На правах рукописи

ХОРИН Александр Владимирович

СОЗДАНИЕ ВЫСОКОПРОЧНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО

МАТЕРИАЛА СИСТЕМЫ «АЛЮМИНИЙМЕДЬ»

С ИНТЕРМЕТАЛЛИЧЕСКИМИ ЭЛЕМЕНТАМИ

И КЕРАМИЧЕСКИМ ПОКРЫТИЕМ

Специальность 05.16.09 Материаловедение

(машиностроение)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ПЕНЗА 2013

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет».

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент Лось Ирина Сергеевна

Официальные оппоненты: Андреев Валерий Георгиевич, доктор технических наук, профессор, Кузнецкий институт информационных и управленческих технологий ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет», заведующий кафедрой «Естественнонаучных и технических дисциплин»;

Сайков Иван Владимирович, кандидат технических наук, ФГБУН «Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения Российской академии наук», старший научный сотрудник

Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет»

Защита диссертации состоится 27 декабря 2013 г., в 10 часов, на заседании диссертационного совета Д 212.186.03 Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет» по адресу: 440026, г. Пенза, ул. Красная, 40.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет».

Автореферат разослан 26 ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Воячек Игорь Иванович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Условия эксплуатации контейнерных базовых несущих конструкций авиационной, ракетно-космической техники и других ответственных изделий обуславливают крайне жесткие требования к применяемым материалам. Свойства используемых материалов должны обеспечивать прочность конструкции при минимальном удельном весе и габаритах, надежность и длительный ресурс при воздействии переменных и значительных силовых нагрузок, чередования повышенных и пониженных температур, коррозионно-активных сред, электромагнитных, рентгеновских излучений. Поэтому при разработке новых материалов и способов их изготовления делается упор на применение передовых достижений в области технологий.

Материалы для контейнерных базовых несущих конструкций должны соответствовать требованиям стойкости к внешним воздействующим факторам: синусоидальной нагрузке с амплитудой ускорения до 40 м/с (4g) и механическому удару многократного действия с пиковым ударным ускорением до 70 м/с2 (7g) и длительностью действия 5 мс. Одними из главных критериев прочности являются временное сопротивление и модуль нормальной упругости. Для материалов авиационной и ракетнокосмической отрасли важным показателем является эффективность материала по массе, которая оценивается удельными характеристиками прочности и жесткости. При производстве ответственных изделий существует потребность в материалах, обладающих не только высокими прочностными свойствами, но и повышенной коррозионной стойкостью, специальными электрофизическими характеристиками, сочетанием удельных показателей прочности, жесткости и др. Условия работы при экстремальных условиях с повышенными значениями температур обуславливают применение высокопрочных и термостойких конструкционных материалов.

В этой связи предлагается новое техническое решение по созданию высокопрочного композиционного материала, в котором в качестве металлической матрицы выбирается материал из группы легких сплавов (алюминий, магний, титан и др.), а в качестве армирующего – металлы, которые способны образовывать с металлической матрицей интерметаллические соединения, обладающие высокой прочностью и модулем упругости.

С целью обеспечения повышенных эксплуатационных характеристик предлагается на поверхности композиционного материала сформировать керамическое покрытие методом микродугового оксидирования.

Таким образом, исследования по созданию высокопрочных композиционных материалов на основе легких металлов и сплавов с упрочняющими интерметаллическими элементами и керамическим покрытием, проведенные в настоящей работе, являются актуальной и перспективной задачей материаловедения.

Актуальность работы подтверждается выполнением ее в рамках шести НИР и ОКР, по федеральным целевым программам.

Объект исследования высокопрочный композиционный материал системы «алюминий–медь» с интерметаллическими элементами трубчатой формы и многофункциональным керамическим покрытием.

Предмет исследования взаимосвязь состава, структуры и механических характеристик высокопрочного композиционного материала системы «алюминиймедь».

Цель работы – создание высокопрочного композиционного материала системы «алюминиймедь», упрочненного интерметаллическими элементами трубчатой формы и многофункциональным керамическим покрытием, на основе разработки комплексной технологии.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать технологические схемы ударно-волновой обработки композиционного материала системы «алюминиймедь», армированного волокнами плоской и цилиндрической формы.

2. Определить температурно-временные параметры кинетики роста интерметаллических фаз в структуре волокнистых композиционных материалов.

3. Исследовать взаимосвязь структуры и механических свойств композиционного материала с интерметаллическими элементами трубчатой формы и многофункциональным керамическим покрытием на различных стадиях технологической обработки.

4. Исследовать деформационный процесс соударения элементов матрицы и армирующих волокон путем моделирования ударно-волнового воздействия в программе LS-DYNA.

