Жидкофазные технологии получения заготовок из алюмоматричных нанокомпозитов (обзор)

Исследованию и разработке металломатричных композиционных сплавов (МКС) уделяется значительное внимание практически по всех экономически развитых странах благодаря комплексу механических и эксплуатационных свойств, которые могут быть получены в этом классе конструкционных материалов и которые недостижимы в материалах, получаемых с использованием традиционных технологий.

В МКС основой являются литейные или деформируемые сплавы, а армирующими элементами – дисперсные частицы, искусственно вводимые (ex-situ-процессы) или инициируемые в результате протекающих реакций (in-situ-процессы, «реакционное литье»). При этом, как правило, в качестве упрочнителей микрометрических размеров используются тугоплавкие высокопрочные частицы оксидов, карбидов, боридов, нитридов (наиболее часто SiC, Al2O3, B4C, TiC). Химические реакции in-situ, протекающие в расплаве при введении химически активных металлов, газов или химических соединений, формируют термодинамически устойчивые, смачиваемые расплавом за счет возникновения когерентных границ, термостабильные при повышенных температурах эксплуатации армирующие фазы. Разновидностью in-situ-процессов выступают процессы получения композитов, при которых для синтеза армирующих частиц в расплаве алюминия используется СВС [1].

Главными критериями при выборе состава матричного сплава, размера, количества, природы армирующих частиц и способа их имплантации в расплав, метода формообразования и условий формирования свойств заготовки являются требования к свойствам готовых изделий,

Используют три основные технологические схемы производства МКС:

– введение частиц в расплав при интенсивном перемешивании с помощью импеллера или магнитогидродинамического (МГД) перемешивателя;

– пропитка дисперсных частиц или преформ матричным расплавом;

– порошковая технология.

За исключением вариантов, в которых порошковая технология реализуется путем ком-пактирования исходных порошков матричного сплава и армирующих компонентов в твердом состоянии, все три технологические схемы связаны с использованием расплавов, т.е. жидкофазных технологий, для получения МКС.

Несмотря на обилие работ, посвященных исследованию и созданию МКС, их применение до сих пор фактически не вышло из стадии полупромышленного производства. Одной из причин такого положения считается ограниченность возможностей использования МКС для получения фасонных изделий различной массы и габаритов со сложными внутренними полостями. Благодаря своей универсальности наиболее приемлемыми с этой точки зрения являются как традиционные литейные технологии, предусматривающие заполнение литейных форм сплавами, находящимися в жидком состоянии, так и тиксотехнологии, предусматривающие заполнение форм сплавами, находящимися в двухфазном состоянии.

Особенностью литейных МКС признана необходимость обеспечения равномерности распределения дисперсных частиц в объеме расплава на всех этапах получения отливок традиционными методами литья, при этом проблема седиментационной устойчивости литейных композитов непосредственно связана не только с формированием структуры и свойств МКС, но и с реализуемыми методами изготовления отливок.

Алюминиевые сплавы в настоящее время являются наиболее востребованным и распространенным среди цветных сплавов конструкционным материалом, обладающим высокой удельной прочностью и универсальным комплексом механических, эксплуатационных и специальных свойств, что обусловливает исключительное значение материалов на алюминиевой основе для развития двигателестроения, авиационной и космической техники.

Микроразмерные частицы в алюмоматричных композитах (АМК) однозначно играют роль армирующих элементов, характер взаимодействий на границе «частица-расплав» определяется, главным образом, их смачиваемостью расплавом. Эти сплавы обеспечивают высокий уровень механических и эксплуатационных свойств и могут быть использованы для получения заготовок методом литья.

Особый интерес представляют работы, направленные на получение металломатричных нанокомпозитов за счет комплексного использования ex-situ- и in-situ-процессов (полиармирование). Положительное влияние наноразмерных дисперсных частиц в композитах, получаемых, главным образом, методами порошковой металлургии, доказало перспективность наноструктурных АМК (НАМК). Все положительные качества микроразмерных композитов в нанокомпозитах реализуются в значительно большей степени. Однако высокие энергетиче-– 410 – ский потенциал, удельная поверхность и межфазная энергия частиц, поверхностное натяжение расплава, усиление диффузионных процессов, протекающих тем интенсивнее, чем выше технологические температуры и ниже вязкость расплава, требуют принятия специфических технологических решений, отличных от технологий получения микроразмерных композиций

Примером, иллюстрирующим заинтересованность в разработке нанокомпозитов, служит принятая в США программа по созданию дискретно-армированных нанокомпозитов на основе алюминиевых сплавов системы Al-Mg-Sc-Zr с целью расширения температурных пределов эксплуатации материалов для ракетных двигателей, ГТД и авиационных конструкций [2].

