Самораспространяющийся высокотемпературный синтез модифицирующих лигатур и композиционных сплавов в расплаве алюминия с применением флюсов 01. 04. 17 Химическая физика, в том числе физика горения и взрыва



Скачать 277.28 Kb.
НазваниеСамораспространяющийся высокотемпературный синтез модифицирующих лигатур и композиционных сплавов в расплаве алюминия с применением флюсов 01. 04. 17 Химическая физика, в том числе физика горения и взрыва
ЛУЦ АЛЬФИЯ РАСИМОВНА
Дата03.06.2013
Размер277.28 Kb.
ТипАвтореферат
источник



На правах рукописи


ЛУЦ АЛЬФИЯ РАСИМОВНА


САМОРАСПРОСТРАНЯЮЩИЙСЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ СИНТЕЗ МОДИФИЦИРУЮЩИХ ЛИГАТУР И КОМПОЗИЦИОННЫХ СПЛАВОВ В РАСПЛАВЕ АЛЮМИНИЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ ФЛЮСОВ



01.04.17



Химическая физика, в том числе
физика горения и взрыва



АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук


Самара – 2006


Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Самарский государственный технический университет".


Научный руководитель кандидат технических наук, доцент

МАКАРЕНКО Александр Григорьевич


Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

ЮХВИД Владимир Исаакович


кандидат технических наук, доцент

ЖУРАВЕЛЬ Леонид Васильевич


Ведущая организация Московский институт стали и сплавов (технологический университет)


Защита состоится: "^ 15 " декабр 2006 года в 1400 на заседании диссертационного совета Д 212.217.01 при Самарском государственном техническом университете по адресу: 443100, Самара, ул. Молодогвардейская, 244, Главный корпус, аудитория 500.


С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного технического университета.


Автореферат разослан " ___ " ноября 2006 года


Ученый секретарь

диссертационного совета _____________ А.М. Штеренберг





Самарский государственный

технический университет, 2006



^ ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ


В диссертационной работе представлены результаты исследования процесса самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) в расплаве алюминия, на основании которых разработаны технологии получения модифицирующих лигатур и композиционных сплавов на алюминиевой основе.

^ Актуальность работы. Сплавы на алюминиевой основе нашли применение в космической, авиационной и многих гражданских отраслях промышленности и на сегодняшний день занимают второе место в мире по объемам производства. Однако проблема повышения механических и эксплутационных свойств алюминиевых сплавов до сих пор остается актуальной.

Один из путей решения данной проблемы – модифицирование, т.е. измельчение зерна структуры сплава, для осуществления которого применяются, в основном, лигатуры, причем более 70% применяемых лигатур в качестве модифицирующей добавки содержат титан. Наиболее востребованными, ввиду высокой эффективности и относительно небольшой стоимости, являются лигатуры Al-Ti и Al-Ti-B. В результате многочисленных исследований их структуры установлено, что для получения максимального модифицирующего эффекта частицы TiAl3 и TiB2 должны быть, по возможности, сферическими и иметь размер: первые не более 150 мкм, а вторые 1-2 мкм. Для избавления от вредных примесей в лигатуры также зачастую добавляют многокомпонентные флюсы различных составов в количестве до 0,3%, которые в качестве одного из компонентов содержат натриевый криолит. Помимо этого, во всех традиционных технологиях получения модифицирующих лигатур, кроме проблемы высоких энерго- и трудозатрат, остро стоит вопрос интенсивного газонасыщения, что приводит к огрублению структуры первичных интерметаллидов.

В 1967 г. академиком А.Г. Мержановым и его коллегами был открыт новый способ получения тугоплавких соединений, который получил название самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС). В 90-е г.г. в Самарском государственном техническом университете были проведены первые экспериментальные исследования по СВ-синтезу модифицирующих лигатур Al-Ti и Al-Ti-B непосредственно в расплаве алюминия. Была показана принципиальная возможность получения лигатур с достаточно высокой степенью усвоения вводимых компонентов (в виде экзотермической шихты). Однако закономерности протекания процесса СВС в расплаве алюминия, а также влияние на синтез неорганических флюсов и различных составов исходной шихты требуют дальнейшего изучения. Выявление этих закономерностей является весьма актуальной задачей, так как открывает возможность синтеза лигатур с мелкокристаллической структурой и, как следствие, с повышенной модифицирующей способностью.

Для работы современной техники необходимы принципиально новые конструкционные и функциональные материалы. Перспективность для этих целей композиционных материалов на базе алюминиевых сплавов, упрочненных высокопрочными тугоплавкими частицами керамики, подтверждается отечественным и зарубежным опытом опробования металлических композиционных материалов. Параметры решетки частиц карбидов переходных металлов, особенно TiС, в наибольшей степени близки к параметру решетки твердого раствора алюминия. Проблема состоит в способе ввода керамической фазы в расплав. Поэтому исследование и разработка одностадийной технологии получения композиционного сплава Al-TiC, который при небольшой массе будет обладать высокими показателями прочности, износостойкости, термостойкости, жесткости и т.д., является актуальной проблемой и имеет большую практическую ценность.

Работа была выполнена в Инженерном центре СВС Самарского государственного технического университета.