Методы исследования. Использован комплекс современных методов исследований микроструктуры (металлографический микроскоп NIKON EPIPHOT 200, электронный микроскоп Zeiss SIGMA), фазового рентгеноспектрального микроанализа (установка Energy 350 с безазотным SDD детектором X-Max 80 (Platinum)), измерения микротвердости (ПМТ-3М, микротвердомер FM-300), измерения толщины интерметаллических фаз с помощью программы анализа изображения (VESTRA Imaging System), механических и технологических свойств композиционного материала (универсальная испытательная машина серии «QUASAR» модель 5) и рентгенографического метода (импульсный рентгеновский аппарат «САРМА» (B&G) модель 500). Компьютерное моделирование с помощью программы LS-DYNA позволило оценить характер деформации компонентов при ударно-волновом нагружении. Экспериментальные исследования выполнены в аттестованных лабораториях по стандартным методикам.

Достоверность и обоснованность научных положений и выводов подтверждаются сходимостью с результатами теоретических и экспериментальных исследований, моделирования с применением метода конечных элементов, а также механических и технологических испытаний композиционного материала.

Научная новизна (пп. 2, 3, 4 паспорта специальности 05.16.09):

1. Предложен способ интерметаллического упрочнения композиционного материала системы «алюминиймедь», получаемого по комплексной технологии, особенностью которой является формирование требуемых механических свойств на одной из заключительных стадий в результате термической обработки при частичном превращении армирующих элементов в интерметаллическую фазу.

2. Определены параметры кинетики образования интерметаллидов в композиционном материале на основе изучения взаимосвязи температуры, времени, состава и толщины интерметаллической прослойки.

3. Разработаны технологические схемы получения волокнистого композиционного материала системы «алюминиймедь» с применением ударно-волновой обработки. Обоснован выбор технологических режимов, обеспечивающих соединение волокна и матрицы.

4. Установлена взаимосвязь структуры и механических свойств высокопрочного композиционного материала, армированного интерметаллическими элементами трубчатой формы, на различных стадиях технологического процесса. Показано, что увеличение объемного содержания интерметаллической фазы в композите до 9 % приводит к увеличению временного сопротивления до 40 % и модуля нормальной упругости на 17 %.

5. Установлено, что формирование многофункциональных керамических покрытий на композиционном материале с интерметаллическим упрочнением позволяет повысить его предел прочности и модуль упругости.

Практическая значимость:

1. Разработан комплексный подход к созданию высокопрочного композиционного материала системы «алюминиймедь», включающий ударно-волновое воздействие, формообразование, термическую обработку и микродуговое оксидирование.

2. Получен патент РФ № 2407640 «Способ получения композиционного материала» (Патентообладатели: ФГБОУ ВПО ПГУ, Российская Федерация, от имени которой выступает государственный заказчик – Министерство обороны РФ и др.).

3. Определены значения латентного периода, рассчитаны энергия активации и коэффициенты диффузии образования интерметаллических фаз CuAl и CuAl2, объемной доли упрочняющих фаз при заданной степени пластической деформации, что позволяет повысить удельные показатели прочности и жестокости композита.

4. Установлена возможность повышения механических характеристик композиционного материала за счет образования интерметаллической упрочняющей фазы. При объемном содержании интерметаллической фазы в композите до 9 % временное сопротивление увеличивается до 232,5 МПа, а удельная жесткость на 12 %. При объемном содержании фазы 5 % модуль нормальной упругости возрастает до 83 ГПа, а удельная прочность на 22 %.

5. Получена опытная партия образцов композиционного материала с керамическим покрытием, сформированным методом микродугового оксидирования. Показано, что нанесение покрытия толщиной от 2 до 5 мкм увеличивает временное сопротивление композита до 262,0 МПа и модуль нормальной упругости до 97,44 ГПа.

6. Результаты диссертационной работы могут быть реализованы в виде широкого спектра многофункциональных композиционных материалов для конструктивных элементов авиационной и космической техники и других ответственных изделий военного и гражданского назначения.

Основные результаты, выносимые на защиту:

1. Технологическая схема создания волокнистого композиционного материала системы «алюминиймедь».

2. Результаты исследований кинетики формирования интерметаллических структур в высокопрочных композиционных материалах, рентгеноспектрального микроанализа и определения латентного периода зарождения интерметаллических фаз.

3. Результаты экспериментальных исследований по определению механической прочности композита с интерметаллическим упрочнением и многофункциональным керамическим покрытием.

4. Моделирование ударно-волнового деформационного процесса соударения элементов матрицы и армирующих волокон в программе LS-DYNA.

Реализация результатов работы.

