Жидкофазное получение методом СВС и термическая обработка композитов на основе алюминиево-магниевых сплавов, упрочненных высокодисперсной фазой карбида титана

Алюмоматричные композиционные материалы, дисперсно-упрочненные тугоплавкой фазой карбида титана, характеризуются уникальным сочетанием свойств и относятся к группе перспективных конструкционных материалов. Одним из наиболее доступных и энергосберегающих методов их получения является самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС), основанный  на  экзотермическом  взаимодействии  титана  и  углерода  (или  их  соединений)  непосредственно  в  расплаве. В работе приводятся результаты СВС композиционных материалов на основе промышленных сплавов АМг2H и АМг6H, упрочненных  10  мас.%TiC.  Исследованы  макро и  микроструктура  полученных  образцов,  проведены  микрорентгеноспектральный и рентгенофазовый анализы. Установлено, что уже в процессе охлаждения  на  воздухе  после  синтеза  происходит  выделение β-фазы из α-твердого раствора алюминия. Проведены эксперименты по изучению влияния дополнительного нагрева на структуру и свойства образцов, определены  оптимальные  температурно-временные  параметры,  предложена  феноменологическая модель последовательности структурных превращений. Выполнен сравнительный анализ физических, механических, технологических свойств и коррозионной стойкости исходных сплавов АМг2H и АМг6H в  нагартованном  состоянии  и  композиционных материалов на их основе до и после термической обработки. Установлено, что проведение дополнительного нагрева способствует снижению пористости и сохранению уровня электропроводности относительно этих показателей для литых композитов. Выявлено, что  прочность  на  сжатие  и  относительная  деформация  для  композита  на  основе  сплава  АМг2  изменяются незначительно, тогда как для материала на основе АМг6 их падение более существенно. При этом термическая обработка позволяет повысить твердость материалов, сохранив достаточную способность композитов к пластической деформации, что подтверждается значениями степени деформации и коэффициента уковки, близкими к уровню матричных сплавов. Также установлено,  что  синтезированные  композиционные  материалы  сохраняют  высокий  уровень  устойчивости  к  углекислотной и сероводородной коррозии.

1. Михеев Р.С., Чернышова Т.А. Алюмоматричные композиционные материалы с карбидным упрочнением для решения задач новой техники. М.: Издание РФФИ, 2013. 353 c.

2. Sethi V. Effect of aging on abrasive wear resistance of silicon carbide particulate reinforced aluminum matrix composite. USA: University of Cincinnaty, 2007. 114 p.

3. Панфилов А.А., Прусов Е.С., Кечин В.А. Проблемы и перспективы развития производства и применения алюмоматричных композиционных сплавов. Труды Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева. 2013; 2(99):210—217.

4. Nath H., Amosov A.P. SHS amidst other new processes for in-situ synthesis of Al-matrix composites: A review. International Journal of Self-Propagating High-Temperature Synthesis. 2016;(25):50—58. http://doi.org/10.3103/S106138621601009X

5. Амосов А.П., Луц А.Р., Латухин Е.И., Ермошкин А.А. Применение процессов CВC для получения in situ алюмоматричных композиционных материалов, дискретно армированных наноразмерными частицами карбида титана: Обзор. Известия вузов. Цветная металлургия. 2016;(1):39—49. http://doi.org/10.17073/0021-3438-2016-1-39-49

6. Pramod S.L., Bakshi S.R., Murty B.S. Aluminum-based cast in situ composites: A review. Journal of Materials Engineering and Performance. 2015;24(6):2185—2207. http://doi.org/10.1007/s11665-015-1424-2

7. Pandey U., Purohit R., Agarwal P., Dhakad S.K., Rana R.S. Effect of TiC particles on the mechanical properties of aluminium alloy metal matrix composites (MMCs). Materials Today: Proceedings. 2017;4:5452— 5460. http://doi.org/10.1016/j.matpr.2017.05.057

8. Chaubey A.K., Prashanth K.G., Ray N., Wang Z. Study on in-situ synthesis of Al—TiC composite by self — propagating high temperature synthesis process. Materials Science: An Indian Journal. 2015;12(12): 454—461.

9. Zhou D., Qiu F., Jiang Q. The nano-sized TiC particle reinforced Al—Cu matrix composite with superior tensile ductility. Materials Science and Engineering:A. 2015;622:189—193. http://doi.org/10.1016/j.msea.2014.11.006

10. Tian W.S., Zhao Q.L., Zhao C.J., Qiu F., Jiang Q.C. The dry sliding wear properties of nano-sized TiCp/ Al—Cu composites at elevated temperatures. Materials. 2017;10:939. http://doi.org/10.3390/ma10080939

11. Луц А.Р., Амосов А.П., Ермошкин А.А., Ермошкин А.А., Никитин К.В., Тимошкин И.Ю. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез высокодисперсной фазы карбида титана из смесей порошков в расплаве алюминия. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2013;(3):28—35. http://doi.org/10.3103/S1067821214060169

12. Луц А.Р., Амосов А.П., Латухин Е.И., Рыбаков А.Д., Новиков В.А., Шипилов С.И. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез наноструктурных композиционных сплавов (Al—2%Mn)— 10%TiC и (Al—5%Cu—2%Mn)—10%TiC при легировании порошковым марганцем. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2018;(3):30—40. http://doi.org/10.17073/1997-308X-2018-3-30-40

13. Sai Chaitanya Kishore D., Prahlada Rao K., Mahamani A. Investigation of cutting force, surface roughness and flank wear in turning of in situ Al6061—TiC metal matrix composite. Procedia Materials Science. 2014;6:1040—1050. http://doi.org/10.1016/j.mspro.2014.07.175