Исследования выполнялись в рамках Научно-технической программы "Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники 2001-2003 г.г.", Государственного контракта № 02.467.11.2003 от 30.10.2005 г. с Федеральным агентством по науке и инновациям на выполнение комплексного проекта ИН-КП.3/001 по Федеральной целевой научно-технической программе "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники" на 2002-2006 годы, гранта Ученого совета ГОУВПО СамГТУ 2006 г. и гранта областного Конкурса Министерства образования и науки Самарской области для студентов, аспирантов и молодых ученых 2006 г. (62 Т 3.5 К).

^ Цель работы. Установить закономерности протекания процесса СВС в расплаве алюминия, а также оценить влияние неорганических флюсов на процесс получения модифицирующих лигатур и композиционных сплавов. Для достижения поставленной цели в работе решали следующие задачи:

1. Проведение термодинамического анализа систем Al-5%Ti-флюс, Al-5%Ti-1%B-флюс, Al-15%(Ti+C)-флюс с целью:

- определения фазового состава продуктов СВС-реакций;

- оценки максимальной адиабатической температуры расплава алюминия с целью прогнозирования свойств конечного сплава;

- расчета оптимального количества вводимого флюса для полного удаления оксидов компонентов порошковой СВС-смеси;

- выбора начальной температуры расплава алюминия для получения максимального выхода целевых фаз.

2. Построение феноменологической химической модели стадийности взаимодействия неорганических флюсов криолит (Na3AlF6) и NOCOLOK (K1-3AlF4-6) с оксидами компонентов шихты.

3. Исследование закономерностей протекания СВС в расплаве алюминия в системах Al–Ti, Al–Ti–B, Al–Ti–C и установление влияния контролируемых СВС- и технологических параметров процесса на структурообразование целевых фаз лигатур и композиционного сплава.

4. Разработка технологии получения композиционного сплава Al–TiC с применением процесса СВС в расплаве алюминия.

5. Исследование модифицирующей способности СВС-лигатуры Al–5%Ti–1%B на структуру сплава АК12, а также основных механических характеристик СВС-композиционного сплава Al–TiC.

^ Объекты и методы исследования. В качестве объектов исследования выбраны модифицирующие лигатуры и композиционные сплавы на основе алюминия.

Термодинамические расчеты температуры и равновесного состава продуктов горения проводили с использованием комплекса программ «THERMO», разработанных в Институте структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН и основанных на методе минимизации термодинамического потенциала (энергии Гиббса). Экспериментальные исследования процесса СВС проводились с использованием плавильной печи ПП20/12, термопар ХА, ПР, а также цифрового милливольтметра постоянного тока Щ1516. Для анализа продуктов горения применялись методы металлографического, рентгенофазового, химического, спектрального и микрорентгеноспектрального анализов.

^ Научная новизна работы.

1. Впервые методами термодинамического анализа показана возможность протекания СВ-синтеза в системах Al-5%Ti-флюс, Al-5%Ti-1%B-флюс, Al-15%(Ti+C)-флюс, а также рассчитаны наиболее благоприятные температурные интервалы для реализации СВС-реакций.

2. Построена феноменологическая химическая модель стадийности взаимодействия неорганических флюсов криолит (Na3AlF6) и NOCOLOK (K1-3AlF4-6) с оксидами компонентов шихты.

3. Впервые установлены основные закономерности протекания процесса СВС в расплаве алюминия, определено влияние контролируемых СВС- и технологических параметров процесса на структурообразование конечного сплава.

4. В полученных в различных условиях сплавах Al-5%Ti, Al-5%Ti-1%B, Al-TiC, приготовленных методом СВС, впервые определен химический состав и размер частиц образующихся фаз.

^ Научная ценность работы заключается в том, что полученные в ней новые результаты расширяют и углубляют физические представления о процессе СВС в расплаве алюминия, а также о физико-механических свойствах модифицирующих лигатур и композиционных сплавов.

^ Практическая значимость.

1. Разработан низкотемпературный метод приготовления композиционного сплава Al-TiC в одну стадию с применением процесса СВС в расплаве, обеспечивающего образование целевой фазы упрочнителя TiC.

2. Отработаны технологии приготовления модифицирующих лигатур Al-5%Ti, Al-5%Ti-1%B и композиционного сплава Al-TiC с использованием процесса СВС в расплаве, позволяющего значительно снизить энерго- и трудозатраты по сравнению с существующими технологиями.

3. Изготовлена опытная партия композиционного сплава Al-TiC и получены результаты исследования его механических свойств.

Практическая значимость работы подтверждена актами внедрения.

Практические результаты могут быть использованы в различных отраслях машиностроения для создания новых сплавов, обладающих высокими показателями прочности, износостойкости и т.д.

^ На защиту выносятся следующие положения:

1. Результаты исследования процесса СВС в расплаве алюминия, описывающие закономерности образования целевых фаз.

2. Феноменологическая химическая модель стадийности взаимодействия флюсов криолит (Na3AlF6) и NOCOLOK™ (K1-3AlF4-6) с оксидами компонентов шихты.

3. Метод получения композиционного сплава Al-TiC с применением метода СВС в расплаве.

4. Технология получения композиционного сплава Al-TiC.

