Дисперсно упрочненные композиционные материалы на основе алюминия: методы получения, функциональные свойства, перспективные применения

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-13-20009

НазваниеДисперсно упрочненные композиционные материалы на основе алюминия: методы получения, функциональные свойства, перспективные применения

Руководитель Мыльников Владимир Викторович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет" , Нижегородская обл

Конкурс №66 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами» (региональный конкурс)

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-603 - Фундаментальные основы создания новых металлических, керамических и композиционных материалов

Ключевые слова Алюминий, оксид алюминия, композиционные материалы, дисперсионно-упроченный материал, физико-механические и теплофизические свойства, литье, жидкотекучесть, микроструктура, прочность, усталость, упрочнение, деформационный рельеф, пластическая деформация, фрактография

Код ГРНТИ53.00.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Современный технологический прогресс требует разработки новых материалов различного функционального назначения, так как традиционные материалы уже не в полной мере могут удовлетворить запросы конструкторов. Одним из направлений решения данной проблемы является создание и применение композиционных материалов с металлической матрицей. Применение композиционных материалов обеспечивает качественный скачок в увеличении мощности двигателей, энергетических и транспортных установок, уменьшении массы машин и приборов и позволяет перейти на качественно более высокий технический уровень. Главными преимуществами дисперсно упрочненных композиционных материалов (ДУКМ) по сравнению с традиционными конструкционными материалами являются: значительное повышение прочностных показателей, жесткости и модуля упругости, жаропрочности, стойкости против абразивного износа и образования различных трещин. Они обладают большим потенциалом применения в качестве конструкционного материала в военной промышленности, транспорте и авиакосмической промышленности. Весьма актуальной является проблема обоснования выбора размеров, формы, количества частиц твердой фазы и расстояние между ними в матрице, позволяющих изготавливать изделия с требуемым уровнем эксплуатационных свойств. Целью предлагаемого проекта является получение ДУКМ Al-Al2O3 c заданными количеством и размером твердой фазы и экспериментально-теоретическое исследование их физико-механических свойств, изготовляемых по принципиально отличной технологии, которая основана на процессе жидкофазного окисления расплава алюминия кислородом и базируется на результатах экспериментов по созданию воздухонезависимой энергетической установки на основе высокометаллизированного безгазового топлива, исходя из особенностей их внутреннего строения на различных структурных уровнях. В ХХI веке особое внимание уделяется получению литых алюмоматричных композиционных сплавов вводом мелкодисперсных тугоплавких добавок непосредственно при литье (при заливке), что существенно увеличивает число центров кристаллизации при охлаждении расплава. При этом стоимость порошковых материалов из B4C в 9,5, а из SiC в 4,6 раза выше чем из Al2O3. В следствии чего высокая стоимость исходных материалов является существенным сдерживающим фактором для широкого внедрения литых изделий из ДУКМ. Для решения данных проблем предложена новая технология получения ДУКМ на основе модифицированного способа внутреннего окисления (без использования порошковых материалов). Причем предлагаемая технология позволяет получать композиты в одну стадию и обеспечивать термодинамическую устойчивость, плотный контакт и хорошую адгезию между матрицей и упрочняющей фазой. Предварительные исследования показали техническую возможность получения расплава алюминия насыщенного до 40% твердой фазы (оксид алюминия) размером от 7 до 86 мкм что позволяет в значительной степени варьировать механические и служебные свойства изделий. Для получения отливок материала заданного состава планируется использование плавильной индукционной установки с возможностью разливки сплава в защитной атмосфере и в вакууме, с применением необходимого газового и контрольно-измерительного оборудования. В структурных экспериментальных исследованиях планируется применение оптической микроскопии с цифровой обработкой изображения, электронной микроскопии с рентгеновским анализом, машин и стендов для механических испытаний. В результате выполнения проекта будут установлены закономерности влияния твердой фазы на жидкотекучесть, пластичность и прочность упрочненных оксидами Аl2O3 алюмоматричных композитов и определены особенности разрушения. Исследованы свойства сплава в жидком состоянии (теплофизические свойства, вязкость, окисляемость), особенности кристаллизации и физико-механические свойства (микротвердость, ударная вязкость, прочность, пластичность, температура плавления), равномерное распределение армирующего наполнителя, заданный уровень прочности связи по границе раздела матрица–наполнитель, размеры и границы зерен в зависимости от содержания твердой фазы. По результатам исследований будут выработаны рекомендации по соотношениям «матрица-твердая фаза» для изготовления изделий с требуемым уровнем эксплуатационных свойств и определены оптимальные режимы получения для достижения наиболее высокого уровня функциональных характеристик.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Мыльников В.В.,Пронин А.И.,Мыльникова М.В.,Романова Е.А. ,Шетулов Д.И. Исследование теплофизических процессов получения различных алюмоматричных композитов Журнал технической физики (год публикации - 2023)