1. Результаты диссертационной работы использованы в шести НИР и ОКР, в частности «Формирование научного подхода и разработка технологии композиционных армированных металлических высокопрочных и высокомодульных материалов для авиационной техники» (государственный контракт № 14.740.11.0132 от 13.09.2010), «Разработка теоретических основ создания композиционных металло-керамических материалов повышенной механической прочности и термостабильности для авиационной техники» (соглашение № 14.В37.21.1850 от 4.10.2012), ОКР «Разработка материалов и технологии их получения для контейнерных БНК» (договор № 15/08 от 17.11.2008 г.), в виде технических предложений по выполнению схем ударно-волнового нагружения, экспериментальных данных по исследованию микроструктуры, результатов определения механических и технологических свойств композиционного материала, результатов моделирования деформационного процесса ударно-волновой обработки в программе LS-DYNA.

2. Результаты работы внедрены в учебный процесс кафедры «Сварочное, литейное производство и материаловедение» для подготовки специалистов и бакалавров по направлению 150100 «Материаловедение и технологии материалов» и профилю подготовки «Материаловедение и технологии новых материалов», при проведении занятий по Президентской программе повышения квалификации инженерных кадров на 20122014 гг. (соглашение № 06.В47.21.0025 от 6.11.2012 и № 06.В47.21.0026 от 30.05.2013).

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на следующих симпозиумах и конференциях: «Shock–assisted materials synthesis and processing: science, innovations and industrial implementation»: VIII, X, XI International Symposium on Explosive Production of New Materials: Science, Technology, Business and Innovations (Moscow, 2006; Bechichi, 2010; Strasburg, 2012); I, IV Международной научнотехнической конференции «Аналитические и численные методы моделирования естественнонаучных и социальных проблем» (Пенза, 2006, 2009);

Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии» – НТМ-2008, НТМ-2010 (Москва, 2008, 2010), I Международной научно-практической конференции «Инновационные технологии в машиностроительном комплексе» (Пенза, 2011); International Workshop on Explosion / Combustion–Assisted Production of New Materials (Svetlogorsk, Kalilingrad, 2011); Всероссийской научно-технической конференции «Современные проблемы повышения эффективности сварочного производства» (Тольятти, 2011); Международной научно-технической конференции «Проблемы разливки и кристаллизации стали, сварки, термообработки и математическое моделирование технологических процессов» (Москва, 2012); Всероссийской конференции по испытаниям и исследованиям свойств материалов «ТестМат–2012» (Москва, 2012).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 печатных работ, из них три в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получен один патент РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы из 108 наименований и одного приложения. Работа изложена на 195 страницах основного текста, включает 57 рисунков и 37 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, приведены цель и задачи исследования, научная новизна, практическая значимость, реализация и внедрение результатов, сформулированы положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ зарубежных и отечественных источников литературы в области получения композиционных материалов, армированных элементами различной формы и состава. Приведена классификация композиционных металлических материалов, в том числе с интерметаллическими фазами. Изложены существующие методы получения волокнистых композиционных материалов, выбран и обоснован метод их получения. Определен и обоснован круг исследуемых материалов. Рассмотрен метод формирования керамических покрытий на поверхности металлов и сплавов с помощью микродугового оксидирования.

Большой вклад в исследования процесса формирования, изучения структуры и свойств волокнистых композиционных материалов, полученных ударно-волновой обработкой, внесли такие ученые, как Э. С. Атрощенко, А. Н. Кривенцов, В. А. Котов, В. И. Лысак, Л. Б. Первухин, В. С. Седых, Ю. П. Трыков, А. М. Ханов, М. Х. Шоршоров, И. В. Яковлев, A. A. Baker и др. Авторами показано влияние технологических параметров процесса ударно-волнового нагружения на структуру и свойства композитов на примере армирования высокопрочными и малопластичными волокнами.

Вопросами формирования покрытий методом микродугового оксидирования (МДО) на металлах и изучением их свойств в России и за рубежом занимается ряд научных школ под руководством А. А. Ильина, А. И. Мамаева, М. М. Криштала, А. Г. Ракоча, И. А. Казанцева, П. С. Гордиенко и др. Установлено, что в зависимости от параметров МДО и состава электролита можно получать на металлах вентильной группы керамические покрытия с уникальными характеристиками. В достаточной мере изучены составы электролитов, технологические параметры процесса МДО, процессы формирования структуры и свойства покрытий. Однако малоизученными остаются вопросы влияния толщины и состава покрытия на прочностные свойства композиционных материалов.

В результате сделан вывод об актуальности выбранного направления исследования, поставлены задачи исследования.

Вторая глава посвящена разработке технологии получения армированных композитов методом ударно-волновой обработки (УВО).

