной обработки крупных матричных и КЧ 198
2.2.1.3 КМ, получаемые механическим легированием в ПМ в окислительной атмосфере 232
2.2.2. Структура и свойства механически легированных КМ на основе Си 251
2.2.2.1. КМ, получаемые механическим легированием в ПМ совместной обработки крупных Cu-матричных и КЧ 254
2.2.2.2.КМ, получаемые механическим легированием в ПМ методом совместной обработки крупных Cu-матричных частиц и частиц Сг... 263
2.3. Формирование структуры КМ при консолидации и последующей обработке 270
2.3.1. Консолидация и обработка механически легированных КМ на основе А1 274
2.3.1.1. Анализ процессов распада (А1) в процессе консолидации и других параметров субструктуры механически легированных КМ на основе А1-сплавов 279
2.3.1.2. Оценка важнейших свойств механически легированных КМ на основе А1-сплавов с КЧ 286
2.3.1.3. Исследование влияния термической обработки на структуру и свойства механически легированных КМ (на примере КМ А1-3%Cu-l%Mg-20%SiC, полученного в аттриторе) 289
2.3.2. Консолидация и обработка механически легированных КМ на основе Си 295
2.3.2.1. Консолидация и обработка КМ на основе системы Си и ее сплавы-КЧ 296
2.3.2.2.Консолидация и обработка КМ на основе системы Cu-Сг 309
Выводы по главе 2 315
3. Разработка КМ на основе Си и AI, получаемых методом МЛ 317
3.1. Выбор эффективного агрегата для механического легирования на примере А1-КМ 318
3.2. КМ на основе систем "А1-сплавы - SiC" и "А1-сплавы - оксид А1" 320
3.2.1. Исследование, оптимизация и разработка рекомендаций для внедрения
механически легированных дисперсно-упрочненных КМ, получаемых
из вторичного Al-сырья и крупных КЧ 322
3.2.2. Разработка рекомендаций для внедрения КМ на основе сплава АК12М2МгН 331
3.2.3. Разработка рекомендаций для внедрения КМ на основе сплава АК12ММгН, получаемых методом МЛ в воздушной атмосфере 337
3.3. КМ на основе Си 342
3.3.1. КМ на основе системы Си-КЧ 342
3.3.2. Выбор оптимальных режимов консолидации 349
3.3.3. КМ на основе системы Cu-Cr 355
З.ЗАВнедрение КМ на основе системы Cu-Cr 365
Выводы по главе 3 371
Общие выводы 373
Список литературы 3
Введение к работе
Интерес к исследованиям и разработке КМ на основе различных металлов и сплавов возник еще в 60-х годах 20-го века, в дальнейшем он развивался по возрастающей и не ослабевает в настоящий момент. КМ получают все более широкое применение, во многих областях техники начиная от бытовых изделий массового производства до агрегатов авиалайнеров и космических кораблей. Связано это с тем, что использование КМ, обладающих уникальным сочетанием иногда взаимоисключающих свойств, дает значительный технико-экономический эффект.
В работе изучены и разработаны следующие КМ на А1- и Cu-основе, получаемые ЖМ и МЛ и содержащие в качестве УЭ металлические или керамические фазы в разных пространственных формах.
1. КМ, получаемые ЖПр под давлением на основе А1 и его сплавов с металлическими (стальная проволока) и KB (длинномерные бескерновые волокна SiC), расположенными в матрице в виде моноволокон или тканых и трикотажных конструкций. Такие КМ могут быть использованы для получения деталей, к которым предъявляются повышенные требования по прочности и жесткости в одном двух направлениях, например, шатунов двигателей внутреннего сгорания.
2. КМ, получаемые ЖПр под давлением на основе А1 и его сплавов с KB на основе SiC 2 и АЬОз, хаотично расположенными в матрице и жестко скрепленными между собой в каркасы (преформы). Такие КМ могут быть использованы для получения жаропрочных, термически стабильных и износостойких деталей, например, поршней двигателей внутреннего сгорания.
3. КМ, получаемые методом МЗ в расплав А1 и его сплавов дисперсных КЧ SiC (размером 10-15 мкм). Такие КМ могут быть использованы для получения жаропрочных, термически стабильных и износостойких деталей двигателей внутреннего сгорания, например поршней или головок блоков цилиндров.
