powderИзвестия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытияPowder Metallurgy аnd Functional Coatings (Izvestiya Vuzov. Poroshkovaya Metallurgiya i Funktsional'nye Pokrytiya)1997-308X2412-8767НИТУ "МИСИС"10.17073/1997-308X-2017-4-29-36powder-327Research ArticleТугоплавкие, керамические и композиционные материалыRefractory, Ceramic, and Composite MaterialsРАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ АЛЮМОМАТРИЧНОГО ЛИТОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА С ПОМОЩЬЮ СИНТЕЗА УПРОЧНЯЮЩЕЙ ФАЗЫ ОКСИДА АЛЮМИНИЯ В РАСПЛАВЕ АЛЮМИНИЯDEVELOPMENT OF TECHNOLOGY TO PRODUCE CAST ALUMINUM MATRIX COMPOSITE BY ALUMINA STRENGTHENING PHASE SYNTHESIS IN ALUMINUM MELTЧернышовЕ. А.ChernyshovE. A.

Доктор технических наук, профессор кафедры металлургических технологий и оборудования.

603950, Н. Новгород, ул. Минина, 24, тел.: (831) 436-03-02

Dr. Sci. (Tech.), prof., Department of metallurgical technology and equipment.

603950, Nizhny Novgorod, Minina str., 24

nil_st@nntu.ruРомановА. Д.RomanovA. D.

Инженер научно-исследовательской лаборатории транспортных интеллектуальных систем (НИЛ ТИС).

603950, Н. Новгород, ул. Минина, 24, тел.: (831) 436-03-02

Engineer of Research laboratory of transport intelligent systems.

603950, Nizhny Novgorod, Minina str., 24

nil_st@nntu.ruРомановаЕ. А.RomanovaE. A.

Инженер НИЛ ТИС.

603950, Н. Новгород, ул. Минина, 24, тел.: (831) 436-03-02

Engineer of Research laboratory of transport intelligent systems.

603950, Nizhny Novgorod, Minina str., 24

nil_st@nntu.ruМыльниковВ. В.MylnikovV. V.

Кандидат технических наук, доцент кафедры строительных технологий и оборудования.

603095, Н. Новгород, ул. Ильинская, 65

Cand. Sci. (Tech.), associate prof., Department of building technology and equipment.

603095, Nizhny Novgorod, Il’inskaya str., 65

mrmylnikov@mail.ruНижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева (НГТУ)РоссияNizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alekseev (NNSTU)Russian FederationНижегородский государственный архитектурно-строительный университет (НГАСУ)РоссияNizhny Novgorod State University of Architecture and Civil EngineeringRussian Federation201721122017042936Copyright © Чернышов Е.А., Романов А.Д., Романова Е.А., Мыльников В.В., 20172017Чернышов Е.А., Романов А.Д., Романова Е.А., Мыльников В.В.Chernyshov E.A., Romanov A.D., Romanova E.A., Mylnikov V.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://powder.misis.ru/jour/article/view/327

В настоящее время ответственные детали и узлы, изготовленные из традиционных материалов, не всегда удовлетворяют возросшим требованиям конструкторов и условиям эксплуатации. Одним из решений данной проблемы являются разработка и применение дисперсно-упрочненных композиционных материалов с металлической матрицей. В работе на основе информационно-аналитического обзора предложена новая технология создания дисперсно-упроченного композиционного материала на основе алюминия. Изложены особенности разрабатываемой технологии, приведены макрои микроструктуры и механические характеристики образцов в литом состоянии. Синтез упрочняющих частиц непосредственно в расплаве позволяет получать композиты в одну стадию и обеспечивать термодинамическую устойчивость, плотный контакт и хорошую адгезию между матрицей и упрочняющей фазой. Достигнутые размеры частиц твердой фазы внедрения находятся в пределах от 3 мкм до 2 мм. Изучение структурно-фазового состояния полученного материала проводили с использованием методов оптической металлографии и рентгеноструктурного анализа (дифрактомер «Дрон-2»). Микроструктуру исследовали на микроскопе «Keyence VHX-1000». Твердость образцов определяли на ТКС-1М, микротвердость – на ПМТ-3 и «HMV Shumadzu», предел прочности – на универсальных разрывных машинах ZD 10/90 и УМЭ-10ТМ, ударную вязкость – на маятниковом копре МК-30а. Установлено что варьирование размера и содержания упрочняющей фазы позволяет изменять механические свойства литого металла в широких пределах. Применение предлагаемой технологии позволит существенно снизить временные и экономические затраты. По результатам оценочного расчета ожидается уменьшение стоимости получения дисперсно-упрочненного композиционного материала.

