автореферат диссертации по металлургии, 05.16.09, диссертация на тему:Создание высокопрочного композиционного материала системы "алюминий-медь" с интерметаллическими элементами и керамическим покрытием

На правах рукописи

ХОРИН Александр Владимирович

СОЗДАНИЕ ВЫСОКОПРОЧНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА СИСТЕМЫ «АЛЮМИНИЙ-МЕДЬ» С ИНТЕРМЕТАЛЛИЧЕСКИМИ ЭЛЕМЕНТАМИ И КЕРАМИЧЕСКИМ ПОКРЫТИЕМ

Специальность 05.16.09 - Материаловедение (машиностроение)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

12 ДЕК 2013

ПЕНЗА 2013 005543484

005543484

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 паук, 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 (4#) и механическому удару многократного действия с пиковым ударным ускорением до 70 м/с2 (7§) и длительностью действия 5 мс. Одними из главных критериев прочности являются временное сопротивление и модуль нормальной упругости. Для материалов авиационной и ракетно-космической 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 «алюминий-медь».

Цель работы — создание высокопрочного композиционного материала системы «алюминий-медь», 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 «алюминий-медь», 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 Х-Мах 80 {Platinum)), измерения микротвердости (ПМТ-ЗМ, 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 конеч-

ных 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 «алюминий-медь», 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 «алюминий-медь» 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 «алюминий-медь», 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 СиА1 и СиА12, 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 «алюминий-медь».

2. Результаты исследований кинетики формирования интерметаллических структур в высокопрочных композиционных материалах, рентге-носпектрального 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-D YNA.

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 2012-2014 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 научно-технической 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. Рас-

смотрен 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. Ат-рощенко, А. Н. Кривенцов, В. А. Котов, В. И. Лысак, Л. Б. Первухин, В. С. Седых, Ю. П. Трыков, А. М. Ханов, М. X. 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. Гор-диенко 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 волокно-матрица. 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 ЬБ-БША, которая входит в состав программного продукта А^УБ.

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 волокно—матрица, 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. 1,6 и 1 ,г), угол соударения пластин при этом должен составлять 18-19°.

а) б)

*

в) г) д)

Рис. 1. Микроструктура армирующих волокон: D = 1750-1850 м/с, к = 2 мм проволока (а), прокатанная проволока (в);

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

D = 2200 - 2400 м/с, к = 3 мм полоса (d) (х 100)

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 к между матричными пластинами, равный 2,8-3,1 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).

а) хЮО 6) х150

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.

1

2

3

4

Рис. 3. Микроструктура алюминиево-медного композиционного армированного материала после термической обработки в поперечном сечении: 1 - сплав АМг2м; 2 - фаза СиА12; 3 - фаза CuAl; 4 - медь М1М (х200)

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 Х-Мах 80 {Platinum). Исследование выявило наличие в композиционном материале системы «алюминий-медь» четырех фаз, соответствующих интерметаллическим соединениям CuAl, CuAl3, Cu2A1 и CuA12. Количественным анализом установлено, что преимущественно в составе прослоек преобладают фазы CuAl (темная прослойка) и CuA12 (светлая прослойка).

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

Таблица 1

Латентный период в композиционном материале «алюминий-медь»

Температура, °С Продолжительность латентного периода фаз, мин

Фаза СиАЬ Фаза CuAl

300 30 120

350 15 30

400 9 15

450 5 10

500 3 6

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 интерметаллид-ных 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 СиА12 монотонно увеличивается. Со стороны меди образование фазы CuAl начинается в более поздний период. С повышением температуры скорость роста прослойки со стороны меди увеличивается.

Л. мм 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 О

О

л. мм

„ 2 • 3 -4 . 5

150 200 250 мин

Я)

Рис. 4. Увеличение толщины интерметаллической прослойки на границе армированного композита системы «алюминий-медь»: а - фаза СиА1; б - фаза СиАЬ; 1 - 300 °С; 2 - 350 °С; 3 - 400 °С; 4 - 450 °С; 5 - 500 °С; 6 - 510 °С

Установлено, что интенсивный рост интерметаллической фазы СиА1 наблюдается при температурах 500 и 510 °С. Суммарная толщина проме-

жуточных фаз на различных образцах в поперечном сечении волокна достигала 60 мкм.