^ Достоверность и обоснованность научных результатов подтверждается использованием современных апробированных и известных методов исследования процесса СВС, контролируемостью условий проведения эксперимента, воспроизводимостью результатов, проверкой их независимыми методами исследования и сравнением с литературными данными.

^ Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и получили одобрение на конференциях: Международная молодежная конференция «XXVIII и XXХII Гагаринские чтения» (Москва, 2002 г., 2006 г.); Всероссийская научно-техническая конференция «Высокие технологии в машиностроении» с международным участием (Самара, 2002 г., 2005 г.); Международная научно-техническая конференция «Прогрессивные литейные технологии» (Москва, 2002 г.); Всероссийская научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (Новосибирск, 2005 г.); Международная научно-техническая конференция «Новые порошковые и композиционные материалы, технологии, свойства» (Пермь, 2006 г.); Всероссийская научно-техническая Интернет-конференция с международным участием (Самара, 2006 г.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 14 работ, в том числе 3 в изданиях, входящих в Перечень рецензируемых журналов ВАК РФ.

^ Личный вклад автора. Автором самостоятельно выполнены следующие работы:

1. Термодинамические расчеты исследуемых систем.

2. Экспериментальные исследования СВС-процесса: выбор оптимального состава исходной шихты, проведение плавок, обработка экспериментальных данных.

3.Исследование характера изменения структуры анализируемых алюминиевых сплавов в зависимости от параметров процесса; металлографический анализ.

^ Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка использованных источников из 104 наименований, 6 приложений. Диссертация изложена на 174 страницах и содержит 68 рисунков и 41 таблицу.
^

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ



Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований, показана научная новизна работы и ее практическая значимость. Изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ современных способов получения модифицирующих лигатур и композиционных сплавов на алюминиевой основе, который показал, что существующие методы являются дорогими и низкопроизводительными. Показана целесообразность и перспективность использования процесса СВС в расплаве алюминия. Произведена постановка задач диссертационного исследования.

^ Во второй главе представлены результаты термодинамического анализа возможности протекания СВ-синтеза в системах Al-5%Ti-флюс, Al-5%Ti-1%B-флюс, Al-15%(Ti+C)-флюс, которые показали, что в связи с высокой экзотермичностью СВС-реакций, происходящих в расплаве между компонентами шихты, адиабатическая температура способна увеличиваться более чем в два раза по отношению к начальной температуре расплава алюминия.

Произведены термодинамические расчеты реакций взаимодействия флюсов криолит (Na3AlF6) и NOCOLOK™ (K1-3AlF4-6) с оксидами Al2O3, TiO2, B2O3. Показано, что взаимодействие флюса криолит с оксидами начинается при достижении адиабатической температуры системы 1285 К, что близко к температуре плавления данного флюса (1050С). На рисунке 1 в качестве примера приводятся результаты расчета по взаимодействию в системе Na3AlF6 - TiO2.

Флюс NOCOLOK™ при температуре плавления 565С распадается на смесь солей, составляющих его основу: К3AlF6 и (KF + AlF3). Рафинирующее воздействие первой составляющей начинается при адиабатической температуре системы 1272 К, и идентично влиянию флюса криолит (Na3AlF6). Смесь солей (KF, AlF3), представляющих второй компонент флюса, начинает свое воздействие при температурах, близких к температурам плавления самих оксидов. Показано, что введение 0,1% (от массы плавки) любого флюса способствует полному удалению оксидов с поверхности компонентов порошковой шихты.

Рис. 1. Реакция взаимодействия флюса криолит Na3AlF6 с оксидом титана TiO2

Термодинамические расчеты также показали, что оптимальная температура проведения СВ-синтеза в расплаве алюминия для модифицирующих лигатур Al-5%Ti, Al-5%Ti-1%B лежит в интервале 1173-1373 К, а для синтеза композиционного сплава Al-15%TiС температура должна быть выше 973 К.

^ В третьей главе приводится феноменологическая химическая модель стадийности взаимодействия продуктов распада флюсов криолит (Na3AlF6) и NOCOLOK™ (K1-3AlF4-6) с оксидами, которая была разработана на основе термодинамического анализа.

Химическая стадийность взаимодействия флюса криолит (Na3AlF6) с оксидами:

Na3AlF6  3NaF + AlF3

Al2O3 + 6NaF  3Na2O + 2AlF3

TiO2 + 4NaF  2Na2O + TiF4

3TiO2 + 4AlF3  2Al2O3 + 3TiF4

3TiO2 + 4Al  2Al2O3 + 3Ti


B2O3 + 6NaF 3Na2O+ 2BF3

B2O3 + 2AlF3  Al2O3 + 2BF3

B2O3 + 2Al  Al2O3 + 2B

Химическая стадийность взаимодействия флюса ^ NOCOLOK (K1-3AlF4-6) с оксидами:

