[go: up one dir, main page]

RU2538245C1 - Aluminium alloy-based composite with reinforcing fibres - Google Patents

Aluminium alloy-based composite with reinforcing fibres Download PDF

Info

Publication number
RU2538245C1
RU2538245C1 RU2013147402/02A RU2013147402A RU2538245C1 RU 2538245 C1 RU2538245 C1 RU 2538245C1 RU 2013147402/02 A RU2013147402/02 A RU 2013147402/02A RU 2013147402 A RU2013147402 A RU 2013147402A RU 2538245 C1 RU2538245 C1 RU 2538245C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
matrix
aluminium alloy
fiber
alloy
melt
Prior art date
Application number
RU2013147402/02A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Валерий Олегович Быковщенко
Сергей Леонидович Никитин
Олег Евгеньевич Осинцев
Валерий Артурович Московский
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "МАТИ -Российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "МАТИ -Российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "МАТИ -Российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского"
Priority to RU2013147402/02A priority Critical patent/RU2538245C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2538245C1 publication Critical patent/RU2538245C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Manufacture Of Alloys Or Alloy Compounds (AREA)

Abstract

FIELD: metallurgy.
SUBSTANCE: invention relates to metallurgy, particularly, to production of foundry composite based on aluminium alloy hardened by short fibres and can be used as structural materials in production of aircraft equipment. Proposed composite comprises matrix of aluminium alloy Al-Mg-Si and reinforcer in amount of up to 25 vol. % composed by 2-5 mm long reinforcing fibres produced by high-rate solidification of the melt of composition identical to that matrix or titanium alloys.
EFFECT: high strength, decreased weight, good rust resistance.
4 dwg

Description

Изобретение относится к металлургии, а именно к получению литейного композиционного материала (ЛКМ) на основе алюминиевого сплава, упрочненного короткими волокнами, полученными методом высокоскоростного затвердевания расплава (ВЗР). Данный ЛКМ может использоваться в машиностроении, при создании конструкций и оборудования авиационных средств в качестве конструкционных материалов.The invention relates to metallurgy, and in particular to the production of a casting composite material (LKM) based on an aluminum alloy hardened with short fibers obtained by high-speed solidification of the melt (VZR). This paintwork can be used in mechanical engineering, in the creation of structures and equipment of aircraft as structural materials.

Известен композиционный материал, который содержит матрицу из металла, выбранного из группы, содержащей алюминий, магний или их сплавы и 20-80 об.% упрочнителя, выполненного в виде армирующих нановолокон оксида алюминия, покрытых пленкой аморфного углерода (см. патент 2374355, МПК С22С 49/14, опубл. 27.11.2009).A composite material is known that contains a matrix of a metal selected from the group consisting of aluminum, magnesium or their alloys and 20-80 vol.% Hardener made in the form of reinforcing nanowires of aluminum oxide coated with a film of amorphous carbon (see patent 2374355, IPC C22C 49/14, published on November 27, 2009).

Недостатком известного композиционного материала является сложность в его получении, поскольку для повышения механических свойств композиционного материала, нановолокна необходимо дополнительно покрывать пленкой аморфного углерода, что влечет за собой повышение стоимости конечного изделия.A disadvantage of the known composite material is the difficulty in its preparation, since in order to increase the mechanical properties of the composite material, the nanofibers must be additionally coated with an amorphous carbon film, which entails an increase in the cost of the final product.

В основу изобретения поставлена задача создания ЛКМ с использованием волокон ВЗР, обладающего высоким уровнем прочностных свойств, пониженной массой и хорошей коррозионной стойкостью.The basis of the invention is the task of creating coatings using fibers of VZR, with a high level of strength properties, low weight and good corrosion resistance.

Поставленная задача решается тем, что в композиционном материале, включающем матрицу из алюминиевого сплава и упрочнитель, выполненный в виде армирующих волокон, матрица выполнена на основе Al-Mg-Si, а в качестве упрочнителя используют волокна длиной 2-5 мм, полученные методом высокоскоростного затвердевания расплава из сплава составом, что и матричный, или из титановых сплавов, содержанием до 25 об.%.The problem is solved in that in a composite material comprising a matrix of aluminum alloy and a hardener made in the form of reinforcing fibers, the matrix is made on the basis of Al-Mg-Si, and fibers using a length of 2-5 mm obtained by high-speed hardening are used as a hardener melt from an alloy with the composition as matrix, or from titanium alloys, with a content of up to 25 vol.%.