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

Таблица 2

Расчетные значения параметров кинетики образования интерметаллических фаз

Фаза Энергия зарождения Е3, Дж/моль Предэкспонен- циальный множитель 1о Энергия активации £а, Дж/моль Коэффициент диффузии Д>, мкм2/с

400 °С 450 °С

СиА1 47 721,0 0,321 150 289,0 3,6 • 10"19 5,1 ■ 10~18

СиАЬ 41 130,0 0,319 96 294,0 9,4 ■ 10"16 5,1 ■ 10~15

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.

Таблица 3

Расчетные значения толщины интерметаллических фаз

Продолжительность термической обработки, ч Толщина интерметаллической фазы СиА1, мкм Толщина интерметаллической фазы СиА12, мкм

400 °С 450 °С 400 °С 450 °С

4,0 11,1 18,8 7,7 11,0

6,0 13,7 23,2 9,5 13,6

8,0 16,0 27,0 11,0 15,7

10,0 18,0 30,2 12,3 17,6

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 %). На рис. 5 представлена диаграмма растяжения образцов армированного композиционного материала.

Рис. 5. Диаграмма растяжения образца

армированного композиционного материала: Р - нагрузка, действующая на образец; /] - удлинение образца

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

Таблица 4

Механические свойства композита

Объемное содержание интерме-таллида, % Механические свойства

Временное сопротивление ов, МПа Модуль нормальной упругости Е, ГПа Относительное удлинение 5з, % км gP А, 103 км ЯР

0,5 175,6... 178,65 75,86... 77,09 21,0...22,5 6,38... 6,50 2,76... 2,80

2,5 193,2... 199,6 79,59... 81,06 20,7... 22,4 7,02... 7,25 2,89... 2,95

5,0 208,93... 212,3 82,6... 83,68 20,2... 22,1 7,59...7,71 3,0...3,04

9,0 232,05...233,15 80,95... 82,32 19,3...21,0 8,43... 8,47 2,94... 2,99

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 ов материала матрицы и расчетного значения о„ композита на 40 %. Значение удельной прочности при этом увеличивается на 35 %.

Полученные результаты свидетельствуют о следующем механизме формирования механических свойств композиционного материала системы «алюминий-медь» в процессе термической обработки. При нагреве на границе волокно-матрица 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 композиции-онного 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 материа-

ла. Эксперименты проведены на образцах после отжига при температуре, обеспечивающей максимальное упрочнение за счет образования интерметаллической фазы.

Для получения МДО покрытий были использованы водные растворы Ыа28Ю3, Н3В03 и С2Н204. 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 Ка28Ю3);

- модуль упругости - от 6,0 до 19,2 % (соответственно ИагБЮз 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.

Ов/ро, КМ 12

а)

б)

в) ¿) 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 «алюминий-медь» 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 2012-2014 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 2012-2014 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 «алюминий-медь». 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 к = 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 «алюминий-медь». Показано, что фаза CuAl образуется со стороны меди и имеет темный оттенок, фаза CuA12 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 я 450 °С соответственно равны Dm = 3,6 • 10~19мкм2/с, Aso = 5,1 • 10~18 мкм2/с. Для фазы CuA12 Е = 41 130,0 Дж/моль, коэффициенты диффузии при 400 и 450 °С соответственно равны £>400 = 9,4 • 10~16мкм2/с, Z)45o = 5,1 • 10"15мкм2/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 Na2Si03 и Н3В03 временное сопротивление по сравнению с материалом матрицы увеличивается на 12,6 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 «алюминий-медь». 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 Публикации в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ

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 Волг! 1 У, 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 / А. В. Хорин, А. Е. Розен, И. С. Лось, А. Ю. Муйземнек, Е. А. Журавлев // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки.-2010.-№ 1 (13).-С. 123-133.

