Изучение механизмов упрочнения полученного композитного материала на основе алюминия высокой чистоты, упрочненного наночастицами SiO₂, в поле действия центробежной силы центрифуги

Цель исследования. Получение новых композитных материалов на основе алюминия, упрочненных дисперсными, высокопрочными, тугоплавкими наночастицами SiO2 в поле центробежных сил центрифуги, а также изучение свойств полученных композитных материалов и механизмов их упрочнения.

Методы. В качестве материала матрицы использован литой алюминий марки А99, который упрочняли наночастицами: SiO2 производства компании ООО «Плазмотерм», средний размер частиц 15 нм. Проведен элементный локальный анализ химического состава при использовании электронной оже-спектроскопии. Методом просвечивающей электронной микроскопии изучена дислокационная структура алюмокомпозита, упрочненного дисперсными наночастицами диоксида кремния, и их распределение в материале матрицы. Характер излома изучали с помощью растровой (сканирующей) электронной микроскопии. Были определены основные механические свойства алюмокомпозитов, а именно твердость по Роквеллу, прочность на изгиб, а также эксплуатационные свойства – жаростойкость и коррозионная стойкость.

Результаты. В процессе кристаллизации в поле действия центробежных сил центрифуги были получены КМ на основе алюминиевой матрицы, упрочненной дисперсными наноразмерными частицами в количестве, не превышающем 1%. При проведении ряда механических испытаний доказано, что с увеличением гравитационного коэффициента и концентрации упрочняющей фазы физико-механические характеристики увеличиваются. С помощью ряда микроструктурных анализов было доказано, что наночастицы диоксида кремния агрегируют и образуют агломераты размером от 100…300 нм. Образовавшиеся агломераты в процессе кристаллизации являются зародышевыми центрами и находятся внутри зерен по границам субзерен. 

Заключение. Получены композитные материалы на основе алюминия высокой чистоты, соответствующего марки А99, упрочненного наночастицами SiO2, в поле действия центробежной силы центрифуги при гравитационном коэффициенте, равном 121 и 164g. Доказано влияние используемых наночастиц на физикомеханические и эксплуатационные свойства композитного материала. 

Предложен метод введения упрочняющих наночастиц в виде предварительно спрессованных с заданным содержанием упрочняющей фазы брикетов – лигатур.

1. Перспективы создания литейных композиционных материалов типа А1·Al2О3·SiO2 / В. В. Стацура, В. В. Леонов, Л. И. Мамина, Л. А. Оборин, А. И. Черепанов // Литейное производство. 2003. № 2. С. 11–12.

2. Уваров В. В., Дроздов И. А. Об использовании легирующих таблеток при выплавке алюминиевых сплавов // Сборник научных трудов Всероссийского совещания материаловедов России. Ульяновск: УлГТУ, 2006. С. 81–85.

3. Влияние тугоплавких наночастиц на модификацию структуры металломатричных композитов / Т. А. Чернышова, Л. К. Болотова, И. Е. Калашников, Л. И. Кобелева, П. А. Быков // Металлы. 2007. № 3. С. 79–84.

4. Kennedy A. R., Wyatt S. M. Characterizing particle-matrix interfacial bonding in particulate Al-TiC MMCs produced by different methods // Composites: Part A. 2001. Vol. 32. P. 555–559.

5. Чернышова Т. А., Кобелева Л. И., Лемешева Т. В. Дисперсно-наполненные композиционные материалы на базе антифрикционного силумина для узлов трения скольжения // Перспективные материалы. 2004. № 3. С. 69–75.

6. Буше Н. А., Миронов А. Е., Маркова Т. Ф. Новые алюминиевые сплавы взамен традиционных материалов // Приводная Техника. 2003. № 5. С. 57–62.

7. Kevorkijan V. Functionally graded aluminium-matrix composites // American Ceramic Society Bulletin. 2003. Vol. 82. P. 33–37.

8. Оценка эффективности применения твердосплавных электроэрозионных порошков в качестве электродного материала / Е. В. Агеев, Г. Р. Латыпова, А. А. Давыдов, Е. В. Агеева // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2012. № 1.С. 19–22.

