RU2434962C1 - Composite structure material - Google Patents
Composite structure material Download PDFInfo
- Publication number
- RU2434962C1 RU2434962C1 RU2010121362/02A RU2010121362A RU2434962C1 RU 2434962 C1 RU2434962 C1 RU 2434962C1 RU 2010121362/02 A RU2010121362/02 A RU 2010121362/02A RU 2010121362 A RU2010121362 A RU 2010121362A RU 2434962 C1 RU2434962 C1 RU 2434962C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- granules
- matrix
- composite material
- powder
- material according
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к порошковой гранульной металлургии и машиностроению, а именно к металлическим составным композиционным материалам и изготовлению заготовок или изделий из них, и, в частности, может быть использовано в различных областях машиностроения: энергетического, атомного, авиационного, космического, химического и в других отраслях промышленности, которые нуждаются в конструкционных материалах с повышенными, а часто и уникальными физическими и механическими свойствами, способными обеспечить создание конструкций с более высокими эксплуатационными параметрами.The invention relates to powder granular metallurgy and mechanical engineering, in particular to metal composite composite materials and the manufacture of blanks or products from them, and, in particular, can be used in various fields of mechanical engineering: energy, nuclear, aviation, space, chemical and other industries industries that need structural materials with enhanced, and often unique, physical and mechanical properties that can ensure the creation of structures with more High operational parameters.
Этим требованиям в значительной мере отвечают композиционные материалы.Composite materials largely meet these requirements.
Наиболее полно описание возможных вариантов структур композиционных материалов представлено в работе (см. Gleiter H. Nanostructured materials: basic concepts and microstructure//Acta mater. 2000. V.48). Приведенная классификация материалов по структуре предусматривает слоистую, волокнистую и равноосную форму кристаллитов. Установлено, что химический и фазовый состав, форма, размеры и другие характеристики кристаллитов и границ раздела оказывают определяющее влияние на свойства материалов.The most complete description of possible options for the structures of composite materials is presented in the work (see Gleiter H. Nanostructured materials: basic concepts and microstructure // Acta mater. 2000. V.48). The above classification of materials by structure provides for a layered, fibrous and equiaxed form of crystallites. It was found that the chemical and phase composition, shape, size and other characteristics of crystallites and interfaces have a decisive influence on the properties of materials.
Известны многофазные композиционные материалы, полученные из двух или более компонентов с сохранением индивидуальных свойств каждого компонента, характеризующиеся определенным качественным и количественным составом и формой компонентов материала, при этом соединение разнородных материалов дает эффект, равносильный созданию нового материала, свойства которого и количественно, и качественно отличаются от свойств каждого из его составляющих (см. Композиционные материалы: Справочник / В.В.Васильев, В.Д.Протасов. В.В.Болотин и др. Под общ. ред. В.В.Васильева, Ю.М.Тарнопольского. - М.: Машиностроение, 1990, с.7-10/. S.Suresh, A.Mortensen and A.Needleman, Fundamentals of Metal Matrix Composites, Butterworth-Heinemann, Stoneham, USA, 1993).Known are multiphase composite materials obtained from two or more components with the preservation of the individual properties of each component, characterized by a certain qualitative and quantitative composition and shape of the components of the material, while combining dissimilar materials gives an effect equivalent to creating a new material, the properties of which are quantitatively and qualitatively different on the properties of each of its components (see. Composite materials: Handbook / V.V. Vasiliev, V. D. Protasov. V. V. Bolotin and others. Under the general. Edited by V.V. Vasiliev, Yu.M. Tarnopolsky. - M .: Mechanical Engineering, 1990, pp. 7-10 /. S. Suresh, A. Mortensen and A. Needleman, Fundamentals of Metal Matrix Composites, Butterworth-Heinemann , Stoneham, USA, 1993).
Известны двухкомпонентные монолитные композиционные материалы, в которых один компонент (алюминиевый сплав) выступает как матрица, а другой компонент (упрочнитель) присутствует в виде частиц оксидов, карбидов, боридов (Аl2О3, SiC, TiC, TiB2 и др.), коротких волокон (Аl2О3, SiO2, Carbon) и усов (SiC, B4C, Аl2О3), непрерывных волокон (Аl2O3, SiO2, Carbon) и жгутов из них, а также моноволокон (SiC). Для их получения используются как твердофазные процессы (методы порошковой металлургии), так и жидкофазные путем введения частиц в расплав матричного материала, протягивания волокон и жгутов через матричный расплав, литья под давлением и жидкой штамповки. (Композиционные материалы: Справочник / В.В.Васильев, В.Д.Протасов. В.В.Болотин и др.; Под общ. ред. В.В.Васильева, Ю.М.Тарнопольского. - М.: Машиностроение, 1990, с.84-86 / Технологическое освоение композиционного материала системы Al-SiC. Вишняков Л.Ф., Ониськова Н.П. и др. М.: Технология легких сплавов, 1996, №3, с.64 / Патент RU 2116487 С1 «Поршень двигателя внутреннего сгорания». - Бюл. ВНИИПИ №21, 27.07.1998).Two-component monolithic composite materials are known in which one component (aluminum alloy) acts as a matrix, and the other component (hardener) is present in the form of particles of oxides, carbides, borides (Al 2 O 3 , SiC, TiC, TiB 2 , etc.), short fibers (Al 2 O 3 , SiO 2 , Carbon) and whiskers (SiC, B 4 C, Al 2 O 3 ), continuous fibers (Al 2 O 3 , SiO 2 , Carbon) and bundles of them, as well as monofilaments ( SiC). To obtain them, both solid-phase processes (powder metallurgy methods) and liquid-phase are used by introducing particles into the melt of the matrix material, pulling the fibers and bundles through the matrix melt, injection molding and liquid stamping. (Composite materials: Reference book / V.V. Vasiliev, V.D. Protasov. V.V. Bolotin and others; Under the general editorship of V.V. Vasiliev, Yu.M. Tarnopolsky. - M.: Engineering, 1990, pp. 84-86 / Technological development of the composite material of the Al-SiC system. Vishnyakov LF, Oniskova NP and other M: Technology of light alloys, 1996, No. 3, p. 64 / Patent RU 2116487 C1 “Piston of an internal combustion engine.” - Bull. VNIIIPI No. 21, 07.27.1998).
