Metal matrix composites AMg-B[4]C-W were fabricated by spark plasma sintering (SPS) at temperatures from 440°С and 490°С. The obtained samples represent higher density close to theoretical. The role of sintering temperature and time of exposure in densification process and elastoplastic properties has been discussed

Двилис, Эдгар Сергеевич

Пайгин, В. Д.

Петюкевич, Мария Станиславовна

Хасанов, Алексей Олегович

Electronic archive of Tomsk Polytechnic University

 190  ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ МЕТАЛЛОМАТРИЧНОГО КОМПОЗИТА АМГ6-B4C-W МЕТОДОМ ИСКРОВОГО ПЛАЗМЕННОГО СПЕКАНИЯ В.Д. ПАЙГИН, А.О.ХАСАНОВ, М.С. ПЕТЮКЕВИЧ, Э.С. ДВИЛИС Национальный исследовательский Томский политехнический университет E-mail: vpaygin@mail.ru   SYNTHESIS AND CONSOLIDATION OF АМГ6-B4C-W METAL MATRIX COMSITE VIA SPARK PLASMA SINTERING V.D. PAYGIN, A.O. KHASANOV, M.S. PETYUKEVICH, E.S. DVILIS National Research Tomsk Polytechnic University E-mail: vpaygin@mail.ru  Annotation. Metal matrix composites AMg-B4C-W were fabricated by spark plasma sintering (SPS) at temperatures from 440oC and 490oC. The obtained samples represent higher density close to theoretical. The role of sintering temperature and time of exposure in densification process and elastoplastic properties has been discussed. Введение В связи с развитием современной науки и техники, с каждым днем повыша-ются требования к материалам конструкционного и функционального назначения. Значительные успехи в сфере создания таких материалов были достигнуты с разви-тием композиционных материалов с металлической матрицей, упрочненной арми-рующими частицами, волокнами или усами. Металломатричные композиты с оптимальным содержанием наполнителей обладают улучшенными свойствами по сравнению с неармированными монолитны-ми металлическими аналогами. Они обладают высокой прочностью, жесткостью, износостойкостью, теплопроводностью, повышенным сопротивлением на усталость, повышенным сопротивлением при высокотемпературных нагрузках [1]. В таких композитах металл выступает в качестве матрицы, которая усиливается путем до-бавления в неё неметаллических веществ, обычно керамики. При создании металло-матричного композита возможно целенаправленное изменение его эксплуатацион-ных и механических свойств, методом подбора состава, изменение соотношения компонентов и методов изготовления композита. Композитные материалы находят применение в ряде отраслей, в том числе в автомобилестроении, в электротехнической и аэрокосмической промышленности. Из них изготавливаются детали двигателей внутреннего сгорания, тормозных си-стем, элементы транспортных, авиационных и ракетных конструкций [2]. С точки зрения оптимального сочетания массы и прочностных свойств наиболее перспективной является композит на основе алюминиевой матрицы соста-ва АМг6-B4C-W. Металломатричные композиты такого состава способны проявлять стабильность по основным физико-механическим и эксплуатационным свойствам при облучении их рентгеновским излучением и потоками электронов, что свиде-тельствует о возможности применения этих композитов в качестве радиационно-защитных материалов и подчеркивает актуальность их разработки. Цель настоящей работы – Оценка вклада в формирование структуры метал-ломатричного композита АМг6-B4C-W, различных параметров спекания в плазме искрового разряда, таких как температура спекания и время выдержки. Секция 3. Перспективные материалы и технологии  ________________________________________________________________________  191   Объекты исследования. Экспериментальные методики. Для изготовления радиационно-защитного композита были выбраны порошки: алюминиевого сплава AМг6 в качестве несущего механическую нагрузку материала матрицы, ультрадисперсный порошок карбида бора B4C в качестве нейтронозащитного наполнителя и нанопорошок вольфрама W в качестве дисперсного наполнителя для поглощения гамма и рентгеновского излучения. Сухое смешивание порошковых компонентов АМг6-B4C-W с выбранным массовым содержанием 65-15-20 масс.