Внимание, уделяемое этой проблеме в нашей стране, иллюстрируется государственными программами (соответствующая подпрограмма на 2011-2015 гг. ФЦП “Национальная технологическая база”, направленная на создание композитов на базе силуминов и внедрение тиксотех-нологий в дизелестроении; ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы»; конкурс Минпромторга, предусматривающий разработку сплавов и оборудования для тиксолитья; мероприятия, осуществляемые в соответствии с постановлением Правительства Российской Федерации от 9 апреля 2010 г. № 218 и др.), а также тематикой и количеством защищенных диссертаций, грантов различного уровня.

В РФ вопросами получения НАМК, преимушественно триботехнического назначения, занимаются в различных организациях, наиболее интенсивно – в ИММ им. А.А. Байкова РАН, ВлГТУ, Сибирском ГАУ им. акад. М.Ф. Решетнева, МИСиС, СПбГПУ.

Большинство исследователей наночастицам в алюминиеых сплавах отводят роль модификаторов. Микрочастицы SiC располагаются преимущественно на границах эвтектических зерен, а наночастицы SiC - в дендритах первичного твердого раствора. Тенденция микрочастиц располагаться по границам зерен приводит к снижению вязкости разрушения, прочности и твердости при повышенных температурах и ухудшению обрабатываемости [3]. Наночастицы SiC и AI 2 O ; влияют на размер и морфологию образующихся в расплаве интерметаллидных соединений, а в результате взаимодействия наноразмерных частиц SiC с Ti образуется упрочняющая фаза TiC [4]. Высказывается мнение, что нанопорошки обладают близким модифицирующим эффектом независимо от химического состава, структурного типа и других параметров [5].

Независимо от влияния, которое наночастицы оказывают на кристаллизующийся сплав, они сохраняются в твердом композите как изолированные включения, влияют на процессы разрушения композитов, причем это влияние в значительной степени зависит от места их расположения по отношению к границам дендритов и зерен.

Задача введения наночастиц в расплав и их равномерного распределения в объеме суспензии решается преимущественно за счет применения механического и МГД-замешивания частиц, при этом порошки армирующих частиц могут вводиться инжекцией в струе нейтрального газа, в виде таблеток, брикетов, порошковой проволоки, протяженных прессованных композиций. Эффективен способ введения наночастиц в расплав в виде наноразмерных порошковых композиционных материалов (НПКМ), получаемых методом механолегирования [6].

Рядом преимуществ обладает метод плазменного синтеза в сочетании с двухплоскостным МГД-перемешиванием [7, 8]. Двухплоскостное МГД-перемешивание широкоинтервальных – 411 – сплавов, в частности доэвтектических силуминов, в жидком и двухфазном состояниях позволяет одновременно решать задачи равномерного распределения частиц в объеме расплава и вырождения дендритной структуры, дает возможность использования всех преимуществ тик-солитья для получения нанокомпозитов [9]. В частности, применение избыточного давления при тиксоформовке позволяет избавиться от газовой пористости в заготовке.

Работы отечественных [10] и зарубежных [11] исследователей показывают, что одним из эффективнейших методов воздействия на процессы формирования структуры сплавов является их обработка в жидком и двухфазном состояниях мощным ультразвуком. Ультразвук диспергирует, распределяет и разрушает наноразмерные кластеры, при сочетании ультразвуковой обработки в режиме кавитации с введением модификаторов зародышевого типа в отливке формируется вырожденная дендритная структура.

Эффективность влияния ультразвука ослабевает при удалении от излучателя, поэтому целесообразно использовать эффект УЗ-обработки совместно с МГД-перемешиванием. Задача введения наночастиц в расплав может быть упрощена за счет предварительного получения высокопроцентных нанокомпозитных лигатур с последующим введением их в расплавы. При получении градиентных нанокомпозитных изделий может использоваться технология центробежного литья.

Задача обеспечения седиментационной устойчивости расплава, предотвращения агрегации наночастиц при непосредственной подаче композиции в формообразующую полость, а также при рецинклинге композитов и повторном нагреве перед формообразованием ранее полученных нанокомпозитных шихтовых заготовок решается в зависимости от варианта получения изделий из нанокомпозитов.

При непосредственной транспортировке суспензии в формобразующую полость целесообразно использовать метод композиционного литья (Compocasting), при этом интересные перспективы открывает использование для этих целей турбоиндукционных печей [12] и МГД-насосов [13].

Наиболее легко реализуемый вариант – порционная заливка суспензии в формообразующую полость.

При приготовлении композита в виде шихтовой заготовки для тиксоформовки предпочтительно использование процесса полунепрерывного литья, который позволяет обеспечить эффективный ввод дисперсных частиц в расплав (инжекция с помощью инертного газа, порошковая проволока и др.), их перемешивание, вырождение дендритов твердого раствора (МГД-перемешиватель, УЗ-обработка). Полное вырождение дендритной структуры дает возможность мерную заготовку нагревать только до технологической температуры формообразования. С этой точки зрения заслуживают внимания работы, направленные на интенсификацию процессов вырождения дендритов за счет комплексного электротокового воздействия [14].