Currently, critical components and assemblies made of traditional materials not always meet the increased requirements of designers and service conditions. One of the solutions to this problem is the development and application of dispersion strengthened metal matrix composites. According to the information analysis review, the paper suggests a new technology to produce dispersion strengthened aluminum-based composite. Features of the developed technology are specified along with both sample macroand microstructures and mechanical characteristics of as-cast samples. Strengthening particles are synthesized directly in the melt so that composites can be produced in a single stage with high thermodynamic stability, dense contact and good adhesion between the matrix and the strengthening phase. The reached particle sizes of a solid interstitial phase range from 3 μm to 2 mm. The structural and phase state of the produced material was studied using optical metallography and the X-ray diffraction analysis (Dron-2 diffractometer). The microstructure was investigated using the Keyence VHX-1000 microscope. Measurements were carried out using TKS-1M to determine microstructure, PMT-3 and HMV Shumadzu to determine hardness, ZD 10/90 and UME-10TM universal tensile testers to determine tensile strength, and MK-30a pendulum impact tester to determine impact strength. It is found that the variation in the strengthening phase size and content allows changing mechanical properties of cast metal over a wide range. Estimate calculations show an expected reduction in the cost of dispersion strengthened composite production.

дисперсно-упрочненный материалметалломатричный композитный материалалюминийоксид алюминиямелкодисперсная тугоплавкая частицаупрочняющая фазатехнологиясвойстваструктураdispersion strengthened compositemetal matrix compositealuminumaluminafinely-dispersed high-melting particlestrengthening phasetechnologypropertiesstructureReferencesКаблов Е.Н. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года // Авиац. материалы и технологии. 2012. No. S. С. 7—17.Kablov E.N. Strategicheskie napravleniya razvitiya materialov i tekhnologii ikh pererabotki na period do 2030 goda [The strategic directions of development of materials and technologies of their processing for the period till 2030] Aviatsionnye materialy i tekhnologii. 2012. No. S. P. 7—17.Луц А.Р., Галочкина И.А. Алюминиевые композиционные сплавы — сплавы будущего. Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2013.Luts A.R., Galochkina I.A. Alyuminievye kompozitsionnye splavy — splavy budushchego [Aluminum composite alloys — future alloys.] Samara: Samarskii gosudarstvennyi tekhnicheskii universitet, 2013.Чернышова Т.А., Курганова Ю.А., Кобелева Л.И., Болотова Л.К., Калашников Е.А., Катин И.В., Панфилов А.В., Панфилов А.А. Композиционные материалы с матрицей из алюминиевых сплавов, упрочненных частицами, для пар трения скольжения // Конструкции из композ. материалов. 2007. No. 3 С. 39—48.Chernyshova T.A., Kurganova Yu.A., Kobeleva L.I., Bolotova L.K., Kalashnikov E.A., Katin I.V., Panfilov A.V., Panfilov A.A. Kompozitsionnye materialy s matritsei iz alyuminievykh splavov, uprochnennykh chastitsami, dlya par treniya skol’zheniya [Composite materials with a matrix from the aluminum alloys strengthened by particles for couples of a sliding friction]. Konstruktsii iz kompozitsionnykh materialov. 