Спосіб одержання нанокристалічних матеріалів на основі al з підвищеною мікротвердістю

Реферат: Спосіб одержання нанокристалічних матеріалів на основі AI з підвищеною мікротвердістю, за яким нагрівають зразок до межі нанокристалізації. Зразок витримують при температурі до першого етапу кристалізації. UA 72336 U (12) UA 72336 U UA 72336 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до фізико-хімічної галузі і може бути використана для формування легких конструкційних деталей з високими механічними характеристиками. Відомий спосіб підвищення механічних характеристик аморфних металевих сплавів на основі алюмінію, який полягає у різній тривалості (50, 100, 200, 400 год.) розмелювання порошків лігатури AlNiCeLa і основного металу Al. Найвища твердість Hv і пластичність  досягається при вмісті 5 мас. % РЗМ після 400 год. розмелювання суміші порошків  = 395, Нv=1184,2 МПа [Ю.В. Кузьмич, И.Г. Колесникова, В.И. Сорба, Б.М. Фрейндин, Механическое легирование. - М.: Наука. - 2005. - С. 213]. В результаті застосування розмелювання сплаву підвищується мікротвердість, однак довготривале розмелювання є надто енерговитратним. Відомий спосіб регулювання мікротвердості у процесі інтенсивної пластичної деформації зсуву під високим тиском у сплавах Al+1 % Hf, Al+0,5 % Ce, Al+0,12 % Zr, Al+0,2 % Sn, Al+0,2 % Nb, Al+0,2 % Re, Al+0,2 % Mg, одержаних гартуванням під надлишковим тиском 1,6 ат Аг. У двокомпонентних сплавах розмір зерна від 80-200 нм, а у чотирикомпонентних типу Al+1 % Hf, 0,2 % Nb, 0,2 % Sn від 40-60 нм. Після деформації зсуву під високим тиском їх мікротвердість досягає 1,6 ГПа і при цьому межа міцності не нижча 120 МПа [Akihisa Inoue, Katsumasa Ohtera, An-Pang Tsai and Tsuyoshi Masumoto, Aluminum-Based Amorphous Alloys with Tensile Strenght 2 above 980 MPa (100 kg/mm ) // Jpn. J.Appl. Phys. 27 (1988) pp. L479 - L482]. Активна пластична деформація поряд із деяким збільшенням мікротвердості викликає збільшення ієрархії наночастинок, тобто неоднорідності, що сприяє корозії матеріалів. Відомий спосіб підвищення мікротвердості нанокристалічних композиційних сплавів оптимізацією елементного складу на основі Al і Ті із вмістом SiC 2 у вигляді нанотрубок змішуванням порошків металічної основи з нанотрубками карбіду кремнію з наступною інтенсивною пластичною деформацією зсуву при високому тиску Р=5ГПа в 3 повних оберти наковальні Бріджмена [Н.И. Носкова Структура и микротвердость нанокристаллических композитних сплавов на основе алюминия и титана, Нано-2007, Новосибирск, 2007. - С. 307]. Внаслідок цієї процедури значення мікротвердості нанокомпозиту підвищується тільки до 1,5 ГПа у порівнянні з AI-Hv=0,48 ГПа, а гетерофазного нанокомпозиту Ti-Si мікротвердість збільшується у порівнянні з нанокристалічним Ті у 6 разів і досягає 5,2 ГПа. Відомий спосіб отримання алюмінієвих нанокристалічних сплавів з підвищеною міцністю шляхом екструзії [А.Р. Shpak Nanostructured Al86Gd6Ni6Co2 bulk alloy produced by twist extrusion of amorphous melt-spun ribbons // Materials Science and Engineerings A., Vol. 425, Issues 1-2, 15 June 2006, P. 172-177]. У випадку сплавів Al86Gd6Ni6Co2 в інтервалі температур (473-673) К 2 мікротвердість досягає від 360 до 620 kgf/mm , а після 1-5 проходжень через екструдер при температурах 458 та 573 K і тиску 1150 і 1700 МПа мікротвердість підвищується до 2 1550 kgf/mm . За цим способом можна отримати досить високі значення Hv, але інші механічні характеристики при цьому дещо знижуються за рахунок неоднорідності розмірів нанокристалічної фази. Відомий спосіб підвищення мікротвердості аморфних сплавів на основі алюмінію шляхом подвійної екструзії [Sumiaki Nakano Variation of microhardness with chemical composition for meltspun Mg-Pd and Mg-Pd-Ni amorphous alloys // Scripta Materialia, Vol. 53, Issue 1, July 2005, P. 59]. Екструзійне формування нанокристалічних структур в аморфних сплавах викликає суттєве підвищення мікротвердості, але при цьому вимагає складного обладнання та деформації вихідних сплавів при високих тисках. Відомий спосіб, за яким екструзією з підігрівом порошків, попередньо розмелених аморфних сплавів можна підвищити мікротвердість до 2-3 МПА. [Katsumasa Ohtera, High mechanical strength of aluminum-based crystalline alloys produced by warm consolidation of amorphous powder // Materials Science and Engineerings A., Vol. 134, 25 March 1991, P. 1212-1214]. Екструзійне формування нанокристалічних структур в аморфних сплавах викликає суттєве підвищення мікротвердості, але при цьому вимагає складного обладнання для попереднього роздрібнення порошків