Al2O3 + 6KF  3K2O + 2AlF3


TiO2 + 4 KF  TiF4 + 2K2О 

3TiO2 + 4 AlF3  2Al2O3 + 3TiF4

2AlF3 + 2KF + 2TiO2  Al2O3 + 2TiF4 + K2O


B2O3 + 6KF  3К2O + 2BF3

B2O3 + 2AlF3  Al2O3 + 2BF3

2AlF3 + 6KF + 2B2O3  Al2O3 + 4BF3 + 3K2O


В четвертой главе приведены характеристики материалов, используемых для синтеза модифицирующих лигатур Al-5%Ti, Al-5%Ti-1%B и композиционного сплава Al-TiС. Описана методика подготовки шихты, проведения экспериментальных плавок и отбора проб для последующего металлографического исследования образцов лигатур и композиционных сплавов. В ходе проведения экспериментов фиксировались параметры СВС-реакции: максимальная температура расплава после прохождения реакции (Тмах), температура заливки (Тзал.)- температура расплава после 5 минут выдержки, время задержки реакции (зад.)- время между вводом последней навески экзотермической шихты и началом активного искро- и газовыделения, что свидетельствует о прохождении СВС-реакции, а также технологические параметры реакции: характер излома, выход годного продукта, масса остатка в тигле. Представлена методика статистической обработки результатов синтеза модифицирующих лигатур по двум параметрам: число синтезированных частиц интерметаллидной фазы TiAl3 на мм2, и фактор формы частиц TiAl3 (отношение длины к ширине). Также приводятся методики проведения рентгенофазового и локального рентгеноспектрального анализов, методы исследования механических свойств получаемого композиционного сплава.

^ В пятой главе представлены результаты исследования процесса СВС в расплаве алюминия при синтезе модифицирующих лигатур Al-5%Ti, Al-5%Ti-1%B и композиционного сплава Al-TiС.

Экспериментальные исследования по СВ-синтезу модифицирующих лигатур производились с использованием промышленных марок порошков титана ПТМ (со средним размером фракции 80 мкм), ПТХ6-1 (180 мкм), ТПП-7 (280 мкм), порошков бора Б-92, Б-99, отличающихся степенью чистоты (содержание основного вещества соответственно 92,0 и 99,0 %масс.), с добавлением 0,1% (от массы плавки) флюсов криолит (Na3AlF6), NOCOLOK™(K1-3AlF4-6), а также без флюсов при начальных температурах расплава алюминия: 800, 850, 900С.

Лигатура Al-5%Ti-1%B

Состав на основе порошков ПТХ6-1 и Б-92. На данном составе при начальной температуре 800С не наблюдается повышения максимальной температуры расплава, что связано с отсутствием СВС-реакции, и подтверждается минимальным количеством синтезированных частиц интерметаллидной фазы TiAl3, а также «грязным» изломом, содержащим включения непрореагировавшей шихты. При начальных температурах расплава 850С и 900С как в плавках с флюсами, так и без них зафиксировано значительное повышение максимальной температуры расплава (рисунок 2), количество синтезированных частиц TiAl3 также возрастает, впрочем, как и фактор формы.



Рис. 2. Изменение максимальной температуры реакции в зависимости от начальной температуры расплава (ПТХ, Б-92)

Показано, что во всех образцах, полученных без применения флюсов, наблюдался «грязный» излом с включениями шихты, а в структуре металлической фазы присутствовали грубые скопления керамической фазы, что является недопустимым явлением, тогда как в образцах, полученных с применением флюсов, изломы - чистые, а фаза TiВ2 равномерно распределена по границам матричного зерна алюминия (рисунок 3). Проведенный локальный рентгеноспектральный анализ (ЛРСА) образцов с флюсами, полученных при начальной температуре расплава 900С, показал, что состав интерметаллидной фазы соответствует формуле TiAl3, а химический анализ показал содержание титана в образцах с флюсами криолит и NOCOLOK 3,9 и 3,6% соответственно. Поскольку наиболее благоприятной для последующего модифицирования является «блочная» структура, то оптимальная структура интерметаллидов была получена при 900С с флюсом криолит.

а)

б)

в)








Рис. 3. Структура образцов СВС-лигатуры Al-5%Ti-1%B (ПТХ6-1,

Б-92), полученных при начальной температуре расплава 900С, х400:

а) с флюсом (0,1% криолит); б) с флюсом (0,1% NOCOLOK);

в) без флюса

Состав на основе порошков ПТМ и Б-99. В связи с высокой дисперсностью частиц титана данной марки максимальная температура расплава повышалась уже при начальной температуре 800С, что дало возможность предположить прохождение реакции. Однако снижение начальной температуры расплава до 750С дало «грязный» излом с флюсом криолит и структуру с грубыми скоплениями интерметаллидной фазы в случае с NOCOLOK. Кроме этого фиксировалось длительное время задержки реакции и маленький процент выхода годного.

При температурах 800, 850, 900С, вероятно, в связи с повышенной реакционной способностью порошка ПТМ, реакции протекали чрезвычайно бурно, с выплеском части металла вместе с шихтой из тигля, в результате чего наблюдалось пониженное количество синтезированных частиц интерметаллидной фазы с выраженной «игольчатой» структурой при всех начальных температурах синтеза (рисунок 4).



Рис. 4. Изменение максимальной температуры реакции в зависимости от начальной температуры расплава (ПТМ, Б-99)


Образцы без флюсов, так же, как и на предыдущем составе, имели «грязный» излом и грубую структуру. И только добавление флюсов позволило получить однородный излом, а также структуру с равномерным распределением обеих фаз (рисунок 5).