Известен двухкомпонентный монолитный слоистый композиционный материал, полученный путем твердофазного соединения его компонентов методом сварки давлением. В качестве компонентов использовали жаропрочный титановый сплав ВТ25У и интерметаллидный сплав на основе орторомбического алюминида титана состава Ti-23Al-22,7Nb-1,1V-0,6Zr-0,2Si-0,3C, атом.% (См. P.M.Галеев. P.P.Валиахметов, Р.В.Сафиуллин и др. Микроструктура и свойства слоистого композита титановый сплав - орторомбический алюминид титана. Физика металлов и металловедение, том 107, №3, март 2009, с.331-336).Known two-component monolithic layered composite material obtained by solid-phase connection of its components by pressure welding. The components used were VT25U heat-resistant titanium alloy and an intermetallic alloy based on orthorhombic titanium aluminide of the composition Ti-23Al-22.7Nb-1.1V-0.6Zr-0.2Si-0.3C, atom.% (See PM Galeev. PP Valiakhmetov, RV Safiullin et al. Microstructure and properties of a layered composite titanium alloy - orthorhombic titanium aluminide. Physics of Metals and Metallurgy, Volume 107, No. 3, March 2009, pp. 313-336).
Изучение микроструктуры и химического состава показало, что предложенный метод получения слоистого композита обеспечивает качественное беспористое соединение разнородных материалов, а в зоне твердофазного соединения отмечен промежуточный химический состав.The study of the microstructure and chemical composition showed that the proposed method for producing a layered composite provides a high-quality non-porous compound of dissimilar materials, and an intermediate chemical composition is noted in the solid-phase compound zone.
Однако слоистые композиционные материалы, как листовые материалы, имеют узконаправленную область применения.However, laminated composites, such as sheet materials, have a narrow field of application.
Известен монолитный композиционный материал и способ компактирования его методом одноосного изостатического прессования порошка алюминида титана Ti-48Al-9V в присутствии легкоплавкой связки Ti-22V-17Be. Температуры спекания порошка и плавления связки 1250 и 1150°С соответственно. В результате спекания были получены плотные образцы с незначительной поверхностной пористостью (см. Б.А.Калинин, О.Н.Севрюков и др. Исследование свойств композиционного порошкового сплава на основе алюминида титана. ISBN 5-7262-0555-3. Научная сессия МИФИ-2005. Том 9, с.54-55).Known monolithic composite material and method of compaction by uniaxial isostatic pressing of titanium aluminide powder Ti-48Al-9V in the presence of low-melting binder Ti-22V-17Be. The sintering temperature of the powder and the melting of the binder 1250 and 1150 ° C, respectively. As a result of sintering, dense samples with insignificant surface porosity were obtained (see B. A. Kalinin, O. N. Sevryukov and others. Study of the properties of a composite powder alloy based on titanium aluminide. ISBN 5-7262-0555-3. MEPhI scientific session 2005. Volume 9, p. 54-55).
Авторами исследования отмечено растрескивание спеченных образцов, что можно отнести к наличию жидкой фазы при компактировании.The authors of the study noted the cracking of sintered samples, which can be attributed to the presence of a liquid phase during compaction.
Известна металлургия гранул, сочетающая затвердевание расплава в виде микрослитков - гранул близкой к сферической формы с высокой скоростью кристаллизации и их консолидацию в компактные заготовки с достижением плотности, близкой к теоретической, и являющаяся в настоящее время наиболее важным способом дальнейшего повышения свойств конструкционных материалов. Высокоскоростная кристаллизация сплавов обеспечивает значительное уменьшение размеров макро- и микрозерна, диспергирование элементов дендритной структуры вплоть до достижения микрокристаллической структуры, диспергирование выделений первичных интерметаллидов и избыточных фаз, получение аномально пересыщенных твердых растворов и тем самым существенное расширение пределов взаимной растворимости многих элементов (см. Аношкин Н.Ф. Некоторые аспекты качества жаропрочных и высокопрочных материалов, изготавливаемых методом металлургии гранул, с.7-13. / Борзецовская К.М. и др. Влияние режимов компактирования на структуру гранульного жаропрочного титанового сплава ВТ25У, с.424-429. Сборник статей. Металлургия гранул. М.: ВИЛС, 1986).Known metallurgy of granules, combining the solidification of the melt in the form of micro-ingots - granules close to spherical in shape with a high crystallization rate and their consolidation in compact billets with a density close to theoretical, and which is currently the most important way to further improve the properties of structural materials. High-speed crystallization of alloys provides a significant reduction in the size of macro- and micrograins, dispersion of elements of the dendritic structure until a microcrystalline structure is achieved, dispersion of precipitates of primary intermetallic compounds and excess phases, obtaining anomalously supersaturated solid solutions and thereby significantly expanding the mutual solubility limits of many elements (see Anoshkin N .F. Some aspects of the quality of heat-resistant and high-strength materials manufactured by the metallurgical method II granules, pp. 7-13. / Borzetsovskaya KM et al. Influence of compaction modes on the structure of granular heat-resistant titanium alloy VT25U, pp. 424-429. Collection of articles. Metallurgy of granules. M .: VILS, 1986).
Однако полученные методом гранульной металлургии металлы являются однокомпонентными и соответственно не могут быть отнесены к композиционным материалам.However, metals obtained by the method of granular metallurgy are single-component and, accordingly, cannot be assigned to composite materials.
Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является двухкомпонентный монолитный композиционный материал, в котором один компонент, титановый сплав Ti-6Al-6V-2Sn, выступает как матрица, а другой компонент (упрочнитель) присутствует в виде частиц TiC. Получение композита осуществляется по методу порошковой металлургии (см. Cerme Ti®-C-12-662, Cerme Ti®-C-20-662; A.Rabiei, M.Enoki and T.Kishi, "A study on Fracture Behavior of Particle Reinforced Metal Matrix Composites by Using Acoustic Emission Source Characterization", Mater. Sci. Eng., A293, 81-87(2000)).The closest analogue of the invention is a two-component monolithic composite material in which one component, the titanium alloy Ti-6Al-6V-2Sn, acts as a matrix, and the other component (hardener) is present in the form of TiC particles. The composite is prepared by powder metallurgy (see Cerme Ti®-C-12-662, Cerme Ti®-C-20-662; A.Rabiei, M. Enoki and T.Kishi, "A study on Fracture Behavior of Particle Reinforced Metal Matrix Composites by Using Acoustic Emission Source Characterization ", Mater. Sci. Eng., A293, 81-87 (2000)).
Однако металлическим композиционным материалам, армированным дискретными частицами, присущ ряд недостатков:However, metal composite materials reinforced with discrete particles have a number of disadvantages:
- В металлических композитах, армированных дискретными (керамическими) частицами, не формирующими прочной связи с матрицей по границам раздела, в ряде случаев, не согласующихся по параметрам кристаллической решетки с материалом матрицы, механизм упрочнения обусловлен, главным образом, за счет торможения дислокации дискретно распределенными частицами, т.е. здесь проявляется только частичная реализация возможностей композиционных материалов.- In metal composites reinforced with discrete (ceramic) particles that do not form a strong bond with the matrix at the interfaces, in some cases, which do not agree on the parameters of the crystal lattice with the matrix material, the hardening mechanism is mainly due to the inhibition of dislocation by discrete distributed particles , i.e. only partial realization of the possibilities of composite materials is manifested here.
- Нерегулярность структуры армирования композита для таких, слабо наполненных материалов (менее 20% армирующих частиц), обуславливает нерегламентированную анизотропию их физико-механических свойств.- The irregular structure of the composite reinforcement for such poorly filled materials (less than 20% of the reinforcing particles) determines the unregulated anisotropy of their physicomechanical properties.
- Формирование нестабильной связи по границам раздела армирующих частиц с матрицей снижает их прочностные и усталостные свойства. Участки отсутствия сцепления их с окружающей матрицей являются преимущественными местами зарождения трещин и разрушения. В процессе деформации при растяжении упрочняющие частицы способствуют образованию кавитационных пор.- The formation of an unstable connection at the interface between the reinforcing particles and the matrix reduces their strength and fatigue properties. Areas of lack of adhesion to the surrounding matrix are predominant places for the initiation of cracks and fracture. During tensile deformation, reinforcing particles contribute to the formation of cavitation pores.
- Значительная разница в величинах коэффициента линейного температурного расширения наиболее широко применяемых упрочняющих частиц (Аl2О3, SiC, TiB2, В4С, в том числе и TiC) и металлов матрицы приводит к концентрации напряжений по границам раздела матрица - частицы и возникновению трещин в композитах, работающих в условиях термоциклирования.- significant difference in the values of the coefficient of linear thermal expansion of the most widely used reinforcing particles (Al 2 O 3, SiC, TiB 2, B 4 C, including TiC) and a metal matrix leads to stress concentrations on the section matrix boundaries - the particle and appearance cracks in composites operating under thermal cycling conditions.
С учетом приведенных недостатков металлические композиционные материалы, армированные дискретными частицами, не могут быть отнесены к конструкционным материалам ответственного назначения.Given the above drawbacks, metal composite materials reinforced with discrete particles cannot be assigned to structural materials of responsible designation.
В настоящее время заявителю неизвестно об изготовлении высококачественных конструкционных материалов с использованием известной продукции гранульной металлургии и компонентов композиционных материалов.Currently, the applicant is not aware of the manufacture of high-quality structural materials using well-known products of granular metallurgy and components of composite materials.
Задачей изобретения является создание металлических композиционных конструкционных материалов с повышенными эксплуатационными свойствами: высокопрочных и высокомодульных, жаропрочных и жаростойких, коррозионно-стойких и хладостойких, радиационно-стойких, с высокими удельными прочностными и жесткостными свойствами, а также с особыми физическими свойствами, достигаемыми за счет использования гранул, полученных методом гранульной металлургии, с оптимальными размерами, составом и структурированием гранул. При этом достигается технический результат, заключающийся в том, что композиционные конструкционные материалы являются монолитными, с плотностью, близкой к теоретической, и характеризуются высокой стабильностью прочностных и пластических свойств, способными длительно работать в широком диапазоне температур, в том числе в условиях термоциклирования.The objective of the invention is the creation of metal composite structural materials with enhanced performance properties: high strength and high modulus, heat resistant and heat resistant, corrosion resistant and cold resistant, radiation resistant, with high specific strength and stiffness properties, as well as with special physical properties achieved through use granules obtained by the method of granular metallurgy, with optimal sizes, composition and structuring of granules. At the same time, a technical result is achieved, namely, that composite structural materials are monolithic, with a density close to theoretical, and are characterized by high stability of strength and plastic properties, capable of working for a long time in a wide temperature range, including under thermal cycling conditions.