14. Kareem A., Qudeiri J.A., Abdudeen A., Ahammed T., Ziout A. A review on AA 6061 metal matrix composites produced by stir casting. Materials. 2021;14(1):175. http://doi.org/10.3390/ma14010175

15. Krishna Prasad S., Dayanand S., Rajesh M., Nagaral M., Auradi V., Selvaraj R. Preparation and mechanical characterization of TiC particles reinforced Al7075 alloy. Advances in Materials Science and Engineering. 2022;1:1—11. http://doi.org/10.1155/2022/7105189

16. Cho Y.H., Lee J.M., Kim S.H. Al—TiC Composites fabricated by a thermally activated reaction process in an al melt using Al—Ti—C—CuO powder mixtures: Pt. II. Microstructure control and mechanical properties. Metallurgical & Materials Transactions. 2015;46A:1374— 1384. http://doi.org/10.1007/s11661-014-2476-x

17. Ramakoteswara Rao V., Ramanaiah N., Sarcar M.M. Mechanical and tribological properties of AA7075— TiC metal matrix composites under heat treatment (T6) and cast conditions. Journal of Materials Research and Technology. 2016;5(4):377—383. http://doi.org/10.1016/j.jmrt.2016.03.011

18. Ramakoteswara Rao V., Ramanaiah N., Sarcar M.M. Dry sliding wear behavior of Al7075 reinforced with titanium carbide (TiC) particulate composites. In: Proceedings of Int. Conf. on Advances in Materials, Manufacturing and Applications (AMMA 2015) (2015, April 9—11). Р. 39—44. URL: https://www.researchgate.net/publication/279868886_Dry_Sliding_Wear_Behavior_of_Al7075_Reinforced_with_Titanium_Carbide_TiC_Particulate_Composites (accessed: 21.03.2023).

19. Chen C.L., Lin C.H. A Study on the aging behavior of Al6061 composites reinforced with Y2O3 and TiC. Metals. 2017;7 (11):7—11. http://doi.org/10.3390/met7010011

20. Курбаткина Е.И., Шавнев А.А., Косолапов Д.В., Гололобов А.В. Особенности термической обработки композиционных материалов с алюминиевой матрицей (обзор). Труды ВИАМ. 2017;11:82—97. URL: http://viam-works.ru/ru/articles?year=2017&num=11 (дата обращения: 21.03.2023). http://dx.doi.org/10.18577/2307-6046-2017-0-11-9-9

21. Курганова Ю.А. Разработка и применение дисперсно-упрочненных алюмоматричных композиционных материалов в машиностроении: Автореф. дис. … д.т.н. М.: ИМЕТ РАН, 2008.

22. Hashim J. The production of cast metal matrix composite by a modified stir casting method. Jurnal Teknologi. 2001;35(1):9—20. http://doi.org/10.11113/jt.v35.588

23. Contreras А., Angeles-Chávez C., Flores O., Perez R. Structural, morphological and interfacial characterization of Al—Mg/TiC composites. Materials Characterization. 2007;58:685—693. http://doi.org/10.1016/j.matchar.2006.11.031

24. Shu S., Lu J, Qiu F., Xuan Q., Jiang Q. Effects of alloy elements (Mg, Zn, Sn) on the microstructures and compression properties of high-volume-fraction TiCx /Al composites. Scripta Materialia. 2010;63:1209—1211. http://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2010.08.040

25. Гуляев А.П. Металловедение. М.: Металлургия, 1986. 544 с.

26. Колачев Б.А., Елагин М.И., Ливанов В.А. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов. М.: МИСИС, 2001. 433 с.

27. Арзамасов Б.Н., Сидорин И.И., Косолапов Г.Ф., Макарова В.И., Мухин Г.Г., Рыжов Н.М., Силаева В.И., Ульянова Н.В. Материаловедение. М.: Машиностроение, 1986. 384 с.

28. Диаграммы состояния двойных металлических систем: Справочник. В 3 т. Т. 2. Под общ. ред. Н.П. Лякишева. М.: Машиностроение, 1996. 498 с.

29. Белов Н.А. Фазовый состав алюминиевых сплавов. М.: МИСИС, 2009. 234 с.

30. Кищик М.С. Формирование микрозеренной структуры в алюминиевом сплаве 1565ч путем термической и термомеханической обработки: Автореф. дис. … к.т.н. М.: МИСИС, 2019.

31. Pan S., Wang T., Jin K., Cai X. Understanding and designing metal matrix nanocomposites with high electrical conductivity: A review. Journal Materials Science. 2022;57:6487—6523. http://doi.org/10.1007/s10853-022-07010-4

32. Pan S., Yuan J., Zheng T., She Z., Li X. Interfacial thermal conductance of in situ aluminummatrix nanocomposites. Journals Materials Science. 2021;56:13646— 13658. http://doi.org/10.1007/s10853-021-06176-7

33. Михеев Р.С., Чернышова Т.А. Дискретно армированные композиционные материалы системы Al— TiC (обзор). Заготовительные производства в машиностроении. 2008;11:44—53.

34. Рафальский И.В. Ресурсосберегающий синтез сплавов на основе алюминия с использованием дисперсных неметаллических материалов и интеллектуальные методы контроля металлургических процессов их получения. Минск: БНТУ, 2016. 309 с.

35. Михеев Р.С. Перспективные покрытия с повышенными триботехническими характеристиками из композиционных материалов на основе цветных сплавов: Автореф. дис….д.т.н. М.: ИМЕТ РАН, 2018.

36. Перелыгин Ю. П., Лось И.С., Киреев С.Ю. Коррозия и защита металлов от коррозии. Пенза: Изд-во ПГУ, 2015. 88 с. URL: https://elib.pnzgu.ru/files/eb/u36mWX4yGz0I.pdf (дата обращения: 21.03.2023). (In Russ.).