Металлокерамический композит и способ его получения (варианты)

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к спеченным конструкционным композиционным материалам на основе алюминия, используемые в различных областях промышленности, в частности, в транспортных и космических сферах.

Известен патент «Наноструктурный композиционный материал на основе алюминия» (RU 2440433, С22С 21/00, B22F 3/12, С22С 1/04, опубл. 20.01.2012). Наноструктурный композиционный материал на основе алюминия состоит из алюминиевого сплава с размером зерен от 5 до 150 нм и упрочняющих наночастиц фуллерен С₆₀ в количестве 0,5÷12 вес. % в молекулярной форме, причем молекулы С₆₀ расположены на поверхности зерен алюминиевого сплава. Получается материал, обладающий увеличенной твердостью, плотностью и удельной прочностью.

Недостатком известного технического решения являются агломерация частиц фуллерена и их неравномерное распределение в металлической матрице материала.

Известен патент «Способ горячего прессования порошков тугоплавких металлов» (RU 2252838). В предложенном способе горячего прессования порошков тугоплавких металлов, преимущественно молибдена и вольфрама, включающем засыпку порошка в пресс-форму, его горячее прессование и извлечение полученного изделия, согласно изобретению, горячее прессование порошка осуществляют в атмосфере инертного газа, при этом порошок нагревают до температуры рекристаллизации тугоплавкого металла, затем в температурном интервале рекристаллизации тугоплавкого металла одновременно с ростом температуры прикладывают давление, величина нарастания которого плавно изменяется до максимального значения, далее осуществляют нагрев при этом давлении до окончательной температуры горячего прессования и изотермическую выдержку. Обеспечивается мелкозернистость, прочность, требуемая изотропия полученной прессовки.

Известен патент «Металлокерамический композит и способ его получения» (RU Пат. 2450082). Описан металлокерамический композит, полученный химическим взаимодействием металлической пористой основы и паров оксида молибдена или оксида вольфрама, общей формулы: (1-k)M⋅k(MO_n⋅M'O₃) или (1-k)(Fe⋅0.3Cr⋅0.2Ni)⋅k (Fe₂O₃⋅0.3Cr₂O₃⋅0.4NiO⋅4.9M'O₃), где M-Ni, Cu, Ti; M'-Mo, W; n=1, 2; 0.03 k<1. Композит получают путем химического взаимодействия пористой металлической основы при 600-750°С парами оксида молибдена МоО₃ или вольфрама WO₃ до образования оксидного слоя, содержащего молибдат или вольфрамат металла основы, толщиной 4-189 мкм. В качестве пористой металлической основы используют или никель, или медь, или титан, или нержавеющую сталь. Обеспечивается высокая прочность связанных слоев с использованием простого и эффективного способа получения. Недостатком является плохая адгезия керамического состава к поверхности металла.

Известен патент «Minimal thermal expansion, high thermal conductivity metal-ceramic matrix composite)) (US 6132676 А). Изобретение обеспечивает методы для формирования композитов в том числе XW₂O₈, где X=Zr, Hf, или их комбинации, диспергированные в непрерывной, металлической матрицей. Результатом являются обеспечение материалу низких или нулевых значений коэффициента термического расширения с высокой тепло- и электропроводностью. Один из способов формирования композиционного материала включает в себя частицы XW₂O₈, покрытые слоем металла, с последующем изостатическим прессованием частиц в условиях, поддающихся формированию композита. Методика покрытия, с более податливой фазой, то есть фазой, которая претерпевает невыгодные фазовые превращения при разложении при воздействии порогового давления при заданной температуре, может быть применена к различным материалам.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ получения алюминиевого сплава с вольфраматом циркония, известный из работы Wu Y. The effect of phase transformation on the thermal expansion property in Al/ZrW₂O₈ composites/ Y.Wu, M. Wang, Z. Chen, N. Ma // Journal of Materials Science. - 2013. - V. 48 7). - pp. 2928-2933.