Поскольку материал выполнен на основе Al-Mg-Si, а в качестве упрочнителя используют волокна длиной 2-5 мм, полученные методом высокоскоростного затвердевания расплава из сплава составом, что и матричный, или из титановых сплавов, содержанием до 25 об.%, обеспечивается повышение прочностных свойств, снижается стоимость конечного материала, материал обладает коррозионной стойкостью и низкой массой, что позволяет широко использовать материал в различных областях техники.Since the material is made on the basis of Al-Mg-Si, and fibers with a length of 2-5 mm obtained by high-speed solidification of the melt from an alloy with a composition of both matrix and titanium alloys containing up to 25 vol.% Are used as a hardener, an increase strength properties, the cost of the final material is reduced, the material has corrosion resistance and low weight, which makes it possible to widely use the material in various fields of technology.

Метод ВЗР обеспечивает мелкодисперсную структуру волокон, то есть нет необходимости дополнительно покрывать волокна пленкой аморфного углерода. Также материал имеет лучшую смачиваемость на границе матрица-волокно, поскольку природа материала - метал-метал. Экспериментальным путем была выбрана оптимальная длина волокон 2-5 мм. Именно в этом диапазоне обеспечивается максимальный результат механических свойств КМ при незначительном ухудшении литейных свойств при изготовлении.The VZR method provides a finely dispersed fiber structure, i.e. there is no need to additionally coat the fibers with an amorphous carbon film. Also, the material has better wettability at the matrix-fiber interface, since the nature of the material is metal-metal. Experimentally, the optimal fiber length was 2-5 mm. It is in this range that the maximum result of the mechanical properties of KM is ensured with a slight deterioration in the casting properties during manufacture.

Композиционный материал получают следующим образом. В качестве шихтовых материалов используют:Composite material is prepared as follows. As the charge materials use:

- чушковой алюминий марки А99;- pig aluminum grade A99;

- чушковой силумин марки СИЛ00;- pig silumin brand SIL00;

- чушковой магний марки Мг95;- magnesium ingot grade Mg95;

- лигатуру алюминий-марганец (8,5% марганца);- ligature aluminum-manganese (8.5% manganese);

- лигатуру алюминий-титан (4,3% титана);- ligature aluminum-titanium (4.3% titanium);

- лигатуру алюминий-бериллий (5,2% бериллия).- ligature aluminum-beryllium (5.2% beryllium).

Приготовление матричного сплава осуществляют в следующей последовательности. Алюминий расплавляют и перегревают до температуры 780°С. С поверхности расплава снимают окисную пленку и вводят лигатуру алюминий-титан. Затем при температуре 760-780°С последовательно вводят лигатуру алюминий-марганец, силумин и лигатуру алюминий-бериллий. В последнюю очередь щипцами или колокольчиком под зеркало расплава при температуре 750°С вводят магний. После тщательного перемешивания и выстаивания в течение 5-7 минут с поверхности расплава снимают окисную пленку и его разливают по заранее подготовленным формам и в металлическую изложницу для получения заготовок для последующей переработки в ВЗР-волокно.The preparation of the matrix alloy is carried out in the following sequence. Aluminum is melted and overheated to a temperature of 780 ° C. An oxide film is removed from the surface of the melt and an aluminum-titanium alloy is introduced. Then, at a temperature of 760-780 ° C, an aluminum-manganese alloy, silumin and an aluminum-beryllium alloy are sequentially introduced. Last of all, magnesium is introduced with forceps or a bell under a melt mirror at a temperature of 750 ° C. After thoroughly mixing and standing for 5-7 minutes, the oxide film is removed from the surface of the melt and poured into preformed molds and into a metal mold to obtain blanks for further processing into VZR fiber.

Для осуществления процесса ВЗР в соответствии с расчетами заданной скорости охлаждения и формы получаемых частиц в МАТИ сконструирована серия установок типа "Циклон", позволяющих осуществить этот метод применительно к широкому спектру материалов.To carry out the CDW process in accordance with calculations of a given cooling rate and the shape of the resulting particles, a series of Cyclone-type plants have been constructed at MATI, which allow this method to be applied to a wide range of materials.

