Автореферат (Разработка технологии получения новых композиционных материалов на основе Al-Al2O3 с использованием реакционного спекания на воздухе порошковых алюминиевых заготовок)

На правах рукописиИванов Александр ВладимировичРАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ НОВЫХКОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ AL-AL2O3С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РЕАКЦИОННОГО СПЕКАНИЯ НАВОЗДУХЕ ПОРОШКОВЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ ЗАГОТОВОКСпециальность: 05.16.06 – «Порошковая металлургияи композиционные материалы»АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степени кандидата технических наукМосква 2017Работа выполнена на кафедре «Материаловедение и технология обработкиматериалов» федерального государственного бюджетного образовательногоучреждения высшего образования «Московский авиационный институт(национальный исследовательский университет)» (МАИ).Научныйруководительдоктор технических наук, профессорШляпин Сергей ДмитриевичОфициальныеоппоненты:Еремеева Жанна Владимировна,доктор технических наук, профессор,Федеральное государственное бюджетное образовательноеучреждениевысшегообразования«Московскийполитехнический университет», профессор.Филоненко Владимир Павлович,кандидат технических наук,Федеральное государственное учреждение науки Институтфизики высоких давлений им.

Л. Ф. Верещагина РАН (ИФВДРАН), старший научный сотрудник.Ведущаяорганизация:Федеральное государственное автономное образовательноеучреждениевысшегопрофессиональногообразования«Национальныйисследовательскийтехнологическийуниверситет «МИСиС».Защита диссертации состоится: 07 декабря 2017 года в 1530 часов назаседании диссертационного совета Д 212.125.15 в ФГБОУ ВО «Московскийавиационный институт (национальный исследовательский университет)» (МАИ)по адресу: 121552, г. Москва, ул.

Оршанская, д.3.Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатьюорганизации, просим направлять по адресу: 121552, г. Москва, ул. Оршанская,д. 3, МАИ, ученому секретарю диссертационного совета Скворцовой С.В.Факс +7 (499) 141-95-95, e-mail: skvorcovasv@mati.ruС диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Университета и насайте http://mai.ru/upload/iblock/cd4/Dissertatsiya_Ivanov_2017.pdfАвтореферат разослан «20» октября 2017 годаУченый секретарьДиссертационного совета Д 212.125.15,доктор технических наукСкворцова С.В.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работы. Анализ современной научно-техническойинформации свидетельствует о больших перспективах использованиякомпозиционных материалов на основе системы Al-Al2O3, что обусловленовозможностью сочетания в них положительных свойств, присущихсоставляющим рассматриваемой керметной пары (высокой твердости,прочности, огнеупорности, характерных для оксида алюминия, созначительными пластичностью и теплопроводностью, свойственнымиалюминию).

Такие композиты, имея высокие показатели по характеристикамвесовой эффективности (удельной прочности и удельной жесткости),потенциально могут обладать также высоким уровнем физико-механическихсвойств.В настоящее время получение таких материалов базируется нажидкофазном совмещении компонентов данной керметной пары (пропитказернистого алюмооксидного каркаса алюминиевым расплавом, замешиваниеалюмооксидных частиц в расплав алюминия с последующей его штамповкой,направленная реакционная пропитка – так называемый «Lanxide process»), атакже на их твердофазном совмещении (технология материала САП –«спеченная алюминиевая пудра», горячее прессование или горячая экструзияпорошковых композитных смесей Al-Al2O3).

Их изготовление возможно СВСметодом и гидротермальным окислением алюминиевого порошка.При этом одни способы позволяют создавать только высокопористыеизделия, анедостатком других способов является их повышенная длительность,многостадийность, а также большая энерго- и трудоемкость.В связи с изложенным, весьма перспективным является разработка новыхтехнологических подходов для изготовления композита Al-Al2O3 сиспользованием простых и энергосберегающих методов.В выполненных ранее на кафедре «МиТОМ» работах показано, чтокомпозит Al -Al2O3 может быть экономично получен путем реакционногоспекания (РС) на воздухе алюминиевых порошковых заготовок.

В этом случаеспекание обеспечивается за счет тепла экзотермической реакции горенияалюминия на воздухе (так называемого фильтрационного горения - ФГ).Оксидная фаза в объеме получаемого кермета формировалась в процессе РС врежиме ФГ порошковой заготовки (процесс, основанный на принципе in-situ).Однако применение разработанного кермета сдерживалось недостаточновысоким уровнем его физико-механических свойств.3Для улучшения показателей физико-механических свойств кермета Al Al2O3, позволяющих значительно расширить область его использования,необходимо было усовершенствовать существующую технологию ипредложить новые подходы для ее реализации.Цель работы.