а)

б)

в)






^

Рис. 5. Структура образцов СВС-лигатуры Al-5%Ti-1%B (ПТМ,

Б-99), полученных при начальной температуре расплава 900С, х400:


а) с флюсом (0,1% криолит); б) с флюсом (0,1% NOCOLOKTM);

в) без флюса

ЛРСА образцов с флюсами также подтвердил, что интерметаллидная фаза представляет собой соединение TiAl3. Химический анализ образцов показал наибольшее содержание титана – 3,2 и 2,9% (с флюсами криолит и NOCOLOK соответственно) в случае СВ-синтеза при начальной температуре расплава алюминия 900С. Керамическая фаза TiВ2 в образцах и с тем, и с другим флюсом наблюдается в виде мелких «цепочек» по границам матричного зерна, а интерметаллидная фаза TiAl3 имеет наиболее благоприятную, «блочную» структуру в образце с криолитом, что дает основание выбрать этот режим в качестве оптимального.

Состав на основе порошков ТПП-7 и Б-92. Характерным признаком протекания реакций на данном составе является отсутствие активного искровыделения, что не дало возможности зафиксировать время задержки реакции как в предыдущих случаях. Однако повышение максимальной температуры расплава и наблюдаемое газовыделение свидетельствуют о прохождении полноценной СВС-реакции (рисунок 6).



Рис. 6. Изменение максимальной температуры реакции в зависимости от начальной температуры расплава (ТПП-7, Б-92)

Более того, на данном составе фиксируется более чем трехкратное увеличение количества синтезированных интерметаллидов TiAl3 (чем выше начальная температура расплава, тем больше их число) с наименьшим фактором формы. Структура образцов, полученных при температуре 900С, представлена на рисунке 7. Как и в предыдущих случаях ЛРСА образцов с флюсами, полученных при начальной температуре расплава 900С, показал состав фазы TiAl3, а химический анализ – содержание 4,0% титана в образце с криолитом и 3,9% титана - с NOCOLOK, причем только в образце с криолитом получена исключительно «блочная» структура.

а)

б)

в)







Рис. 7. Структура образцов СВС-лигатуры Al-5%Ti-1%B (ТПП-7,

Б-92), полученных при начальной температуре расплава 900С, х400:

а) с флюсом (0,1% криолит); б) с флюсом (0,1% NocolokTM);

в) без флюса

Лигатура Al-5%Ti

Экспериментальные исследования по синтезу лигатуры Al-5%Ti проводились только на составе (ТПП-7, Б-92). В связи с тем, что в данном случае присутствует только реакция формирования алюминида титана и, следовательно, система обладает меньшей экзотермичностью по сравнению с лигатурой Al-5%Ti-1%B, за минимальную начальную температуру расплава приняли температуру 850С и повышали ее до 950С.

Выявлено, что добавление флюса NocolokTM при начальной температуре расплава 850С приводит к значительному ухудшению структурных параметров, тогда как добавление криолита при той же температуре позволяет получать благоприятную структуру. При 900С плавки с добавлением обоих флюсов показывают приемлемую структуру (рисунок 8).

а)

б)

в)







Рис. 8. Структура образцов СВС-лигатуры Al-5%Ti (ТПП-7, Б-92), полученных при начальной температуре расплава 900С, х400:

а) с флюсом (0,1% криолит); б) с флюсом (0,1% NOCOLOKTM);

в) без флюса

Повышение температуры расплава до 950С приводит к значительному росту фактора формы, т.е. структура становится «игольчатой», что связано со значительным перегревом расплава во время прохождения реакции. Отсутствие флюсов при всех начальных температурах расплава приводит к неполному прохождению реакции, что выражается в наличии остатков шихты на изломах образцов.

Проведенные ЛРСА и химический анализ образцов, полученных с применением флюсов при 900С показали, что состав интерметаллида приблизительно соответствует атомному соотношению компонентов 3:1, а содержание титана в образце с криолитом составляет 4,2%, в образце с NocolokTM – 3,9%.

Композиционный сплав Al-TiС

Синтез лигатур показал, что данная технология может быть применена и для получения композиционного сплава, упрочненного карбидом титана, непосредственно в расплаве алюминия. В нашей стране подобные сплавы не производятся, а в работах иностранных авторов по одностадийному синтезу композиционных сплавов сообщается о возможности получения сплавов при температуре расплава не менее 1000С с объемным содержанием карбидной фазы 7-8%, что приблизительно соответствует 15 масс.%. В связи с этим термодинамические расчеты и экспериментальные исследования в рамках данной работы проводились, исходя из условий синтеза композиционного сплава Al-15%TiС при температурах расплава 900 и 1000С.

Состав на основе порошков ПТХ6-1 и П-701. При начальной температуре расплава 900С в образцах без флюса реакция не наблюдалась, излом был вязкий, с крупными агломератами непрореагировавшей шихты. Несмотря на то, что изломы образцов, полученных при температуре расплава 900С с флюсами не содержали темных включений, в них отмечено самое низкое усвоение порошков, что, видимо, связано с низкой исходной температурой расплава.