С помощью высокоскоростного соударения, реализованного путем сварки взрывом, получены плоские и трубные образцы композиционного материала. Произведен подбор рациональных технологических параметров: скорости соударения свариваемых элементов, скорости детонации и состава взрывчатого вещества, зазора между матричными слоями и армирующими волокнами, выбора направления ориентации волокон в структуре композита и геометрических размеров армирующих элементов. Исследовано влияние технологических параметров УВО и формы поперечного сечения армирующих волокон на свариваемость на границе волокноматрица. Критерием выбора рациональных режимов сварки являлось отсутствие участков непровара и интерметаллических прослоек на границе компонентов волокно–матрица. В качестве армирующих волокон использовалась медная проволока марки М1М диаметром от 0,5 до 1,0 мм, в том числе катанная на вальцах со степенью деформации 40 %, а также медная полоса марки М1М толщиной 0,5 и шириной 7 мм.

Методом рентгенографического контроля исследованы целостность волокон, их направленность и расположение в волокнистом композиционном материале. Установлены места разрывов и локальных защемлений армирующих волокон, которые влияют на целостность в образовании интерметаллической фазы в композите и физико-механические свойства композита. Места локальных защемлений волокон в армированном композиционном материале являются концентраторами напряжений и снижают его прочность. Показано, что причиной разрушения армирующих волокон являются форсированные технологические режимы (скорость детонации, величина зазора).

Установлено, что условием сохранения сплошности волокон являются конструктивные особенности схемы сварки взрывом и рациональный подбор кинематических параметров УВО, в частности, скорости и угла соударения метаемых элементов, обеспечивающих требуемую деформацию элементов. Для выбора наиболее рациональных режимов УВО была использована программа LS-DYNA, которая входит в состав программного продукта ANSYS.

Исследован характер деформации армирующих волокон в матричном слое в процессе сварки взрывом. Моделирование ударно-волнового нагружения осуществлено в системе, включающей метаемый и неподвижный листы, армирующие волокна и заряд взрывчатого вещества.

При соударении пластин происходит совместная пластическая деформация и перемещение элементов. Установлено, что при скоростях детонации 1900–2300 м/с расслоений и отскока метаемой пластины не наблюдается, следовательно, можно констатировать, что образуется соединение металлов по всей поверхности контакта. В результате математического моделирования получены значения кинетической энергии, перемещения и ускорения конечного элемента. Рассчитаны скорость соударения метаемых элементов и угол соударения.

Выполнен расчет скорости соударения пластин по системе уравнений Баумана Станюковича Шехтера. Расхождение расчетных значений и результатов моделирования не превышает 12 %. В результате математического моделирования определены рациональные параметры УВО, значение скорости детонации должно находится в пределах 1900–2100 м/с, скорости соударения 530–590 м/с.

Полученные данные с достаточной точностью описывают характер деформационного взаимодействия матричных пластин и армирующих волокон в процессе ударно-волновой обработки. Результат деформационного изменения волокон позволяет сделать вывод о том, что при УВО рационально использовать армирующие волокна плоской формы сечения (полоса, прокатанная проволока). Использование волокон плоской формы уменьшает затрачиваемую на их деформацию энергию и способствует получению качественного сварного соединения на границе волокноматрица, что в достаточной мере подтверждают результаты экспериментальных исследований.

Исследование макро- и микроструктуры композиционного материала при различных параметрах сварки взрывом (рис. 1) показало, что рациональным режимом сварки является: скорость детонации, равная 1900–1950 м/с, и скорость соударения, равная 650–670 м/с, (рис. 1,б и 1,г), угол соударения пластин при этом должен составлять 18–19°.

Рис. 1. Микроструктура армирующих волокон:

D = 1750–1850 м/с, k = 2 мм проволока (а), прокатанная проволока (в);

D = 1900–1950 м/с, k = 3 мм прокатанная проволока (б), полоса (г);

Установлено, что количество непроваров снижается с использованием проволоки меньшего сечения диаметром до 0,5 мм и армирующих волокон с овальным сечением (прокатанная проволока). Применение армирующих волокон с поперечным сечением в виде овала и прямоугольника позволило устранить непровары. Установлено, что для образования качественного соединения волокна и матрицы без образования промежуточных прослоек и непровара рационально использовать сварочный зазор k между матричными пластинами, равный 2,83,1 мм.

После сварки взрывом полуфабрикаты композиционного материала сохранили свою пластичность (относительное удлинение составило 17 %), что позволило прокатать их со степенью деформации до 93 % (рис. 2).

Рис. 2. Микроструктура композита после сварки взрывом и холодной прокатки со степенью деформации 50 % (а) и 93 % (б) Проведена оценка технологических свойств после сварки взрывом армированного композиционного материала методом испытания на изгиб.

Образец композита сохраняет свою целостность при загибе до соприкосновения сторон, что свидетельствует о высоких технологических свойствах и о возможности применения дальнейших операций формообразования.

В третьей главе приведены результаты исследований по обеспечению определенной структуры и свойств композиционного материала при термической обработке.

