В ТПУ создали метод синтеза металломатричных композитов высокой твердости
Уникальный метод получения объемных композитных материалов с металлической матрицей для авиационной, автомобилестроительной и других отраслей разработали ученые Томского политехнического университета, 27 февраля сообщает пресс-служба вуза.
Уникальность предложенного метода синтеза — в in situ (т.е. в едином процессе), совмещении металлического матричного материала и армирующего керамического компонента. В этом случае не происходит образования высокой пористости и рекристаллизации образцов, что обеспечивает разработанным в ТПУ композитам твердость до четырех раз выше аналогов.
Результаты исследования томские ученые представили в статье «Композиты с металлической матрицей из алюминия, армированные карбидом in-situ, полученные в импульсном дуговом плазменном разряде» (In-situ carbide reinforced aluminium metal matrix composites obtained in pulsed arc plasma discharge), опубликованной в журнале Ceramics International (Q1, IF: 5,1).
Сочетание свойств металлов и керамики в композитах с алюминиевой матрицей делает их востребованными в производстве многих автомобильных и аэрокосмических деталей, таких как тормозные диски, барабаны и поршни, а также крылья и фюзеляжи. Это вызвано их высокой пластичностью, коррозионной стойкостью, высокой жесткостью, прочностью и возможностью повторного использования.
Проблемой, однако, является снижение физико-механических свойств этого материала, происходящее в результате применения общепринятых подходов к его получению методами ex situ.
Для решения этой проблемы ученые ТПУ предложили единую стратегию производства композитов с улучшенными свойствами с алюминиевой матрицей, включающую уникальную методику получения композитных порошков in situ, которая основана на «встраивании» армирующих частиц карбидов вольфрама, кремния и бора в металлическую матрицу с помощью плазмодинамического синтеза.
Один из авторов исследования, доцент отделения электроэнергетики и электротехники ТПУ кандидат технических наук Дмитрий Никитин пояснил:
«Уникальность нашего подхода к получению дисперсных композитов заключается в том, что внедрение армирующих частиц в металлическую матрицу производится в результате взаимодействия компонентов во время процесса их обработки импульсной плазмой дугового разряда. Этот метод основан на подходе, при котором формирование армирующего компонента и металлической матрицы и их совмещение осуществляются в едином процессе».
Новый метод в отличие от традиционных методов ex situ, когда такое внедрение в алюминиевую матрицу производится отдельно, обеспечивает равномерное распределение микро- и наноразмерных частиц карбидов в конечном продукте. А также хорошую межфазную связь и полимодальный характер распределения частиц по размерам, которые улучшают физико-механические свойства продукта.
Изменяя начальные условия процесса, можно варьировать в готовом композите содержание карбидной фазы от 5,85% до 16,38%. Это предоставляет изготовителям возможность «настраивать» характеристики материала.
Добавление при изготовлении объемных образцов в композит карбидов приводит к образованию уникальной структуры материала. Таким образом можно получить степень уплотнения всех компонентов до 99%, обеспечивая тем самым улучшенные физико-механические свойства композитов.
Результаты исследования новых композитов показали, что они до четырех раз тверже аналогов, достигая твердости 103–215 HV, тогда как аналогичные образцы из коммерчески доступных компонентов имеют твердость 47–62 HV.
«Важно отметить, — добавил Дмитрий Никитин, — что предложенный метод in situ совмещения алюминиевого матричного материала с керамическим карбидом не приводит к образованию пористых образцов и рекристаллизации частиц, что часто затрудняет получение качественных композитов. Это означает, что финальные изделия будут обладать значительно улучшенными механическими свойствами и устойчивостью к износу».
Полученные результаты могут быть использованы при разработке высокоэффективных композитных материалов с малой удельной массой и повышенной твердостью для применения в авиационной, автомобилестроительной и других отраслях, где такие материалы востребованы.
