Автореферат (Разработка технологии получения новых композиционных материалов на основе Al-Al2O3 с использованием реакционного спекания на воздухе порошковых алюминиевых заготовок), страница 3

– 300-200МПа, σд.с. – 100-70 МПа] с увеличением τ0 от 15Рис. 5. Схематическоедо 180 минут.Это связано с возрастанием жесткости изображение структурыпрессовки, полученной из гранул –получаемых округлых гранул при повышении продукта МО порошка ПАП-2. а –τ0, вследствие чего наблюдается снижение τ0 =15 минут, б – τ0 = 60 минут, в– τ0 = 180 минут. 1 – гранулы, 2 –общегоконтактногосечения, контактные площадки.воспринимающего нагрузку при механическомиспытании образцов (рис.5).13На диаграммах деформирования образцов при осевом сжатиизафиксированы участки линейно-упругого (1) и нелинейного упругопластического (2) деформирования. Участки (1) проявляются благодаряналичию аморфной оксидной фазы структуре материала, образующейся врезультате МО и ФГ. Она формирует жесткий каркас, воспринимающийнагрузку на этой начальной стадии нагружения.

Участки (2) проявляются припродолжении нагружения вследствие разрушения жесткого оксидного каркаса,после чего наблюдается проявление пластической деформации алюминия.РФА фиксирует Al, как доминирующую фазу в составе Р-С материала, аалюмооксидная фаза является рентгеноаморфной.Гранулирование путем инициирования реакции стеарина с жидкимстекломДля получения антифрикционного композита проводили гранулированиеалюминиевого порошка ПАП-2 с использованием реакции «омылениястеарина» на поверхности его частиц, прессование гранулированной шихты,предварительную термообработку сырых порошковых заготовок на воздухе дляразложения стеарата натрия и глицерина – продуктов реакции «омылениястеарина» и РС заготовок на воздухе в режиме ФГ.Методом РФА установлено, что после завершения РС в объеме материаласохраняется коксовый остаток (от разложения стеарата натрия и глицерина), атакже синтезированы кристаллические фазы (%,об): Al (90); γ-Al2O3 (7,5), Si (1)и C (1,5).

Кремний является продуктом реакции термитного типа:Al+SiO2→Al2O3+Si. При этом коксовый остаток равномерно распределен поповерхностям чешуйчатых алюминиевых частиц в виде тонких молекулярныхслоев и может выполнять функцию твердой смазки в трибосопряжении.Показано (рис.6а), что полученный материал Al-Al2O3-C (тип 1), благодаряоптимальному сочетанию упруго-пластичных свойств рабочего поверхностногослоя, демонстрирует весьма малый коэффициент трения (его среднее значение–0,17 в паре трения «Al-Al2O3-C – сталь») и, практически, отсутствие износа, какдля композита, так и для контртела. На рис. 6б и 6в показаны материалы (тип 2и 3), полученные РС из шихты, гранулированной путем добавления к ПАП-2разбавленного водой ЖС и воды – соответственно).Антифрикционный композиционный материал Al-Al2O3-C имеетследующие прочностные свойства: σизг = 125 – 250 МПа, σд.с.

= 35 – 85 МПа, КС= 4-12 · 103 Дж/м2.14абвРис. 6. Вид бороздок износа на образцах материала типа 1(а), типа 2 (б), типа 3 (в) и видповерхности контр - тела – соответственно.В пятой главе рассмотрена разработка технологических подходов дляполучения Р-С КМ: керметная матрица (Al/Al2O3) – наполнитель.Такие КМ получали путем введения в керметную матрицу Al/Al2O3различных видов наполнителей: дискретных металлических ВЗР - волокон(алюминиевых, титановых, стальных), дюралевой стружки, отрезков стальноготроса, электрокорунда фракции 0,08-0,1 мм, каолиновых волокон и сферолитовтехнического глинозема.15Формированиеструктурыакомпозитов достигается при прессованиишихты, включающей смесь алюминиевой1пудры ПАП-2 с наполнителем (ПАП-22предварительнотермообработаннавоздухедлявыжигастеарина споверхности ее чешуйчатых частиц изамены стеарина на пассивирующуюалюмооксидную пленку).При использовании в качественаполнителя каолиновых волокон ибсферолитовγ-Al2O3,порошковыезаготовки после РС в режиме ФГтермообрабатывали на воздухе (1500°С, 13час) с целью полного окисления4металлической составляющей в заготовке.Использование в составе матрицывсех типов металлических ВЗР – волокони дюралевой стружки позволило получитьдостаточно легкие КМ (с невысокойплотностью - 2,30 – 2,85 г/см3) и сосредними показателями механических в5свойств (σизг = 180 – 250 МПа; К1с = 7,5 –615 МПа ·м1/2; КСU = 18·103 - 35·103Дж/м2).

Лучшие свойства достигались прииспользовании титановых ВЗР – волокон(20%об)благодаряреализациинескольких энергоемких механизмовразрушения, связанных с затратамиэнергии распространяющейся трещины на Рис. 7. Вид поверхности излома КМ,полученных РС из шихты, содержащей Tiпроцесс расслоения по границе раздела ВЗР-волокна (а), каолиновые волокна (б),«волокно – матрица», на преодоление сил сферолиты γ-Al2O3. 1 – керметнаяматрица Al/Al2O3; 2 – Ti ВЗР-волокно; 3 –трения для выдергивания волокон из каолиновое волокно; 4, 5 – алюмооксидныематрицы и их удлинение с образованием чешуйчатые частицы; 6 – Al2O3кристаллы в составе сферолита.шейкивследствиепластическойдеформации (рис.