Схема наиболее простой установки представлена на (фиг.1), где охлаждаемый диск 2 приводится во вращение приводом 3, размещенным на подвижной раме 4. Заданный уровень погружения диска в ванну 5 с расплавом 6 регулируется системой подъема 7. Температурный режим процесса осуществляется резистивным методом нагревателями из силита или дисилицида молибдена. Установка снабжена системой 1 отсоса и сбора порошка, смонтированной на базе пылеулавливающего агрегата ЗИЛ-900 М. Диск-кристаллизатор 2 выполнен из бронзы или меди диаметром 200 мм и шириной 25-30 мм. На рабочей кромке диска сформированы насечки различной конфигурации. Благодаря насечкам можно получать волокна и порошки игольчатой или чешуйчатой формы заданных размеров. Скорость вращения диска 2 регулируется и может изменяться от 100 до 18000 об/мин. С помощью системы 7 поддержания заданного уровня погружения диска 2 в расплав 6 регулируется толщина получаемой продукции. Толщина регулируется также и скоростью вращения диска-кристаллизатора 2. Размеры получаемых игольчатых и чешуйчатых порошков можно варьировать в пределах: длина 250-5000 мкм, толщина 10-500 мкм, ширина 100-2000 мкм. Плавление металлов и сплавов осуществляется в ванне 5, выполненной из огнеупорного материала. Процесс получения порошков и волокон на установке "Циклон" ведут на воздухе или в защитной атмосфере. Поддержание заданного температурного режима осуществляется регулятором температуры ВРТ-3, работающим совместно с платино-платинородиевой термопарой. Рабочий интервал температур от 473 до 1873 К. Диск 2 охлаждается водой. Пульт управления установки "Циклон" смонтирован вместе с блоком питания мощностью 20 кВт, напряжением 220 В. Установка снабжена системой контроля и регулирования температуры и системой контроля скорости вращения диска 2, состоящей из автоматического тахометра ЦАТ-2М и строботахометра. Производительность установки зависит от формы и состава получаемого материала, скорости вращения диска и скорости подачи расплавленного материала.The diagram of the simplest installation is shown in (Fig. 1), where the cooled disk 2 is rotated by a drive 3 placed on a movable frame 4. The predetermined level of immersion of the disk in the bath 5 with the melt 6 is controlled by the lifting system 7. The temperature of the process is carried out by the resistive method by heaters from molybdenum silite or disilicide. The unit is equipped with a suction and powder collection system 1 mounted on the basis of a ZIL-900 M dust collector. The disk crystallizer 2 is made of bronze or copper with a diameter of 200 mm and a width of 25-30 mm. Notches of various configurations are formed on the working edge of the disk. Thanks to the notches, it is possible to obtain fibers and powders of needle or scaly shape of a given size. The rotation speed of the disk 2 is adjustable and can vary from 100 to 18000 rpm. Using the system 7 to maintain a given level of immersion of the disk 2 in the melt 6, the thickness of the resulting product is regulated. The thickness is also regulated by the speed of rotation of the crystallizer disk 2. The sizes of the obtained needle and flake powders can be varied in the range: length 250-5000 microns, thickness 10-500 microns, width 100-2000 microns. Melting of metals and alloys is carried out in a bath 5 made of refractory material. The process of obtaining powders and fibers at the Cyclone plant is conducted in air or in a protective atmosphere. The preset temperature regime is maintained by the temperature regulator VRT-3, which works in conjunction with a platinum-platinum-rhodium thermocouple. The operating temperature range is from 473 to 1873 K. Disc 2 is cooled by water. The control panel of the Cyclone installation is mounted together with a 20 kW power supply unit with a voltage of 220 V. The installation is equipped with a temperature control and regulation system and a disk 2 rotation speed control system consisting of a TsAT-2M automatic tachometer and a strobotachometer. The performance of the installation depends on the shape and composition of the material obtained, the speed of rotation of the disk and the feed rate of the molten material.

Далее ВЗР-волокно засыпают на поверхность расплава при вращающемся со скоростью 200-300 оборотов в минуту импеллере. Перемешивание осуществляут при температуре расплава 720-730°С в течение 1 минуты для равномерного распределения волокна в расплаве. Размеры частиц волокна составляют 2-5 мм и в качестве упрочнителя используют волокно двух типов: состав, идентичный матричному сплаву, и из титанового сплава.Next, the VZR fiber is poured onto the surface of the melt when the impeller rotates at a speed of 200-300 rpm. Mixing is carried out at a melt temperature of 720-730 ° C for 1 minute for uniform distribution of the fiber in the melt. The particle size of the fiber is 2-5 mm and two types of fiber are used as a hardener: a composition identical to the matrix alloy and a titanium alloy.

На фиг.2. показано изменение прочности (σв) и относительного удлинения (δ) в зависимости от типа используемого в качестве армирующей фазы волокна. Видно, что введение в матричный сплав ВЗР-волокна приводит к увеличению и прочности, и пластичности.In figure 2. Shows the change in strength (σ in ) and elongation (δ) depending on the type of fiber used as the reinforcing phase. It is seen that the introduction of VZR fiber into the matrix alloy leads to an increase in both strength and ductility.

На фиг.3 представлена графическая зависимость прочности [σВ] и относительного удлинения [δ] от количества вводимого ВЗР-волокна сплава Al-Mg-Si. Видно, что при увеличении количества вводимого волокна непрерывно повышается прочность. При содержании 4, 5% волокна прочность по сравнению с исходным состоянием повысилась на 15%. В то же время пластичность полученных композиций сначала растет, а затем снижается.Figure 3 presents a graphical dependence of the strength [σB] and elongation [δ] on the amount of introduced VZR fiber alloy Al-Mg-Si. It can be seen that with an increase in the amount of introduced fiber, the strength continuously increases. When the content of 4.5% fiber, the strength compared with the initial state increased by 15%. At the same time, the ductility of the obtained compositions first increases, and then decreases.

