Автореферат (Разработка технологии получения новых композиционных материалов на основе Al-Al2O3 с использованием реакционного спекания на воздухе порошковых алюминиевых заготовок), страница 2

Контртело – шарик из стали ШХ-15 диаметром 3 мм, еголинейная скорость – 10 см/с.Термостойкость оценивали путем построения и анализа диаграммысопротивляемости материала термическим повреждениям (СТП – диаграммы) вкоординатах σтизг - ∆t (σтизг - предел прочности при изгибе призматическогообразца с размерами 8х8х50 мм после термоциклирования, ∆t = Т – tос, где Т –температура нагрева образца на воздухе, tос – температура охлаждающейсреды).Теплопроводность в интервале 20 – 1000°С в условиях стационарногопотока определяли по методике «горячей проволоки» с применениемизмерительного креста (ISO 8894 – 1 : 1987(E) ).Электронномикроскопическийанализпроводилинарастровомэлектронном микроскопе Hitachi – F405A.

Рентгенофазовый анализ образцовпроводили на установке ДРОН – 3 (съемку дифрактограмм вели на СuK8отфильтрованном излучении, фильтр – никелевый, при напряжении на трубке30 кВ и силе тока 20 мА).В третьей главе рассмотрены исследования и разработка способовгранулирования алюминиевого порошка ПАП-2.В работе рассмотрены 4 варианта гранулирования с различными типамивоздействия на исходный порошок ПАП-2 .1) Гранулирование путем термообработки на воздухе в интервале 100 –1200°С.Установлено, что термообработка порошка позволяет обеспечитьнезначительное увеличение насыпной плотности порошка (γс) с 0,17 г/см3 (при350°С) до 0,29 г/см3 (при 1200°С) вследствие образования агломератов;2) Гранулирование введением в ПАП-2 добавок воды и разбавленноговодного раствора гидросиликата натрия.Гранулированию подвергали порошок после удаления с него защитногослоя стеарина за счет термообработки на воздухе при 350°С.Установлено, что при введении воды образовывался кристаллогидратAl2O3 · n H2O переменного состава, где n= 1 – 3, равномерно распределенныйпо поверхности чешуйчатых частиц в виде тонких слоев.

Благодаря их вязкостии капиллярным силам происходит слипание чешуйчатых частиц и пылевиднойфракции с образованием более плотных агломератов – гранул. Насыпнаяплотность сухого продукта - γс составляла – 0,28 г/см3, а после утряски - γу –0,35 г/см3;При введении разбавленного водой гидросиликата натрия происходилосклеивание чешуйчатых частиц микронными прослойками фазы - Na2O·SiO2·H2О. После сушки значения насыпной плотности составили - γс = 0,29 –0,37 г/см3; γу = 0,4 – 0,5 г/см3;3)Гранулирование методом механической обработки (МО) впланетарной мельнице.Порошок, лишенный стеарина, подвергали ударно-истирающемувоздействию твердосплавных мелющих тел.

При этом вследствие адгезионноговзаимодействия и холодной сварки частиц происходило их гранулирование.Внешний вид полученного порошка представлен на рисунке 2а. Значениянасыпной плотности выросли более чем в 5 раз и составили: γс до 1,0 г/см3, γу до1,25 г/см3.4) Гранулирование путем инициирования химической реакции«омыления стеарина».9При данном методеисходный порошок, частицыкоторогосодержатстеариновоепокрытие,смешивали с разбавленнымводой гидросиликатом натрия.Приэтомпроисходитгидролиз жидкого стекла собразованиемщелочи–NaOH, которая реагирует состеарином с образованиембстеарата натрия и глицерина.Это, так называемая, реакция«омылениястеарина»:C3H5(C18H35O2)3 + 3NaOH =3C17H35COONa + C3H5(OH)3,позавершениикоторойобразуетсявязкаямасса.После ее протирки через ситополучали гранулы (рисунок1 см 2б). Для сухого продукта γс ≈γу = 0,4 г/см3.Рис.

2. Внешний вид гранул порошка. полученногопосле механической обработки (τ0= 180 минут) (а),В четвертой главеполученного методом «омыления стеарина» (б).исследовано влияние способагранулирования на структуру и свойства реакционно-спеченного (Р-С) навоздухе КМ Al-Al2O3.Гранулирование водойДанный КМ получали прессованием шихты (под давлением 100 – 1000МПа) из порошка ПАП-2 (лишенного стеарина) и гранулированного врезультате добавления к нему воды, с последующим РС на воздухе полученныхсырых заготовок.При приложении давления прессования (Р) в поверхностныхалюмооксидных пленках (1) чешуйчатых частиц ПАП-2 (2) происходятразрывы за счет действия сдвиговых напряжений.

Перекрытие локальныхобластей разрывов (3) у соприкасающихся частиц обеспечивает возникновениемежду ними контактных мостиков (4) по металлической фазе «Al – Al» (рис. 3).а10По контактным мостикам, вследствие трения, имеет место холодная сваркачастиц.Приложение Р в интервале 100 – 500 МПа обеспечивает образованиевоздухонаполненных сообщающихся щелевидных пор микронного сечения (5)за счет неплотного прилегания2154пластинчатых частиц в местах их астыков в прессовке (рис.3а).