Установление влияния способа гранулированияалюминиевого порошка ПАП-2 на физико-механические свойства кермета AlAl2O3, полученного методом реакционного спекания на воздухе, и разработкена этой основе технологии изготовления композиционных материаловразличного функционального назначения.Задачи работы. Для достижения цели в работе необходимо было:1. Изучить способы гранулирования алюминиевого порошка марки ПАП-2 дляповышения технологических характеристик получаемой шихты имодифицирования еѐ фазового состава;2. Разработать технологические подходы, позволяющие получать реакционноспеченный (Р-С) на воздухе кермет Al-Al2O3 из алюминиевого порошка маркиПАП-2 для использования в качестве износостойких, антифрикционных,абразивных, ударопрочных, теплоизоляционных и термостойких изделий;3. Изучить особенности РС на воздухе порошковых алюминиевых заготовок изполученной шихты, содержащей сухой остаток жидкого стекла – активатораРС, а также специально вводимый в нее наполнитель: дискретныеметаллические ВЗР - волокна, дискретные фрагменты дюралевой стружки,отрезки стального троса, графит, зерна электрокорунда, каолиновые волокна исферолиты технического глинозема;Изучить влияние основных технологических параметров процессаполучения разрабатываемого материала на его структуру, фазовый состав итермомеханические свойства.Научная новизна:1.

Установлено, что при гранулировании алюминиевого порошка ПАП-2,содержащего на поверхности защитную пленку стеарина, добавлениеразбавленного водного раствора гидросиликата натрия (жидкого стекла)способствует протеканию на поверхности частиц химической реакции«омыления стеарина»:C3H5(C18H35O2)3 + 3NaOH = 3C17H35COONa + C3H5(OH)3, обеспечивающейобразование пластичной массы равномерно распределенных частицалюминиевого порошка ПАП-2 в смеси стеарата натрия с глицерином.42. Показано, что термообработка на воздухе (150-350ºС, 1 час)гранулированной шихты, состоящей из смеси алюминиевых частиц ПАП-2 состеаратом натрия и глицерином, приводит к образованию коксового остатка,равномерно распределенного по поверхности частиц в виде молекулярныхслоев.Коксовый остаток сохраняется и в объеме реакционно-спеченногоматериала, выполняя функцию твердой смазки и обеспечивая возможностьработы композита в условиях перманентного самосмазывания скоэффициентом трения порядка 0,17.3.

Установлено, что гранулирование алюминиевого порошка ПАП-2,освобожденного от защитной пленки стеарина при предварительнойтермообработке на воздухе, достигается за счет образования на поверхностичастиц порошка гидроксидной фазы Al2O3·3H2O или фазы Na2O·SiO2·H2O, придобавлении, соответственно, воды или разбавленного водного растворагидросиликата натрия (жидкого стекла).4. Установлено, что при реакционном спекании сухой остаток жидкогостекла выступает в качестве активатора спекания порошковых заготовок изПАП-2.Предложена совокупность основных химических реакций, описывающихмеханизм фазообразования композиционного материала в процессереакционного спекания.Показано, что синтезируемые в объеме спекаемого изделиякристаллические оксидные фазы и кремний являются наноразмернымиморфологическими объектами.Практическая значимость работы:1.

Разработаны способы гранулирования промышленного порошка маркиПАП-2, обеспечивающие повышение насыпной плотности получаемой шихты идополнительное еѐ модифицирование.2.Разработанытехнологическиепроцессыполученияновыхкомпозиционных материалов на основе Al-Al2O3, содержащих в качественаполнителя дискретные волокна, фрагменты дюралевой стружки, отрезкистального троса, графит, зерна электрокорунда, каолиновые волокна, а такжесферолиты технического глинозема, с широким диапазоном свойств дляиспользования в качестве износостойких, антифрикционных, абразивных,ударопрочных, теплоизоляционных и термостойких изделий.5Апробация работы. Материалы работы доложены на 2-х международныхнаучно-технических конференциях и экспонированы на международнойвыставке: 8-ая международная научно-техническая конференция (г.

Минск,ГНПО ПМ НАН Беларуси), 27-28 мая, 2008; 9-ая международная научнотехническая конференция (г. Минск, ГНПО ПМ НАН Беларуси), 29-30сентября, 2010; 5-ая международная специализированная выставка «Композит –Экспо», пав. 1, зал. 1, РФ Москва, 28.02 – 1.03. 2012.Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, в томчисле 7 статей в ведущих рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК,получено 7 патентов РФ.

