Ученые ТПУ предложили уникальный метод получения объемных композитных материалов с металлической матрицей. Уникальность предложенного подхода заключается в in situ совмещении металлического матричного материала и армирующего керамического компонента, которые исключают образование высокой пористости и рекристаллизации образцов. Испытания показали, что композиты, разработанные в ТПУ, до четырех раз тверже аналогов.
Полученный учеными образец / © Пресс-служба ТПУ
Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда. Результаты исследования опубликованы в журнале Ceramics International (Q1, IF: 5,1).
Композиты с алюминиевой матрицей за счет сочетания свойств металлов и керамики сегодня считаются передовыми материалами для многих автомобильных и аэрокосмических приложений, например, тормозных дисков, барабанов и поршней, а также крыльев и фюзеляжей. Они обладают превосходной пластичностью, коррозионной стойкостью, высокой жесткостью, прочностью, а также возможностью повторного использования. Однако все общепринятые ex-situ подходы к получению таких композиций приводят к снижению физико-механических свойств объемных образцов.
Ученые Томского политеха предложили единую стратегию получения композитов с алюминиевой матрицей с улучшенными свойствами – от уникальной методики получения in-situ композитных порошков до процесса их объединения и физико-механических испытаний.
Подход ученых основан на «встраивании» армирующих частиц карбидов вольфрама, кремния и бора в металлическую матрицу с помощью плазмодинамического синтеза.
«Уникальность нашего подхода к получению дисперсных композитов заключается в том, что внедрение армирующих частиц в металлическую матрицу производится в результате взаимодействия компонентов во время процесса их обработки импульсной плазмой дугового разряда. Этот метод основан на подходе in-situ, при котором формирование армирующего компонента и металлической матрицы и их совмещение осуществляются в едином процессе.
В отличие от традиционных методов ex-situ это обеспечивает равномерное распределение микро- и наноразмерных частиц карбидов в продукте и их внедрение в алюминиевую матрицу, хорошую межфазную связь, а также полимодальный характер распределения частиц по размерам, что в итоге улучшает физико-механические свойства конечных изделий», — отмечает один из авторов исследования, доцент отделения электроэнергетики и электротехники ТПУ Дмитрий Никитин.
По словам ученых, содержание карбидной фазы в готовом композите может варьироваться от 5,85% до 16,38% в зависимости от начальных условий процесса. Это позволит «настраивать» характеристики композитов.
За счет добавления карбидов в композит при изготовлении объемных образцов материал приобретает уникальную структуру. Например, это позволяет достичь высокую степень уплотнения всех компонентов (до 99%) и улучшенные физико-механические свойства. По результатам исследования новые композиты ученых ТПУ до четырех раз тверже аналогов: они достигают твердости в диапазоне 103-215 HV, для сравнения – аналогичные образцы, изготовленные из коммерчески доступных компонентов, показывают твердость в пределах 47-62 HV.
«Важно отметить, что предложенный метод in situ совмещения алюминиевого матричного материала с керамическим карбидом не приводит к образованию пористых образцов и рекристаллизации частиц, что часто затрудняет получение качественных композитов. Это означает, что финальные изделия будут обладать значительно улучшенными механическими свойствами и устойчивостью к износу», — добавляет Дмитрий Никитин.
Результаты исследования могут лечь в основу разработки высокоэффективных композитных материалов для авиационной, автомобилестроительной и других отраслей, где необходимы материалы с малой удельной массой и повышенной твердостью.
