Введение к работе
Актуальность исследований. Во многих промышленных секторах, особенно в аэрокосмической и автомобильной промышленности, замена стали на легкие и сверхлегкие композиты приводит к уменьшению веса конструкции и улучшению топливной эффективности. Потребности промышленности в дальнейшем уменьшении общего веса транспортного средства при сохранении его структурной целостности и безопасности вызывают огромную заинтересованность в создании композиционных материалов для сложных конструктивных компонентов. В частности, 100 кг уменьшения веса магистрального самолета может сэкономить значительное количество гигакалорий энергии и существенно уменьшить эмиссию СО?.
Одним из наиболее перспективных композиционных материалов для реализации проблемы уменьшения веса конструкций с сохранением высокой прочности являются материалы, упрочненные частицами тугоплавких соединений, не растворяющимися в основном металле. В качестве материала такой матрицы могут быть использованы широко применяемые металлы, такие, как алюминий, магний, их сплавы. Введение упрочняющих частиц в мягкую металлическую матрицу позволит значительно улучшить ее механические свойства - модуль упругости, прочность, твердость и повысить износостойкость.
При производстве литых деталей из алюминиевых сплавов применяются модификаторы в виде лигатур, в которых в качестве упрочняющей фазы используют карбид кремния. Однако они, как правило, имеют крупнозернистую структуру, что не всегда обеспечивает получение однородного строения слитков по всему объему.
Решением данной проблемы может быть введение в расплавы лигатур в виде композиционных материалов с целью равномерного распределения упрочняющих частиц в алюминиевом сплаве и измельчения его структуры.
Получить такие лигатуры можно, используя неравновесное и высокоактивное состояние углерода в виде так называемых детонационных алмазов в смеси с нанокристаллическим алюминием, когда в процессе горячего прессования идет реакционное взаимодействие компонентов.
В соответствии с вышеизложенным целью данной работы является установление закономерностей структурных и фазовых превращений при горячем прессовании смесей из нанопорошков алюминий-углеродная шихта, содержащая детонационные алмазы, и изучение влияния структуры полученного композита на свойства литого сплава при введении в расплав полученной композиционной лигатуры.
В соответствии с целью поставлены следующие задачи исследования:
-
Исследовать порошки алюминия, полученного методом электрического взрыва проводника (ЭВП), и шихты, содержащей детонационные алмазы.
-
Синтезировать методом горячего прессования композиционные материалы из порошковых смесей А1-С.
-
Изучить фазовый состав, параметры тонкой кристаллической структуры, микроструктуру и исследовать механические свойства и деформационное поведение горячепрессованных композитов.
-
Исследовать сплавы на основе алюминия с дисперсными частицами упрочни-теля, введенными посредством композиционной лигатуры, и изучить их физико-механические свойства.
Научная новизна исследований
Созданы научно-технические подходы получения композитов А1-А1.[С3 при синтезе высокодпсперсиой фазы АЦО в алюминиевой матрице в процессе изотермической выдержки под давлением порошковых смесей алЕОМиний — углерод. Данный подход обеспечивает формирование высокодисперсных высокомодульных включении, находящихся в металлической матрице.
Получен полный комплекс результатов о макро-, микро- и тонкой кристаллической структуре, механических свойствах, и деформационном поведении композитов А1-А1.|Сз, получаемых синтезом реагирующих смесей при изотермической выдержке под давлением. Получены экспериментальные данные, доказывающие эффективность использования высокодисперсных включений А1.|Сз в алюминиевых сплавах в качестве упрочняющей добавки, введение которых и гомогенное распределение в расплаве обеспечиваются плавлением матричного алюминия композитов AI-Al.iCV
Практическая значимость работы
На примере системы АІ-АЦСз разработан подход создания композитов «алюминиевый сплав - MeNCy», обеспечивающий формирование наноструктур-ных композиционных лигатур.
Доказана эффективность использования полученных материалов А1-А14Сз в качестве композиционной лигатуры в алюминиевых сплавах, введение которых приводит к уменьшению размера зерна в металлической матрице и увеличению механических свойств сплавов.
Полученные в диссертационной работе экспериментальные результаты о влиянии состава порошковых смесей алюминий - шихта, содержащая аморфный углерод и детонационный алмаз, на структуру композитов АІ-АІ^Сз могут составить основу технологических решений получения композитов с высокомодульными включениями МехСу в матрице лёгких сплавов, направленных на разработку высокопрочных материалов для различных отраслей промышленности.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Комплекс результатов о фазовом составе, параметрах тонкой кристаллической структуре, микроструктуре и механических свойствах горячепрессованных материалов АІ- А1,|Сз.
-
Формирование высокоднсперсной фазы А14Сз происходит в процессе изотермической выдержки под давлением порошковой смеси алюминий-шихта, содержащая аморфный углерод и детонационный алмаз, вследствие высокой активности нано-«углерода», что обеспечивает минимальные размеры кристаллитов: для алюминиевой матрицы - 40 нм, а для карбида алюминия - 30 нм.
-
Введение частиц АІ^Сз посредством композиционной лигатуры в технически чистый алюминий и алюминиевый сплав АК 7 обеспечивает существенное увеличение механических свойств.
Достоверность результатов обеспечивается комплексным подходом к решению поставленных задач и использованием апробированных методов и методик исследования, применением статистических методов обработки данных, анализом литературы, согласованием полученных результатов с данными других авторов.
Апробация работы. Основные результаты диссертации доложены на Всероссийской конференции молодых ученых: «Физика и химия высокоэнергетических систем». (Россия, г. Томск, 24-27 апреля 2007г.), Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации.», (Россия г. Новосибирск, 6-9 декабря 2007 г.), Международной школе-семинаре «Многоуровневые подходы в физической мезомеханике. Фундаментальные основы и инженерные приложения», (Россия, г. Томск, 9-12 сентября 2008 г.), II научно-технической конференции молодых ученых «Перспективы создания и применения конденсированных высокоэнергетических материалов», (Россия, г. Бийск, 25-26 сентября 2008 г.), International conference «India-Russia workshop on nano energetic materials», (India, Hyderabad, December 10-11, 2007.), Всероссийской конференции молодых ученых: «Физика и химия высокоэнергетических систем». (Россия г. Томск. 22-25 апреля 2009 г.), Международной конференции по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов, (Россия, г. Томск, 7-11 сентября 2009 г.). International conference «High energy materials 2009», (France, Bianitz, October 5-7, 2009.), Научно-технической конференции с международным участием V Ставе-ровские чтения. (Россия, г. Красноярск, 15-16 октября 2009 года.)
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 работ, из них 2 - в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК, 10 докладов и тезисов - в материалах научных конференций различного уровня, 2 патента.
Личный вклад автора состоит в получении композиционных материалов методом горячего прессования, проведении металлографических, рентгеност-руктурных и рентгенофазовых исследований, механических испытаний, сопоставлении полученных результатов с литературными данными и формулировании основных научных положений и выводов.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка использованных источников, включающего 128 наименований, всего 152 листа машинописного текста, включая 50 рисунков и 6 таблиц.
