КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ СИСТЕМЫ АL-АL2О3

Изобретение относится к области металлургии, в частности к алюмоматричным композиционным материалам на основе алюминия, предназначенным в качестве антикоррозионного покрытия для защиты от коррозии изделий из металлов и сплавов, конструкций и сооружений.

Разработка и применение композиционных материалов, которые состоят из матрицы и распределенных в ней армирующих элементов и, благодаря этому, обладают качественно новыми, зачастую уникальными свойствами, является одним из главных направлений развития современного материаловедения и машиностроения. В большинстве случаев только КМ могут удовлетворить требованиям новой техники, для которой характерно ужесточение условий эксплуатации: повышение нагрузок, скоростей, температур, агрессивности сред, уменьшение веса и т.д., и, следовательно, разработка и исследование свойства композитных материалов является актуальной.

Композиционные материалы (КМ) обладают комплексом свойств и особенностей, отличающихся от традиционных конструкционных материалов и в совокупности открывающих широкие возможности, как для улучшения существующих конструкция самого разнообразного назначения, так и для разработки новых конструкций и технологических процессов [1].

Композиционными называют сложные материалы, в состав которых входят сильно отличающиеся по свойствам нерастворимые или малорастворимые один в другом компоненты, разделенные в материале ярко выраженной границей. Композиционным материалам (КМ) можно также дать следующее определение: это материалы, представляющие собой твердое вещество, состоящее из матриц и различных наполнителей, частицы которых особым образом расположенные внутри матрицы, армируют ее. Композиционный материал должен обладать свойствами, которыми не может обладать ни один из компонентов в отдельности. Лишь только при этом условии есть смысл их применения.

Основой матрицы КМ могут служить металлы или сплавы (КМ на металлической основе), а также полимеры, углеродные и керамические материалы (КМ на неметаллической основе). Ролью матрицы в КМ является придание формы и создании монолитного материала. Объединяя в одно целое армирующий наполнитель, матрица участвует в обеспечении несущей способности композита. Она передает напряжения на волокна и позволяет воспринимать различные внешние нагрузки: растяжение, сжатие, изгиб, удар. Матрица предохраняет наполнитель от механических повреждений и окисления. Выбором матрицы определяется температурная область применения КМ. [2].

В качестве наиболее близкого аналога выбран сплав на основе алюминия марки АК7 следующего состава: мас. % 7 кремний; 1.0 железо, остальное алюминий и примеси [1].

Однако покрытия из известного сплава не обеспечивают стабильной защиты стальных сооружений от коррозии, так как имеют более низкую устойчивость к коррозионным воздействиям.

Целью изобретения является улучшение антикоррозионной стойкости сплава-покрытия, что достигается дополнительным введением в расплав АК7 гидрида титана (II) и продувкой кислородосодержащим газом в течении 1-3 часов, причем, гидрид титана при термическом разложении будет образовывать титан. Полученный композиционный материал содержит, мас. %: титан 0,15; кремний 6,79; железо 1,08; оксид алюминия 5,1 остальное алюминий и  его примеси. Скорость коррозии сплава – 1,7-2,1 г/м²∙ч.

Композиционный материал системы Al-Al₂0₃ c оптимальным содержанием легирующего компонента (5,1 мас.% оксид алюминия) создают покрытия стойкие к любым атмосферам и против газовой коррозии, что объясняется наличием в структуре оксида алюминия, который препятствует диффузии кислорода и замедляет скорость коррозии.

Для получения композиционного материала системы Al-Al₂O₃, алюминиевый сплав марки АК7 был нагрет в лабораторной шахтной печи до температуры 700 °С в алундовом тигле [2]. С целью насыщения данный расплав водородом добавляли гидрид титана, который был завернут в алюминиевую фольгу. После этого данный расплав был продут кислородом в течение 60 минут, продувка проходила через трубку из кварцевого стекла внутренним диаметром 8 мм. Далее выливали расплав в формы для получения образцов необходимых размеров. Процесс охлаждения проходил естественным образом в комнатной температуре. После этого полученные образцы направлялись на механическую обработку и далее проводились исследования коррозионных свойств полученного композиционного материала.

Микроструктура отливки, полученной путем продувки алюминиевого расплава кислородом - можно обнаружить армирующие металлическую матрицу пластинчатые включения с толщиной до 1-2 мкм, характерным размером 20-30 мкм, которые являются оксидными пленами, армирующими металлическую матрицу. Они расположены по границам субзерен сплава. Технологическая производства композиционного материала приведена на Фиг 1.

Содержание оксида алюминия в образцах композита было определено с помощью фотометрического метода согласно ГОСТ 11739.1-90.

Структурное изучение образцов для определения толщины оксидной пленки проводилось на сканирующем электронном микроскопе CarlZeiss AURIGA CrossBeam на базе ЦКП УрФУ и было совмещено с формированием карт разориентаций кристаллитов (EBSD-анализ) (Фиг. 2).

Анализ оптической металлографии, проведённый в работе, показал, что доля эвтектики в сплаве не изменилась, дендритный параметр остался на том же уровне, поэтому повышение прочности сплава связано не с уменьшением размер зерна, а с измельчением интерметаллидных Fe-содержащих фаз и кристаллов Si (см. Фиг. 3), что обусловлено механическим препятствием их формированию.

Образцы для исследования коррозионно-электрохимических свойств имели цилиндрическую форму высотой 100-120мм и диаметром 8мм. Исследования проводили в среде раствора NaCl различной концентрации с рН = 7.1-7.4, потенциодинамическим методом на потенциостате ПИ-50.1.1 со скоростью развертки потенциала 2мВ/с. В качестве электрода сравнения использовали хлорсеребряный

электрод, а в качестве вспомогательного – платиновый электрод. Потенциодинамические кривые снимали следующим образом: от стационарного потенциала, который снимали после выдержки электрода в растворе 1 час, шли в анодную область до значения тока – 5мА, затем обратным ходом достигали потенциала коррозии, после чего заходили в глубоко катодную область до значения Е = -1.4 В, и обратным ходом до значения тока, равного нулю, далее снимали ход анодной кривой до значения 5мА. Анодные кривые обрабатывались. Основные характеристики снятие с анодных потенциодинамических кривых обобщены в таблице.  Анализ данных, приведенных в таблице 1, свидетельствует о высоком комплексе антикоррозионных свойств композиционного материала. 

Таблица 1.

Коррозионно-электрохимические характеристики алюминиевого сплава АК7 и композиционного материала системы Al-Al₂O₃ в среде электролита NaCl

Данные таблицы свидетельствуют о преимуществе предложенного композиционного материала перед известным.

Гидрид титана, который был добавлен, оказывая модифицирующее воздействие, измельчают структуру алюминия и его сплавов с железом, взаимодействуют с газами, растворёнными в алюминии. У модифицированного сплава в отличие от не модифицированного процесс межкристаллитной коррозии ограничивается поверхностным слоем в металле и не получает развития даже после длительных коррозионных испытаний.

Роль титана как легирующего элемента алюминиевых сплавов не ограничивается его модифицирующим действием. Помимо этого, он резко повышает температуру рекристаллизации алюминия и его сплавов, как после горячей, так и холодной деформации.

В полученном композиционном материале кроме улучшения коррозионных свойств, также наблюдается эффект механического упрочнения из-за наличия армирующих частиц оксида алюминия и интерметаллидов в структуре.

Таким образом, предложенный композиционный материал имеет улучшенные механические свойства и может быть использован также как материал для корпусов автомобилей, самолетов и других деталей в которых требуются низкие значения массы, коррозионная стойкость, а также механическая прочность.