2007. No. 3. P. 39—48.Панфилов А.А., Прусов Е.С., Кечин В.А. Проблемы и перспективы развития производства и применения алюмоматричных композиционных сплавов // Тр. Нижегор. гос. техн. ун-та им. Р.Е. Алексеева. 2013. No. 2. С. 210—218.Panfilov A.A., Prusov E.S., Kechin V.A. Problemy i perspektivy razvitiya proizvodstva i primeneniya alyumomatrichnykh kompozitsionnykh splavov [Problema and prospect of development of production and application the alyumomatrichnykh of composite alloys]. Trudy Nizhegorodskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta im. R.E. Alekseeva. 2013. No. 2. P. 210—218.Курганова Ю.А. Перспективы развития металломатричных композиционных материалов промышленного назначения // Сервис в России и за рубежом. 2012. No. 3 (30). С. 235—240.Kurganova Yu.A. Perspektivy razvitiya metallomatrichnykh kompozitsionnykh materialov promyshlennogo naznacheniya [Prospects of development of metalmatrix composite materials of industrial function]. Servis v Rossii i za rubezhom. 2012. No. 3. P. 235—240.Adebisi A.A., Maleque M.A., Rahman M.M. Metal matrix composite brake rotor: historical development and product life cycle analysis // Int. J. Automot. Mech. Eng. 2011. Vol. 4. Р. 471—480Adebisi A.A., Maleque M.A., Rahman M.M. Metal matrix composite brake rotor: historical development and product life cycle analysis. Int. J. Automot. Mech. Eng. 2011. Vol. 4. Р. 471—480Mortensen A., Cornie J.A., Flemings M.C. Solidification processing of metal matrix composites // JOM. 1988. Vol. 40 (2). P. 12—19. DOI: 10.1007/BF03258826.Mortensen A., Cornie J.A., Flemings M.C. Solidification processing of metal matrix composites. JOM. 1988. Vol. 40 (2). P. 12—19. DOI: 10.1007/BF03258826.Geiger A.L., Walker J.A. The processing and properties of discontinuously reinforced aluminium composite // JOM. 1991. Vol. 43. P. 8—15. DOI: 10.1007/BF03221097.Geiger A.L., Walker J.A. The processing and properties of discontinuously reinforced aluminium composite. JOM. 1991. Vol. 43. P. 8—15. DOI: 10.1007/BF03221097.Liu Yao-Hui, Du Jun, Yu Si-rong, Wang Wei. High temperature friction and wear behaviour of Al2O3 and/or carbon short fibre reinforced Al—12Si alloy composites // Wear. 2004. Vol. 256. P. 275—285. DOI: 10.1016/S0043-1648(03)00387-9.Liu Yao-Hui, Du Jun, Yu Si-rong, Wang Wei. High temperature friction and wear behaviour of Al2O3 and/or carbon short fibre reinforced Al—12Si alloy composites. Wear. 2004. Vol. 256. P. 275—285. DOI: 10.1016/S0043-1648(03)00387-9.Чернышов Е.А., Романов А.Д., Романова Е.А. Развитие материалов баллистической защиты на основе алюминиевых сплавов // Загот. пр-ва в машиностроении. 2015. No. 10. C. 43—47.Chernyshov E.A., Romanov A.D., Romanova E.A. Razvitie materialov ballisticheskoi zashchity na osnove alyuminievykh splavov [Development of ballistic protection materials based on aluminum alloys]. Zagotovitel’nye proizvodstva v mashinostroenii. 