Образцы композита, полученные на рациональных режимах сварки, подвергали термической обработке с целью формирования гетерофазной интерметаллической структуры. Термическую обработку проводили при температурах 300, 350, 400, 450, 500 и 510 °С, с временем выдержки в печи 5, 10, 15, 30, 60, 120 и 200 мин. При исследовании микроструктуры образцов после термической обработки выявлено появление двух устойчивых твердых фаз в виде прослоек (рис. 3). Прослойка со стороны алюминия имела светлый оттенок, со стороны меди – темный.

Рис. 3. Микроструктура алюминиево-медного композиционного армированного материала после термической обработки в поперечном сечении:

1 – сплав АМг2м; 2 – фаза CuAl2; 3 – фаза CuAl; 4 – медь М1М (200) С целью определения фазового состава промежуточных прослоек использовали метод рентгеноспектрального микроанализа. Его проводили на электронном микроскопе Zeiss SIGMA, оснащенном системой NCA Energy SEM, в конфигурацию которой входит установка Energy 350 с безазотным SDD детектором X-Max 80 (Platinum). Исследование выявило наличие в композиционном материале системы «алюминиймедь» четырех фаз, соответствующих интерметаллическим соединениям CuAl, CuAl3, Cu2Al и CuAl2. Количественным анализом установлено, что преимущественно в составе прослоек преобладают фазы CuAl (темная прослойка) и CuAl2 (светлая прослойка).

Определен латентный период образования интерметаллидов в структуре армированного композиционного материала системы «алюминий медь» (табл. 1).

Латентный период в композиционном материале Температура, °С Проведено измерение микротвердости сформированных интерметаллических прослоек. Темная прослойка со стороны меди имеет микротвердость от 9,5 до 10,5 ГПа, светлая прослойка со стороны алюминиевого сплава от 6,0 до 7,5 ГПа. Режимы термической обработки армированных композиционных материалов не приводили к полному превращению меди в интерметаллиды. Объемная доля интерметаллической фазы в композите составляла от 0,16 до 9,0 %.

На рис. 4 представлена количественная оценка роста интерметаллидных фаз со стороны алюминия и меди. Измерения производились на металлографическом микроскопе NIKON EPIPHOT 200 с помощью программы анализа изображения VESTRA Imaging System. Точность определения толщины прослойки составляла 0,001 мкм.

При температуре 300 и 350 °С толщина интерметаллических прослоек со стороны алюминия и меди при выдержке 200 мин не превышает 4 мкм. С увеличением температуры отжига до 510 °С толщина фазы CuAl монотонно увеличивается. Со стороны меди образование фазы CuAl начинается в более поздний период. С повышением температуры скорость роста прослойки со стороны меди увеличивается.

Рис. 4. Увеличение толщины интерметаллической прослойки на границе армированного композита системы «алюминиймедь»:

Установлено, что интенсивный рост интерметаллической фазы CuAl наблюдается при температурах 500 и 510 °С. Суммарная толщина промежуточных фаз на различных образцах в поперечном сечении волокна достигала 60 мкм.

Определены кинетические параметры образования интерметаллических фаз в композиционном материале системы «алюминиймедь» (табл. 2).

Расчетные значения параметров кинетики образования Фаза зарождения Eз, циальный активации Еa, На основе полученных данных методом экстраполяции выполнен расчет толщины интерметаллических фаз композиционного материала для получения заданной гетерогенной структуры. В табл. 3 приведены некоторые значения толщины интерметаллических фаз.

Расчетные значения толщины интерметаллических фаз Продолжительность Толщина интерметаллической Толщина интерметаллической Исследование механических свойств методом одноосного растяжения проведено на образцах композиционного материала после сварки взрывом и термической обработки в соответствии с ГОСТ 11701–84, 1497–84. Образцы изготавливали таким образом, чтобы в рабочую зону попадало гарантированно не менее двух полос армирующего материала, направление укладки волокон совпадало с направлением действия нагрузок (при этом объемная доля волокна составляла 5,6 %). Рис. 5. Диаграмма растяжения образца На рис. 5 представлена диаграм- армированного композиционного ма растяжения образцов армиро- материала: Р – нагрузка, действующая ванного композиционного мате- на образец; l1 – удлинение образца риала.

Определены значения показателей механических свойств армированного композиционного материала при объемном содержании интерметаллической фазы 0,5, 2,5, 5 и 9 % (табл. 4).

