Влияние деформационно-термической обработки на формирование структуры дисперсно-армированного металлического композиционного материала на основе алюминиевого сплава

Введение

В настоящее время при создании перспективных изделий авиационной и ракетно-космической техники для силового набора требуются материалы с низкой плотностью и повышенными прочностными характеристиками. Такие материалы за счет совокупности свойств могут также найти применение в сверхлегких высоконагруженных конструкциях в различных отраслях промышленности [1; 2].

Кроме того, важнейшей задачей для современных разработчиков материалов является развитие энергосберегающих технологий производства, обеспечивающих снижение стоимости продукции, увеличение коэффициента использования материала в готовых изделиях и повышение конкурентоспособности производимой продукции [3–5].

Перспективным направлением решения обозначенных проблем является применение дисперсно-армированных металлических композиционных материалов (МКМ) на основе алюминиевых сплавов, а также совершенствование технологий получения деталей из них с целью обеспечения требуемого уровня физико-механических и эксплуатационных характеристик изготавливаемых из них изделий [5–10].

Металлические композиционные материалы, как правило, состоят из пластичного металлического сплава, упрочненного твердым керамическим армирующим материалом в виде частиц разных размеров и форм [11–13].

Получение МКМ по порошковой технологии представляет собой совместную обработку порошков исходных компонентов в высокоэнергетических мельницах с последующим объединением полученных композиционных гранул методами обработки давлением. Основной целью деформационно-термической обработки является получение заготовок с формой, максимально приближенной к геометрии конечных изделий, а также изменение структуры деформируемого материала, приводящее к повышению уровня прочностных свойств. Процесс деформационной обработки основан на способности пластичных материалов безвозвратно и без разрушения изменять свою форму при условии приложения внешней нагрузки [14].

Структура дисперсно-армированных МКМ состоит из металлической матрицы, в которой равномерно распределены мелкодисперсные частицы упрочняющей фазы. Металлическая матрица в МКМ обеспечивает пластичность, а керамическая фаза улучшает показатели прочности, жесткости, термо- и износостойкости. Механизм упрочнения МКМ обусловлен созданием частицами упрочняющей фазы барьеров для перемещения дислокаций аналогично тому, как этот механизм проявляется в сплавах с дисперсионным твердением. Использование алюминиевых сплавов в качестве металлической матрицы в МКМ является предпочтительным за счет их преимуществ перед другими сплавами, включая высокую технологичность, эксплуатационные характеристики и низкую стоимость [15; 16].

Целью данной работы являлось исследование влияния деформационно-термической обработки на структуру МКМ на основе алюминиевого сплава системы Al–Mg–Si, упрочненного 20 об. % SiC, изготовленного методом порошковой технологии.

Методика проведения исследований

Исходным материалом для изготовления дисперсно-армированного МКМ на основе алюминиевого сплава были композиционные гранулы, полученные методом механического легирования в лабораторной планетарной шаровой мельнице модели РМ 100 («СМ Retsch», Англия).

В качестве матрицы использовали алюминиевый сплав марки АД31, а упрочняющей фазой были частицы карбида кремния марки 63С (F800).

Композиционные гранулы подвергали компактированию в глухой обойме для получения заготовок в виде цилиндрических брикетов. Последние нагревали до температуры горячей деформации и прессовали на гидравлическом прессе к03.032 (Россия).

Требуемое усилие прессования МКМ через конусную матрицу методом прямого прессования рассчитывали по формуле

\[P = {\sigma _{0,2}}\left[ {\left( {\frac{1}{{2{\kern 1pt} \sin \alpha }}} \right) + \left( {\frac{2}{{1 + {\kern 1pt} \,\cos \alpha }}} \right){\kern 1pt} \ln \frac{F}{{{\kern 1pt} f}} + \frac{{2{\kern 1pt} L}}{{{\kern 1pt} D}} + \frac{{2{\kern 1pt} l}}{{{\kern 1pt} d}}} \right]{\kern 1pt} \,\,F,\]

где σ_0,2 – предел текучести МКМ при температуре прессования, МПа; α – угол наклона образующей матрицы, град; F и f – площади проекций брикета и прессуемого прутка на плоскость, перпендикулярную к направлению движения пуансона пресса соответственно, мм²; L – высота брикета, мм; l – высота рабочего пояска матрицы, мм.

Исследование структуры прессованных образцов МКМ проводили на оптическом электронном микроскопе BX51 («Olympus», Япония).

С помощью метода гидростатического взвешивания измеряли плотность образцов МКМ.