9. Проведение рентгеноспектрального микроанализа твердосплавных электроэрозионных порошков / Е. В. Агеев, Г. Р. Латыпова, А. А. Давыдов, Е. В. Агеева // Известия Юго-Западного государственного университета. 2012. № 5 (44), ч. 2. С. 99–102.

10. Исследование химического состава порошков, полученных электроэрозионным диспергированием твердого сплава / Е. В. Агеев, Б. А. Семенихин, Е. В. Агеева, Р. А. Латыпов // Известия Юго-Западного государственного университета. 2011. № 5 (38), ч. 1. С. 138a–144.

11. Получение твердосплавных изделий холодным изостатическим прессованием электроэрозионных порошков и их исследование / Е. В. Агеева, Р. А. Латыпов, П. И. Бурак, Е. В. Агеев // Известия Юго-Западного государственного университета. 2013. № 5 (50). С. 116–125.

12. Порошки, полученные электроэрозионным диспергированием отходов твердых сплавов – перспективный материал для восстановления деталей автотракторной техники / Е. В. Агеев, В. Н. Гадалов, Е. В. Агеева, Р. В. Бобрышев // Известия Юго-Западного государственного университета. 2012. № 1 (40), ч. 1. С. 182–189.

13. Исследование процесса формования и консолидации заготовок из механосинтезированных порошков гафнатов европия и церия / Ж. В. Еремеева, Е. В. Агеев, Г. Х. Шарипзянова, Ю. Ю. Капланский, Н. М. Ниткин, А. С. Ахметов, В. Л. Орлов, А. А. Саенко // Известия Юго-Западного государственного университета. 2021. Т. 25, № 3. С. 8–26.

14. Методы подготовки и получение исходных материалов для приготовления гранул оксида гадолиния для ТВЭЛ / Т. М. Алдажаров, Ю. Г. Русин, Ж. В. Еремеева, Т. А. Рыспаев, Е. В. Агеев // Известия Юго-Западного государственного университета. 2016. № 4 (67). С. 8–18.

15. Химическая стойкость в агрессивных средах композиционного материала ЭПАН, упрочненного наноразмерными углеродными волокнами / В. И. Костиков, Ж. В. Еремеева, Д. А. Слюта, Н. М. Ниткин, Е. В. Агеев, Г. Х. Шарипзянова // Известия Юго-Западного государственного университета. 2014. № 3 (54). С. 134–140.

16. Особенности SPS-спекания заготовок порошка из карбида бора, полученного различными методами / Ж. В. Еремеева, О. В. Мякишева, В. С. Панов, В. Ю. Лопатин, Е. В. Агеев, А. В. Лизунов, А. А. Непапушев, Д. А. Сидоренко, Д. Ю. Мишунин, Е. В. Апостолова // Известия Юго-Западного государственного университета. 2017. № 3 (72). С. 41–58.

17. Исследование процесса получения наноструктурированного титаната диспрозия механохимической обработкой оксидов титана и диспрозия / В. С. Панов, Ж. В. Еремеева, Е. В. Агеев, Л. В. Мякишева, А. А. Лизунов // Известия Юго-Западного государственного университета. 2015. № 5 (62). С. 21–26.

18. Структура и свойства порошка гафната диспрозия Dy2HFO5, полученного механохимическим способом / Ж. В. Еремеева, Е. В. Агеев, Ю. Ю. Капланский, С. А. Воротыло, А. А. Непапушев, Д. А. Сидоренко, А. В. Хван // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2019. Т. 9, № 3 (32). С. 44–63.

19. Разработка алюмокомпозитов, легированных микропорошками меди или магния, с малыми добавками оксидных наночастиц / Л. Е. Агуреев, Б. С. Иванов, В. И. Костиков, Ж. В. Еремеева, Е. В. Агеев, И. Н. Лаптев, С. В. Савушкина, Р. И. Рудштейн, А. А. Бармин, А. И. Канушкин, А. А. Ашмарин // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2016. № 3 (20). С. 9–20.

20. Структура и свойства алюмоматричных композиционных материалов, полученных в нестационарном силовом поле и упрочненных наноразмерными добавками / В. И. Костиков, В. Ю. Лопатин, Ж. В. Еремеева, Е. В. Симонова, Ю. Ю. Капланский, Г. Х. Шарипзянова, Р. А. Латыпов, Е. В. Агеев // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2014. № 1. С. 52–60.