2. Мыльников В. В., Пронин А. И., Мыльникова М. В., Романова Е. А., Шетулов Д. И., Гулин И. А. Получение металлокерамического композита на основе оксида алюминия методом внутреннего окисления Стекло и керамика, Т. 95, № 11. С. 43 – 51. (год публикации - 2022)
10.14489/glc.2022.11.pp.043-051

Публикации

1. Мыльников.В.В., Кондрашкин О.Б, Гулин И.А. Особенности применения дисперсно-упрочненных композиционных материалов, полученных по технологии внутреннего окисления для строительных конструкций Приволжский научный журнал., 2023. – № 1(65). – С. 65-71. (год публикации - 2023)

2. Мыльников В.В., Дмитриев Э.А. Методика изучения поверхности разрушения материалов с использованием современной микроскопии и применением цифровой обработки изображения Материаловедение., 2023. – № 3. – С. 12-21. (год публикации - 2023)
10.31044/1684-579X-2023-0-3-12-21.

3. Мыльников В.В., Чернышов Е.А., Романов А.Д., Мыльникова М.В., Захарычев Е.А., Рябов Н.А. Структура и механизм разрушения алюмоматричных композитов, полученных методом внутреннего окисления, при растяжении Известия высших учебных заведений. Цветная металлургия., 2023. – Т. 29, № 2. – С. 38-48. (год публикации - 2023)
10.17073/0021-3438-2023-2-38-48.

4. Пронин А.И., Мыльников В.В., Валько Д.А., Рябов Н.А., Гулин И.А. Экспериментальное определение микротвердости при различном химическом составе заготовок дисперсно-упрочненных алюмоматричных сплавов Вестник машиностроения (год публикации - 2024)

5. Пронин А.И., Мыльников В.В., Валько Д.А., Романов А.Д., Лаврик В.А. Влияние режимов обработки на технологические параметры при точении заготовки из дисперсно-упрочненного алюмоматричного литого композиционного материала Вестник машиностроения (год публикации - 2024)

6. Мыльников В.В., Захарычев Е.А., Пронин А.И., Мыльникова М.В., Шетулова Т Г. Сопротивление усталости дисперсно-упрочненного алюминиевого сплава Металловедение и термическая обработка металлов (год публикации - 2024)

7. Мыльникова М.В., Мыльников В.В. О волновом характере продвижения магистральной трещины при усталостных испытаниях алюмоматричных композитов Будущее технической науки: сборник материалов XXII Всероссийской молодежной научно-техн. конф.; НГТУ им. Р.Е. Алексеева., С. 453-454. (год публикации - 2023)

8. Осипов А.О., Мыльников В.В. Стадийность процесса деформации при растяжении алюмоматричных композитов Будущее технической науки: сборник материалов XXII Всероссийской молодежной научно-техн. конф.; НГТУ им. Р.Е. Алексеева., C. 455-456 (год публикации - 2023)

9. Гулин И.А., Мыльников В.В. Исследование алюмоматричных композитов на сжатие Будущее технической науки: сборник материалов XXII Всероссийской молодежной научно-техн. конф.; НГТУ им. Р.Е. Алексеева., С. 436-437 (год публикации - 2023)

10. Захарычев Е.А., Пронин А.И., Мыльников В.В. Исследование технологических параметров при обработке резанием алюмоматричных композитов Будущее технической науки: сборник материалов XXII Всероссийской молодежной научно-техн. конф.; НГТУ им. Р.Е. Алексеева., С. 442-443 (год публикации - 2023)

11. Рябов Н.А., Мыльников В.В., Романов А.Д. Исследование особенностей поверхности разрушения дисперсно-упрочненного композиционного материала на основе алюминия, полученного методом внутреннего окисления Будущее технической науки: сборник материалов XXII Всероссийской молодежной научно-техн. конф.; НГТУ им. Р.Е. Алексеева., С. 463-464 (год публикации - 2023)

12. Егорычев Д.С., Мыльников В.В., Гулин И.А. Строительные конструкции на основе алюминиевых сплавов Сборник тезисов научно-практической конференции XIII Всероссийского Фестиваля науки. Нижний Новгород. 24-26 октября., 2023. С. 21-22. (год публикации - 2023)

13. Осипов А.О., Мыльников В.В. Структурные изменения при сжатии металлокерамического композита на основе оксида алюминия, полученного методом внутреннего окисления Сборник тезисов научно-практической конференции XIII Всероссийского Фестиваля науки. Нижний Новгород. 24-26 октября., 2023. С. 51-52. (год публикации - 2023)

14. Мыльников В.В. Определение соотношения между напряжением и амплитудой колебаний для плоских образцов при испытаниях на усталость Фундаментальные основы механики, – 2023. – № 12. – С. 117-122. (год публикации - 2023)