% соответственно проводили в шаровой мельнице с мелющими телами из закалённой стали и керамики. Спекание образцов проводилось методом искрового плазменного спекания (SPS) в цилиндрической пресс форме, на установке SPS-515S, Syntex Inc при температурах 440°C и 490°C, давлении прессования 30 МПа, время выдержки при максимальной температуре со-ставляло 5 и 10 минут. Кинетика усадки композитного материала регистрировалась во время процесса спекания, встроенными средствами технологического оборудова-ния. Структурные и морфологические характеристики полученных образцов иссле-довали на полированных поверхностях с помощью нанотвердомера DUH-211S и JEOL JSM-7500FA.  Результаты и обсуждения Высокоплотные радиационно-защитные композиты были получены в указанных режимах спекания. Был определен процент усадки образцов (табл. №2), рассчитаны их плотность и температурный коэффициент термического расширения (ТКР). Образец №5, полученный при температуре спекания 440 oC и времени выдержки 5 минут, имеет наивысшую плотность – 98,96% и наименьший ТКР, равный -0,00109oC-1. Таблица 2 - Характеристики полученных образцов Тип гомо-гени-зации смеси № Об-раз-ца Температура спе-кания, ОС Время выдержки при макс. Температуре, мин Отн. плот-ность, % ТКР*1000, oC-1 Усадка, % Кер. шары 1 440 5 85,47 -0,88 25,50 2 490 5 98,88 -0,81 25,80 3 440 10 88,68 -1,08 31,98 4 490 10 101,8* -1,14 35,14 Мет. шары 5 440 5 98,96 -1,09 25,40 6 490 5 93,69 -0,79 30,65 7 440 10 90,09 -0,75 9,68 8 490 10 97,81 -0,91 37,77 * - наблюдались признаки плавления алюмо-магниевой матрицы. Анализ представленных в таблице 2 данных, позволяет сделать вывод, о том, что большее влияние на процесс уплотнения композитного материала оказывает температура спекания, так как её увеличение позволяет добиться более высоких значений плотности.  192  По данным полученным в ходе процесса спекания были построены кривые усадки, в зависимости от температуры, для каждого образца, изображенные на рисунке 1.   (а) Изменение плотности в процессе нагрева при температуре синтеза 490 °C; (б) Изменение плотности в процессе нагрева при температуре синтеза 440 °C; Рисунок 1 – Кривые уплотнения Кривые, представленные на рисунке 1, показывают, что в процессе SPS-синтеза, в диапазоне температур 30 - 215 oC происходит небольшое уплотнение об-разцов, обусловленное тем, что процесс термической усадки, незначительно преоб-ладает над процессом термического расширения. С ростом температура от 215 до 490 oC (от 215 до 440 oC для образцов с температурой спекания 440 oC) наблюдается интенсивное уплотнение спекаемого материала за счёт значительного преобладания процесса термической усадки над процессом термического расширения. При осты-вании, в диапазоне температур 490 – 170 oC (440 – 170 oC для образцов с температу-рой спекания 440 oC) происходит линейная усадка образцов за счет термического сжатия. Микроструктура композита AMg-B4C-W после спекания представлена на ри-сунке 2. Наблюдается достаточно равномерное распределение высокодисперсных частиц карбида бора и вольфрама в матрице, однако грубодисперсные частицы так же присутствуют.  Рисунок 2 – СЭМ-изображение структуры композита АМг6-B4C-W Секция 3. Перспективные материалы и технологии  ________________________________________________________________________  193   Результаты испытания упругопластических свойств композитных образцов представлены в таблице 3. Образец №8 обладает наибольшей твердостью – 4,466 Hv и относительной долей упругой деформации 23,2%. Синтез образца проводился при температуре 490ОС и времени выдержки 10 минут. Таблица 3 - Упругопластические свойства композитных образцов Тип гомо-гени-зации смеси № Об-разца Температура спекания, ОС Время вы-держки при макс. темпе-ратуре, мин Отн. Плот-ность, % Модуль упруго-сти, Н/мм2 Отн. доля упругой деформа-ции, % Твердость по Вик-керсу, ГПа Кер. Ша-ры 1 440 5 85,47 50460 13,1 1,299 2 490 5 98,88 86360 22,0 3,581 3 440 10 88,68 53670 15,0 1,373 4 490 10 101,8* 95240 21,6 3,932 Мет. шары 5 440 5 98,96 106900 21,0 4,291 6 490 5 93,69 71560 16,6 2,169 7 440 10 90,09 58920 14,5 1,592 8 490 10 97,81 102000 23,2 4,466 * - наблюдались признаки плавления алюмо-магниевой матрицы. На основании представленной таблицы 3 можно сделать вывод о том, что упругопластические свойства в большей степени зависят от температуры спекания, чем от времени выдержки, так как при увеличении температуры твердость компо-зитного материала повышается на 2 ГПа и больше. Относительная доля упругой де-формации повышается на 6% и больше. Заключение В результате проделанной работы были получены высокоплотные композитные образцы, обладающие минимальной пористостью. Выполнено исследование влияния температуры спекания и времени выдержки, на плотность и упругопластические свойства композитного материала АМг6-B4C-W.  