Введение к работе
Актуальность темы. Условия эксплуатации контейнерных базовых несущих конструкций авиационной, ракетно-космической техники и других ответственных изделий обуславливают крайне жесткие требования к применяемым материалам. Свойства используемых материалов должны обеспечивать прочность конструкции при минимальном удельном весе и габаритах, надежность и длительный ресурс при воздействии переменных и значительных силовых нагрузок, чередования повышенных и пониженных температур, коррозионно-активных сред, электромагнитных, рентгеновских излучений. Поэтому при разработке новых материалов и способов их изготовления делается упор на применение передовых достижений в области технологий.
Материалы для контейнерных базовых несущих конструкций должны соответствовать требованиям стойкости к внешним воздействующим факторам: синусоидальной нагрузке с амплитудой ускорения до 40 м/с (4g) и механическому удару многократного действия с пиковым ударным ускорением до 70 м/с (7g) и длительностью действия 5 мс. Одними из главных критериев прочности являются временное сопротивление и модуль нормальной упругости. Для материалов авиационной и ракетно-космической отрасли важным показателем является эффективность материала по массе, которая оценивается удельными характеристиками прочности и жесткости. При производстве ответственных изделий существует потребность в материалах, обладающих не только высокими прочностными свойствами, но и повышенной коррозионной стойкостью, специальными электрофизическими характеристиками, сочетанием удельных показателей прочности, жесткости и др. Условия работы при экстремальных условиях с повышенными значениями температур обуславливают применение высокопрочных и термостойких конструкционных материалов.
В этой связи предлагается новое техническое решение по созданию высокопрочного композиционного материала, в котором в качестве металлической матрицы выбирается материал из группы легких сплавов (алюминий, магний, титан и др.), а в качестве армирующего - металлы, которые способны образовывать с металлической матрицей интерметаллические соединения, обладающие высокой прочностью и модулем упругости.
С целью обеспечения повышенных эксплуатационных характеристик предлагается на поверхности композиционного материала сформировать керамическое покрытие методом микродугового оксидирования.
Таким образом, исследования по созданию высокопрочных композиционных материалов на основе легких металлов и сплавов с упрочняющими интерметаллическими элементами и керамическим покрытием, проведенные в настоящей работе, являются актуальной и перспективной задачей материаловедения.
Актуальность работы подтверждается выполнением ее в рамках шести НИР и ОКР, по федеральным целевым программам.
Объект исследования - высокопрочный композиционный материал системы «алюминий-медь» с интерметаллическими элементами трубчатой формы и многофункциональным керамическим покрытием.
Предмет исследования - взаимосвязь состава, структуры и механических характеристик высокопрочного композиционного материала системы «алюминий-медь».
Цель работы - создание высокопрочного композиционного материала системы «алюминий-медь», упрочненного интерметаллическими элементами трубчатой формы и многофункциональным керамическим покрытием, на основе разработки комплексной технологии.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Разработать технологические схемы ударно-волновой обработки композиционного материала системы «алюминий-медь», армированного волокнами плоской и цилиндрической формы.
-
Определить температурно-временные параметры кинетики роста интерметаллических фаз в структуре волокнистых композиционных материалов.
-
Исследовать взаимосвязь структуры и механических свойств композиционного материала с интерметаллическими элементами трубчатой формы и многофункциональным керамическим покрытием на различных стадиях технологической обработки.
-
Исследовать деформационный процесс соударения элементов матрицы и армирующих волокон путем моделирования ударно-волнового воздействия в программе LS-DYNA.
Методы исследования. Использован комплекс современных методов исследований микроструктуры (металлографический микроскоп NIKON EPIPHOT 200, электронный микроскоп Zeiss SIGMA), фазового рентгеноспектрального микроанализа (установка Energy 350 с безазотным SDD детектором Х-Мах 80 (Platinum)), измерения микротвердости (ПМТ-ЗМ, микротвердомер FM-300), измерения толщины интерметаллических фаз с помощью программы анализа изображения (VESTRA Imaging System), механических и технологических свойств композиционного материала (универсальная испытательная машина серии «QUASAR» модель 5) и рентгенографического метода (импульсный рентгеновский аппарат «САРМА» (B&G) модель 500). Компьютерное моделирование с помощью программы LS-DYNA позволило оценить характер деформации компонентов при ударно-волновом нагружении. Экспериментальные исследования выполнены в аттестованных лабораториях по стандартным методикам.
Достоверность и обоснованность научных положений и выводов подтверждаются сходимостью с результатами теоретических и экспериментальных исследований, моделирования с применением метода конеч-
ных элементов, а также механических и технологических испытаний композиционного материала.
Научная новизна (пп. 2, 3, 4 паспорта специальности 05.16.09):
-
Предложен способ интерметаллического упрочнения композиционного материала системы «алюминий-медь», получаемого по комплексной технологии, особенностью которой является формирование требуемых механических свойств на одной из заключительных стадий в результате термической обработки при частичном превращении армирующих элементов в интерметаллическую фазу.
-
Определены параметры кинетики образования интерметаллидов в композиционном материале на основе изучения взаимосвязи температуры, времени, состава и толщины интерметаллической прослойки.
-
Разработаны технологические схемы получения волокнистого композиционного материала системы «алюминий-медь» с применением ударно-волновой обработки. Обоснован выбор технологических режимов, обеспечивающих соединение волокна и матрицы.