Увеличение начальной температуры расплава до 1000˚C приводит к сокращению времени задержки реакции более чем в два раза и к одновременному увеличению максимальной температуры, что свидетельствует о полном прохождении СВС-реакции (рисунок 9). Изломы образцов, полученных с флюсами при 1000˚C, отличались темно-серым цветом. В отсутствие флюса также были обнаружены темные включения, по-видимому, остатки непрореагировавших порошков или неусвоившегося продукта синтеза.

а)

б)





Рис. 9. Зависимость СВС-параметров образцов композиционного сплава Al-15%TiС (ПТХ6-1, П-701) от начальной температуры расплава,

а также от вида и наличия флюса

Рентгенофазовый анализ (РФА) показал во всех образцах, полученных при начальной температуре расплава 1000С, наличие двух фаз – Al и TiC. Отличие наблюдалось только в интенсивности линий TiC, что свидетельствовало о разном количестве фаз и соответствовало относительным данным спектрального анализа.

Наиболее высокая полнота СВС-реакции отмечена в плавках с флюсами: с криолитом - 10,6%Ti; 2,4%C, с NOCOLOK - 10,0%Ti; 2,5%C. ЛРСА также подтвердил, что синтезированные частицы, представляют собой карбид титана (рисунок 10).


а)

б)

в)







Рис. 10. Структура образцов композиционного сплава Al-15 %TiС

(ПТХ6-1, П-701), полученных при начальной температуре 1000С, х400:

а) с флюсом (0,1% криолит); б) с флюсом (0,1% NocolokTM);

в) без флюса
Также был определен параметр решетки карбидной фазы в образцах, полученных с флюсами криолит и NocolokTM и по нему определено соотношение С/Ti: в первом случае оно равно 0,8, во втором ~ 0,9, т.е. можно говорить о получении карбида стехиометрического состава.

Состав на основе порошков ПТМ, П-701. В случае применения мелкодисперсного порошка титана марки ПТМ наблюдается относительно небольшой перегрев выше начальной температуры расплава, время задержки реакции также значительно ниже (рисунок 11). При начальной температуре расплава 900С только с флюсом криолит наблюдается чистый излом, хотя содержание компонентов шихты в нем ничтожно мало. При начальной температуре 1000С чистые изломы наблюдаются в обоих образцах с флюсами. Проведенный ЛРСА синтезированной фазы показал, что в обоих образцах весовое соотношение титана к углероду приблизительно соответствует стехиометрическому 4:1

а)

б)





Рис. 11. Зависимость СВС-параметров образцов композиционного сплава Al-15%TiС (ПТМ, П-701) от начальной температуры расплава, а также от вида и наличия флюса


Несмотря на то, что в образцах с флюсами при температуре расплава 1000С получена однородная структура, содержащая карбидную фазу (рисунок 12), общее количество усвоенных порошков углерода и титана, по данным спектрального анализа, недостаточно для формирования композиционного сплава, поэтому результаты, полученные на составе (ПТМ, П-701) признаны неудовлетворительными.

а)

б)

в)







Рис. 12. Структура образцов композиционного сплава Al-15 %TiС (ПТМ, П-701), полученных при начальной температуре 1000С, х400:

а) с флюсом (0,1% криолит); б) с флюсом (0,1% NocolokTM);

в) без флюса



Состав на основе порошков ТПП-7, П-701. Предварительные экспериментальные исследования, проведенные на данном составе с целью получения композиционного сплава Al-15%TiС, показали крайне низкое усвоение шихты, что связано, очевидно, с низкой дисперсностью порошка титана ТПП-7. Поэтому дальнейшие исследования проводились, исходя из условий синтеза композиционного сплава Al-10 масс.%TiС, что соответствует приблизительно 5,76 объем.%.

При использовании в составе шихты порошка титана марки ТПП-7, уже при начальной температуре расплава 900С время задержки реакции очень мало, что свидетельствует об интенсивности СВС-реакции (рисунок 13).

При этом в образцах без применения флюса, несмотря на высокие температуры, также наблюдаются нерастворившиеся агломераты шихты. РФА, проведенный на образцах с флюсами, полученными при 900 и 1000ºС, показал наличие в структуре фаз Al и TiC, TiAl3. По показателям параметра решетки карбидной фазы сделан вывод, что отношение С/Ti в образцах, полученных при начальной температуре расплава 900С ~ 0,7, а при температуре 1000С ~ 0,9-1,0.

В отличие от предыдущих составов порошков, в данном случае в структуре образцов, полученных с обоими флюсами при обеих начальных температурах расплава, наблюдается фаза TiAl3 игольчатой морфологии (рисунок 14).



а)

б)





Рис. 13. Зависимость СВС-параметров образцов композиционного сплава

Al-10%TiС (ТПП-7, П-701) от начальной температуры расплава, а также от вида и наличия флюса




а)

б)

в)







г)

д)

е)







Рис. 14. Структура образцов композиционного сплава Al-10%TiС (ТПП-7, П-701), полученных при разных температурах расплава, х400:

900С:

а) с флюсом (0,1% криолит);

б) с флюсом (0,1% NocolokTM);

в) без флюса

1000С:

г) с флюсом (0,1% криолит);

д) с флюсом (0,1% NocolokTM);

е) без флюса



Спектральный анализ показал удовлетворительную степень усвоения компонентов шихты: в образцах с криолитом (7,9% Ti; 1,8%С) при начальной температуре расплава 900С и (8,0% Ti; 2,1%С) при 1000С; в образцах с NocolokTM – (7,8%Ti; 1,6%С) при 900С и (7,8% Ti; 2,0%С) при 1000С. ЛРСА подтвердил, что образовавшаяся фаза содержит компоненты Ti и C в соотношении, приблизительно соответствующем стехиометрическому 1:1.