Объемное интерме- сопротивление таллида, % В, МПа 0,5 175,6…178,65 75,86…77,09 21,0…22,5 6,38…6,50 2,76…2, 2,5 193,2…199,6 79,59…81,06 20,7…22,4 7,02…7,25 2,89…2, 5,0 208,93…212,3 82,6…83,68 20,2…22,1 7,59…7,71 3,0…3, 9,0 232,05…233,15 80,95…82,32 19,3…21,0 8,43…8,47 2,94…2, Установлено, что объемное содержание интерметаллической фазы до 5 % ведет к увеличению модуля упругости на 17 % и удельной жесткости на 12 %. При объемном содержании интерметаллической фазы до 9 % временное сопротивление композита выше значения в материала матрицы и расчетного значения в композита на 40 %. Значение удельной прочности при этом увеличивается на 35 %.

Полученные результаты свидетельствуют о следующем механизме формирования механических свойств композиционного материала системы «алюминиймедь» в процессе термической обработки. При нагреве на границе волокноматрица образуется интерметаллическая прослойка, состоящая из двух слоев, толщина которых зависит от температуры и времени длительности процесса. Интерметаллическая прослойка имеет геометрическую форму в виде трубы, которая с наружной и внутренней сторон окружена пластичным и вязким металлом. Это обеспечивает, с одной стороны, высокую пластичность материала, что подтверждается результатами исследований, а с другой значительное повышение прочности, что связано с наличием промежуточной фазы трубчатой формы.

Таким образом, появляется возможность регулирования в широких пределах пластичности и прочности композиционного армированного материала за счет увеличения или уменьшения объемной доли интерметаллической фазы в его структуре.

Четвертая глава посвящена изучению эксплуатационных характеристик композиционного материала с керамическим покрытием, полученным методом микродугового оксидирования.

Экспериментально определены механические свойства композициионного материала с интерметаллическим упрочнением и последующей обработкой поверхности МДО. Исследованиями установлено влияние состава электролита и параметров МДО на толщину, временное сопротивление, модуль упругости и относительное удлинение композиционного материала. Эксперименты проведены на образцах после отжига при температуре, обеспечивающей максимальное упрочнение за счет образования интерметаллической фазы.

Для получения МДО покрытий были использованы водные растворы Na2SiO3, Н3ВО3 и C2H2O4. В результате МДО на поверхности композита были сформированы покрытия толщиной от 2,0 до 28,0 мкм.

Установлено, что применение технологии МДО позволяет повысить механические свойства композиционного материала при толщине покрытия от 2 до 5 мкм:

– временное сопротивление – от 10,5 до 12,6 % (соответственно водные растворы Н3ВО3 и Na2SiO3);

– модуль упругости – от 6,0 до 19,2 % (соответственно Na2SiO и Н3ВО3).

На рис. 6 представлены диаграммы значений временного сопротивления, модуля упругости, удельной прочности и жесткости высокопрочного композиционного материала с интерметаллическим упрочнением (ВКМ ТО), с интерметаллическим упрочнением и керамическим покрытием в водном растворе Н3ВО3 (ВКМ ТО+МДО) в сравнении с исходным сплавом АМг2м.

Рис. 6. Диаграммы сравнения механических характеристик:

временного сопротивления (а), модуля упругости (б) удельной прочности (в) и удельной жесткости (г) Установлено, что сформированные покрытия увеличивают прочностные показатели механических свойств изделий. Показано, что применение технологии МДО для обработки поверхности армированных композиционных материалов на основе алюминия и его сплавов является эффективным для повышения удельных показателей прочности и жесткости ответственных изделий, например, обечайки корпуса реактивного двигателя, а также элементов оперения летательных аппаратов и ракет.

Проведена оценка себестоимости изготовления высокопрочного композиционного материала системы «алюминиймедь» с интерметаллическими элементами и керамическим покрытием.

Результаты работы внедрены в учебный процесс кафедры «Сварочное, литейное производство и материаловедение» для подготовки специалистов и бакалавров по направлению 150100 «Материаловедение и технологии материалов» и профилю подготовки «Материаловедение и технологии новых материалов».

В рамках выполнения Президентской программы повышения квалификации инженерных кадров на 20122014 гг. подготовлены учебные модули «Основы формирования свойств изделий», «Высокоэнергетические материалы и технологические основы формирования современных материалов методами высокоэнергетического воздействия», «Основы обеспечения заданных свойств материалов и изделий».

В приложении приведены акты о внедрении результатов в учебный и образовательный процесс при реализации программы повышения квалификации инженерных кадров «Современные технологии изготовления перспективных видов вооружения, военной и специальной техники» по Президентской программе повышения квалификации инженерных кадров на 20122014 гг., акты внедрения и акты выполненных работ по НИР и ОКР.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработаны технологические схемы ударно-волнового нагружения для создания плоских и трубных заготовок композиционного материала системы «алюминиймедь». Определены рациональные параметры ударно-волнового нагружения исследуемых материалов, которые обеспечивают получение прочного соединения компонентов армированного композита, исключающие образование непроваров и оплавленных участков.