Указанный технический результат и устранение недостатков известных композиционных конструкционных материалов достигается тем, что в предлагаемом композиционном конструкционном материале, состоящем из металлической матрицы, порошковой добавки, представляющей собой интерметаллид, сталь или сплав, и нанодисперсного порошка, представляющего собой термодинамически стабильные и устойчивые к компонентам конструкционного материала оксиды, карбиды, нитриды и бориды металлов и/или неметаллов, матрица и порошковые добавки состоят из сферических гранул размером от 5 до 800 мкм, фракционный состав которых разделен на гранулы от 1-го до n-порядка, где n - общее количество фракций в материале, при этом гранулы 1-го порядка имеют размер d1, составляют основу матрицы с образованием пустот, в которых размещены мелкие гранулы от 2-го до (n-1) порядка, размеры которых распределены в соответствии золотым сечением убывающего ряда Фибоначчи с соотношением dn/dn-1, близким или равным 0,62, а нанодисперсный порошок размещен в оставшихся пустотах матрицы.The specified technical result and the elimination of the disadvantages of the known composite structural materials is achieved by the fact that in the proposed composite structural material consisting of a metal matrix, a powder additive, which is an intermetallic compound, steel or alloy, and a nanosized powder, which is thermodynamically stable and resistant to the components of the structural material oxides, carbides, nitrides and borides of metals and / or nonmetals, matrix and powder additives consist of spherical granules from 5 to 800 μm in size, the fractional composition of which is divided into granules from the 1st to n-order, where n is the total number of fractions in the material, while the 1st-order granules have a size of d 1 , form the basis of the matrix with the formation voids in which small granules from the 2nd to (n-1) order are placed, the sizes of which are distributed in accordance with the golden section of the decreasing Fibonacci series with a ratio of d n / d n-1 , close to or equal to 0.62, and nanodispersed powder is placed in the remaining voids of the matrix.
При этом формируются либо плотнейшие гексагональная или кубическая упаковки или их сочетания, либо формируется плотная объемноцентрированная кубическая упаковка при кладке матрицы из гранул 1-го порядка (см. Шевелев И.Ш., Муратов М.А., Шмелев И.П. Золотое сечение. М., 1990 / Ч.Уэрт, Р.Томсон. Физика твердого тела. Гл. 2. Геометрия совершенных кристаллов. М.: МИР, 1966.In this case, either dense hexagonal or cubic packing or combinations thereof are formed, or a dense body-centered cubic packing is formed when laying a matrix of first-order granules (see Shevelev I.Sh., Muratov M.A., Shmelev I.P. Golden ratio M., 1990 / C. Worth, R. Thomson, Solid State Physics, Chapter 2. The Geometry of Perfect Crystals, Moscow: MIR, 1966.
В то же время указанный технический результат и устранение недостатков в предлагаемом композиционном конструкционном материале достигается тем, что матрица состоит из нескольких различных материалов. В данном варианте композиционного конструкционного материала реализуется возможность создания материала с заранее заданными физико-механическими и/или специальными свойствами.At the same time, the specified technical result and the elimination of disadvantages in the proposed composite structural material is achieved by the fact that the matrix consists of several different materials. In this embodiment of the composite structural material, it is possible to create a material with predetermined physicomechanical and / or special properties.
Указанный технический результат и устранение недостатков в предлагаемом композиционном конструкционном материале достигается также тем, что он содержит пластичную металлическую матрицу и упрочняющую порошковую добавку. В данном варианте композиционного конструкционного материала реализуется возможность создания материала с заранее заданными повышенными пластическими свойствами при высоком уровне прочностных и других свойств.The specified technical result and the elimination of shortcomings in the proposed composite structural material is also achieved by the fact that it contains a plastic metal matrix and a strengthening powder additive. In this embodiment of the composite structural material, it is possible to create a material with predetermined enhanced plastic properties with a high level of strength and other properties.
Указанный технический результат и устранение недостатков в предлагаемом композиционном конструкционном материале достигается также тем, что он содержит прочную металлическую матрицу и пластичную порошковую добавку. В данном варианте заготовки многокомпонентного конструкционного материала реализуется возможность создания материала с заранее заданными повышенными прочностными, жаропрочными и другими свойствами при необходимом уровне пластичных свойств.The specified technical result and the elimination of disadvantages in the proposed composite structural material is also achieved by the fact that it contains a strong metal matrix and a plastic powder additive. In this embodiment, the procurement of a multicomponent structural material, it is possible to create a material with predetermined increased strength, heat resistance and other properties with the required level of ductile properties.
Указанный технический результат и устранение недостатков в предлагаемом композиционном конструкционном материале достигается также тем, что матрица выполнена из цветных, черных металлов, сплавов на их основе, сталей, чугунов или интерметаллидов, сплавов на их основе. При этом реализуется возможность создания широкого спектра новых композиционных конструкционных материалов с заранее заданными повышенными эксплуатационными свойствами на основе использования в качестве матриц различных металлов и сплавов.The specified technical result and the elimination of shortcomings in the proposed composite structural material is also achieved by the fact that the matrix is made of non-ferrous, ferrous metals, alloys based on them, steels, cast irons or intermetallic compounds, alloys based on them. At the same time, it is possible to create a wide range of new composite structural materials with predetermined enhanced operational properties based on the use of various metals and alloys as matrices.
Указанный технический результат и устранение недостатков в предлагаемом композиционном конструкционном материале достигается также тем, что он имеет тонкую, разветвленную, каркасную структуру или фазу по границам гранул, образованную гранулами порошковых добавок при последующем компактировании и взаимодействии с гранулами матрицы и обладает заданными прочностью, жаропрочностью и жаростойкостью и/или сверхпроводимостью, коррозионной и радиационной стойкостью, каталитическими и ингибиторскими, теплофизическими, магнитными, акустическими, оптическими, резистивными свойствами.The specified technical result and the elimination of shortcomings in the proposed composite structural material is also achieved by the fact that it has a thin, branched, frame structure or phase along the boundaries of the granules formed by granules of powder additives during subsequent compaction and interaction with granules of the matrix and has the specified strength, heat resistance and heat resistance and / or superconductivity, corrosion and radiation resistance, catalytic and inhibitory, thermophysical, magnetic, acoustics eskimi, optical, resistive properties.
Указанный технический результат и устранение недостатков в предлагаемом композиционном конструкционном материале достигается также тем, что сферические гранулы от 1-го до n-го порядков составляют несколько плавно переходящих друг в друга фракционных составов для формирования единого изделия с заданными изотропными или анизотропными свойствами. При этом реализуется возможность получения единых деталей (заготовок) и конструкций с заранее заданными переменными в объеме свойствами прочности и пластичности, теплопроводности, твердости и износостойкости и др.The specified technical result and the elimination of shortcomings in the proposed composite structural material is also achieved by the fact that spherical granules from the 1st to the nth orders comprise several smoothly passing into each other fractional compositions to form a single product with desired isotropic or anisotropic properties. At the same time, it is possible to obtain single parts (blanks) and structures with predefined volume properties of strength and ductility, heat conductivity, hardness and wear resistance, etc.