4. КМ, получаемые методом МЛ на А1- и Cu-основе с металлическими частицами (на основе Сг) и КЧ (SiC, AI2O3 и др.) (размером менее 1 мкм). Такие дисперсно-упрочненные КМ на АІ-основе могут быть использованы для получения жаропрочных, термически стабильных и износостойких деталей различного назначения, например деталей двигателей, а на Cu-основе - для получения жаропрочных, термически стабильных и дугостойких электрических контактов.
Необходимость в разработке таких КМ и технологий их получения возникла в связи с существованием остро стоящей проблемы композиционного материаловедения высокой себестоимостью материалов.
В связи с этим актуальным является проведение комплексных исследований направленных на: (1) упрощение и удешевление технологических схем получения КМ за счет использования более эффективных и экономичных операций и режимов; (2) повышение экономичности КМ за счет применения более дешевого и доступного сырья для их получения, включая лом и отходы.
В связи с этим в работе ставятся следующие ЦЕЛИ: Оптимизировать состав и структуру КМ: на основе А1, получаемых: (1) жидкофазной пропиткой расплавом под давлением с УЭ в виде волокнистых преформ на основе S1O2 и AI2O3 и длинномерных бескерновых волокон SiC; (2) методом механического замешивания в расплав КЧ SiC (размером 10-15 мкм), па основе А1 и Си, получаемых методом МЛ с использованием крупных не порошковых исходных матричных (в том числе вторичного сырья) и металлических (Сг) и КЧ (SiC, AI2O3 и др.). На основе проведенной оптимизации разработать новые экономичные, высокопрочные и жаропрочные КМ, а также экономичные технологии получения деталей из них.
Для достижения поставленных ЦЕЛЕЙ решали следующие ЗАДАЧИ: (1) Построение многокомпонентных диаграмм состояния на А1-основе с компонентами матричных сплавов (Si, Си, Zn, Mg) и УЭ (SiC); предложение на основе диаграмм состояния рекомендаций по оптимизации составов КМ и режимов их получения. (2) Изучение особенностей формирования структуры КМ на основе систем Al-Fe, Al-Si-O, Al-Si-C, Al-Mg-Si-C, Al-Cu-Si-C, Al-Zn-Si-C на стадиях смачивания, взаимодействия и кристаллизации при получении жидкофазными методами пропитки под давлением и механического замешивания. На основе полученных закономерностей формулировка рекомендаций для выбора оптимальных составов КМ и технологий их получения. (3) Разработка жаропрочных и термически стабильных КМ на основе А1-сплавов, получаемые методами пропитки волокон под давлением и механическим замешиванием УЭ в расплав, предназначенных для получения деталей форсированных двигателей внутреннего сгорания. (4) Изучение особенности формирования структуры А1- и Cu-КМ на основе различных систем, получаемых из относительно крупных не порошковых шихтовых составляющих на стадиях высокоэнергетического воздействия в мельницах, консолидации и термообработки. На основе полученных закономерностей разработка научных основ для создания экономичных МЛ КМ на А1- и Си-основе. (5) Разработка электротехнических и конструкционных КМ, получаемые методом МЛ, в том числе из вторичного сырья, предназначенные для получения: дугостойких контактов на Cu-основе; жаропрочных и термически стабильных деталей двигателей внутреннего сгорания на А1-основе. НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ И НОВИЗНА:
1. Применен диаграммный подход для анализа процессов взаимодействия в КМ на основе А1 и его сплавов с SiC, для чего уточнены и впервые построены фрагменты диаграмм состояния систем Al-Si-C, Al-Mg-Si-C, Al-Zn-Si-C и Al-Cu-Si-C в виде проекций А1-угла, политермических и изотермических разрезов, для условий метастабильного равновесия, а также для неравновесных условий кристаллизации КМ. Показано, что необратимый характер взаимодействия А1 и его сплавов с SiC связан с торможением или полным подавлением нонвариантной перитектической реакции L+Al4C3= (Al)+SiC.
