Выбор термической обработки и исследование ее влияния на структуру и свойства композиционного материала АК10М2Н–10%TiC, полученного методом СВС в расплаве

Композиционные материалы на основе сплавов системы  Al–Si, упрочненные высокодисперсной фазой карбида титана, характеризуются улучшенными свойствами и относятся к группе перспективных конструкционных материалов. В настоящее время наиболее доступным и эффективным способом их получения является самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС), основанный на экзотермическом взаимодействии прекурсоров титана и углерода непосредственно в расплаве. В работе обоснована целесообразность и показан успешный опыт синтеза 10 мас.% фазы карбида титана в расплаве сплава АК10М2Н и получения композиционного материала АК10М2Н–10%TiC. На образцах матричного сплава и полученного на его основе композиционного материала реализована термическая обработка по режиму Т6 с различными температурно-временными параметрами операций закалки и старения, по результатам которых выбраны оптимальные условия термообработки, обеспечивающие получение максимальной твердости. Исследована макрои микроструктура, проведены микрорентгеноспектральный и  рентгенофазовый  анализы  полученных  образцов. Выполнен комплекс сравнительных испытаний разных групп свойств. Установлено, что образцы АК10М2Н–10%TiC до и после проведения термической обработки по оптимальным режимам имеют  плотность, близкую к расчетному  значению. Показано, что совместное  проведение армирования и термообработки способствует существенному повышению показателей твердости, микротвердости и прочности  на сжатие при незначительном  уменьшении пластичности, а также позволяет сохранить значения коэффициента термического линейного расширения, жаропрочности и стойкости к углекислотной и сероводородной  коррозии на уровне исходного сплава. Наибольший эффект отмечен при исследовании трибологических характеристик: проведение термической обработки композиционного материала по рекомендованному режиму способствует существенному снижению скорости изнашивания и коэффициента трения, позволяет исключить схватывание  и появление задиров, а также не допустить повышения температуры вследствие разогрева при трении.

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

2. Няфкин А.Н., Косолапов Д.В., Курбаткина Е.И. Влияние деформационно-термической обработки на формирование структуры дисперсно-армированного металлического композиционного материала на основе алюминиевого сплава. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2023;17(3):22—29. https://doi.org/10.17073/1997-308X-2023-3-22-29

3. Golla C.B., Babar Pasha M., Rao R.N., Ismail S., Gupta M. Influence of TiC Particles on mechanical and tribological characteristics of advanced aluminium matrix composites fabricated through ultrasonic-assisted stir casting. Crystals. 2023;13:1360. https://doi.org/10.3390/cryst13091360

4. Курбаткина Е.И., Косолапов Д. В., Ходыкин Л.Д., Нигметов М.С. Исследование влияния добавки кремния на фазовый состав алюминиевых композиционных материалов, армированных частицами карбида кремния. Авиационные материалы и технологии. 2014;S6:35—38. https://doi.org/10.18577/2071-9140-2014-0-s6-35-38

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

6. Курганова Ю.А., Колмаков А.Г. Конструкционные металломатричные композиционные материалы: Учебное пособие. М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2015. 141 c. https://urss.ru/images/add_ru/202831-1.pdf (дата обращения: 19.01.2024).

7. Arunkumar S., Subramani Sundaram M., Suketh Kanna K.M., Vigneshwara S.A review on aluminium matrix composite with various reinforcement particles and their behavior. Materials Today: Proceedings. 2020;33(1):484—490. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.05.053

8. Луц А.Р., Шерина Ю.В., Амосов А.П., Качура А.Д. Жидкофазное получение методом СВС и термическая обработка композитов на основе алюминиево-магниевых сплавов, упрочненных высокодисперсной фазой карбида титана. Известия вузов. Цветная металлургия. 2023;4:70—86. https://doi.org/10.17073/0021-3438-2023-4-70-86

9. 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

10. 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

11. Курганова Ю.А., Колмаков А.Г., Ицзинь Чэнь, Курганов С.В. Исследование механических свойств перспективных алюмоматричных композиционных материалов, армированных SiC и Al2O3. Материаловедение. 2021;6:34—38. http://doi.org/10.31044/1684-579X-2021-0-6-34-38

12. Михеев Р.С., Коберник Н.В., Калашников И.Е., Болотова Л.К., Кобелева Л.И. Триботехнические свойства антифрикционных покрытий на основе композиционных материалов. Перспективные материалы. 2015;3:48—54.

13. 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: 19.01.2024). http://dx.doi.org/10.18577/2307-6046-2017-0-11-9-9

14. Прусов Е.С., Панфилов А.А., Кечин В.А. Роль порошковых прекурсоров при получении композиционных сплавов жидкофазными методами. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2016;2:47—58. http://doi.org/10.17073/1997-308X-2016-2-47-58

15. Аксенов А.А. Оптимизация состава и структуры композиционных материалов на алюминиевой и медной основах, получаемых жидкофазными методами и механическим легированием: Автореф. дис. … д.т.н. М.: МИСИС, 2007.