Оценено влияние мелющих тел на упругопластические свойства и плотность композита АМг6-B4C-W. Замечено, что использование шаров из закаленной стали позволяет добиться меньшего разброса значений плотности и наибольшей твердо-сти. Замечено, что упругопластические свойства композитного материала АМг6-B4C-W существенно и не всегда монотонно зависят от режимов спекания, о чем сви-детельствует относительная доля работы упругой деформации при идентировании и микртвёрдость. Плотность композита АМг6-B4C-W в большей степени зависит от температу-ры спекания. Результаты полученные в работе позволят улучшить качество и характери-стики производимых композитов и снизить экономические затраты на их производ-ство. В работе было использовано оборудование наноцентра ТПУ.   194  Список литературы 1. Шаяхметов У. Ш., Мурзакова А. Р. Влияние температуры обработки на высо-котемпературную деформацию наноструктурированной композиционной ке-рамики на основе оксида алюминия // Вестник Башкирского университета. - 2014. Т. - 19. - №2. – С. 438 – 432. 2. Смирнов А.С., Коновалов А.В., Муйземнек О.Ю. Моделирование сопротив-ления деформации металломатричного алюминиевого композита 15 % SiC/Al при высоких температурах // Международный журнал прикладных и фунда-ментальных исследований. – 2014. - №11. – С. 22-25.     СИНТЕЗ РОМБИЧЕСКОГО АЛЮМИНАТА КАЛЬЦИЯ СaAl2O4   Т.В.БЕЛЯНИНОВА Томский государственный университет E-mail: belyaninova_tv@mail.ru SINTHESIS OF ORTHORHOMBIC CALCIUM ALUMINATE СaAl2O4 T.V.BELYANINOVA Tomsk State University E-mail: belyaninova_tv@mail.ru  Annotation. CaAl2O4 was synthesized by the sol-gel. The molar ratio of combined acids (tartaric, citric and malic) to the total concentration of metal cations Ca2+: Al3+: H4Tart (H4Cit ; H3Mal) was 1: 2: 3 respec-tively. Precursor firing temperature is in the range 1000-1200°C and heating rate 5 ° C / min. Scanning electron microscopy (SEM) and X-ray diffractometry (XRD) were used to characterize the precursor and the final product. Введение. Алюминаты щелочных и щелочноземельных металлов вызывают большой интерес в промышленности благодаря высокой термо- и коррозийной стойкости, химической инертности. Более того, алюминаты активированные ионами редкоземельных элементов, обладают интенсивной люминесценцией с длительным временем послесвечения, в связи с этим применяются в качестве люминесцентного материала. На данный момент известно несколько основных способов получения алюмината кальция, таких как твердофазное спекание оксидов, гидроксидов и кар-бонатов, процесс горения в растворе, СВС-синтез. По сравнению с перечисленными способами получения, золь-гель синтезирование имеет такие преимущества, как: однородность продуктов, которая обуславливается высокой степенью гомогениза-ции исходных компонентов; значительно небольшие энергетические затраты, вслед-ствие низких температур синтезирования. Полученные алюминаты характеризуются монофазной кристаллической структурой с высокой степенью совершенства, отсут-ствием посторонних фаз. Экспериментальная часть. Использование в синтезе алюмината кальция винной, лимонной и яблочной кислот обусловлено их способностью к образованию хелатных комплексов. В качестве реагентов использовались: наногидрат нитрата алюминия (Al3+), тетрагидрат нитрата кальция (Ca2+), моногидраты винной, лимон-ной и яблочной кислот. Водные растворы смешивали в мольном соотношении соот-

Формирование структуры металломатричного композита АМГ6-B4C-W методом искрового плазменного спекания

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Electronic archive of Tomsk Polytechnic University