Указанный технический результат и устранение недостатков в предлагаемом композиционном конструкционном материале достигается также тем, что он имеет регламентированную пористость. Это позволяет получать пористые материалы с регламентированной пористостью на основе использования различных матричных металлов, сплавов и интерметаллидов.The specified technical result and the elimination of shortcomings in the proposed composite structural material is also achieved by the fact that it has a regulated porosity. This allows you to get porous materials with regulated porosity based on the use of various matrix metals, alloys and intermetallic compounds.
При компактировании гранул композиционного конструкционного материала путем твердофазного соединения его исходных компонентов происходит качественное соединение разнородных материалов по границам гранул, что, в свою очередь, обеспечивает повышение прочности и ударной вязкости, в том числе усталостной прочности композиционного материала. Регулярность упаковки n-фракций гранул при компактировании позволяет получать регламентированно анизотропный в объеме композиционный материал, что в результате устраняет нерегламентированную анизотропию физико-механических свойств, присущую композитам, армированным дискретными частицами. При этом наиболее вероятными являются следующие варианты регулярной упаковки фракций гранул:When compositing granules of a composite structural material by solid-phase bonding of its starting components, high-quality bonding of dissimilar materials occurs along the granule boundaries, which, in turn, provides an increase in strength and toughness, including fatigue strength of the composite material. The regularity of packing of n-fractions of granules during compacting allows one to obtain a regulated anisotropic bulk material, which as a result eliminates the unregulated anisotropy of physical and mechanical properties inherent in composites reinforced by discrete particles. The most likely are the following options for regular packing of granule fractions:
1. При свободной кладке матрицы из гранул 1-го порядка формируются плотнейшие гексагональная или кубическая упаковки (Фиг.1), диаметр гранул 2-го порядка в которых d2=0,414d1, диаметры гранул более мелких порядков (до 4-го) - в соответствии с таблицей:1. With the free laying of the matrix from the first-order granules, the densest hexagonal or cubic packaging is formed (Figure 1), the diameter of the second-order granules in which d 2 = 0.414d 1 , the diameters of the granules of smaller orders (up to the 4th) - in accordance with the table:
При этом диаметр гранул 1-го порядка составляет от 20 до 800 мкм, и матрицу могут образовывать несколько различных материалов.The diameter of the first-order granules is from 20 to 800 microns, and several different materials can form the matrix.
2. При свободной кладке матрицы из гранул 1-го порядка формируется плотная объемноцентрированная кубическая упаковка (Фиг.2), диаметр гранул 2-го порядка в которой d2=0,732d1 до 0,414d1, диаметры гранул более мелких порядков (до 4-го) - в соответствии с таблицей:2. With the free laying of the matrix from the granules of the 1st order, a dense body-centered cubic package is formed (Figure 2), the diameter of the granules of the 2nd order in which d 2 = 0.732d 1 to 0.414d 1 , the diameters of the granules of smaller orders (up to 4 -th) - in accordance with the table:
При этом диаметр гранул 1-го порядка составляет от 20 до 800 мкм, и матрицу могут образовывать несколько различных материалов.The diameter of the first-order granules is from 20 to 800 microns, and several different materials can form the matrix.
Заявителю неизвестно использование в науке и технике отличительных признаков композиционного конструкционного материала с достижением указанного технического результата.The applicant does not know the use in science and technology of the hallmarks of composite structural material with the achievement of the specified technical result.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:The invention is illustrated by drawings, where:
На фиг.1 изображена ячейка плотнейшей гексагональной упаковки фракций гранул n-порядков (n=4) со свободной кладкой матрицы (поз.1) с сечением, на котором представлено размещение в пустотах, образованных гранулами 1-го порядка, гранул добавок (поз.2, 3 и 4). Гранулы 1-го порядка (поз.1) размещены в вершинах двух, зеркально совмещенных правильных тетраэдров. В пустотах наименьшего размера размещены гранулы n-го порядка, которые относятся к наноразмерным порошкам (не показаны). Размер гранул 1-го порядка выбирается из диапазона 20…800 мкм, причем размеры гранул в заготовке со 2-го до n-го порядков распределены в соответствии с золотым сечением убывающего ряда Фибоначчи с соотношением dn/dn-1, близким или равным 0,62.Figure 1 shows a cell of the densest hexagonal packing of fractions of granules of n-orders (n = 4) with a free masonry matrix (item 1) with a cross section that shows the placement in the voids formed by granules of the first order, granules of additives (pos. 2, 3 and 4). Granules of the first order (pos. 1) are located at the vertices of two mirror-aligned regular tetrahedra. In the smallest voids, n-th order granules are placed, which belong to nanoscale powders (not shown). The size of granules of the 1st order is selected from the range of 20 ... 800 microns, and the sizes of granules in the workpiece from 2nd to nth orders are distributed in accordance with the golden section of the decreasing Fibonacci series with a ratio of d n / d n-1 , close to or equal to 0.62.
На фиг.2 изображена ячейка плотной объемноцентрированной кубической упаковки фракций гранул n-порядков (n=4) со свободной кладкой матрицы из гранул 1-го порядка (поз.5) с сечениями, на которых представлено размещение в пустотах, образованных гранулами 1-го порядка, гранул добавок (поз.6, 7 и 8). Гранулы 1-го порядка (поз.5) размещены в вершинах куба. В пустотах наименьшего размера размещены гранулы n-го порядка, которые относятся к наноразмерным порошкам (не показаны). Размер гранул 1-го порядка выбирается из диапазона 20…800 мкм, причем размеры гранул в заготовке со2-го до n-го порядков распределены в соответствии с золотым сечением убывающего ряда Фибоначчи с соотношением dn/dn-1, близким или равным 0,62.Figure 2 shows a cell of dense body-centered cubic packing of fractions of granules of n-orders (n = 4) with free masonry matrix of granules of the 1st order (5) with sections, which shows the placement in the voids formed by granules of the 1st order, granules of additives (pos. 6, 7 and 8). Granules of the first order (pos. 5) are placed at the vertices of the cube. In the smallest voids, n-th order granules are placed, which belong to nanoscale powders (not shown). The size of granules of the first order is selected from the range of 20 ... 800 μm, and the size of the granules in the workpiece co2 to n-th orders are distributed in accordance with the golden ratio of the decreasing Fibonacci series with a ratio of d n / d n-1 , close to or equal to 0 , 62.