В этой работе металлокерамический композиционный материал Al - 50 об. % ZrW₂O₈ был получен литьем под давлением расплава алюминия с частицами ZrW₂O₈ с последующей различной термической обработкой. Добавка вольфрамата циркония использовалась для компенсации теплового расширения алюминия с целью понизить общий коэффициент термического расширения композита. Введение вольфрамата циркония позволило уменьшить значение коэффициента термического расширения с 23⋅10^-6 С^-1 для чистого алюминия до 6 - 9⋅10^-6 С^-1 для Al - 50 об. % ZrW₂O₈ в диапазоне от 20 до 250°С.

Недостатком известного технического решения является невысокие прочностные характеристики металлокерамического композиционного материала.

Технической проблемой предлагаемого изобретения является разработка металлокерамического композита с высокими прочностными характеристиками и способов его получения указанного материала.

Указанный технический результат достигается тем, что металлокерамический композит содержит алюминий и упрочняющую добавку, при этом в качестве упрочняющей добавки содержит вольфрамат циркония (ZrW₂O₈) при следующем соотношении компонентов: ZrW₂O₈ от 0,1 до 10,0 масс. %; алюминий - остальное.

Также указанный технический результат достигается тем, что способ (1 вариант) получения металлокерамического композита включает приготовление порошковой смеси, формование и спекание заготовки, при этом порошковую смесь готовят из порошков алюминия и наноструктурных вольфрамата циркония (ZrW₂O₈) или дигидроксодиаквавольфрамата циркония (ZrW₂O₇(OH)₂*2H₂O), при следующем соотношении компонентов, мас. %:

формование и спекание заготовки проводят одновременно в едином цикле горячего прессования при температуре 600±25°С в среде аргона с изотермической выдержкой 10-20 минут и последующим быстрым охлаждением до комнатной температуры.

Также указанный технический результат достигается тем, что способ (2 вариант) получения металлокерамического композита включает приготовление порошковой смеси, формование и спекание заготовки, при этом порошковую смесь готовят из порошков алюминия и наноструктурных вольфрамата циркония (ZrW₂O₈) или дигидроксодиаквавольфрамата циркония (ZrW₂O₇(OH)₂*2H₂O), при следующем соотношении компонентов, мас. %:

формование и спекание заготовки проводят последовательно путем проведения, сначала холодного прессования, а затем спекания при температуре 600±25°С в защитной атмосфере с изотермической выдержкой 60-120 минут.

В обоих способах-вариантах используют наноструктурный вольфрамат циркония и наноструктурный дигидроксодиаквавольфрамат циркония, полученные гидротермальным синтезом.

Раскрытие сущности изобретения

Разработка новых легких конструкционных материалов с высокими прочностными характеристиками является одним из основных направлений современного материаловедения. Наиболее востребованным материалом является алюминий и сплавы на его основе благодаря их легкости, доступности и т.д. Среди новых легких алюминиевых сплавов большое внимание уделяется дисперсно-упрочненным материалам, когда введение в металлическую матрицу легирующих элементов позволяет усилить необходимые характеристики алюминия, в частности, прочность, твердость, долговечность. Конечные свойства металлокерамического композита зависят в значительной мере от показателей вводимых частиц.

Использование вольфрамата циркония (ZrW₂O₈) в качестве легирующего элемента позволит повысить прочностные характеристики алюминия и избежать агломерации легирующей составляющей. Усиление прочности алюминиевого сплава обеспечивается за счет упрочняющего механизма, реализуемого благодаря разнице коэффициентов термического расширения алюминиевой матрицы (α=23⋅10^-6 С^-1) и вольфрамата циркония (α=-9⋅10^-6 С^-1) [Дедова Е.С. Структура и свойства вольфрамата циркония и псевдосплавов Al-ZrW₂O₈: дис. канд. техн. наук: 05.16.09: защищена 12.09.2014: утв. 19.01.2015. - Т., 2014. - 160 с.; Дедова Е.С. Синтез и исследование металломатричных композитов с наноразмерными частицами вольфрамата циркония / Е.С. Дедова, B.C. Шадрин, Р. Гербер // Труды XXI международной конференции «Современные техника и технологии». - Т. 1. - С. 461-464]. Согласно экспериментальным данным, приведенным в работе [Дедова Е.С. Структура и свойства вольфрамата циркония и псевдосплавов Al-ZrW₂O₈: дис. канд. техн. наук: 05.16.09: защищена 12.09.2014: утв. 19.01.2015. - Т., 2014. - 160 с.], максимальные значения механических характеристик металлокерамический композит имеет при содержании от 0,1 до 10,0 масс % ZrW₂O₈. Увеличение содержания вольфрамата циркония (ZrW₂O₉) / прекурсора (ZrW₂O₇(OH)₂*2H₂O) в порошковой смеси приводит к уменьшению механических свойств, обусловленное ростом пористости металлокерамического композита при его получении по предлагаемому способу.

