Металлокерамический композит и способ его получения (варианты)

Металлокерамический композит и способ его получения (варианты)

Реферат

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. %:

порошок ZrW2O8 или ZrW2O7(OH)2*2H2O	0,1-10,0
порошок алюминия	остальное,

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. %:

порошок ZrW2O8 или ZrW2O7(OH)2*2H2O	0,1-10,0
порошок алюминия	остальное,

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.

1. Металлокерамический композит, содержащий алюминий и упрочняющую добавку, отличающийся тем, что в качестве упрочняющей добавки он содержит вольфрамат циркония (ZrW₂O₈), при следующем соотношении компонентов, мас.%:

ZrW2O8	0,1-10,0
алюминия	остальное

2. Способ получения металлокерамического композита, включающий приготовление порошковой смеси, формование и спекание заготовки, отличающийся тем, что порошковую смесь готовят из порошков алюминия и наноструктурных вольфрамата циркония (ZrW₂O₈) или дигидроксодиаквавольфрамата циркония (ZrW₂O₇(OH)₂*2H₂O), при следующем соотношении компонентов, мас.%:

порошок ZrW2O8 или ZrW2O7(OH)2*2H2O	0,1-10,0
порошок алюминия	остальное,

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.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что используют наноструктурный вольфрамат циркония, полученный гидротермальным синтезом.

4. Способ по п. 2, отличающийся тем, что используют наноструктурный дигидроксодиаквавольфрамат циркония, полученный гидротермальным синтезом.

5. Способ получения металлокерамического композита, включающий приготовление порошковой смеси, формование и спекание заготовки, отличающийся тем, что порошковую смесь готовят из порошков алюминия и наноструктурных вольфрамата циркония (ZrW₂O₈) или дигидроксодиаквавольфрамата циркония (ZrW₂O₇(OH)₂*2H₂O), при следующем соотношении компонентов, мас.%:

порошок ZrW2O8 или ZrW2O7(OH)2*2H2O	0,1-10,0
порошок алюминия	остальное,

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.

6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что используют наноструктурный вольфрамат циркония, полученный гидротермальным синтезом.

7. Способ по п. 5, отличающийся тем, что используют наноструктурный дигидроксодиаквавольфрамат циркония, полученный гидротермальным синтезом.