Длятаких образцов наблюдалось РС врежиме ФГ.При повышении Р более23600 МПа происходит подавление14системысообщающихсяоткрытых пор в прессовке и их3превращение в изолированныещелевидные поры (6) (рис. 3б).21Поэтому ФГ не происходило.12Имеломестотвердофазное бспекание (ТС).При варьировании Р от 100до 1000 МПа плотность сырых испеченных образцов составляла461,8 – 2,4 г/см3 и 2,1 – 2,58 г/см3, а Рис. 3. Схематическое изображение структурыих прочность при изгибе - 10 – 80 прессовки.

а — P=100 - 500 МПа; б — P=600 1000 МПа.МПа и 100 – 320 МПа – 1 – поверхностные алюмооксидные пленкисоответственно (рис.4).чешуйчатых частиц 2; 3 – разрывы вМетодом РФА установлено, алюмооксидных пленках 1; 4 – контактныемостики по металлической фазе (Al-Al); 5 –что усредненный фазовый состав сообщающиеся воздухонаполненные щелевидныекермета, спеченного в режиме ФГ поры микронного сечения; 6 – изолированныещелевидныевоздухонаполненныепоры(Р=100 МПа), был представлен микронного сечения.следующими кристаллическимифазами (% об): Al (61),  - Al2O3 (10),  - Al2O3 (20),  - Al2O3 (8), Al2O3 3 H2O(1). При Р = 500 МПа количество неокисленного алюминия возрастает: Al (70), - Al2O3 (27), Al2O3 3 H2O (3).

В случае ТС кермета (Р=600 МПа) алюминийявляется доминирующей фазой: Al (95), Al2O3  3 H2O (5).Термическое старение Р-С образцов, проведенное на воздухе при 600°С втечение 6,5 – 1000 часов, показало сохранение их слоистой структуры.11Гранулирование с использованием добавки-активатора РСДанный материал получали прессованием шихты из порошка ПАП-2,лишенного стеарина, и гранулированного в результате добавления к немуразбавленного водного раствора жидкого стекла (ЖС) с последующим РС навоздухе полученных сырых заготовок. Спецификой этой технологии являетсятот факт, что сухой остаток ЖС (СОЖС) в составе сырых заготовок выполняетфункцию активатора РС. При его содержании (С) 3 - 6 % на сухой остаток Рсоставляло 500 МПа, при С = 13 – 28%, Р - 300 МПа.Методом РФА зафиксированы кристаллические фазы (Al2O3; Si; Na2Si2O5),образующиеся в объеме образца в процессе РС с участием СОЖС.Этоявляетсяизг, МПаФГТСследствием350протекания2300следующихреакций: 4 Al(расплав)250+ 3 SiO2 = 2 Al2O3 +2003 Si), а также150Na2O(пар) + 2 SiO2 =100Na2Si2O5.150Крометого,0Na2O в составеР, МПа02004006008001000СОЖСявляетсяРис.

4. Зависимость предела прочности при изгибе (изг) откатализаторомдавления прессования (Р). 1 – для сырца, 2 – для спеченногоокисленияматериала.алюминиявследствие образования неустойчивого пероксидного комплекса - [Na2O2]*(пар).Он служит источником атомарного кислорода, выделяющегося при разложенииэтого комплекса - [Na2O2]*(пар) → Na2O(пар) + O∙(атомарный). Атомарный кислороддиффундирует к расплаву алюминия через поверхностные алюмооксидныепленки,обеспечиваяобразованиедополнительногоколичествакристаллических включений Al2O3.Дифракционнымрентгенографическимметодом(поуширениюдифракционных отражений) установлено, что синтезируемые в процессе РСоксидные фазы и кремний представляют собой наноразмерныеморфологические объекты.

Максимальная прочность при изгибе спеченныхобразцов (320 МПа) была зафиксирована при С=3% и времени РС (τ) - 60 мин.12Это объясняется формированием дисперсно-упрочненной структурыкомпозита, состоящего из пластичной алюминиевой матрицы с включенияминаноразмерных (13 -100 нм) кристаллов оксидов и Si.

Методом РЭМустановлено, что при активировании РС малой добавкой СОЖС (С = 3%)слоистая структура композита сохраняется.Гранулирование порошков путем МО порошка ПАП-2.Для получения данного композита гранулировали ПАП-2 путем его МО ввысокоэнергетической планетарной мельнице с последующим прессованиемгранулированной шихты и РС на воздухе1полученных сырых порошковых заготовок. а2Прессование проводили под давлением 500МПа.Показано, что с увеличением времени МО- τ0 (от 15 до 180 минут) наблюдается снижениеотносительного приращения массы (от 6,3 до21б4,3%) и относительной объемной усадки (от 3,0до 0,7%) образцов после РС.Этообъясняетсянакоплениемзначительной доли аморфной оксидной фазы наповерхности гранул по мере увеличения τ0. Онауплотняет и пассивирует поверхность гранул,2впрепятствуя окислению расплава алюминия и1сближению гранул вследствие усадки впроцессе ФГ.Установлено уменьшение механическихсвойств спеченного материала [σизг – 250-170МПа, КС – (7-4,3)∙103 Дж/м2, σо.с.