16. Чурюмов А.Ю., Мохамед И.А. Микроструктура и механические свойства композиционных материалов на основе системы Al—Si—Mg армированных частиц SiC и полученных кристаллизацией под давлением. Металловедение и термическая обработка металлов. 2018;9:19—22. http://doi.org/10.1007/s11041-019-00321-5

17. Joseph O.O., Afolalu A.S., Abioye A.A., Agbo S.E., Olatunde S.F., Omotehinwa O.S. Effect of TiC addition on the mechanical properties and microstructure of Al—Si alloy. Materials Today: Proceedings. 2021;38(2): 784—788. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.04.544

18. Honglei Xi, Wenlong Xiao, Heng Li, Yu Fu, Ge Yi, Juhong Qie, Xiaozhao Ma, Chaoli Ma. Effects of submicron-sized TiC particles on the microstructure modification and mechanical properties of Al—Si—Mg alloy. Journal of Alloys and Compounds. 2023; 968:171963. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2023.171963

19. Reese C.W., Gladstein A., Fedors J.M., De Andrade V., Mishra B., Shahani A.J., Taub A.I. In situ Al— TiC composites fabricated by self-propagating hightemperature reaction: insights on reaction pathways and their microstructural signatures. Metallurgical and materials transactions. 2020;51A:3587—3600. https://doi.org/10.1007/s11661-020-05786-1

20. Mengxian Zhang, Yanqiu Huo, Li Ma. In situ TiC ceramic particles locally reinforced Al—Si matrix composites prepared by SHS-casting method from the Al—Si—Ti—C system. International Journal of Applied Ceramic Technology. 2014;11(4):723—731. https://doi.org/10.1111/ijac.12097

21. Rui-Fen Guo, Ya Wang, Yun-Hai Ma, Ping Shen. Role of Si in the wetting of TiC by Al. Journal of Materials Science. 2021;56:7791—7798. https://doi.org/10.1007/s10853-020-05496-4

22. López V.H., Scoles A., Kennedy A.R. The thermal stability of TiC particles in an Al7wt.%Si alloy. Materials Science and Engineering. 2003;A356:316—325. https://doi.org/10.1016/S0921-5093(03)00143-6

23. Xia F., Liangc M.X., Gaoc X.S., Guo Y.C., Li J.P., Yang W., Zhang Z.K. Instability of in situ TiC particles in an Al—12Si alloy. Journal of Materials Research and Technology. 2020;9(5):11361—11369. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2020.07.063

24. Ding Hai-min, Liu Xiang-fa. Influence of Si on stability of TiC in Al melts. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2011;21:1465—1472. https://doi.org/10.1016/S1003-6326(11)60882-0

25. Tang P., Zhou Y., Lai J. Lin Y., Lv S., Deng S. Preparation, Microstructure and mechanical properties of in-situ TiC/Al—Si—Fe aluminum matrix composites. Transactions of the Indian Institute of Metals. 2023;76:1893— 1903. https://doi.org/10.1007/s12666-023-02885-6

26. Anilkumar V., Shankar K.V., Balachandran M., Joseph J., Nived S., Jayanandan J., Jayagopan J., Surya Balaji U.S. Impact of heat treatment analysis on the wear behaviour of Al—14.2Si—0.3Mg—TiC composite using response surface methodology. Tribology in Industry. 2021;43(4):590—602. https://doi.org/10.24874/ti.988.10.20.04

27. Chen Ch.-L., Lin Ch.-H. A study on the aging behavior of Al6061 composites reinforced with Y2O3 and TiC. Metals. 2017;7(11). https://doi.org/10.3390/met7010011

28. Shuaihang Pan, Jie Yuan, Kaiyuan Jin, Narayanan Murali, Aaron Gladstein, Yuxin Zeng, Alan Taub, Xiaochun Li. Influence of Mg on reaction and properties of Al—Si/TiC nanocomposites. Materials Science and Engineering. 2022;A840:142992. https://doi.org/10.1016/j.msea.2022.142992

29. Pan S., Jin K., Wang T., Zhang Z., Zheng L., Umehara N. Metal matrix nanocomposites in tribology: Manufacturing, performance, and mechanisms. Friction. 2022;10:1596—1634. https://doi.org/10.1007/s40544-021-0572-7

30. Prusov E.S., Deev V.B., Aborkin A.V., Ri E.K., Rakhuba E.M. Structural and morphological characteristics of the friction surfaces of in-situ cast aluminum matrix composites. Journal of Surface Investigation. 2021;15(6):1332—1337. https://doi.org/10.1134/S1027451021060410

31. Шерина Ю.В., Луц А.Р., Ибатуллин И.Д. Разработка композиционного материала на основе сплава АК10М2Н и исследование его триботехнических свойств. Наукоемкие технологии в машиностроении. 2022;2(128):11—16. https://doi.org/10.30987/2223-4608-2022-2-11-16

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

33. Муратов В.С. Направленное формирование структурного состояния литых заготовок из алюминиевых сплавов. Часть 1. Влияние кристаллизационного охлаждения на структуру и свойства литых заготовок. Заготовительные производства в машиностроении. 2003;5:3—8.

34. Man Zhu, Zengyun Jian, Gencang Yang, Yaohe Zhou. Effects of T6 heat treatment on the microstructure, tensile properties, and fracture behavior of the modified A356 alloys. Materials and Design. 2012;36:243—249. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2011.11.018

35. Никитин К.В., Никитин В.И., Тимошкин И.Ю. Влияние модификаторов на изменение механических свойств силуминов. Известия вузов. Цветная металлургия. 2017; 3:72—76. https://dx.doi.org/10.17073/0021-3438-2017-3-72-76

36. Никитин К.В., Никитин В.И., Кривопалов Д.С. Модифицирование поршневого сплава АК10М2Н мелкокристаллическими лигатурами и переплавами. Литейщик России. 2013;10:28—31.

37. Няфкин А.Н., Шавнев А.А., Курбаткина Е.И., Косолапов Д.В. Исследование влияния размера частиц карбида кремния на температурный коэффициент линейного расширения композиционного материала на основе алюминиевого сплава. Труды ВИАМ. 2020;86:41—49. https://dx.doi.org/10.18577/2307-6046-2020-0-2-41-49

38. 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: 19.01.2024).