Примеры конкретного выполнения изобретения

Пример 1

В качестве исходных компонентов используют:

- порошок алюминия марки АСД 6,

- вольфрамат циркония, полученный гидротермальным синтезом.

Для получения порошковой смеси используют 50 г алюминия и 3,5 г вольфрамата циркония ZrW₂O₈. Смешивание компонентов проводится в присутствии спирта в планетарной мельнице в течение 1 минуты. Для перемешивания используют стальные барабаны с керамическими вкладышами, в качестве мелющих тел выступают шары сферической формы с диаметром 8 мм, изготовленные из оксида алюминия. Соотношение мелющих тел к порошку составляет 5:1. После перемешивания порошки сушат при комнатной температуре до высыхания спирта. Металлокерамический композит формировался из полученной смеси порошков методом горячего прессования в графитовых пресс - формах с внутренним диаметром 1 см. Формование и спекание заготовки проводилось в среде аргона при температуре 600±25°С и давлении 30 МПа. Скорость нагрева пресс - формы составила 150°С / мин. Продолжительность изотермической выдержки заготовки под давлением составила 10 минут. После горячего прессования осуществлялось быстрое охлаждение графитовой пресс - формы в течение 15 минут.

Металлокерамический композит обладает следующими характеристиками: твердость по Виккерсу 260 МПа, предел прочности 163 МПа.

Пример 2

В качестве исходных компонентов используют:

- порошок алюминия марки АСД 6,

дигидроксодиаквавольфрамат циркония ZrW₂O₇(OH)₂*2H₂O, полученный гидротермальным синтезом.

Для получения порошковой смеси используют 50 г алюминия и 0,25 г дигидроксодиаквавольфрамат циркония ZrW₂O₇(OH)₂*2H₂O. Смешивание компонентов проводится в присутствии спирта в планетарной мельнице в течение 1 минуты. Для перемешивания используют стальные барабаны с керамическими вкладышами, в качестве мелющих тел выступают шары сферической формы с диаметром 8 мм, изготовленные из оксида алюминия. Соотношение мелющих тел к порошку составляет 5:1. После перемешивания порошки сушат при комнатной температуре до высыхания спирта. Металлокерамический композит формировался из полученной смеси порошков методом горячего прессования в графитовых пресс - формах с внутренним диаметром 1 см. Формование и спекание заготовки проводилось в среде аргона при температуре 600±25°С и давлении 30 МПа. Скорость нагрева пресс - формы составила 150°С / мин. Продолжительность изотермической выдержки заготовки под давлением составила 20 минут. После горячего прессования осуществлялось быстрое охлаждение графитовой пресс - формы в течение 15 минут.

Металлокерамический композит обладает следующими характеристиками: твердость по Виккерсу 280 МПа, предел прочности 180 МПа.

Пример 3

В качестве исходных компонентов используют:

- порошок алюминия марки АСД 6,

- дигидроксодиаквавольфрамат циркония ZrW₂O₇(OH)₂*2H₂O, полученный гидротермальным синтезом.

Для получения порошковой смеси используют 50 г алюминия и 5 г дигидроксодиаквавольфрамат циркония ZrW₂O₇(OH)₂*2H₂O. Смешивание компонентов проводится в присутствии спирта в планетарной мельнице в течение 1 минуты. Для перемешивания используют стальные барабаны с керамическими вкладышами, в качестве мелющих тел выступают шары сферической формы с диаметром 8 мм, изготовленные из оксида алюминия. Соотношение мелющих тел к порошку составляет 5:1. После перемешивания порошки сушат при комнатной температуре до высыхания спирта. Металлокерамический композит формировался из полученной смеси порошков методом горячего прессования в графитовых пресс - формах с внутренним диаметром 1 см. Формование и спекание заготовки проводилось в среде аргона при температуре 600±25°С и давлении 30 МПа. Скорость нагрева пресс - формы составила 150°С / мин. Продолжительность изотермической выдержки заготовки под давлением составила 15 минут. После горячего прессования осуществлялось быстрое охлаждение графитовой пресс - формы в течение 15 минут.

