Результат интеллектуальной деятельности: Способ получения упрочненного нанокомпозиционного материала на основе магния

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано в авиастроении для изготовления различных деталей самолетов и вертолетов; в ракетной технике для изготовления корпусов ракет, обтекателей, топливных и кислородных баков, корпусов приборов, различных рычагов; в автомобильной промышленности.

Известны способы термомеханической обработки сплавов на основе магния. В частности, в способе [1] проводят гомогенизацию сплава при температуре (415÷520)°С в течение (4÷24) часов, экструзию при температуре (300÷450)°С со степенью вытяжки 7-18 и равноканальное угловое прессование при температуре (250÷320)°С с истинной степенью деформации 6-8. Одновременно повышаются прочность и пластичность магниевых сплавов. Недостатком данного способа является стадия равноконального углового прессования, которая ограничивает применимость способа к габаритным деталям и изделиям сложной геометрии.

Известен способ [2] получения металломатричного композита, который содержит матрицу на основе алюминия и упрочняющие алмазные наночастицы, внедренные в матрицу в течение (0.2÷5) часов механического легирования. Материал обладает высокими прочностными характеристиками и обеспечивает возможность получения деталей с низкой шероховатостью поверхности.

Другой способ получения металломатричного композита [3] относится к порошковой металлургии. Для получения металломатричного композита осуществляют механическое легирование матричного материала наночастицами с твердостью большей, чем у матрицы, и с максимальным размером не более 50 нм. При этом содержание наночастиц в металломатричном композите составляло (0.05÷10) об. %. Способ позволяет повысить качество композита за счет однородного распределения упрочняющих частиц в матрице. Недостатком данного способа является использование метода порошковой металлургии, который связан с прессованием материала, что значительно ограничивает номенклатуру выпускаемых изделий.

Известен способ получения упрочненных сплавов на основе алюминия [4]. Этот способ включает получение лигатуры из смеси порошков алюминия и диборида или карбида титана ударно-волновым компактированием в виде стержней при содержании в лигатуре 5 мас. % порошка диборида или карбида титана с размером частиц (1÷5) мкм и введение полученных стержней в расплав алюминиевой основы, разогретой до 720°С, при одновременном воздействии на расплав ультразвукового поля. Изобретение направлено на повышение прочности и износостойкости сплавов.

Наиболее близким по техническому решению к заявляемому изобретению является способ получения упрочненного материала на основе магния, включающий введение порошка нитрида алюминия в расплав матрицы на основе магния при одновременном воздействии на расплав ультразвукового поля [5]. Этот способ включает несколько этапов. Первый этап заключается в предварительной ультразвуковой обработке нитрида алюминия в этиловом спирте в течение (10÷15) мин с последующим удалением спирта в течение (3÷4) ч при температуре (500÷560)°С. На втором этапе проводится плавление магния в графитовом тигле под защитой инертного газа до достижения температуры расплава (700÷760)°С. Третий этап заключается во введении нитрида алюминия в количестве (2÷7) мас. % при скорости загрузки (1÷1.5) г/мин с одновременной обработкой ультразвуком с частотой (5÷10) кГц и мощностью 2 кВт. После введения нитрида алюминия ультразвуковая обработка проводится в течение (10÷20) мин с частотой 20 кГц и мощностью (1÷2) кВт при температуре расплава (660÷680)°С. На последнем этапе проводиться разливка расплава в предварительно нагретую до температуры (400÷450)°С металлическую модель и последующее охлаждение.

Техническим результатом настоящего изобретения является разработка способа получения нанокомпозиционного материала на основе магния с повышенными значениями прочности и пластичности.

Технический результат достигается тем, что разработан способ получения упрочненного композиционного материала на основе магния, включающий введение лигатуры в расплав матрицы на основе магния при одновременном воздействии на расплав ультразвукового поля. Лигатуру готовят в виде компактированных стержней из равномерно перемешанной смеси порошка магния и нанопорошка нитрида алюминия с диаметром частиц (30÷80) нм. Полученные стержни вводят в расплав матрицы на основе магния с обеспечением содержания нанопорошка нитрида алюминия в получаемом нанокомпозиционном материале (1±0.2) мас. %, и выдерживают при температуре расплава матрицы на основе магния в течение не менее 35 минут при одновременном воздействии на расплав ультразвуком интенсивностью (20÷25) Вт/см² и частотой колебаний (17÷19) кГц.

Полученный положительный эффект изобретения обусловлен следующими факторами.

1. Использование частиц A1N со средним размером в диапазоне от 30 до 80 нм обеспечивает возможность реализации механизма дисперсного упрочнения [6].

2. Содержание наночастиц нитрида алюминия в матричном материале в количестве (1±0.2) мас. % позволяет достичь максимальных значений прочности, что было определено экспериментально.

3. Ультразвуковая обработка способствует равномерному распределению наночастиц нитрида алюминия в матрице основного металла и дегазации сплава для уменьшения его дефектности [7].