Список основных публикаций приведен в концеавтореферата.Достоверность полученных результатов обеспечивается применениемсовременных методов исследований структуры и свойств материалов ииспользованием оборудования и методик, аттестованных государственной имеждународной службами стандартизации и метрологии.Личный вклад автора состоит в его непосредственном и активном участиив формировании цели и задач исследования, в проведении теоретических иэкспериментальных исследований, анализе и обработке полученныхрезультатов, их обобщении, формулировке рекомендаций и выводов подиссертации, а также написании публикаций.Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5глав, общих выводов по работе, списка литературы из 127 наименований иприложения.

Изложена на 192 страницах машинописного текста, содержит 69рисунков и 11 таблиц.КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность проблемы разработки технологииизготовления керметного материала на основе Al-Al2O3. Показана возможностьполучения такого материала с использованием метода реакционного спеканияпорошковых алюминиевых заготовок на воздухе.В первой главе, на основании обзора литературных данныхпроанализированы перспективы применения КМ – керметов «оксид металла –металл» в различных областях техники, в том числе рассмотреныпотенциальные области применения композита Al – Al2O3, из которого могутбыть изготовлены легкие и высокопрочные специальные элементыконструкций.6Проанализированы физико-химические аспекты твердофазного ижидкофазного совмещения металлического и оксидного компонентов КМ Al –Al2O3, а также выделены главные из этих аспектов, определяющиенепосредственно свойства получаемого материала.Описаны известные технологические подходы, используемые дляполучения КМ Al – Al2O3 при твердофазном совмещении его компонентов(технология САП, горячее прессование и горячая экструзия порошковыхкомпозитных смесей Al/Al2O3) и их жидкофазном совмещении (пропиткапористого алюмооксидного каркаса расплавом алюминия, механическоезамешивание алюмооксидных частиц в алюминиевый расплав, компокастинг,ланксайд-процесс).Отдельнорассмотреныспособыполучениявысокопористых материалов Al – Al2O3 путем гидротермального окисления(ГТО) алюминиевого порошка и методом самораспространяющегосявысокотемпературного синтеза (СВС).На основании анализа литературных данных поставлена цель работы исформулированы задачи исследований.Во второй главе приведены методики и материалы, на которых проводилиисследования и описантехнологический3процессихпроизводства.Дляполучениякомпозитабазовогосостава Al - Al2O3 вкачествеисходныхматериалов2использовали:11.ПромышленнопроизводимыйалюминиевыйРис.

1. Вид частиц алюминиевой пудры ПАП-2.порошок марки ПАП– 1, 2 – чешуйчатые частицы; 3 –кромка частиц.2 (ГОСТ 5494–95), состоящий из чешуйчатых частиц (рис.1), покрытых тонкимслоем стеарина (3% масс); жидкое стекло (ГОСТ 1307 – 81) –концентрированный раствор гидросиликата натрия; поливиниловый спиртмарки 16/1 (ГОСТ 10779-78);72.Дискретныеметаллическиеволокна,полученныеметодомвысокоскоростного затвердевания расплава (ВЗР – волокна) - алюминия (В 95),титана (ВТ 1 – 0) и нержавеющей стали (12Х18Н9);3.

Дискретную дюралевую (Д16) стружку – отход металлообработки;4. Стальной трос из аустенитной стали торговых марок А2 (7х7) и А4(1х19);5. Порошок электрокорунда №8 (ГОСТ 3647 – 80) фракции 0,08 – 0,1 мм;6. Технический глинозем марки Г – 00 (ГОСТ 30558–98) и каолиновыеволокна (ГОСТ 23619–79).Плотность, пористость, усадку материала определяли стандартнымиметодами. Реологические свойства порошков и их прессуемость оценивали пообщепринятым подходам.Физико-механические характеристики (прочность при изгибе, растяжениии сжатии), коэффициент трещиностойкости (К1с), удельную эффективнуюработу разрушения (γF), ударную вязкость и ударный изгиб, а также твердостьпо Роквеллу и микротвердость по Виккерсу определяли по общепринятым истандартным методикам (на установке Tiratest – 2300 и маятниковом копреZwick HIP 50 P).Трибологические свойства композита – износостойкость и коэффициенттрения скольжения определяли, используя схему «стержень – диск»(испытуемые образцы диаметром 20 мм и высотой 8 мм), на прибореTribometer, CSM Instr.