Сравнительный анализ полученных результатов синтеза композиционных сплавов на всех составах порошков, показал необходимость использования флюсов, а также преимущество использования порошков титана ПТХ6-1 и ТПП-7. В связи с тем, что промышленная марка титана ПТХ6-1 в настоящее время не производится, для приготовления композиционного сплава Al-TiС рекомендован состав (ТПП-7, П-701) в сочетании с флюсом криолит (0,1% от массы плавки) при начальной температуре расплава 900С.

^ В шестой главе приведена технологическая схема приготовления сплавов на алюминиевой основе методом СВС в расплаве, а также расчеты технико-экономических показателей получения лигатур Al-5%Ti-1%В, Al-5%Ti и композиционного сплава Al-10%TiС.

В седьмой главе представлены результаты исследования модифицирующей способности СВС-лигатуры Al-5%Ti-1%В на структуру сплава АК12. Показано, что добавление 0,1-0,15% лигатуры (по содержанию титана) приводит к значительному измельчению эвтектической составляющей, а также повышению прочностных и пластических характеристик модифицированного сплава.

Представлены результаты изучения механических свойств композиционного сплава Al-TiС, изготовленного на основе состава порошков (ТПП-7, П-701), с различным содержанием карбидной фазы (от 0 до 20%). Показано, что оптимальное содержание фазы TiС, при котором происходит двукратное увеличение прочностных характеристик с достаточным запасом характеристик пластичности, составляет 10%, что позволяет выбрать это количество в качестве оптимального на данном этапе исследований.

Кроме этого, приводятся результаты испытаний на растяжение, проведенные на образцах сплава Al-10%TiС (ТПП-7, П-701), приготовленных с флюсами криолит и NocolokTM при различных начальных температурах расплава. Отмечается, что при увеличении температуры расплава с 900 до 1000С, предел прочности возрастает незначительно, а показатели пластичности уменьшаются более, чем в два раза, особенно в случае с флюсом NOCOLOK. Результаты испытания механических свойств позволяют сделать вывод, что оптимальное сочетание прочности и пластичности соответствует технологии получения композиционного сплава с флюсом криолит при температуре расплава 900С.


^ ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ


1.Теоретически показана возможность протекания СВ-синтеза в системах Al-5%Ti-флюс, Al-5%Ti-1%B-флюс, Al-15%(Ti+C)-флюс, а также возможность эффективного удаления оксидов компонентов шихты из расплава посредством применения флюсов криолит (Na3AlF6) и NOCOLOK™ (K1-3AlF4-6) на основании проведенного термодинамического анализа; выбраны наиболее благоприятные температурные интервалы для реализации СВС-реакций.

2. Построена феноменологическая химическая модель стадийности взаимодействия неорганических флюсов криолит (Na3AlF6) и NOCOLOK™(K1-3AlF4-6) с оксидами компонентов шихты. Показано, что оксиды компонентов восстанавливаются продуктами распада флюсов.

3. Экспериментально изучен процесс протекания процесса СВС в расплаве алюминия, показано влияние контролируемых СВС- и технологических параметров процесса на структурообразование конечных сплавов. Выявлено, что для синтеза лигатур оптимальной является начальная температура расплава 900С, для синтеза композиционных сплавов – 900-1000С (в зависимости от компонентного состава шихты).

4. На основании результатов рентгенофазового, локального рентгеноспектрального, химического, спектрального анализов показано, что в результате СВ-синтеза в расплаве алюминия были получены требуемые фазы TiAl3, TiB2, TiC состава, близкого к стехиометрическому.

5. Разработана низкотемпературная технология получения композиционного сплава Al–TiC методом СВС в расплаве алюминия.

6. Определена высокая модифицирующая способность CВC-лигатуры Al-5%Ti-1%B (применительно к сплаву АК12) и показаны удовлетворительные характеристики (предел прочности, относительное удлинение, сужение) механических свойств СВС-композиционного сплава Al–TiC.

Основное содержание диссертации представлено в следующих работах:

1. Луц, А.Р. Изучение влияния флюсов на получение лигатуры Al-Ti-B методом СВС [Текст]/ А.Р. Луц, А.Г.Макаренко // XXVIII Гагаринские чтения:тез.докл.Междунар.молод.научн.конф./М.: МАТИ.- Москва, 2002.- 5-9 апреля.- с.151.

2. Луц, А.Р. Получение композиционного сплава TiС методом СВС при низких температурах [Текст]/ А.Р.Луц, А.Г.Макаренко, А.П.Амосов, Е.Г Кандалова, В.И.Никитин // Высокие технологии в машиностроении: мат. Междунар.научно-технич.конф./Самара: СамГТУ.- Самара, 2002.-19-21 ноября.- с.142-144.