-
Установлена взаимосвязь структуры и механических свойств высокопрочного композиционного материала, армированного интерметаллическими элементами трубчатой формы, на различных стадиях технологического процесса. Показано, что увеличение объемного содержания интерметаллической фазы в композите до 9 % приводит к увеличению временного сопротивления до 40 % и модуля нормальной упругости на 17 %.
-
Установлено, что формирование многофункциональных керамических покрытий на композиционном материале с интерметаллическим упрочнением позволяет повысить его предел прочности и модуль упругости.
Практическая значимость:
-
Разработан комплексный подход к созданию высокопрочного композиционного материала системы «алюминий-медь», включающий ударно-волновое воздействие, формообразование, термическую обработку и микродуговое оксидирование.
-
Получен патент РФ № 2407640 «Способ получения композиционного материала» (Патентообладатели: ФГБОУ ВПО ПГУ, Российская Федерация, от имени которой выступает государственный заказчик - Министерство обороны РФ и др.).
-
Определены значения латентного периода, рассчитаны энергия активации и коэффициенты диффузии образования интерметаллических фаз CuAl и СиАЬ, объемной доли упрочняющих фаз при заданной степени пластической деформации, что позволяет повысить удельные показатели прочности и жестокости композита.
-
Установлена возможность повышения механических характеристик композиционного материала за счет образования интерметаллической упрочняющей фазы. При объемном содержании интерметаллической фазы в композите до 9 % временное сопротивление увеличивается до 232,5 МПа, а
удельная жесткость - на 12 %. При объемном содержании фазы 5 % модуль нормальной упругости возрастает до 83 ГПа, а удельная прочность - на 22 %.
-
Получена опытная партия образцов композиционного материала с керамическим покрытием, сформированным методом микродугового оксидирования. Показано, что нанесение покрытия толщиной от 2 до 5 мкм увеличивает временное сопротивление композита до 262,0 МПа и модуль нормальной упругости до 97,44 ГПа.
-
Результаты диссертационной работы могут быть реализованы в виде широкого спектра многофункциональных композиционных материалов для конструктивных элементов авиационной и космической техники и других ответственных изделий военного и гражданского назначения.
Основные результаты, выносимые на защиту:
-
Технологическая схема создания волокнистого композиционного материала системы «алюминий-медь».
-
Результаты исследований кинетики формирования интерметаллических структур в высокопрочных композиционных материалах, рентгеноспектрального микроанализа и определения латентного периода зарождения интерметаллических фаз.
-
Результаты экспериментальных исследований по определению механической прочности композита с интерметаллическим упрочнением и многофункциональным керамическим покрытием.
-
Моделирование ударно-волнового деформационного процесса соударения элементов матрицы и армирующих волокон в программе LS-DYNA.
Реализация результатов работы.
-
Результаты диссертационной работы использованы в шести НИР и ОКР, в частности «Формирование научного подхода и разработка технологии композиционных армированных металлических высокопрочных и высокомодульных материалов для авиационной техники» (государственный контракт № 14.740.11.0132 от 13.09.2010), «Разработка теоретических основ создания композиционных металло-керамических материалов повышенной механической прочности и термостабильности для авиационной техники» (соглашение № 14.В37.21.1850 от 4.10.2012), ОКР «Разработка материалов и технологии их получения для контейнерных БНК» (договор № 15/08 от 17.11.2008 г.), в виде технических предложений по выполнению схем ударно-волнового нагружения, экспериментальных данных по исследованию микроструктуры, результатов определения механических и технологических свойств композиционного материала, результатов моделирования деформационного процесса ударно-волновой обработки в программе LS-DYNA.
-
Результаты работы внедрены в учебный процесс кафедры «Сварочное, литейное производство и материаловедение» для подготовки специалистов и бакалавров по направлению 150100 «Материаловедение и технологии материалов» и профилю подготовки «Материаловедение
и технологии новых материалов», при проведении занятий по Президентской программе повышения квалификации инженерных кадров на 2012-2014 гг. (соглашение № 06.В47.21.0025 от 6.11.2012 и № 06.В47.21.0026 от 30.05.2013).
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на следующих симпозиумах и конференциях: «Shock-assisted materials synthesis and processing: science, innovations and industrial implementation»: VIII, X, XI International Symposium on Explosive Production of New Materials: Science, Technology, Business and Innovations (Moscow, 2006; Bechichi, 2010; Strasburg, 2012); I, IV Международной научно-технической конференции «Аналитические и численные методы моделирования естественнонаучных и социальных проблем» (Пенза, 2006, 2009); Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии» - НТМ-2008, НТМ-2010 (Москва, 2008, 2010), I Международной научно-практической конференции «Инновационные технологии в машиностроительном комплексе» (Пенза, 2011); International Workshop on Explosion / Combustion-Assisted Production of New Materials (Svetlogorsk, Kalilingrad, 2011); Всероссийской научно-технической конференции «Современные проблемы повышения эффективности сварочного производства» (Тольятти, 2011); Международной научно-технической конференции «Проблемы разливки и кристаллизации стали, сварки, термообработки и математическое моделирование технологических процессов» (Москва, 2012); Всероссийской конференции по испытаниям и исследованиям свойств материалов «ТестМат-2012» (Москва, 2012).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 печатных работ, из них три в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получен один патент РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы из 108 наименований и одного приложения. Работа изложена на 195 страницах основного текста, включает 57 рисунков и 37 таблиц.