2015. No. 10. P. 43—47.Kumar P. Vijaya, Madhusudhan G. Reddy, Srinivasa Rao K. Microstructure and pitting corrosion of armor grade AA7075 aluminum alloy friction stir weld nugget zone. Effect of post weld heat treatment and addition of boron carbide // Defence Technol. 2015. Vol. 11. P. 166—173. URL: http://dx.doi.org/10.1016/j.dt.2015.01.002.Kumar P. Vijaya, Madhusudhan G. Reddy, Srinivasa Rao K. Microstructure and pitting corrosion of armor grade AA7075 aluminum alloy friction stir weld nugget zone. Effect of post weld heat treatment and addition of boron carbide. Defence Technol. 2015. Vol. 11. P. 166—173. URL: http://dx.doi.org/10.1016/j.dt.2015.01.002.Комкова Т.Ю., Холин М.С., Чернышова П.И. Разработка композиционного материала системы Al—Al2O3, получаемого методом пластической деформации // Соврем. пробл. науки и образования. 2015. No. 2. С. 164—168.Komkova T.Yu., Kholin M.S., Chernyshova P.I. Razrabotka kompozitsionnogo materiala sistemy Al—Al2O3, poluchaemogo metodom plasticheskoi deformatsii [Development of composite material systems Al—Al2O3 obtained by the method of plastic deformation]. Sovremennye problem nauki i obrazovaniya. 2015. No. 2. P. 164—168.Chien Chon Chen, Chih Yuan Chen, Hsi Wen Yang, Yang Kuao Kuo, Jin Shyong Lin. Phase equilibrium in carbothermal reduction Al2O3 → AlN studied by thermodynamic calculations atlas // J. Mater. Sci. 2014. No. 1 (2). P. 30—37. DOI: 10.5147/ajms.2014.0172.Chien Chon Chen, Chih Yuan Chen, Hsi Wen Yang, Yang Kuao Kuo, Jin Shyong Lin. Phase equilibrium in carbothermal reduction Al2O3 → AlN studied by thermodynamic calculations atlas. J. Mater. Sci. 2014. No. 1 (2). P. 30—37. DOI: 10.5147/ajms.2014.0172.Vlasova M., Kakazey N., Rosales I., Krushinskaya L., Bykov A., Tomila T., Voitsehovskaya E., Vinokurov V. Synthesis of composite AlN—AlON—Al2O3 powders and ceramics prepared by high-pressure sintering // Sci. Sinter. 2010. No. 42. P. 283—295. DOI: 10.2298/SOS1003283V.Vlasova M., Kakazey N., Rosales I., Krushinskaya L., Bykov A., Tomila T., Voitsehovskaya E., Vinokurov V. Synthesis of composite AlN—AlON—Al2O3 powders and ceramics prepared by high-pressure sintering. Sci. Sinter. 2010. No. 42. P. 283—295. DOI: 10.2298/SOS1003283V.Афанасьев В.К., Герцен В.В., Долгова С.В., Мусохранов Ю.М., Попова М.В. О влиянии водяного пара на формирование свойств высококремнистых Al-сплавов // Металлургия машиностроения. 2015. No. 5. С. 17—22.Afanas’ev V.K., Gertsen V.V., Dolgova S.V., Musokhranov Yu.M., Popova M.V. O vliyanii vodyanogo para na formirovanie svoistv vysokokremnistykh Al-splavov [About the influence of water vapor on the formation of properties of high-silicon Al alloys]. Metallurgiya mashinostroeniya. 2015. No. 5. P. 17—22.Орлов А.В., Луц А.Р., Кандалова Е.Г., Макаренко А.Г. Технология получения композита Аl—ТiС из порошковых экзотермических смесей непосредственно в расплаве алюминия // Загот. пр-ва в машиностроении. 2005. No. 11. C. 54—61.Orlov A.V., Luts A.R., Kandalova E.G., Makarenko A.G. Tekhnologiya polucheniya kompozita Al—TiС iz poroshkovykh ekzotermicheskikh smesei neposredstvenno v rasplave alyuminiya [The technology of obtaining composite Al—TiС of exothermic powder mixtures directly in the melt of aluminium]. Zagotovitel’nye proizvodstva v mashinostroenii. 