15. Мыльников В.В. Определение соотношения между напряжением и амплитудой колебаний для корсетных образцов при испытаниях на усталость сборник трудов конференции «Механика и машиностроение. Наука и практика» МиМНиП-2023-VI (год публикации - 2024)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Руководителем проекта Мыльниковым В.В. защищена докторская диссертация на тему «Структурно-деформационные особенности и закономерности динамики эволюции усталостных характеристик металлических материалов в условиях различных видов нагружения» 6 июня 2024 года получен диплом доктора физико-математических наук. Модернизирована система подачи газа экспериментального стенда для синтеза дисперсно-упрочненных композиционных материалов на основе алюминия с целью повышения производительности, предотвращения сбоев в работе и улучшения рабочих характеристик. Разработан лабораторный технологический регламент получения дисперсно-упрочненных композиционных материалов на основе литейных легированных алюминиевых сплавов. Определены температура расплава, количество подаваемого газа, время продувки, давление, диаметр сопла, скорость потока, расход газа, объем газа для сплава заданного состава. Произведена оценка жидкотекучести, кристаллизации, вязкости сплавов. С использованием методов рентгенофазового и рентгеноспектрального анализа, растровой электронной, оптической и цифровой микроскопии изучены особенности структурно-фазового состояния сплавов. Показано, что основными фазами в структуре ДУКМ-АК9 являются твердый раствор α-Al, фаза β-Si и упрочняющая фаза Al2O3 с второстепенными интерметаллидными фазами. Также присутствовала в форме «китайских иероглифов» и «скелетных» структур фаза α-Al2FeSi со значительными размерами до 60 мкм и фаза β-Al5FeSi. Размер зерна структуры составлял 45-50 мкм. Показано, что у ДУКМ-АК12 компонентами структуры являются твердый раствор α-Al, эвтектика α-Si и упрочняющая фаза Al2O3 с второстепенными интерметаллидными фазами, которые появляются при продувке расплава кислородом. Размер зерна существенно больше чем у ДУКМ-АК9 и составляет в среднем порядка 200-250 мкм. В обоих случаях, наблюдается измельчение железосодержащей фазы, что также способствует росту механических свойств. Разработан комплексный подход исследования, основанный на изучении механических и технологических свойств с применением вибро-акустической эмиссии и динамического метода при обработке получаемых материалов в различном структурно-фазовом состоянии. Для этой цели разработаны новые и модернизированы имеющиеся установки и стенды, и методики испытаний. Установлено, что предпочтительным диапазоном скорости резания является 130 - 150 м/мин. Выявлено, что наиболее оптимальна обработка заготовок твердосплавной пластиной ВК8. Проведены испытания образцов на одноосное растяжение при комнатной температуре с различной скоростью деформации, сжатие, вязкость и изучено деформационное поведение. Изучены структурно-деформационные особенности и закономерности эволюции микроструктуры при статическом нагружении образцов. Проведен фрактографический анализ изломов образцов с различным содержанием упрочняющей фазы. Проведены испытания на усталость. Построены кривые усталости и установлены значения показателей сопротивления усталости по различным схемам нагружения в условиях упругого деформирования. Получены новые зависимости показателей сопротивления усталости при разных напряженно-деформированных состояниях материалов. Определены показатели сопротивления усталости. Показано, что вид циклического нагружения существенным образом сказывается на циклическую прочность и долговечность. Наименьший наклон кривой усталости у всех сплавов наблюдается при испытаниях по схеме «мягкого» нагружения. Установлено, что в процессе усталости данных сплавов происходит интенсивное упрочнение с самых ранних циклов нагружения, за счет активного движения дислокаций, что приводит к быстрому исчерпанию пластичности и к сужению шкалы количества циклов N и увеличению угла наклона кривой усталости αw. Выявлено, что полученные материалы обладают крайне ограниченным запасом пластичности, поэтому в случае более жесткого нагружения этот запас исчерпывается значительно раньше, что выражается в резком увеличении наклона кривой усталости и уменьшении долговечности. Показано, что с увеличением жесткости напряженно-деформированного состояния наблюдается существенное снижение долговечности, при этом стабильность поведения материала в каждом виде нагружения остается достаточно постоянной. По результатам исследований с использованием предложенного подхода оценки сопротивления усталости написана программа определения параметров сопротивления усталости материалов с использованием языка программирования Python. Программная реализация метода на Python обеспечивает автоматизацию расчетов и визуализацию данных, включая построение кривых усталости, расчет коэффициентов корреляции и ограниченной выносливости, и позволяет производить сравнительную оценку циклической прочности и долговечности различных сплавов. Проведены исследования малоцикловой усталости в условиях «жесткого» упругопластического деформирования с контролируемой амплитудой деформации, которые показали, что при симметричном цикле деформации происходит как симметричное, так и не симметричное изменение цикла напряжения. В последнем случае выявлено, что величина напряжений растяжения совершает большой единоразовый скачок. Анализ изменения напряжений «растяжения-сжатия» в процессе циклического деформирования позволяет выделить в зависимости от числа циклов испытания четыре стадии. На этих стадиях различным образом изменяются такие параметры упругопластического деформирования, как значения напряжений растяжения и сжатия, а также величина накопленной пластической деформации. Проведен фрактографический анализ разрушенных образцов. Во всех случаях зарождение трещины происходит на поверхности образца от концентратора напряжений. Показано, что испытанные сплавы достаточно чувствительны к концентраторам напряжений, что выражается в существенном снижении прочности. Выполнено моделирование с применением аналитических уравнений для описания поведения кривых усталости поликристаллических металлов и сплавов.