3. Луц, А.Р. Применение СВС для получения композиционного сплава Al-TiС [Текст]/ А.Р.Луц, А.Г.Макаренко, Л.В.Журавель, Е.Г Кандалова, В.И.Никитин, П.М. Бертасов// Прогрессивные литейные технологии: мат. Междунар.научно-технич. конф./М.:МИСиС.-Москва, 2002.- 19-21 ноября.- с.138.

4. Luts, А.R. Effect of fluxes on structure formation of SHS Al-Ti-B grain refiner [Text]/ A.R. Luts, Li Peijie, E.G. Kandalova, A.G. Makarenko, V.I. Nikitin, Zhang Yanfei // Materials Letters: scientific journal / 2003.- №57. – р.3694-3698.

5. Luts, А.R. Preparation of Al-TiC composites by self-propagating high-temperature synthesis [Text]/ A.R. Luts, Li Peijie, E.G. Kandalova, A.G. Makarenko, V.I. Nikitin, Zhang Yanfei // Scripta materilia:

scientific journal / 2003.- №49. – р.699-703.

6. Luts, А.R. SHS process and structure formation of Al-Ti-B grain refiner made with the use of fluxes [Text]/ A.R. Luts, Li Peijie, E.G. Kandalova, A.G. Makarenko, V.I. Nikitin, Zhang Yanfei // Materials Letters: scientific journal / 2004.- №58. – р.1861-1864.

7. Луц, А.Р. Влияние механической активации исходных порошковых шихт на процесс синтеза литейного композиционного сплава Al-TiС [Текст]/ А.Р.Луц, А.Г.Макаренко, А.В. Орлов, А.В. Гринев // Высокие технологии в машиностроении: мат. Междунар.научно-технич.конф./Самара: СамГТУ.- Самара, 2005.-21-23 октября.- с.190-192.

8. Луц, А.Р. Исследование процесса получения композиционного материала Al-TiС методом СВС в расплаве алюминия [Текст]/ А.Р.Луц, А.В. Орлов // Наука.Технологии. Инновации: мат. Всерос. научн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых/ Новосибирск: НГТУ.- Новосибирск, 2005.-8-11 декабря. – с.128-129.

9. Луц, А.Р. Влияние флюсов на синтез модифицирующих лигатур и композиционных сплавов методом СВС в расплаве [Текст]/ А.Р.Луц, А.Г. Макаренко, Е.Г. Кандалова, А.В. Орлов// Современные наукоемкие технологии: научн.-технич.журнал/ М.:АКАДЕМИЯ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ.-Москва, 2005. -№11.- с.45-46.- ISSN 1812-7320.

10. Луц, А.Р. Технология получения композита Al-TiС из порошковых экзотермических смесей непосредственно в расплаве алюминия [Текст]/ А.Р.Луц, А.Г. Макаренко, Е.Г. Кандалова, А.В. Орлов// Заготовительные производства в машиностроении: научн.-технич. и производств.журнал/ М.:Машиностроение.-Москва, 2005.-№11.- с.47-51. - ISSN 1684-1107.

11. Луц, А.Р. Получение композиционного материала Al-TiС методом СВС в расплаве алюминия [Текст]/ А.Р. Луц, А.В. Орлов, А.В. Гринев // XXXII Гагаринские чтения: тез.докл. Междунар.молод.научн.конф./М.:МАТИ.- Москва, 2006.-5-8апреля.- с.151.

12. Луц, А.Р. Получение композиционного сплава Al-TiС методом СВС в расплаве на разных составах порошковых шихт [Текст]/ А.Р.Луц, А.Г.Макаренко// Высокие технологии в машиностроении: мат.Всерос.научно-технич.интернет-конф.с междунар.участием /Самара: СамГТУ.- Самара, 2006.-10-20 сентября.- с.347-352.

13. Луц, А.Р. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез модифицирующей лигатуры Al-5%Ti-1%B в расплаве алюминия с использованием различных порошковых составов [Текст]/ А.Р.Луц, А.Г.Макаренко, А.В. Орлов // Высокие технологии в машиностроении: мат.Всерос.научно-технич.интернет-конф.с междунар.участием/Самара: СамГТУ.- Самара, 2006.-10-20 сентября.- с.353-359.

14. Луц, А.Р. Термодинамический расчет влияния неорганических флюсов на СВС в расплаве алюминия [Текст]/ А.Р.Луц, А.Г. Макаренко, А.В. Орлов // Конструкции из композиционных материалов: межотрасл. научн.-техн. журнал/ М.: ФГУП "ВИМИ".-Москва, 2006.- №4.- с.202-205.


Автореферат отпечатан с разрешения

диссертационного совета Д 212.217.01

(протокол № 46 от "12" октября 2006 года)


Тираж 100 экз. Заказ № 1600

Отпечатано на ризографе.


Самарский государственный технический университет

Отдел типографии и оперативной полиграфии

443100, Самара, ул. Молодогвардейская, 244, Главный корпус

Добавить документ в свой блог или на сайт


Похожие:



Если Вам понравился наш сайт, Вы можеть разместить кнопку на своём сайте или блоге:
refdt.ru


©refdt.ru 2000-2013
условием копирования является указание активной ссылки
обратиться к администрации
refdt.ru