Пористость материала рассчитывали по формуле

\[n = \left( {1 - \frac{{\rho {{\kern 1pt} _{{\kern 1pt} {\rm{факт}}}}}}{{\rho {{\kern 1pt} _{{\rm{расч}}}}}}} \right) \cdot 100\,\,\% ,\]

где ρ_факт и ρ_расч – измеренное и расчетное значения плотности МКМ, г/см³.

Прочностные характеристики МКМ определяли при одноосном растяжении по ГОСТ 1497-84 на испытательной машине производства «Zwick Roell Group», Германия.

Результаты исследований и их обсуждение

Морфология исходного материала – механически легированных композиционных гранул – показана на рис. 1. В большинстве своем они имеют сферическую форму с бугристой поверхностью. Фракционный состав основного объема гранул находится в диапазоне от 600 до 1000 мкм.

Из композиционных гранул методом прессования в глухой обойме на гидравлическом прессе получены цилиндрические брикеты для последующего проведения процесса горячего прямого прессования через конусную матрицу.

Уплотнение гранул при прессовании в глухой обойме протекает в несколько стадий. На начальном этапе процесса уплотнения под воздействием прессующего инструмента происходят взаимные перемещения гранул относительно друг друга при одновременном уменьшении свободного пространства между ними, что в дальнейшем замедляет их перемещения из-за нарастающего трения, возникающего на поверхностях контакта между гранулами. Вторая стадия процесса характеризуется ростом контактных напряжений и началом деформационных процессов. В момент, когда уровень напряжений достигает предела текучести композиционного материала, пластическая деформация охватывает весь объем брикета, и наблюдается интенсивное изменение формы и состояния контактных поверхностей гранул, что в результате приводит к образованию уплотненной структуры композиционного материала с пористостью на уровне 5–10 %.

В работах [17–19] проведены исследования влияния удельного давления прессования на плотность брикетов, получаемых из порошковых материалов. Показано, что при достижении порога плотности в 90–95 % от теоретической уплотнение материала замедляется, и при дальнейшем увеличении усилия прессования повышения плотности не наблюдается.

График зависимости плотности от усилия прессования, полученный в ходе экспериментов, проведенных в рамках данной работы, представлен на рис. 2, на котором зона 1 относится к начальной стадии процесса прессования в глухой обойме, а зона 2 – ко второй стадии.

Эффект замедления уплотнения прессуемого материала объясняется спецификой деформационной обработки в закрытом объеме глухой обоймы, а именно ограниченным уровнем перераспределения объема прессуемого МКМ в замкнутом пространстве обоймы, а также малой степенью деформации при напряженном состоянии материала за счет процесса всестороннего сжатия.

Поля распределения накопленной деформации, полученные в результате моделирования процесса прессования в глухой обойме, продемонстрированы на рис. 3. Центральная часть брикета имеет наибольшую проработку структуры, в то время как верхняя и нижняя его части, которые соприкасались с пуансоном и дном обоймы, показали меньший уровень накопленной деформации в диапазоне от 0,1 до 0,3. Силы трения, возникающие на контактной поверхности пуансона и дна обоймы, тормозят перемещение прессуемого материала в замкнутом пространстве обоймы, вследствие чего образуется неравномерная проработка в объеме получаемого брикета [20–22].

На фотографиях структуры прессованного в глухой обойме МКМ прослеживаются границы исходных гранул (рис. 4). При этом полученная структура является отражением происходивших с материалом изменений в процессе деформационной обработки. Так, например, в периферийной части брикета наблюдается бόльшая пористость по сравнению с центром.

Наличие пористости в прессованном материале оказывает негативное влияние на уровень прочностных свойств МКМ, а также накладывает ограничение на его применение в качестве конструкционного для изготовления деталей. Проработка и улучшение структуры материала с целью обеспечения высоких эксплуатационных характеристик возможны посредством вторичной деформационно-термической обработки с более высокими степенями деформации.

В данной работе проводили процесс горячего прямого прессования через конусную матрицу и исследовали влияние коэффициента вытяжки на структуру и свойства полученного композиционного материала.

Горячее прямое прессование представляет собой деформацию брикета при непрерывном поступлении нагретого прессуемого материала в очаг деформации, при этом процесс сопровождается изменением не только формы прессуемого материала, но и его свойств. Внешними силами, действующими на МКМ в ходе прямого прессования, являются давление пуансона, нормальные давления на боковых поверхностях контейнера, матрицы и калибрующего пояска, а также силы трения, возникающие на контактных поверхностях МКМ с инструментом. В результате воздействия этих сил происходит перестройка структуры материала, что связано с увеличением плотности и прочностных характеристик МКМ.