На фиг.3 и 4 приведены фото образцов клапанов: аналога по патенту RU 2244135 С2 и после стендовых моторных испытаний по примеру №1.Figures 3 and 4 show photos of valve samples: an analogue according to patent RU 2244135 C2 and after bench motor tests according to example No. 1.
Ниже приведены примеры осуществления изобретения.The following are examples of the invention.
Для практического осуществления изобретения и получения композиционных конструкционных материалов были использованы гранулы металлической матрицы, порошковой добавки и нанодисперсного порошка из известных сплавов, сталей и других материалов, которые приведены в таблице 1:For the practical implementation of the invention and the preparation of composite structural materials, granules of a metal matrix, powder additives and nanodispersed powder from known alloys, steels and other materials were used, which are shown in table 1:
- Пример №1 - композиционный конструкционный материал на основе жаропрочного, в данном случае титанового сплава ВТ 9 (матрица), и интерметаллида Ti3Al α2-фаза (упрочнитель) и наноразмерного порошка Y2O3 для использования в качестве жаропрочного материала клапана двигателя внутреннего сгорания.- Example No. 1 is a composite structural material based on heat-resistant, in this case, VT 9 titanium alloy (matrix), and Ti 3 Al α 2 -phase intermetallic (hardener) and Y 2 O 3 nanosized powder for use as a heat-resistant material of the engine valve internal combustion.
- Пример №2 - композиционный конструкционный материал на основе жаропрочного литейного никелевого сплава ЖС6У (матрица) и жаропрочного никелевого сплава ЭП741НП (пластичная добавка), а также наноразмерного порошка TiN для использования в качестве жаропрочного износостойкого инструментального материала.- Example No. 2 - composite structural material based on the heat-resistant foundry nickel alloy ZhS6U (matrix) and heat-resistant nickel alloy EP741NP (plastic additive), as well as nanoscale TiN powder for use as heat-resistant wear-resistant tool material.
- Пример №3 - композиционный конструкционный материал на основе износостойкой пружинной стали 60С2ХА (матрица), стали 45 (пластичная добавка) и нанопорошка Fе3С - для создания аналога дамасской стали.- Example No. 3 - composite structural material based on wear-resistant spring steel 60С2ХА (matrix), steel 45 (plastic additive) and nanopowder Fe 3 С - to create an analogue of Damascus steel.
- Пример №4 - композиционный конструкционный материал на основе чугуна (нирезист) и бронзы КН 3-1, а также наноразмерного В4С для использования в качестве жаропрочного, термически стабильного, коррозионно- и износостойкого материала для поршней, вставок в поршни под верхнее компрессионное кольцо и гильз цилиндров двигателей внутреннего сгорания, цилиндров насосов, подшипников скольжения повышенной износостойкости, работающих в агрессивных средах.- Example No. 4 - composite structural material based on cast iron (niresist) and bronze KN 3-1, as well as nanoscale В 4 С for use as a heat-resistant, thermally stable, corrosion-and wear-resistant material for pistons, piston inserts under the upper compression ring and cylinder liners of internal combustion engines, pump cylinders, bearings of increased wear resistance, operating in aggressive environments.
- Пример №5 - композиционный конструкционный материал, содержащий прочную матрицу из сплава на основе интерметаллида TiAl (γ-фаза), пластичную добавку из сплава на основе интерметаллида Ti2AlNb (O-фаза) и наноразмерный порошок Аl2O3, для изготовления деталей, работающих в условиях повышенных до 900°С температур (лопатки газотурбинных двигателей, клапаны ДВС и др.).- Example No. 5 - a composite structural material containing a solid matrix of an alloy based on intermetallic TiAl (γ-phase), a plastic additive from an alloy based on intermetallic Ti 2 AlNb (O-phase) and nanosized powder Al 2 O 3 , for the manufacture of parts operating in conditions of elevated temperatures up to 900 ° C (gas turbine engine blades, internal combustion engine valves, etc.).