2. С использованием структурного анализа и построения кинетических и температурных зависимостей линейных размеров реакционных зон и массовой доли фаз -продуктов взаимодействия на межфазной границе, предложены структурные модели взаимодействия на границах раздела «матрица-УЭ» для КМ на основе А1 и сплавов систем Al-Si, Al-Mg, Al-Cu, Al-Zn, AI-Mg-Si, Al-Zn-Mg-Cu, Al-Si-Cu-Mg, а также керамических УЭ Si02, А120з и SiC.
3. На основе исследований формирования А1-КМ на стадиях смачивания, взаимодействия и кристаллизации проведена оптимизация состава матричных сплавов, состава и структуры УЭ, всего КМ в целом, а также технологических параметров получения композиционных отливок. Опробованы различные варианты КМ на основе силуминов, упрочненных KB из SiC 2 и муллитокремнезема, КЧ или длинномерными бескерновыми волокнами SiC; представлены и опробованы экономичные технологические схемы получения из КМ деталей форсированных двигателей внутреннего сгорания.
4. Показана возможность эффективного получения МЛ КМ на основе Си и А1-сплавов из изначально крупных матричных (500-5000 мкм) и упрочняющих КЧ или металлических (10-40 мкм) частиц. Показано, что во время мощного воздействия в ПМ в течение 30-120 мин в таких КМ достигается гомогенная и дисперсная структура, состоящая из зерен (А1) или (Си) размером 20-200 нм и равномерно распределенных а них УЭ с размером менее 1 мкм. Показано, что такая структура формируется тем быстрее, чем выше объемная доля УЭ, а также выше легированность (А1) или (Си) и доля фаз, в них распределенных.
5. Показана возможность получения дисперсно-упрочненных КМ на основе А1 сплавов из разнородных по составу крупных (500-5000 мкм) шихтовых материалов, путем их обработки в ПМ в воздушной атмосфере. В результате такой обработки в течение ЗОНО мин происходит формирование КМ, структура которых состоит из зерен (А1), размером 50-200 нм, и дисперсных аморфных частиц оксидов А1 и Mg размером 3-250 нм с объемной долей 10-15%.
6. Предложена структурная модель формирования гранул КМ из крупных шихтовых составляющих, которая состоит из следующих этапов МЛ: Первый: раздельное диспергирование компонентов шихты, когда ее отдельные составляющие измельчаются, но еще не участвуют в МЛ. Второй: подключение кооперативных процессов множественного внедрения УЧ в поверхность матричных и их последующего вовлечения в объем материала в результате сварки гранул между собой. При этом вовлечение УЧ в объем материала проходит двумя способами: по известному механизму «формирования слоеного пирога» и путем первоначального смятия пластичных матричных частиц, их изгиба и захвата в образовавшуюся полость свободных УЧ и мелких гранул, последующего их складывания и сварки. Для этого этапа характерен четко выраженный слоистый характер структуры. Третий: полное исчезновение раздельно существующих компонентов, формирование более компактных и однородных по структуре гранул, содержащих равномерно распределенные дисперсные УЧ. Кроме диспергирования УЧ для этого этапа характерно уменьшение размера зерна (А1) и (Си), величина которого определяется наличием в КМ эффективных препятствий для перемещения дислокаций и границ зерен.
7. Показана принципиальная возможность получения консолидированных образцов КМ на различной основе по схеме двухстороннего прессования при температурах 200-600 °С, что гарантирует достижение высокой плотности образцов ( 95%) при полной потере индивидуальности бывшими гранулами. Во время консолидации гранул, из-за восстановительных процессов и распада (А1) и (Си), происходит снижение твердости КМ на величину (10-70 %), зависящую от наполненности УЧ, химического и фазового состава матрицы. Показано, что повышенная доля УЧ, а также увеличение продолжительности МЛ приводят к росту сопротивления консолидации гранул на разной основе, и, как следствие, к увеличению пористости компактных образцов КМ.
8. Даны рекомендации по выбору состава и исходной структуры крупных кусочно-стружковых шихтовых материалов, предложены и опробованы различные шихтовые маршруты, способствующие наиболее эффективному измельчению и равномерному распределению грубых частиц различных фаз в многокомпонентной матрице, а также равномерному распределению в ней дисперсных УЧ. Предложенные схемы формирования КМ позволяют экономично вернуть в производство низкосортное, плохо поддающееся переработке вторичное сырье и обратить его недостатки - загрязненность примесями в преимущества.