4. Интенсивность ультразвукового излучения в диапазоне (20÷25) Вт/см² и частота в диапазоне (17÷19) кГц обусловлены реализацией в данном режиме обработки эффекта развитой кавитации, что способствует смачиванию наноразмерных частиц [8].

5. Время ультразвуковой обработки расплава выбрано с учетом литературных данных, которые свидетельствуют о гомогенном распределении частиц средним размером от 30 до 80 нм [9].

Пример реализации способа

В качестве исходных порошков для получения лигатур, используемых в предлагаемом способе для эффективного введения упрочняющих наночастиц, были взяты нанопорошки нитрида алюминия, полученного методом электровзрыва проводника и порошки магния марки МПФ-4. Для получения лигатур в виде прутков готовили смесь из нанопорошка нитрида алюминия и порошка магния в массовом соотношении 20/80% соответственно. Полученную механическую смесь порошков помещали в контейнер, представляющий собой магниевую трубку длиной 400 мм, диаметром 20 мм (толщина стенки составляла 3 мм), закрытую с обеих сторон заглушками. Далее осуществляли взрывное компактирование по способу, описанному в [4].

Для получения композиционных магниевых сплавов в качестве матричного материала был взят сплав марки АМ60, содержащий 93,5 мас. % магния, 6 мас. % алюминия, 0.1 мас. % цинка, остальное - примеси. Плавку проводили в муфельной печи при температуре 820°С. При достижении температуры металла (730÷740)°С в тигель помещали предварительно нагретый ультразвуковой волновод. Глубина погружения волновода составляла (3÷5) см. После этого включали ультразвуковой генератор. Одновременно с ультразвуковой обработкой в расплав вводили заданное количество лигатуры. Далее выдерживали расплав в условиях поддержания температуры (730÷740)°С и обрабатывали ультразвуком в течение не менее 35 минут. Затем проводили заливку расплава в кокиль.

Были проведены механические испытания полученных нанокомпозиционных материалов с целью определения предела прочности и пластичности. Полученные результаты сравнивались со свойствами прототипа - сплава АМ60 без добавок наночастиц нитрида алюминия.

С целью исследований механических свойств сплава были подготовлены образцы в виде лопаток, согласно ГОСТ 1497-84 [10]. Испытание образцов на растяжение проводили на Универсальной испытательной машине Instron 3369 со скоростью движения подвижного траверса 0.2 мм/мин.

Исследования показали, что среднее значение предела прочности для прототипа составило 110 МПа, в свою очередь, для нанокомпозиционного сплава это значение составило 225 МПа. Таким образом, получено увеличение значения прочности при растяжении более чем в 2 раза.

Установлено, что помимо увеличения прочностных свойств сплавов значительно увеличились значения деформации до разрушения (от 6% для прототипа до 16% для нанокомпозиционного сплава). Это свидетельствует об увеличении пластичности полученного композиционного материала.

Таким образом, приведенный пример реализации показывает, что заявляемый способ позволяет достичь положительного технического результата изобретения, а именно увеличения предела прочности при растяжении более чем в два раза с одновременным увеличением пластичности композиционного материала на основе магния.

ЛИТЕРАТУРА

1. Патент РФ №2351686, МПК C22F 1/06. Способ термомеханической обработки сплавов на основе магния / С.В. Добаткин, Л.Л. Рохлин, М.В. Попов, В.Н. Серебряный, Т.В. Добаткина, С.А. Никулин; опубл. 10.04.2009 г.

2. Патент РФ №2456361, МПК С22С 1/05. Металломатричный композит / В.А. Попов; опубл. 20.07.2012 г.

3. Патент РФ №2423539, МПК С22С 1/05. Металломатричный композит / B. А. Попов; опубл. 10.07.2011 г.

4. Патент РФ №2542044, МПК С22С 1/03. Способ получения упрочненных сплавов на основе алюминия / А.Б. Ворожцов, С.А. Ворожцов, В.А. Архипов, C. Н. Кульков, Э.Р. Шрагер; опубл. 20.02.2015 г.

5. Patent №CN №103924115A, IPC С22С 1/05. Preparation method of nano aluminium nitride-reinforced magnesium-based composite material / Y. Hong, C. Xiao-Hui; published 16.07.2014.

6. Конева H.A. Физика прочности металлов и сплавов // Соросовский образовательный журнал. 1997, №7. - С. 95-102.

7. Добаткин В.И., Эскин Г.И., Абрамов О.В. Воздействие мощного ультразвука на межфазную поверхность металлов. - М.: Наука, 1986. - 276 с.

8. Эскин Г.И. Влияние кавитационной обработки расплава на структуру и свойства литых и деформированных легких сплавов // Вестник Российской академии естественных наук. 2010, №3. - С. 82-89.

9. Повышение эффективности технологических процессов в поле акустических колебаний: сб. статей / под ред. Н.Н. Хавского. - М.: МИСиС, 1981. - 132 с.

10. ГОСТ 1497-84. Методы испытаний на растяжение.