Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2021, № 12, стр. 103-107

ВВЕДЕНИЕ

В изделиях авиационной, ракетной и космической техники широкое применение находят алюмоматричные композиционные материалы (АМКМ), отличающиеся малой плотностью, высокими прочностными свойствами и возможностью изготовления из них сложных по форме деталей. В настоящее время активно развиваются технологичные способы получения АМКМ, упрочненных тугоплавкими соединениями. Однако предметом постоянных исследований является ввод в алюминиевый расплав порошковых частиц тугоплавких соединений с наноразмерностью, а также их усвоение и однородное распределение в алюминиевой матрице [1–12], что связано с плохой смачиваемостью жидким металлом таких частиц, большой склонностью их к конгломерации и др. [11]. Для упрощения процесса ввода наночастиц в алюминиевые расплавы применяются различные приемы, в том числе и их ввод в состав порошковых лигатур. Использование керамических наночастиц в качестве упрочняющей фазы при изготовлении АМКМ позволяет при малых объемах их ввода значительно повысить эксплуатационные свойства изделий [1–14].

Таким образом, целью данной работы было исследование возможности ввода наночастиц армирующей фазы Si₃N₄ при увеличенном ее содержании в алюминиевый расплав.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследован способ ввода наночастиц нитрида кремния в алюминиевый расплав АК12 в процессе плавки в виде брикетов (порошковых лигатур) состава Ni–(2.5–7.5%)Si₃N₄. В качестве материала (основы лигатур) был выбран никелевый порошок марки ПНЭ-1, представленный на рис. 1а, с размером частиц от 30 до 75 мкм, применяемый как основной металл для легирования с целью повышения прочности сплавов при высоких температурах. В качестве армирующей фазы использовался порошок Si₃N₄ (рис. 1б), полученный в СамГТУ по азидной технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, с размерами частиц до 100 нм.

Рис. 1.

РЭМ-изображение поверхности частиц: а – никелевый порошок марки ПНЭ-1, б – порошок Si₃N₄ марки СВС-Аз.

Приготовление порошковых композиций Ni–Si₃N₄ проводили в шаровой и планетарной (“Пульверизетте-5”) мельницах. При механическом смешивании порошков изменялись время (от 1 до 60 мин) и скорость (от 50 до 300 об./мин) смешивания.

Грансостав порошков определяли на лазерном анализаторе размера частиц “Analysette 22 Compact”, насыпную массу порошков – с помощью волюмометра, сыпучесть порошков – методом Холла, удельную поверхность – с помощью анализатора серии СОРБТОМЕТР. Однородность смешивания оценивали произвольно взятыми пробами. Шихту считали однородной, если не менее 95% произвольно взятых проб имеют почти одинаковый гранулометрический и химический составы.

Далее из полученных смесей Ni–Si₃N₄ холодным прессованием при давлении от 65 до 700 МПа были получены порошковые лигатуры с различной плотностью (от 68 до 92%).

В алюминиевый расплав АК12 при температурах 850–1000°С вводили полученные порошковые лигатуры Ni–Si₃N₄ в виде прессованных брикетов (массой 2.5 г) с относительной плотностью 85–90%, полученные прессованием при давлении 540–700 МПа. Ввод армирующей фазы Si₃N₄ в алюминиевый расплав проводился в печи типа GRAFICARBO в стальном тигле объемом до 0.2 кг. Равномерное распределение дисперсной фазы Si₃N₄ в алюминиевом расплаве обеспечивалось с помощью перемешивания. В работе исследовали влияние обработки алюминиевого расплава электромагнитными акустическими полями на растворимость вводимых порошковых лигатур Ni–Si₃N₄ и усвоение их расплавом АК12. Обработку осуществляли с помощью генератора “Сонар”, который создает электромагнитные волны радиочастотного диапазона. Генератор акустических колебаний размещали вблизи тигля с расплавом [15]. В качестве излучателя электромагнитных волн, погруженного в алюминиевый расплав после ввода порошковых лигатур, использовали проволоку в виде петлеобразной антенны диаметром до 3 мм. В процессе экспериментов варьировались частота электромагнитного поля (от 500 до 1000 кГц) и время (от 15 до 30 мин) его воздействия после ввода порошковых лигатур Ni–Si₃N₄.

Химический состав сплавов до и после ввода порошковых лигатур определяли методом рентгеноспектрального микроанализа (РСМА), при этом использовался энергодисперсионный детектор INCAx-act, являющийся приставкой к растровому электронному микроскопу TESCANVegaSB, на котором также исследовали микроструктуру методом растровой электронной микроскопии (РЭМ). Твердость образцов определяли методом Бринелля.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Экспериментально определено, что однородное распределение частиц нитрида кремния в полученных порошковых композициях достигается смешиванием в планетарной мельнице в течение пяти минут со скоростью 300 об./мин. В табл. 1 представлены некоторые физические и технологические свойства полученных порошковых смесей Ni–Si₃N₄, не обладающих сыпучестью.

