Оптимизация состава и структуры композиционных материалов на алюминиевой и медной основе, получаемых жидкофазными методами и механическим легированием

• Автор: Аксенов, Андрей Анатольевич
• Шифр специальности: 05.02.01
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 387 с. : ил.

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В ДИССЕРТАЦИИ:

КМ - композиционный материал;

МКМ - металлический композиционный материал;

ЖМ - жидкофазные методы;

ЖПр - жидкофазная пропитка для получения КМ;

ВПК - волокнистая пористая керамика;

МЛ - механическое легирование;

УЭ - упрочняющие элементы (волокна, частицы);

УЧ - упрочняющие частицы;

КВ - керамические упрочняющие волокна;

КЧ - керамические упрочняющие частицы;

ГИП - горячее изостатпческое прессование;
ЖШ - метод жидкой штамповки;
М3 - метод механического замешивания в расплав;
ПМ - планетарная мельница;
АТ - аттритор;
ПАВ - поверхностно-активные вещества;
ММСр - КМ, содержащий 20 масс. % КЧ 81С;
MMCf - КМ, содержащие 10 об. % КВ ЭЮ;
Ук - критическое значение объемной доли УЭ;
КП - комбинированные композиционные поршни.
Ведение
1. Формирование КМ на основе А1, получаемых жидкофазной пропиткой
под давлением и механическим замешиванием
1.1. Процессы смачивания на границе раздела матрица - УЭ
1.1.1 Смачиваемость при жидкофазной пропитке волокон на основе Ре,
АЬОз, 8Ю2, муллитокремнезема и Б1С
1.1.1.1. Смачиваемость в системе А1- волокна на основе Fe
1.1.1.2. Смачиваемость в системе А1 - КВ на основе AI2O3, SiÛ2 и муллитокремнезема
1.1.1.3. Смачиваемость в системе А1 - длинномерные бескерновые КВ SÎC
1.1.2 Смачивание при механическом замешивании КЧ SiC
1.2. Процессы взаимодействия на межфазной границе матрица - УЭ
1.2.1. Взаимодействие в системе Al-волокна на основе Fe
1.2.2.Взаимодействие в системе Al-Si
1.2.2.1. Исследование процессов взаимодействия КВ на основе AI2O3,
SiC>2 и муллитокремнезема с А1 и его сплавами
1.2.3.Взаимодействие в системе Al-Si-C
1.2.3.1. Исследование процессов взаимодействия SiC с расплавом чистого А1
1.2.3.2. Исследование процессов взаимодействия SiC со сплавами системы Al-Si
1.2.3.3. Построение диаграммы состояния системы Al-Si-C
1.2.3.4.Исследование процессов взаимодействия в КМ на основе системы Al-Mg-Si-C
1.2.3.5.Исследование процессов взаимодействия в КМ на основе системы Al-Cu-Si-C
1.2.3.6.Исследование процессов взаимодействия в КМ на основе системы Al-Zn-Si-C и Al-Zn-Mg-Cu-Si-C
1.3. Разработка КМ, получаемых методами механического замешивания в расплав и жидкофазной пропиткой под давлением
1.3.1. КМ, получаемые методом механического замешивания УЭ, предназначенные для получения деталей ДВС
1.3.1.1. Влияние ГИП и ЖШ на структуру и свойства КМ
1.3.1.2. Оценка литейных свойств КМ на основе сплавов АК12ММгН и АК9ч, упрочненных КЧ SiC
1.3.1.3. Оптимизация технологии термической обработки отливок из КМ, упрочненных КЧ SiC
1.3.1.4. Паспортные характеристики КМ АК9ч-15об.%8Ю и
АК12ММгН-15об.%8Ю
1.3.2. КМ, получаемые методом жидкофазной пропитки под давлением,
предназначенные для получения поршней ДВС
1.3.2.1. Выбор состава и структуры матрицы и ВПК для получения КМ
1.3.2.2. Оптимизация режимов жидкофазной пропитки преформ из ВПК при получении ТОЧНЫХ ОТЛИВОК поршней
1.3.2.3. Исследование возможности получения комбинированных поршней с упрочняющими нирезистовыми вставками
1.3.2.4. Оптимизация режимов термической обработки КМ
1.3.2.5.Разработка КМ на основе сплава АК12ММгН и ВПК и технологии получения точных отливок из них поршней тяжело нагруженных ДВС
Выводы по главе
2. Формирование структуры дисперсно-упрочненных КМ на основе А1 и Си, получаемых методом механического легирования из крупных шихтовых составляющих, в том числе из вторичного сырья
2.1. Прогнозирование оптимальной структуры дисперсно-упрочненных КМ и важнейших факторов, способных оказать на нее влияние
2.2. Формирование структуры дисперсноупрочненных КМ в процессе обработки в высокоэнергетических мельницах
2.2.1. Структура и свойства механически легированных КМ на основе А1сплавов
2.2.1.1 КМ, получаемые в аттриторе методом совместной обработки матричных и КЧ
2.2.1.2 КМ, получаемые механическим легированием в ПМ методом совместной обработки крупных матричных и КЧ
2.2.1.3 КМ, получаемые механическим легированием в ПМ в окислительной атмосфере
2.2.2. Структура и свойства механически легированных КМ на основе