Металлокерамический композит обладает следующими характеристиками: твердость по Виккерсу 230 МПа, предел прочности 160 МПа.

Пример 4

В качестве исходных компонентов используют:

- порошок алюминия марки АСД 6,

- вольфрамат циркония, полученный гидротермальным синтезом.

Для получения порошковой смеси используют 50 г алюминия и 0,35 г вольфрамата циркония ZrW₂O₈. Смешивание компонентов проводится в присутствии спирта в планетарной мельнице в течение 1 минуты. Для перемешивания используют стальные барабаны с керамическими вкладышами, в качестве мелющих тел выступают шары сферической формы с диаметром 8 мм, изготовленные из оксида алюминия. Соотношение мелющих тел к порошку составляет 5:1. После перемешивания порошки сушат при комнатной температуре до высыхания спирта. Заготовка металлокерамического композита формировалась из полученной смеси порошков методом холодного прессования в стальных пресс - формах с внутренним диаметром 1 см. Спекание заготовки проводилось в защитной атмосфере при температуре 600±25°С. Продолжительность изотермической выдержки составила 60 минут. Металлокерамический композит обладает следующими характеристиками: твердость по Виккерсу 198 МПа, предел прочности 129 МПа.

Пример 5

В качестве исходных компонентов используют:

- порошок алюминия марки АСД 6,

- дигидроксодиаквавольфрамат циркония ZrW₂O₇(OH)₂*2H₂O, полученный гидротермальным синтезом.

Для получения порошковой смеси используют 50 г алюминия и 0,25 г дигидроксодиаквавольфрамат циркония ZrW₂O₇(OH)₂*2H₂O. Смешивание компонентов проводится в присутствии спирта в планетарной мельнице в течение 1 минуты. Для перемешивания используют стальные барабаны с керамическими вкладышами, в качестве мелющих тел выступают шары сферической формы с диаметром 8 мм, изготовленные из оксида алюминия. Соотношение мелющих тел к порошку составляет 5:1. После перемешивания порошки сушат при комнатной температуре до высыхания спирта. Заготовка металлокерамического композита формировалась из полученной смеси порошков методом холодного прессования в стальных пресс - формах с внутренним диаметром 1 см. Спекание заготовки проводилось в защитной атмосфере при температуре 600±25°С. Продолжительность изотермической выдержки составила 120 минут.

Металлокерамический композит обладает следующими характеристиками: твердость по Виккерсу 213 МПа, предел прочности 146 МПа.

Пример 6

В качестве исходных компонентов используют:

- порошок алюминия марки АСД 6,

- дигидроксодиаквавольфрамат циркония ZrW₂O₇(OH)₂*2H₂O, полученный гидротермальным синтезом.

Для получения порошковой смеси используют 50 г алюминия и 0,05 г дигидроксодиаквавольфрамат циркония ZrW₂O₇(OH)₂*2H₂O. Смешивание компонентов проводится в присутствии спирта в планетарной мельнице в течение 1 минуты. Для перемешивания используют стальные барабаны с керамическими вкладышами, в качестве мелющих тел выступают шары сферической формы с диаметром 8 мм, изготовленные из оксида алюминия. Соотношение мелющих тел к порошку составляет 5:1. После перемешивания порошки сушат при комнатной температуре до высыхания спирта. Заготовка металлокерамического композита формировалась из полученной смеси порошков методом холодного прессования в стальных пресс - формах с внутренним диаметром 1 см. Спекание заготовки проводилось в защитной атмосфере при температуре 600±25°С. Продолжительность изотермической выдержки составила 90 минут.

Металлокерамический композит обладает следующими характеристиками: твердость по Виккерсу 185 МПа, предел прочности 109 МПа.