Обоснован выбор технологических режимов для получения качественного соединения волокна (площадью поперечного сечения от 0,2 до 0,8 мм2) и матрицы (толщиной листа от 2 до 3 мм) с минимальным количеством участков оплавленного металла до 0,01 %. Для получения качественного соединения волокна и матрицы с минимальным количеством участков оплавленного металла скорость детонации должна быть равной 1900–1950 м/с, сварочный зазор k = 3 мм, скорость соударения 650–670 м/с и угол соударения пластин при этом должен составлять 18–19°.

2. Выполнено моделирование деформационного процесса матрицы и армирующих волокон композиционного материала в программе LS-DYNA.

Показано, что при сварке взрывом рационально использовать армирующие волокна плоской формы сечения (полоса, прокатанная проволока).

3. Исследована микроструктура армированного композиционного материала после операций сварки и прокатки со степенью деформации от 25 до 93 %. Проведена оценка технологических свойств композита методом изгиба. Установлено, что при испытании на изгиб образец армированного композиционного материала после сварки взрывом сохранил свою целостность до соприкосновения сторон. Это свидетельствует о высоких технологических свойствах и о возможности применения дальнейших операций формообразования.

4. Рентгеноспектральным микроанализом установлено, что в результате термической обработки образуются две фазы на границе волокно матрица армированного композита системы «алюминиймедь». Показано, что фаза CuAl образуется со стороны меди и имеет темный оттенок, фаза CuAl2 образуется со стороны алюминия и имеет светлый оттенок.

5. Определены значения энергии активации и коэффициентов диффузии для прослойки со стороны алюминия и меди. Энергия активации фазы CuAl составляет Е = 47 721,0 Дж/моль, коэффициенты диффузии при 400 и 450 °С соответственно равны D400 = 3,6 1019мкм2/с, D450 = 5,1 1018 мкм2/с. Для фазы CuAl2 Е = 41 130,0 Дж/моль, коэффициенты диффузии при 400 и 450 °С соответственно равны D400 = 9,4 1016 мкм2/с, D450 = 5,1 1015 мкм2/с.

6. Установлено, что объемное содержание интерметаллической фазы в композите до 9 % увеличивает временное сопротивление до 232,5 МПа и удельную жесткость на 12 %. При объемном содержании интерметаллической фазы 5 % модуль нормальной упругости возрастает до 83 ГПа и удельная прочность увеличивается на 22 %.

7. Установлено, что применение технологии МДО позволяет повысить механические свойства композиционного материала (временное сопротивление и модуль нормальной упругости). При обработке композиционного материала в водных растворах Na2SiO3 и Н3ВО3 временное сопротивление по сравнению с материалом матрицы увеличивается на 12, и 10,5 % соответственно, а модуль нормальной упругости возрастает на 6,0 и 19,2 %.

8. Произведена оценка технико-экономических показателей высокопрочного композиционного материала системы «алюминиймедь». Разработанный композит является конкурентоспособным, что подтверждается наивысшим баллом экспертной балльной оценки конкурентоспособности.

9. Материалы диссертации внедрены в учебный процесс по направлению подготовки специалистов и бакалавров и использованы при повышении квалификации инженерных кадров в рамках Президентской программы.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Хорин, А. В. Математическое моделирование деформационного и взрывного процессов, происходящих при сварке взрывом / А. В. Хорин, А. Е. Розен, И. С. Лось [и др.] // Известия Волгоградского государственного технического университета. Сер.: Сварка взрывом и свойства сварных соединений. – Волгоград : Изд-во ВолгГТУ, 2006. – № 9 (24). – Вып. 2. – С. 79–87.

2. Хорин, А. В. Медно-алюминиевые композиционные материалы, полученные сваркой взрывом / А. В. Хорин, И. С. Лось, Д. Б. Крюков // Известия Волгоградского государственного технического университета. Сер.: Сварка взрывом и свойства сварных соединений. – Волгоград : Изд-во ВолгГТУ, 2010. – № 5 (65). – Вып. 4. – С. 88–92.

3. Хорин, А. В. Моделирование деформационного процесса в задачах армирования и сварки взрывом с применением программы LS-DYNA / A. В. Хорин, A. E. Розен, И. С. Лось, А. Ю. Муйземнек, Е. А. Журавлев // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. – 2010. – № 1 (13). – С. 123–133.

4. Пат. 2407640 Российская Федерация, МПК6 B32B15/02 C22C47/2 B23K20/08.

Способ получения композиционного материала / Розен А. Е., Лось И. С., Хорин А. В. [и др.];

заявители и патентообладатели: ФГБОУ ВПО ПГУ, Российская Федерация, от имени которой выступает государственный заказчик – Министерство обороны Российской Федерации и др. – № 2008131359/02; заявл. 29.07.2008.; опубл. 27.12.10, Бюл. № 36. 7 с.