Патент РФ

4. Пат. 2407640 Российская Федерация, МПК6 В32В15/02 С22С47/2 В23К20/08. 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.

Публикации в других изданиях

5. Khorin, А. 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 Между-нар. науч.-техн. конф. - Пенза, 2006. - С. 219-221.

7. Хорин, А. В. Исследование свойств композиционного армированного материала системы медь-алюминий, 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. 219-220.

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, А. V. Cylindrical intermetallic composite by explosive welding / I. S. Los', A. Yu. Muizemnek, A. V. Khorin, D. L. Chemyshov // Explosion / Combustion- Assisted Production of New Materials: Science and Technology / Edited by A. A. Deribas, Yu. B. Scheck. - Kalilingrad : I. Kant BFU, 2011. - P. 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 сва-

рочного производства : сб. ст. Всерос. науч.-техп. конф. - Тольятти : Изд-во Тольятт. гос. ун-та., 2011.-С. 268-270.

12. Khorin, А. 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. Intennetallic 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. Хории, 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. 3. Зверовщикова, М. В. Белашова. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2012.-С. 241-243.

15. Хорин, А. В. Технологические аспекты производства композиционных ме-таплокерамических 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.-техп. конф. (Москва, 13-14 декабря 2012 г.) / ОАО НПО «ЦНИИТМАШ» (ГК «Росатом»). Агомэнергомаш. -М.: Изд-во ОАО НПО «ЦНИИТМАШ», 2012. - С. 73.

Научное издание ХОРИН Александр Владимирович

Создание высокопрочного композиционного материала системы «алюминий-медь» с интермсталлическими элементами и керамическим покрытием

Специальность 05.16.09 - Материаловедение (машиностроение)

Редактор О. Ю. Ещина Технический редактор Я В. Иванова Компьютерная верстка И. В. Ивановой

Распоряжение № 37/2013 от 22.11.2013. Подписано в печать 25.11.2013. Формат 60x84'/16. Усл. печ. л. 0,93. Заказ № 008384. Тираж 100.

Издательство ПГУ. 440026, Пенза, Красная, 40. Тел./факс: (8412) 56-47-33; e-mail: iic@pnzgu.ru

ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

04201454610 ХОРИН Александр Владимирович

СОЗДАНИЕ ВЫСОКОПРОЧНОГО композиционного МАТЕРИАЛА СИСТЕМЫ «АЛЮМИНИЙ-МЕДЬ» С ИНТЕРМЕТАЛЛИЧЕСКИМИ ЭЛЕМЕНТАМИ И КЕРАМИЧЕСКИМ ПОКРЫТИЕМ

Специальность 05.16.09 - Материаловедение (машиностроение)

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -к.т.н., доцент Лось И. С.

ПЕНЗА-2013

Оглавление

Введение.......................................................................................................5

Глава 1.СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА В ОБЛАСТИ ПОЛУЧЕНИЯ ВОЛОКНИСТЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ..............................................14

1.1. Классификация композиционных материалов...........................14

1.2. Композиционные материалы

с интерметаллическими соединениями..........................................................18

1.3. Методы получения волокнистых композиционных материалов.........................................................................................................23

1.4. Основные материалы, применяемые в исследовании................30

1.5. Формирование керамических покрытий

на поверхности металлов и сплавов методом микродугового оксидирования...................................................................................................34

1.6. Постановка задачи исследования.................................................39

Выводы по главе 1.....................................................................................42

Глава 2. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ АРМИРОВАННЫХ КОМПОЗИТОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ УДАРНО-ВОЛНОВОЙ ОБРАБОТКИ............................................................43

2.1. Моделирование деформационного процесса

в программе ЬБ-ОША.......................................................................................43

2.2. Разработка технологических схем ударно-волновой обработки плоских и цилиндрических заготовок..........................................53