Расширение номенклатуры материалов, пригодных для тиксолитья, за счет деформируемых твердорастворных сплавов типа АД31 [15] позволяет использовать их как основы для по -лучения нанокомпозитов при тиксоформовке.

Перспективны разработки в области получения НАКС с использованием в качесте арми-руюших комплексов наноуглеродных материалов, в частности фуллеренов С60, нанотрубок, – 412 – наноалмазов, наноразмерных продуктов модифицирования природных углеродосодержащих пород (шунгитов) [16-18].

Развитие процессов тиксоформовки (тиксолитья, тиксоштамповки) показывает, что исследование и разработка этих процессов делает особенно перспективным сотрудничество литейщиков и специалистов в области пластической обработки сплавов. При этом литейщики призваны решать вопросы обеспечения «прокатчиков» заготовками для тиксоштамповки. Предметом общих интересов могут стать и совместные работы в области получения листовых и профильных изделий из нанокомпозитов методами бесслитковой прокатки.

В настоящее время бурно развиваются гранульные технологии, в частности новое материаловедческое направление - наноструктурные гранульные композиты, объединяющее достоинства гранульной металлургии и принципы создания объемного композиционного материала из гранул. Для компактирования используются, как правило, всестороннее гидро- или газостатическое прессование [19]. С учетом опыта литейщиков в области суспезионного литья, возможности использования наноструктурных гранул для введения наночастиц в расплав представляется весьма перспективным сотрудничество литейщиков и специалистов гранульной металлургии в области разработки гибридных процессов, способных, в конечном итоге, обеспечивать получение фасонных изделий из нового класса нанокомпозитов .

Вопросы получения изделий из нанокомпозитов с использованием жидкофазных технологий требуют системного подхода к решению всего комплекса возникающих проблем, привлечения специалистов в различных областях знания (термодинамики, физико-химии расплавов и физики твердого тела, механики разрушения, технологии получения и обработки сплавов в жидком, двухфазном и твердом состояниях, компьютерных технологий, сварки, механической обработки).

Решение этой комплексной проблемы возможно при участии многопрофильных научных учреждений, которыми, в первую очередь, служат научно-исследовательские (политехнические) университеты.

Заключение

• 1.    Основными изделиями, на которые в настоящее время ориентировны отечественные разработки НАКС, являются детали триботехнического назначения и жаропрочные композиты для ЦПГ ДВС. Перспективны для применения НАКС и другие области машиностроения, в частности нефтедобывающая и нефтеперерабатывающая промышленность.

• 2.    Теория наноструктурных металломатричных, в частности алюмоматричных, композиционных сплавов находится в стадии становления. Необходимо выяснить роль наночастиц различного состава и происхождения в процессах кристаллизации и перекристаллизации композитов, в процессах разрушения изделий в различных условиях эксплуатации, что требует, в частности, определения теплофизических характеристик композитов, разработки соответствующих математических и физических моделей.

• 3.    При разработке нанокомпозитов необходимо не только исходить из заданного комплекса их механических и специальных свойств, но рассматривать в качестве обязательных конструктивные особенности конкретных заготовок (деталей), метод их получения, особенности механической и термической обработок.

• 4.    Представляется целесообразным дальнейшие работы в области получения фасонных изделий из НАКС ориентировать в следующих направлениях:

• –    в качестве матричных использовать широкоинтервальные и твердорастворные сплавы, обеспечивающие возможность их обработки в жидком и двухфазном состояниях;

• –    при порционной обработке расплава или полунепрерывном литье заготовок использовать комплексы из микроразмерных частиц элементов-носителей (медь, переходные металлы) и тугоплавких наночастиц, получаемые механолегированием, а также гранульные нанокомпозиты при их введении в виде прессованных брикетов, порошковой проволоки с помощью газовой инжекции;

• –    равномерное распределение наночастиц в объеме расплава обеспечивать за счет комплексного использования в оптимальных режимах процессов МГД-перемешивания и УЗ-обработки, при этом ориентируясь на реализацию одностадийности процесса полного вырождения дендритов твердого раствора и создания тиксотропной структуры;

• –    в качестве основного метода получения готовых изделий из НАКС использовать методы формообразования нанокомпозитов в двухфазном состоянии (тиксолитье, тиксо-штамповка, композиционное литье);

• –    применять для достижения заданного уровня свойств НАКС в готовых изделиях весь арсенал достижений в области плавки, обработки в жидком, двухфазном и твердом состояниях матричных сплавов;

• –    рассматривать работы в области создания НКАС как базу для разработки нанокомпозитов на основе других сплавов, в первую очередь магниевых.