7 а).16Армирование матрицы Al/Al2O3 однонапрвленно уложенными отрезкамистального троса А4 (1х19) – 8% об, обеспечивает получение материала сплотностью 2,5 г/см3 (в 1,8 раза меньшей плотности титанового сплава) ипоказателями ударной вязкости и удельной эффективной работы разрушения,сопоставимыми с этими показателями для стали, алюминиевого и титановогосплавов (КСU ~ 105 Дж/м2; γF ~ 103 Дж/м2).Введение в матрицу Al/Al2O3 зерен электрокорунда обеспечивалополучение абразивного материала. По границе раздела «Al/Al2O3 (матрица) –зерно электрокорунда» реализуется оксидно-адгезионный тип связи, прочностькоторой является оптимальной для возможности удаления из рабочей шлифзоны отработанных зерен и проявления режима самозатачивания.

Такойкомпозит имеет плотность 2,6 г/см3, прочность при изгибе 40 МПа и открытуюпористость 17%, которая позволят использовать СОЖ в зоне трения благодаряпропитке поверхностного слоя.Из порошковой композитной смеси – ПАП-2 (10 – 30% об) – каолиновыеволокна изготовлена ультралегковесная теплоизоляция (с плотностью 0,25 – 0,5г/см3 при пористости 88 – 93%). Зафиксировано, что в результате ФГ ипоследующего спекания порошковых заготовок на воздухе при 1500°С, восновном,происходилосвязываниеволокон(3)чешуйчатымиалюмооксидными частицами (4), а также наблюдалось припекание поповерхности контактирующих волокон (рис. 7 б).

Напряжение смятия присжатии цилиндрических образцов теплоизоляции составляло 0,15 – 0,3 МПа,эффективный коэффициент теплопроводности в температурном интервале 20 –1000°С – 0,07 – 0,2 Вт/м·К.Высокая эффективность разработанной теплоизоляции объясняетсяэкранирующим действием чешуйчатых алюмооксидных частиц, плоскостикоторых расположены нормально по отношению к тепловому потоку.Из порошковой композитной смеси – ПАП-2 (30 – 70% об) – сферолитытехническогоглиноземаизготовленавысокопористаятермостойкаяалюмооксидная керамика (общая пористость 42 – 52%, плотность 1,90 – 2,32г/см3).

В ее структуре зафиксированы чешуйчатые алюмооксидныекристаллические частицы (5), образующиеся в результате окисления (1500°С,воздух) чешуйчатых алюминиевых частиц ПАП-2 (рис. 7 в), и выполняющиефункцию армирующих элементов. Этот эффект объясняет возможностьдостижения для столь высокопористого материала весьма удовлетворительнойпрочности (σизг = 10-50 МПа).17МатериалПлотностьρ, г/см3УдарнаявязкостьKCU, Дж/м2ТаблицаКоэффициенттрещиностойкостиKIc, МПа·м1/2Эффективнаяработаразрушения γF,Дж/м2Характеристики разрушения различных материаловСталь ВНС-5Титановый сплавВТ22Алюминиевый сплав В967,82(9,8)·10545 – 604·1034,55(2,8 – 7,6)·10560 – 95~1032,82(1,5 – 5)·10519-25~103Керамика Al2O3 и ZrO2-Y2O33,99 – 6,1(5 – 6)·1033 – 1010 – 50Разрабатываемый КМ Al/Al2O3(матрица) – трос A4 (1x19) 8%об.2,5≥1058 – 10*(12 –30)·103*  KIc рассчитывали по максимальной нагрузке, соответствующей скачку трещиныв момент начала разрушения матрицы.Его повышенная термостойкость достигается благодаря быстромуустранению температурного градиента на элементах структуры, имеющихмикронное сечение.ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕВ результате впервые проведенных исследований получены следующиерезультаты:1.

Впервые выполнено комплексное исследование различных вариантовпроцесса гранулирования и разработаны режимы гранулированияпромышленного порошка марки ПАП-2.Наиболее высокий показатель насыпной плотности достигается прииспользовании способа механической обработки (МО) порошка ввысокоэнергетической планетарной мельнице (для свободной засыпки - γс = 0,4– 1,0 г/см3; после утряски - γу = 0,75 – 1,25 г/см3).Наиболее технологичным и экономичным является способ, основанныйна инициировании химической реакции «омыления стеарина» на поверхностичастиц порошка (γс ≈ γу=0,4 г/см3).2. Экспериментально установлено, что спекание КМ Al-Al2O3,полученного прессованием в интервале давления (Р) 100-500 МПа, являетсяреакционным и происходит в режиме фильтрационного горения (ФГ), а для18отпрессованного при Р = 600 - 1000 МПа реализуется твердофазовое спекание(ТС) вследствие подавления системы сообщающихся воздухонаполненныхщелевидных пор.Прочность при изгибе образцов КМ Al-Al2O3, спеченных в режиме ФГ,уступает прочности образцов, полученных ТС – спеканием (100-250 МПа – впервом случае и 300-350 МПа – во втором случае) вследствие накопления в ихструктуре «рыхлой» алюмооксидной фазы (до 30% об) в процессе ФГ.Методом РЭМ установлено, что слоистая структура КМ сохраняетсяпосле длительной изотермической выдержки на воздухе (до 1000 часов) притемпературе 600°С.3.