2.3. Расчет технологических параметров

ударно-волновой обработки.............................................................................61

2.4. Исследование микроструктуры армированных полуфабрикатов и оценка их технологических свойств...............................68

Выводы по главе 2.....................................................................................75

Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА ПРИ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ..............................................................76

3.1. Определение температурно-временных условий формирования гетерогенной структуры на основе математического планирования эксперимента............................................................................76

3.2. Изучение структуры и фазового состава композиционного материала системы «алюминий-медь»...........................89

3.3. Исследование состава промежуточных прослоек

методом рентгеноспектрального микроанализа............................................93

3.4. Расчет параметров кинетики образования интерметаллических фаз................................................................................100

3.5. Изучение механических свойств армированного композиционного материала при испытании на растяжение....................105

Выводы по главе 3...................................................................................113

Глава 4. ИЗУЧЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА. ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ И ВНЕДРЕНИЕ РАЗРАБОТКИ.................................................................................................114

4.1. Исследование механических свойств композита с поверхностным упрочнением методом микродугового оксидирования.................................................................................................114

4.2. Оценка технико-экономических показателей высокопрочного композиционного материала системы «алюминий-медь»...........................................................................................120

4.3. Реализация разработки высокопрочных композиционных материалов системы «алюминий-медь» в интересах

оборонно-промышленного комплекса РФ....................................................129

4.4. Реализация разработки высокопрочных композиционных материалов в образовательном процессе......................131

Выводы по главе 4...................................................................................136

Заключение и общие выводы.................................................................138

Список использованной литературы....................................................140

ПРИЛОЖЕНИЕ А...................................................................................152

Введение

Условия эксплуатации контейнерных базовых несущих конструкций, авиационной и ракетно-космической техники, образцов изделий вооружения и военной техники обусловливают крайне жесткие требования к применяемым материалам. Свойства используемых материалов должны обеспечивать прочность конструкции при минимальном удельном весе и габаритах, а также надежность и длительный ресурс при воздействии переменных и значительных силовых нагрузок, чередовании 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/с (7g) и длительностью действия 5 мс, одними из главных критериев прочности является временное сопротивление и модуль нормальной упругости. Для материалов авиационной и ракетно-космической отрасли важным показателем является эффективность материала по массе, которая оценивается удельными характеристиками прочности и жесткости [1, 2]. При производстве образцов изделий вооружения и военной техники (ВВТ) 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. Применяемые в настоящее время материалы для существующих образцов изделий ВВТ не полностью отвечают требованиям тактико-технических характеристик по отдельным специальным показателям, таким как дальность, полезная нагрузка и скорость, а также по экономическим показателям.

В качестве материалов, отвечающих указанным требованиям, могут быть использованы композиты на основе алюминия, магния, титана и их сплавы с применением армирования волокнами. Нормируемыми характеристиками композиционных материалов являются предел прочности, модуль нормальной упругости, показатели удельной прочности и жесткости, температурный диапазон эксплуатации. Свойства армированных композитов зависят от физических, химических и механических свойств материала матрицы, свойств армирующих волокон, от соотношения долей матрицы и волокон, а также от характера процессов, происходящих на межфазной границе. В частности, плотность композита определяется суммой удельных масс компонентов с учетом их объемных долей. Взаимодействие компонентов обычно носит синергетический нелинейный характер, поэтому большая часть свойств описывается не правилом смесей, а более сложными функциями. Форма, размер, ориентация и распределение волокон также влияют на свойства композитов [3,4].

Существующие технологии получения композиционных материалов, в частности с использованием армирующих полимерных, борных, углеродных волокон, волокон карбида кремния и оксида алюминия, неспособны обеспечивать надежную эксплуатацию изделия в условиях циклических нагрузок и повышенных температур вследствие нарушения связи между металлической матрицей и армирующими волокнами. При получении интерметаллических структур в процессе кристаллизации имеются ограничения по обработке полученных изделий вследствие их малой пластичности. Прочность угле-алюминиевых композитов в значительной мере зависит от температуры эксплуатации [5].