5. Khorin, A. V. Multilayer Clad Metals by Explosive Welding / A. E. Rosen, L. B. Pervukhin, I. S. Los’, D. B. Kryukov, O. L. Pervukhina, N. A. Lyubomirova, A. V. Khorin, I. V. Denisov // Shock-Assisted Synthesis and Modification of Materials / Edited by A. A. Deribas, Yu. B. Scheck. – Moscow : TORUS PRESS Ltd., 2006. – P. 111.

6. Хорин, А. В. Моделирование процесса сварки взрывом в программе LS-DYNA / А. В. Хорин, А. Е. Розен, И. С. Лось [и др.] // Аналитические и численные методы моделирования естественнонаучных и социальных проблем : сб. ст. I Междунар. науч.-техн. конф. Пенза, 2006. – С. 219221.

7. Хорин, А. В. Исследование свойств композиционного армированного материала системы медьалюминий, полученного сваркой взрывом / И. С. Лось, А. В. Хорин, М. С. Гуськов // Новые материалы и технологии (НМТ-2008) : сб. науч. тр. Всерос.

науч.-техн. конф. : в 3 т. Т. 1. – М. : Изд.-типограф. центр МАТИ, 2008. С. 182.

8. Хорин, А. В. Моделирование деформирования композиционного материала, армированного металлическими волокнами / И. С. Лось, А. Ю. Муйземнек, А. В. Хорин [и др.] // Аналитические и численные методы моделирования естественнонаучных и социальных проблем : сб. ст. IV Междунар. науч.-техн. конф. / Пенза, 2009. – С. 219220.

9. Хорин, А. В. Особенности формирования композиционных армированных материалов системы Al-Cu при применении сварки взрывом / А. В. Хорин // Новые материалы и технологии (НМТ-2010) : сб. науч. тр. Всерос. науч.-техн. конф. : в 3 т. Т. 1. – М. : Изд.-типограф. центр МАТИ, 2010. С. 25–26.

10. Khorin, A. V. Cylindrical intermetallic composite by explosive welding / I. S. Los', A. Yu. Muizemnek, A. V. Khorin, D. L. Chernyshov // Explosion / Combustion– Assisted Production of New Materials: Science and Technology / Edited by A. A. Deribas, Yu. B. Scheck. – Kalilingrad : I. Kant BFU, 2011. – Р. 35–36.

11. Хорин, А. В. Технологические особенности получения сваркой взрывом армированного композиционного металлического материала системы Al-Cu / А. В. Хорин, И. С. Лось, А. Е. Розен // Современные проблемы повышения эффективности сварочного производства : сб. ст. Всерос. науч.-техн. конф. – Тольятти : Изд-во Тольятт.

гос. ун-та., 2011. – С. 268–270.

12. Khorin, A. V. Composition reinforced material of aluminum–copper by explosive welding / I. S. Los', A. V. Khorin, E. G. Troshkina, M. S. Gus'kov // Explosive Production of New Materials: Science, Technology, Business and Innovations / Edited by A. A. Deribas, Yu. B. Scheck. – Moscow : TORUS PRESS., 2010. – P. 39.

13. Khorin, A. V. Intermetallic composite by explosive welding / I. S. Los', A. V. Khorin, E. G. Troshkina // Explosive Production of New Materials: Science, Technology, Business and Innovations / Edited by A. A. Deribas, Yu. B. Scheck. – Moscow :

TORUS PRESS., 2012. – P. 67.

14. Хорин, А. В. Металлический конструкционный композиционный армированный материал системы медь–алюминий / А. В. Хорин // Инновационные технологии в машиностроительном комплексе : сб. тр. I Междунар. науч.-практ. конф. (г. Пенза, 15–16 декабря 2011 г.) / под ред. В. З. Зверовщикова, М. В. Белашова. – Пенза : Изд-во ПГУ, 2012. – С. 241243.

15. Хорин, А. В. Технологические аспекты производства композиционных металлокерамических материалов повышенной механической прочности и термостабильности / Д. Б. Крюков, А. О. Кривенков, А. В. Хорин [и др.] // Проблемы разливки и кристаллизации стали, сварки, термообработки и математическое моделирование технологических процессов : сб. тез. Междунар. науч.-техн. конф. (Москва, 1314 декабря 2012 г.) / ОАО НПО «ЦНИИТМАШ» (ГК «Росатом»). Атомэнергомаш. – М. : Изд-во ОАО НПО «ЦНИИТМАШ», 2012. – С. 73.

Создание высокопрочного композиционного Подписано в печать 25.11.2013. Формат 60x841/16.

_ Тел./факс: (8412) 56-47-33; e-mail: [email protected]