Изготовление композиционных конструкционных материалов выше приведенных составов проводилось по технологии гранульной металлургии, разработанной ОАО «ВИЛС» и НПО «Композит», при этом были осуществлены следующие технологические операции:The manufacture of composite structural materials of the above compositions was carried out according to the technology of granular metallurgy developed by JSC VILS and NPO Composite, and the following technological operations were carried out:
- изготовление гранул исходных компонентов осуществлялось на специализированной установке. Состав композиционных конструкционных материалов представлен в таблице 2;- the manufacture of granules of the starting components was carried out on a specialized installation. The composition of composite structural materials is presented in table 2;
- операция сепарации гранул осуществлялась на установке рассева гранул (УР и МС);- the operation of separation of granules was carried out on the installation of sieving granules (UR and MS);
- после проведения рассева гранул и их классификации годные гранулы подвергались электростатической сепарации на установке СЭС;- after sieving the granules and their classification suitable granules were subjected to electrostatic separation at the SES installation;
- смешение наноразмерного порошка Y2О3 с гранульной композицией в примере №1 проводили в планетарной центробежной мельнице;- mixing nanoscale powder Y 2 About 3 with the granular composition in example No. 1 was carried out in a planetary centrifugal mill;
- засыпка фракций гранул соответствующих составов (таблица 2) в капсулы диаметром 100 мм, формирование композиционного конструкционного материала при вибрационном воздействии на капсулу и их герметизация осуществлялась на установке засыпки и герметизации капсул (УЗГК). Для обеспечения хороших условий диффузионного сращивания гранул проводилась их термическая дегазация и активация поверхности путем нагрева гранул перед засыпкой в капсулы в вакууме (~10-5 торр) до температуры 500°С. Герметизация капсул осуществлялась путем электронно-лучевой заварки их приемных отверстий;- filling fractions of granules of the corresponding compositions (table 2) into capsules with a diameter of 100 mm, the formation of composite structural material with vibration exposure to the capsule and their sealing was carried out at the filling and sealing capsule (UZGK) installation. To ensure good conditions for the diffusion coalescence of the granules, they were thermally degassed and surface activated by heating the granules before filling the capsules in vacuum (~ 10-5 torr) to a temperature of 500 ° C. Capsule sealing was carried out by electron beam welding of their receiving holes;
- заваренные капсулы подвергались газостатическому уплотнению при температуре 950°С (для примера №1) и 1100…1220°С (для примеров №2-5) и давлениях до 220 МПа;- brewed capsules were subjected to gas-static compaction at a temperature of 950 ° C (for example No. 1) and 1100 ... 1220 ° C (for examples No. 2-5) and pressures up to 220 MPa;
- полученные компактные заготовки экструдировались в прутки диаметром 20 мм и подвергались соответствующей термообработке;- the resulting compact billets were extruded into bars with a diameter of 20 mm and subjected to appropriate heat treatment;
- из полученных прутков композиционных конструкционных материалов в соответствии с примерами №1-5 изготавливались образцы для проведения испытаний.- from the obtained rods of composite structural materials in accordance with examples No. 1-5, samples were made for testing.
По результатам проведенных металлографических и структурно-фазовых исследований, а также проведенных специальных испытаний физико-механических и эксплуатационных свойств полученных образцов композиционных конструкционных материалов (см. табл.3) сделаны следующие выводы:Based on the results of metallographic and structural-phase studies, as well as special tests of the physicomechanical and operational properties of the obtained samples of composite structural materials (see Table 3), the following conclusions were drawn:
- Композиционный конструкционный материал по примеру №1 продемонстрировал высокие прочностные, усталостные и жаропрочные свойства с хорошей пластичностью, повышенный модуль упругости и длительную термическую стабильность при температуре 650°С, ресурс работы не менее 300 часов. Сплав - аналог, дисперсионно-упрочненный интерметаллидной α2-фазой (Ti3Al) по патенту RU 2244135, охрупчивался при выдержке в течение 60-100 часов при температуре 600°С, что вызывало разрушение клапанов из данного сплава. Эти свойства подтверждены результатами моторных испытаний клапана из композиционного материала продолжительностью 300 моточасов. На фиг.3 и 4 приведены фото образцов клапанов по патенту RU 2244135 (разрушился после 60 моточасов) и из композита (наработка 300 моточасов). Полученные свойства способствуют надежной работе клапанов двигателей при их длительной эксплуатации.- Composite structural material according to example No. 1 showed high strength, fatigue and heat-resistant properties with good ductility, increased modulus of elasticity and long-term thermal stability at a temperature of 650 ° C, a working life of at least 300 hours. The alloy is an analog, dispersion-hardened with an intermetallic α 2 phase (Ti 3 Al) according to the patent RU 2244135, embrittlement during aging for 60-100 hours at a temperature of 600 ° C, which caused the destruction of valves from this alloy. These properties are confirmed by the results of motor tests of a valve made of composite material lasting 300 hours. Figures 3 and 4 show photos of valve samples according to patent RU 2244135 (collapsed after 60 hours) and from the composite (300 hours worked). The properties obtained contribute to the reliable operation of engine valves during their long-term operation.
- Композиционный конструкционный материал по примеру №2 на основе сплава ЖС6У позволил достичь повышения пластичности при сохранении высоких жаропрочных и износостойких свойств, присущих сплаву ЖС6У, а также обеспечить возможность его механической обработки режущим инструментом, что значительно упрощает изготовление технологической оснастки (штампы и др.) и снижает себестоимость изготовления оснастки не менее чем на 20%.- Composite structural material according to example No. 2 on the basis of the ZhS6U alloy made it possible to increase the ductility while maintaining the high heat-resistant and wear-resistant properties inherent in the ZhS6U alloy, as well as to ensure the possibility of its mechanical processing by cutting tools, which greatly simplifies the manufacturing of tooling (dies, etc.) and reduces the cost of manufacturing equipment by at least 20%.
- В полученном по примеру №3 композиционном конструкционном материале выявлены свойства, аналогичные свойствам дамасской стали: высокая упругость и вязкость, повышенная стойкость к износу, удержание режущей кромки (самозатачивание).- In the composite structural material obtained according to Example No. 3, properties similar to those of Damascus steel are revealed: high elasticity and toughness, increased wear resistance, holding of the cutting edge (self-sharpening).
- В полученном по примеру №4 композиционном конструкционном материале на основе чугуна (нирезист) значительно и целенаправленно улучшен ряд свойств, соответствующих преимущественному применению данного композиционного материала, в частности, прочности при растяжении, пластичности и теплопроводности. Это, в свою очередь, позволит изготавливать из данного композиционного материала поршни транспортных дизелей с высоким ресурсом, применяя деформационные технологии получения заготовок, которые устраняют дефекты, присущие литейным технологиям. Использование в качестве добавок бронзы дополнительно улучшает трибологические свойства материала. Другие области возможного применения данного композиционного материала: вставки, заливаемые в поршни дизельных двигателей для установки верхних компрессионных колец, гильзы цилиндров двигателей и др. детали, работающие в условиях интенсивного износа, в том числе в агрессивных средах.- In the composite structural material obtained on the basis of cast iron obtained according to example No. 4 (niresist), a number of properties corresponding to the predominant use of this composite material, in particular tensile strength, ductility and thermal conductivity, are significantly and purposefully improved. This, in turn, will make it possible to produce pistons of transport diesel engines with a high resource from this composite material, using deformation technologies for producing blanks that eliminate defects inherent in foundry technologies. The use of bronze as additives further improves the tribological properties of the material. Other areas of the possible application of this composite material are: inserts poured into the pistons of diesel engines for installing the upper compression rings, cylinder liners of engines and other parts operating under conditions of intense wear, including in aggressive environments.