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.

Высокопрочный композиционный материал формируется в результате комплексной технологии, включающей ударно-волновое воздействие, технологические переделы и термическую обработку. Упрочнение достигается за счет образования интерметаллических элементов трубчатой формы на одной из завершающих стадий после полного формообразования изделия. Расположение армирующих волокон осуществляется в направлении максимальных нагрузок, действующих на изделие в процессе эксплуатации.

Условия работы при экстремальных условиях с повышенными значениями температур обусловливает применение высокопрочных и термостойких конструкционных материалов. Термостойкость материалов может быть достигнута за счет формирования на поверхности материала керамических покрытий с помощью микродугового оксидирования. Керамическое покрытие позволяет повысить такие важные эксплуатационные характеристики металлов и сплавов, как износостойкость, коррозионная стойкость, термостойкость, жаропрочность и т.д. [6]. Неизученным остается вопрос влияния керамических покрытий на механические свойства композиционных материалов.

Анализ научно-технической литературы в указанной предметной области показал, что исследования по созданию высокопрочных композиционных материалов на основе легких металлов и сплавов с упрочняющими интерметаллическими элементами и керамическим покрытием является перспективной задачей материаловедения.

Актуальность работы подтверждается выполнением ее части в рамках следующих проектов:

1. НИР «Разработка научных основ микродуговых методов формирования многофункциональных композиционных материалов для создаваемых и модернизируемых образцов вооружения и военной

л," Л

техники», шифр «Урания», по заказу Министерства обороны РФ (государственный контракт № 1299 от 24.04.2003) с объемом финансирования 2,725 млн руб.

2. НИР «Разработка научных основ получения сваркой взрывом многослойных композиционных металлических материалов для создаваемых и модернизируемых образцов вооружения, военной и специальной техники», шифр «Уведомление», по заказу Министерства обороны РФ (государственный контракт № 1385 от 22.03.2004) с объемом финансирования 5,25 млн руб.

3. Государственный оборонный заказ, шифр «Гагара-М» (государственный контракт № 1519 от 27.02.2007), с объемом финансирования 20,09 млн руб.

4. ОКР «Разработка материалов и технологии их получения для контейнерных БНК» в рамках ОКР «Разработка контейнерных БНК выносных АРМ и другой аппаратуры с унифицированными интерфейсными средствами для комплексирования мобильных наземных систем и комплексов различного назначения в жестких условиях эксплуатации» (договор № 15/08 от 17.11.2008) с объемом финансирования 249 тыс. руб.

5. НИР «Формирование научного подхода и разработка технологии композиционных армированных металлических высокопрочных и высокомодульных материалов для авиационной техники» в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. по заказу Министерства образования и науки РФ (государственный контракт № 14.740.11.0132 от 13.11.2010) с объемом финансирования 4,52 млн руб.

6. НИР «Разработка теоретических основ создания композиционных металлокерамических материалов повышенной механической прочности и термостабильности для авиационной техники» в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры

\

инновационной России» на 2009-2013 гг. по заказу Министерства образования и науки РФ (соглашение № 14.В37.21.1850 от 4.10.2012) с объемом финансирования 1,683 млн руб.

Цель работы. Создание высокопрочного композиционного материала системы «алюминий-медь», 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 «алюминий-медь», 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 ЬБ-ОША.

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

1. Предложен способ интерметаллического упрочнения композиционного материала системы «алюминий-медь», 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.

А

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 «алюминий-медь» 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 «алюминий-медь», включающий ударно-волновое воздействие, формообразование, термическую обработку и микродуговое оксидирование.

2. Получен патент РФ № 2407640 «Способ получения композиционного материала» (Патентообладатели: ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет», 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 СиА1 и СиАЬ, 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.

Реализация и внедрение результатов:

1. Результаты диссертационной работы использованы в шести ПИР 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 металлокерамических 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