Публикации

1. Пронин А.И., Мыльников В.В., Марьин С.Б., Семенов С.О., Шетулов Д.И. Диагностика свойств экспериментального композиционного материала с алюминиевой матрицей Заводская лаборатория. Диагностика материалов (год публикации - 2025)

2. Гулин И.А., Мыльников В.В., Кондрашкин О.Б., Миндрин Д.И., Рябов Н.А. Возможность применения в строительных конструкциях и деформационные особенности дисперсно-упрочненных композиционных материалов на основе алюминия Приволжский научный журнал (год публикации - 2025)

3. Гулин И.А., Хехнев М.А., Мыльников В.В. Исследование алюмоматричных композитов на усталость Будущее технической науки : сборник материалов XXIII Всероссийской молодежной научно-технической конференции, // Будущее технической науки : сборник материалов XXIII Всероссийской молодежной научно-технической конференции, Нижний Новгород, 31 мая 2024 года. – Нижний Новгород: Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева, 2024. – С. 573-574. – EDN RBNLZC. (год публикации - 2024)

4. Мыльников В.В. Анализ упругопластического деформирования вращающихся цилиндрических образцов из дисперсно-упрочненного алюмоматричного композита в условиях знакопеременного изгиба ФГБОУ ВО «КнАГУ», Вычислительные технологии и прикладная математика : материалы III науч. конф. с междунар. участием г. Комсомольск-на- Амуре 7–11 октября 2024 / Э. А. Дмитриев (отв. ред.) [и др.]. – Комсомольск-на-Амуре: ФГБОУ ВО «КнАГУ», 2024. – С. 250-253. (год публикации - 2024)

5. Мыльникова М.В., Пронин А.И., Захарычев Е.А., Мыльников В.В. О комплексном подходе исследований алюмоматричных композитов Будущее технической науки : сборник материалов XXIII Всероссийской молодежной научно-технической конференции, // Будущее технической науки : сборник материалов XXIII Всероссийской молодежной научно-технической конференции, Нижний Новгород, 31 мая 2024 года. – Нижний Новгород: Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева, 2024. – С. 582-583. – EDN TCRJFV. (год публикации - 2024)

6. Мыльников В.В., Пронин А.И., Захарычев Е.А., Шетулов Д.И., Хазов П.А., Помазов А.П. Многопараметрическая диагностика свойств экспериментального композиционного материала с алюминиевой матрицей Вестник машиностроения (год публикации - 2025)

7. Мыльников В.В. Анализ упругопластического деформирования вращающихся сплошных цилиндрических образцов из алюмоматричного композита в условиях знакопеременного изгиба СБОРНИК АННОТАЦИЙ APM 2024, СБОРНИК АННОТАЦИЙ APM 2024: 51 школа-конференция «Актуальные проблемы механики», Великий Новгород, 19-21 июня 2024 года, С. 166-167. (год публикации - 2024)

8. Пронин А.И., Мыльников В.В.,Валько Д.А., Вороной А.А., Мыльникова М.В., Рябов Н.А. Study of the Dynamics of Processing Parameters When Turning an Aluminomatrix Cast Composite Workblank Pleiades Publishing, Ltd., // Journal of Machinery Manufacture and Reliability. – 2024. – Vol. 53, No. 4. – P. 322-327. (год публикации - 2024)
10.1134/S1052618824700286

9. Рябов Н.А., Романова Е.А., Мыльников В.В. Исследование особенностей поверхности разрушения композиционного материала на основе алюминия при испытаниях на усталость Будущее технической науки : сборник материалов XXIII Всероссийской молодежной научно-технической конференции, // Будущее технической науки : сборник материалов XXIII Всероссийской молодежной научно-технической конференции, Нижний Новгород, 31 мая 2024 года. – Нижний Новгород: Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева, 2024. – С. 589-590. – EDN GIWECS. (год публикации - 2024)