сплавів. Відомий спосіб регулювання мікротвердості аморфних сплавів Al 86Ni11Yb3 з різною тривалістю витримування при температурі, що відповідає 0,6 Т плавл. сплаву, тобто 473 K. Після 600 годинної експозиції мікротвердість підвищилася до 4,2 ГПа у порівнянні з вихідним зразком [G.E. Abrosimova Nanostructure and microhardness of Al86Ni11Yb3 nanocrystalline alloy // Nanostructured Materials, Vol. 12, Issue 5-8, 1999, P. 617-620]. Під час такої довготривалої експозиції зразка АМС Al 86Ni11Yb3 при 473 K формуються не тільки нанокристали, але й утворюються нові фази з різною реакційною здатністю, що змінюють топографію поверхні сплаву і, у свою чергу, негативно впливають на їх антикорозійну стійкість. 1 UA 72336 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Відомий спосіб ініціювання нанокристалізаційних процесів, який полягає у зниженні густини аморфної матриці та прискоренні дифузії атомів сплаву шляхом нагріву. У процесі термообробки при різних температурах (350 °C та 1000 °C) і тиску 7,7 ГПа відбувається кристалізація аморфних сплавів AlgoFeuBe, в результаті якої мікротвердість досягає 640 і 707 МПа, тобто при збільшенні температури відпалу до 650 °C Hv=67 МПа [М. Krasnowski, A. Antolak-Dudka, T. Kulik, Bulk amorphous AlgsFeis alloy and Al85Fe15.B composites with amorphous or nanocrystalline-matrix produced by consolidation of mechanically alloyed powders // Intermetallics, Vol. 19, Issue 8, Aug. 2011, pp. 1243-1249]. Термообробка аморфних сплавів у широкому температурному інтервалі окрім прискорення процесів нанокристалізації розширює діапазон розмірності кристалів, що негативно впливає не тільки на мікротвердість, але й інші фізико-хімічні характеристики. Відомий спосіб, за яким підвищення мікротвердості миттєво охолоджених сплавів Al-Zr-LTM досягається відпалом при заданих досить високих температурах [Wang L., Ma L., Kimura H., Inoue A., Amorphous forming ability and mechanical properties of rapidly solidified Al-Zr-LTM (LTM=Fe, Co, Ni and Cu) alloys // Materials Letters, Vol. 52, Issues 1-2, January 2002, Pages 47-52]. У даному випадку окрім нанокристалів, що зміцнюють аморфну матрицю, утворюються нові фази, зумовлюючі протилежний ефект. Найближчим аналогом є спосіб зміни мікротвердості, за яким нагрівають зразки до межі наноструктурування алюмінієвих аморфних сплавів у вигляді стрічки Al 85Y10Ni5, Al85Y5Ni10 і Al85Y5Ni9Si1, пов'язаний з підвищенням ступеню їх нанострктурованості. Під час нагрівання сплаву Al85Y5Ni9Si1 від 450 K до 517 K межа міцності до розтягу а та мікротвердість за Вікерсом зростають вдвічі від початкових величин і досягають відповідно 1000 МРа і 380 DPN [Musa Gogebakan and Orhan Uzun, Thermal stability and mechanical properties of Al-based amorphous alloys // Journal of Materials Processing Technology, Vol. 153-154, 10 November 2004, P. 829-832]. Однак, під час тривалого нагрівання сплаву від кімнатної температури до Т кр. ≈ 520 K у випадку легованих алюмінієвих аморфних сплавів відбуваються структурні зміни, що зумовлюють виділення вторинних структур з нижчою мікротвердістю. В основу корисної моделі поставлено задачу удосконалити спосіб одержання нанокристалічних матеріалів на основі алюмінію з підвищеною мікротвердістю, за яким нагрівають зразок до межі нанокристалізації, при цьому зразок витримують 60 ± 2 хв при температурі першого етапу кристалізації Т 1 ± 1 K, попередньо визначеній для кожного матеріалу. Поставлена задача вирішується так, що у способі підвищення мікротвердості легких аморфних металевих сплавів на основі алюмінію зразок витримують 60±2 хв при температурі першого етапу кристалізації Т1±1 K, що дасть змогу покращити механічні характеристики сплавів. Суттєвими відмінностями від найближчого аналога є: - для кожного зразка різного елементного складу попередньо встановлюються температури першого та другого етапів кристалізації; - термообробка зразка проводиться у попередньо нагрітій муфельній печі за сталої температури першого етапу кристалізації Т1 ± 1 K; - експозиція при визначеній температурі кристалізації зразків на базі алюмінію 60±2 хв; - розмір нанокристалічних зерен не перевищує 25 нм. Авторами запропоновано проводити нанокристалізацію базового металу в аморфній матриці сплаву витримуванням при температурі першого етапу кристалізації до виділення кристалів іншого складу для підвищення їх механічних характеристик, зокрема мікротвердості. Створення нових матеріалів визначається необхідністю покращення властивостей відомих матеріалів або формуванням нових комплексів властивостей. В нанокристалічних системах (