Определены параметры технологического процесса, значительно влияющие на структуру получаемого в процессе прессования материала: скорость деформирования (скорость движения пуансона пресса), скорость истечения материала из матрицы, коэффициент вытяжки. Скорость деформирования – линейная скорость движения рабочего инструмента пресса в направлении основной деформации – зависит от технических возможностей оборудования и в данной работе была постоянной 10 мм/с. Скорость истечения материала из матрицы и коэффициент вытяжки являются взаимозависимыми параметрами: последний определяет степень деформации прессуемого материала, и его увеличение приводит к пропорциональному повышению скорости истечения.

Известно, что дисперсно-армированные МКМ за счет наличия в составе армирующего компонента в виде мелкодисперсных керамических частиц относятся к сложнодеформируемым материалам, отличающимся высоким сопротивлением деформации. Поэтому для обеспечения равномерности истечения МКМ в процессе деформации, а также снижения требуемого усилия прессования была выбрана коническая форма матрицы.

В ходе данной работы было проведено исследование процессов прямого горячего прессования с коэффициентами вытяжки µ = 10÷30.

Установлено, что максимальная плотность (более 99,0 % от теоретической) получена на образцах МКМ с µ ≥ 20. На их поверхности в области, близкой к пресс-остатку, наблюдалось наличие поверхностных рисок (задиров). Такой вид дефектов обусловлен постепенным истончением слоя смазки, нанесенного на инструмент в процессе горячего прямого прессования, и нарастанием контактных сил трения в этой области, вследствие чего периферийные слои прессуемого прутка начинают отставать от центральных. Нивелирование данного эффекта возможно за счет применения многокомпонентных смазок либо при помощи нанесения высокотвердого покрытия на рабочую поверхность инструмента. Моделирование процесса горячего прямого прессования с помощью программного пакета Qform 3D подтверждает полученные в ходе экспериментов результаты. Уровень накопленной деформации в периферийных слоях прутка превышает центральный в 1,25 раза (рис. 5).

Структура МКМ вдоль направления прессования имеет полосчатый вид, связанный с особенностями напряженного состояния материала в процессе деформирования, а именно наличием растягивающих напряжений, направленных вдоль оси деформации. Границы гранул, которые были зафиксированы в структуре исходного брикета, вытягиваются вдоль оси прессуемого прутка и формируют структуру, представленную на рис. 6. Причем при коэффициенте вытяжки µ ≥ 10 структура прессованного МКМ выглядит неоднородно (см. рис. 6, а) ввиду недостаточных сжимающих напряжений, возникающих в очаге деформации, в то время как при µ ≥ 20 и ≥30 (см. рис. 6, б, в) она отличается лучшей однородностью.

Из полученных прутков для проведения испытаний на растяжение были изготовлены образцы, вид которых представлен на рис. 7.

Исследование механических свойств образцов прессованного дисперсно-армированного МКМ проводили при температуре 20 °С. В таблице представлены полученные результаты оценки предела прочности (σ_в), предела текучести (σ_0,2) и модуля упругости (Е).

Образцы из МКМ, полученные с коэффициентом вытяжки ≥20, обладая однородной структурой, показали наилучшие прочностные характеристики по сравнению с образцами с µ ≥ 10, отличающимися неоднородностью структуры. При этом увеличение µ ≥ 30 не дало существенного прироста в показателях аналогично данным по плотности, описанным выше.

Выводы

1. Деформационно-термическая обработка дисперсно-армированного МКМ на основе алюминиевого сплава методом прессования в глухой обойме позволяет получать материал с пористостью 5–10 %.

2. При достижении порога плотности в 90–95 % от теоретической уплотнение дисперсно-армированного МКМ замедляется, и при дальнейшем росте усилия прессования увеличения плотности не происходит.

3. Применение вторичной деформационно-термической обработки, характеризующейся повышенными степенями деформации материала, позволяет улучшить структуру и свойства получаемого МКМ на основе алюминиевого сплава.

4. Горячее прямое прессование с коэффициентом вытяжки >20 приводит к получению дисперсно-армированного МКМ на основе алюминиевого сплава с однородной структурой, плотностью более 99,0 % от теоретической и повышенными механическими свойствами: σ_в = 300÷305 МПа и Е = 87÷95 ГПа.