2.2.2.1. КМ, получаемые механическим легированием в ПМ совместной обработки крупных Си-матричных и КЧ
2.2.2.2.КМ, получаемые механическим легированием в ПМ методом совместной обработки крупных Си-матричных частиц и частиц Сг
2.3. Формирование структуры КМ при консолидации и последующей обработке
2.3.1. Консолидация и обработка механически легированных КМ на основе

2.3.1.1. Анализ процессов распада (А1) в процессе консолидации и других параметров субструктуры механически легированных КМ на основе А1-сплавов
2.3.1.2. Оценка важнейших свойств механически легированных КМ на основе А1-сплавов с КЧ
2.3.1.3. Исследование влияния термической обработки на структуру и свойства механически легированных КМ (на примере КМ А1-3%Си-1%М§-20%81С, полученного в аттриторе)
2.3.2. Консолидация и обработка механически легированных КМ на основе

2.3.2.1. Консолидация и обработка КМ на основе системы Си и ее сплавы - КЧ
2.3.2.2.Консолидация и обработка КМ на основе системы Си-Сг
Выводы по главе
3. Разработка КМ на основе Си и А1, получаемых методом МЛ
3.1. Выбор эффективного агрегата для механического легирования на примере А1-КМ
3.2. КМ на основе систем “А1-сплавы - 81С” и “А1-сплавы - оксид АГ

Первые следы зоны взаимодействия в КМ на основе сплава АК12ММгН с волокнами SiÛ2 выявляли при температурах расплава выше 720 °С (рис. 1.18). Из рис. 1.18 а видно, что на начальных этапах взаимодействия происходит «выбрасывание» язычков с отличным контрастом внутрь КВ. То есть в тех местах, где наблюдается наилучший контакт КВ с расплавом. С повышением температуры расплава или увеличением продолжительности контакта вид зоны взаимодействия несколько меняется, она становится более ровной и монолитной (рис. 1.18 6).
Для выявления кинетики взаимодействия проводили опыты, в которых увеличивали время контакта Al-расплава с поверхностью КВ. Однако оказалось, что в исследованном интервале температур (720-800 °С) провести такую оценку не представляется возможным. Дело в том, что увеличение времени контакта всего до нескольких минут приводило к практически полной деградации КВ, то есть к замене контраста на КВ в электронном сканирующем микроскопе (рис. 1.18 в)
На электронномикроскопических картинах, снятых в отраженных электронах, традиционный темно-серый цвет волокон, ведущих себя под пучком электронов как типичные диэлектрики, заменяется на практически белый. При этом значительно улучшается электрическая проводимость КВ (см. рис. 1.18 в).
Очень важно отметить также, что при всех исследованных температурах в интервале температур 720-800 °С и самых длительных временах выдержки разрушение или даже изменения размеров КВ при взаимодействии не происходило.
Поэтому для оценки кинетики взаимодействия в работе проводили выдержки отливок КМ АК12ММгН - 11% SiÛ2 различной продолжительности при температуре 620 °С. В этом случае удалось проследить последовательность взаимодействия и даже оценить латентный период взаимодействия, который составил ~ 10 мин.
Взаимодействие проходило через известную уже нам стадию «выбрасывания» язычков, постепенное продвижение зоны взаимодействия вглубь КВ и выравнивание ее фронта и заканчивалось полной деградацией КВ к 3 ч выдержки (см. график на рис. 1.19 а, а также электронномикроскопические картины на рис. 1.19 б-г).
Одновременно с изменением структуры КВ (аналогично тому, как это происходило в предыдущих опытах) значительно менялась структура всего КМ в целом. С увеличением времени выдержки в структуре увеличивалось количество Si и структура превращалась из до эвтектической или эвтектической в заэвтектическую (см. рис. 1.19 б-г видны первичные кристаллы Si). Подобный результат был вполне ожидаем, так как Si является одним из продуктов реакции (1.2).