2005. No. 11. P. 54—61.Mohsen Hossein-Zadeh, Mansour Razavi, Omid Mirzaee, Razieh Ghaderi. Characterization of properties of Al—Al2O3 nano-composite synthesized via milling and subsequent casting // J. King Saud Univ. — Eng. Sci. 2013. No. 25. P. 75—80. URL: http://dx.doi.org/10.1016/j.jksues.2012.03.001.Mohsen Hossein-Zadeh, Mansour Razavi, Omid Mirzaee, Razieh Ghaderi. Characterization of properties of Al—Al2O3 nano-composite synthesized via milling and subsequent casting. J. King Saud Univ. — Eng. Sci. 2013. No. 25. P. 75—80. URL: http://dx.doi.org/10.1016/j.jksues.2012.03.001.Dinesh Kumar Koli, Geeta Agnihotri, Rajesh Purohit. Properties and characterization of Al—Al2O3 composites processed by casting and powder metallurgy routes (Review) // Int. J. Latest Trends Eng. Technol. (IJLTET). 2013. Vol. 2. Iss. 4. P. 486—493.Dinesh Kumar Koli, Geeta Agnihotri, Rajesh Purohit Properties and characterization of Al—Al2O3 composites processed by casting and powder metallurgy routes (Review). Int. J. Latest Trends Eng. Technol. (IJLTET). 2013. Vol. 2. Iss. 4. P. 486—493.Анисимов О.В. Технология получения композиционных материалов на основе алюминия, упрочненных дисперсными наночастицами ZrO2 и SiC в поле центробежных сил центрифуги: Автореф. дис. … Кандидат технических наук. М.: МАМИ, 2012.Anisimov O.V. Tekhnologiya polucheniya kompozitsionnykh materialov na osnove alyuminiya, uprochnennykh dispersnymi nanochastitsami ZrO2 i SiC v pole tsentrobezhnykh sil tsentrifugi [The technology of obtaining composite materials based on aluminum, reinforced with dispersed nanoparticles of ZrO2 and SiC in the field of centrifugal forces centrifuges]: Abstract of the dissertation of PhD. Moscow: MAMI, 2012.McDanels D.L., Signorelli A.R. Evaluation of low cost aluminum composites for aircraft engine structural applications. NASA Tech. Memo. No. 83357. Washington, DC, 1983.McDanels D.L., Signorelli A.R. Evaluation of low cost aluminum composites for aircraft engine structural applications. NASA Tech. Memo. No. 83357. Washington, DC, 1983Чернышов Е.А., Романова Е.А., Романов А.Д. Разработка тепловыделяющего элемента на основе высокометаллизированного безгазового топлива // Вестн. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2015. No. 6 (105). С. 74—81.Chernyshov E.A., Romanova E.A., Romanov A.D. Razrabotka teplovydelyayushchego elementa na osnove vysokometallizirovannogo bezgazovogo topliva [Development of fuel cells based on vysokomehanizirovannoe gasless fuel]. Vestnik Moskovskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta im. N.E. Baumana. Ser. Mashinostroenie. 2015. No. 6 (105). P. 74—81.Чернышов Е.А., Мыльников В.В., Мыльникова М.В., Романов А.Д., Романова Е.А. Создание металлокерамических элементов баллистической защиты с применением керамики на основе алюминия // Соврем. наукоемкие технологии. 2014. No. 4. С. 97—100.Chernyshov E.A., Myl’nikov V.V., Myl’nikova M.V., Romanov A.D., Romanova E.A. Sozdanie metallokeramicheskikh elementov ballisticheskoi zashchity s primeneniem keramiki na osnove alyuminiya [Creation of ceramic-metal elements of ballistic protection with use of ceramics on the basis of aluminum]. Sovremennye naukoemkie tekhnologii. 2014. No. 4. P. 97—100.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.