Согласно табл. 1, с увеличением содержания дисперсной фазы в полученных порошковых смесях Ni–Si₃N₄ отмечается уменьшение гранулометрического состава, компактной плотности, насыпной массы и увеличение удельной поверхности.

На рис. 2 представлена зависимость относительной плотности порошковых лигатур Ni–Si₃N₄ от давления прессования.

Рис. 2.

Зависимость относительной плотности порошковых лигатур Ni–Si₃N₄ от давления прессования.

Согласно рис. 2, в порошковых лигатурах Ni–Si₃N₄ минимальная относительная плотность получена при давлении прессования 65 МПа и составляет 75% (для лигатуры Ni + 2.5% Si₃N₄), 73% (для лигатуры Ni + 5% Si₃N₄) и 68% (для лигатуры Ni + 7.5% Si₃N₄), а максимальная относительная плотность получена в порошковых лигатурах при давлении прессования 700 МПа и составляет 92% (для лигатуры Ni + 2.5% Si₃N₄), 91% (для лигатуры Ni + 5% Si₃N₄) и 87% (для лигатуры Ni + 7.5% Si₃N₄).

В табл. 2 представлен химический состав образцов на основе алюминиевого сплава АК12 после ввода порошковых лигатур Ni–Si₃N₄.

Согласно табл. 2, в полученных литых образцах отмечается наличие следов некоторых элементов (азота и углерода), содержание которых не превышает 1%. Присутствие кислорода в химическом составе литых образцов связано с тем, что перемешивание расплава проводилось вручную при помощи приспособления, представляющего собой стальной пруток диаметром 10 мм. Наличие никеля в составе полученных образцов подтверждает ввод порошковых лигатур Ni–Si₃N₄ в расплав АК12.

Общее время перемешивания расплава составило 6 мин (при средней скорости – 5 об./мин). В ходе экспериментов определено, что частота (500 и 1000 кГц) и время воздействия (2–45 мин) ЭМАП на растворимость вводимых порошковых лигатур Ni–Si₃N₄ и усвоение их расплавом АК12 практически не влияют.

На рис. 3 представлена микроструктура сплава АК12 и образца АК12 + 2.5% (Ni + 5% Si₃N₄), полученного после ввода порошковой лигатуры при температуре 900°С.

Рис. 3.

РЭМ-изображение микроструктуры образцов до и после ввода порошковой лигатуры (Ni + 5% Si₃N₄) при температуре 900°С: а – сплав АК12, б – АК12 + 2.5% (Ni + 5% Si₃N₄).

Экспериментально определено, что оптимальная температура ввода порошковой лигатуры (Ni + 5% Si₃N₄) – 900°С, так как при температурах от 850 до 900°С данная лигатура растворяется частично. Полное растворение применяемой лигатуры наблюдается при 900°С, поэтому дальнейшее увеличение температуры (до 1000°С) является не рациональным. Изменение температуры расплава от 850 до 1000°С при вводе порошковой лигатуры (Ni + 7.5% Si₃N₄) положительного влияния на полную растворимость данной лигатуры не оказало.

Согласно рис. 3, армирующая фаза Si₃N₄ на микроструктуре не видна ввиду малого ее количества. Однако после ввода порошковой лигатуры Ni + 5% Si₃N₄ в образце АК12 + 2.5% (Ni + 5% Si₃N₄) отмечается измельчение структуры. Максимальная растворимость упрочняющей фазы Si₃N₄ наблюдается при вводе в алюминиевый сплав АК12 порошковых лигатур на никелевой основе, содержащих 2.5 и 5% армирующей фазы.

В полученных литых образцах на основе АК12 твердость изменялась по шкале HВ в пределах от 56 до 67 МПа (твердость сплава АК12 по ГОСТу 1583-93 составляет НВ 50 МПа). Незначительное повышение твердости наблюдается в образце АК12 + 2.5% (Ni + 7.5% Si₃N₄) и составляет НВ 56 МПа, данный результат связан с тем, что порошковая лигатура растворяется не полностью. Максимальное повышение твердости отмечается в образце АК12 + 2.5% (Ni + 5% Si₃N₄) и составляет НВ 67 МПа.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Применение порошковых лигатур Ni–Si₃N₄ позволяет вводить в алюминиевый расплав наночастицы Si₃N₄ в малом количестве (не более 0.1%). Проведенные исследования показали, что доля упрочняющей фазы – нанопорошка Si₃N₄, полученного по азидной технологии СВС в СамГТУ, в прессованной лигатуре не может быть более 5%. При содержании в порошковой лигатуре на никелевой основе наночастиц Si₃N₄ более 5% полученные лигатуры практически не растворяются в расплаве и при температурах 950–1000°С. Таким образом, оптимальное содержание упрочняющей фазы Si₃N₄ с материалом-основой (никелем) в прессованных порошковых лигатурах составляет 5%. Температура алюминиевого расплава, при которой отмечается полное растворение порошковой лигатуры Ni + 5% Si₃N₄, составляет 900°С.

Определено, что заметного влияния на растворимость порошковых лигатур Ni–Si₃N₄ в алюминиевых расплавах электромагнитные акустические поля не оказывали.