- В полученном по примеру №5 композиционном конструкционном материале на основе интерметаллидов титана повышены прочностные и пластические свойства при сохранении на высоком уровне жаропрочных, жесткостных и усталостных свойств, присущих интерметаллиду титана TiAl (γ-фаза). Значительный вклад в повышение механических свойств композиционного материала вносит микроструктура металла в гранулах на микроуровне, что согласуется с зависимостью Холла Петча. При этом устранен основной недостаток сплавов на основе интерметаллида TiAl (γ-фаза) - крайне низкая пластичность при комнатной и рабочих температурах.- In the composite structural material obtained on the basis of titanium intermetallic compounds obtained according to example No. 5, the strength and plastic properties are increased while maintaining the high level of heat-resistant, stiffness and fatigue properties inherent in titanium intermetallic TiAl (γ-phase). A significant contribution to improving the mechanical properties of the composite material is made by the microstructure of the metal in granules at the micro level, which is consistent with the dependence of Hall Petch. At the same time, the main disadvantage of TiAl-based intermetallic alloys (γ-phase) is eliminated - the extremely low ductility at room and operating temperatures.
Таким образом, предлагаемый композиционный конструкционный материал, сконструированный из сферических гранул различных материалов, позволяет получать новые композиционные материалы и значительно расширить функциональные возможности уже известных материалов для различных отраслей промышленности, в том числе с заранее заданными свойствами для новых направлений развития техники.Thus, the proposed composite structural material, constructed from spherical granules of various materials, allows to obtain new composite materials and significantly expand the functionality of already known materials for various industries, including those with predetermined properties for new areas of technology development.
Claims (10)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010121362/02A RU2434962C1 (en) | 2010-05-27 | 2010-05-27 | Composite structure material |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010121362/02A RU2434962C1 (en) | 2010-05-27 | 2010-05-27 | Composite structure material |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2434962C1 true RU2434962C1 (en) | 2011-11-27 |
Family
ID=45318197
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2010121362/02A RU2434962C1 (en) | 2010-05-27 | 2010-05-27 | Composite structure material |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2434962C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2492256C1 (en) * | 2012-05-16 | 2013-09-10 | Валерий Иванович Панин | Pure titanium-based nanostructured composite and method of its production |
| RU2553763C2 (en) * | 2013-09-10 | 2015-06-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Composite nanostructured powder for coating application |
-
2010
- 2010-05-27 RU RU2010121362/02A patent/RU2434962C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2492256C1 (en) * | 2012-05-16 | 2013-09-10 | Валерий Иванович Панин | Pure titanium-based nanostructured composite and method of its production |
| RU2492256C9 (en) * | 2012-05-16 | 2013-12-10 | Сергей Валерьевич Панин | Pure titanium-based nanostructured composite and method of its production |
| RU2553763C2 (en) * | 2013-09-10 | 2015-06-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Composite nanostructured powder for coating application |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Vani et al. | The effect of process parameters in aluminum metal matrix composites with powder metallurgy | |
| US6171709B1 (en) | Super-abrasive grain-containing composite material and method of making | |
| Purohit et al. | Fabrication of magnesium matrix composites using powder metallurgy process and testing of properties | |
| US8916091B2 (en) | Method for producing semi-finished products from NiTi shape memory alloys | |
| Jeevan et al. | Fabrication and characterization of AA6082 ZTA composites by powder metallurgy process | |
| Raja et al. | Effects on microstructure and hardness of Al-B4C metal matrix composite fabricated through powder metallurgy | |
| Frommeyer et al. | Structures and properties of the refractory silicides Ti 5 Si 3 and TiSi 2 and Ti-Si-(Al) eutectic alloys | |
| Ebhota et al. | Principles and baseline knowledge of functionally graded aluminium matrix materials (FGAMMs): Fabrication techniques and applications | |
| RU2434962C1 (en) | Composite structure material | |
| Madan et al. | Fabrication, microstructural characterization and finite element analysis of functionally graded Al-Al2O3 disk using powder metallurgy technique | |
| Khan et al. | Mechanical properties of a novel plymetal manufactured by laser-assisted direct metal deposition | |
| Ekinci et al. | Effect of Al 2 O 3 content and milling time on microstructure and mechanical properties of aluminum metal matrix composites | |
| Sinteza et al. | Synthesis and forming behaviour of AA7075-TiC powder-metallurgy composites | |
| Islak et al. | Characterization of functionally graded Bronze matrix ceramic reinforced composite materials | |
| Narayan et al. | Effect of titanium carbide addition on the workability behavior of powder metallurgy aluminum preforms during hot deformation | |
| Mahesh et al. | The study of microstructure and wear behaviour of titanium nitride reinforced aluminium composites | |
| Ahmad et al. | The Microsructure and Properties of Aluminium Composite Reinforced with 65 μm Alumina Particles via Powder Metallurgy | |
| Ovcharenko et al. | Grain Structure Formation in Ni 3 Al Intermetallic Compound Synthesized Under High-Temperature and Pressure Conditions | |
| Maharnavar | Wear Study of Aluminium Metal Matrix Composite Made By Powder Metallurgy | |
| US20230235432A1 (en) | Al-Ce Alloy Based Composites | |
| KILIÇ et al. | Production of intermetallic FGM | |
| Nonato et al. | A short review on the effect of compaction pressure on properties of materials obtained via powder metalurgy | |
| Maree | Copper Metal Matrix Composite [CMMC] Behavior at Cold Compaction | |
| GULSOY et al. | Ni-90 superalloy foam processed by space-holder technique: microstructural and mechanical characterization | |
| Khan | FORMABILITY CHARACTERISTICS OF Al-Cu-TiC COMPOSITE MATERIAL DURING COLD UPSETTING |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20120528 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20141010 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160528 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20180119 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190528 |