На фиг.4 представлена графическая зависимость прочности [σB] и относительного удлинения [δ] от количества вводимого ВЗР-волокна из титанового сплава. При содержании 4, 5% волокна прочность по сравнению с исходным состоянием повысилась более чем на 25%. Это очевидно связано с тем, что это волокно более дисперсное, а также более устойчиво в матричном сплаве, чем волокно на основе алюминиевого сплава. Кроме того, на повышении прочности сказывается и эффект модифицирования, который имеет место при растворении титана в матричном сплаве в процессе приготовления композиции. Очевидно по этой же причине при увеличении количества ВЗР-волокна в матричном сплаве происходит увеличение пластичности. В целом следует отметить, что увеличение содержания ВЗР-волокна в матричном сплаве способствует повышению механических свойств. При максимальном содержании волокна 4, 5% (вес) объемная доля компонента составляет 20-25%. При этом литейные свойства полученных композиций практически не изменяются. Это создает предпосылки для получения фасонных отливок всеми доступными способами литья.Figure 4 shows a graphical dependence of the strength [σ B ] and elongation [δ] on the amount of introduced titanium alloy VZR fiber. When the content of 4.5% fiber, the strength compared with the initial state increased by more than 25%. This is obviously due to the fact that this fiber is more dispersed and also more stable in a matrix alloy than fiber based on aluminum alloy. In addition, the increase in strength is also affected by the modification effect that occurs when titanium is dissolved in a matrix alloy during the preparation of the composition. Obviously, for the same reason, with an increase in the number of VZR fibers in the matrix alloy, an increase in ductility occurs. In general, it should be noted that an increase in the content of VZR fiber in the matrix alloy enhances the mechanical properties. With a maximum fiber content of 4.5% (weight), the volume fraction of the component is 20-25%. In this case, the casting properties of the obtained compositions are practically unchanged. This creates the prerequisites for obtaining shaped castings by all available casting methods.

Claims (1)

Композиционный материал на основе алюминиевого сплава с армирующими волокнами, включающий матрицу из алюминиевого сплава и упрочнитель, выполненный в виде армирующих волокон, отличающийся тем, что матрица выполнена из алюминиевого сплава Al-Mg-Si, а армирующие волокна выполнены из алюминиевого сплава того же состава, что и матрица, или из титанового сплава длиной 2-5 мм в количестве до 25 об.% и получены методом высокоскоростного затвердевания расплава. A composite material based on an aluminum alloy with reinforcing fibers, including a matrix of aluminum alloy and a hardener made in the form of reinforcing fibers, characterized in that the matrix is made of aluminum alloy Al-Mg-Si, and the reinforcing fibers are made of aluminum alloy of the same composition, as the matrix, or from a titanium alloy with a length of 2-5 mm in an amount of up to 25 vol.% and obtained by high-speed solidification of the melt.
RU2013147402/02A 2013-10-24 2013-10-24 Aluminium alloy-based composite with reinforcing fibres RU2538245C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013147402/02A RU2538245C1 (en) 2013-10-24 2013-10-24 Aluminium alloy-based composite with reinforcing fibres

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013147402/02A RU2538245C1 (en) 2013-10-24 2013-10-24 Aluminium alloy-based composite with reinforcing fibres

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2538245C1 true RU2538245C1 (en) 2015-01-10

Family

ID=53288025

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013147402/02A RU2538245C1 (en) 2013-10-24 2013-10-24 Aluminium alloy-based composite with reinforcing fibres

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2538245C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2666657C2 (en) * 2016-10-17 2018-09-11 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук" Method of producing composite material
RU2807246C1 (en) * 2022-12-27 2023-11-13 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Волгоградский государственный технический университет" (ВолгГТУ) Composite material

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4713111A (en) * 1986-08-08 1987-12-15 Amax Inc. Production of aluminum-SiC composite using sodium tetrasborate as an addition agent
FR2667615A1 (en) * 1990-10-09 1992-04-10 Mitsubishi Electric Corp Aluminium@ carbon@ fibre composite material - for electronic component mounting, has high strength and low density
RU2374355C1 (en) * 2008-11-01 2009-11-27 Валентин Александрович Жабрев Composite material
CN103290343A (en) * 2013-06-27 2013-09-11 孟红琳 Preparation method of filler particle enhanced aluminium alloy composite material

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4713111A (en) * 1986-08-08 1987-12-15 Amax Inc. Production of aluminum-SiC composite using sodium tetrasborate as an addition agent
FR2667615A1 (en) * 1990-10-09 1992-04-10 Mitsubishi Electric Corp Aluminium@ carbon@ fibre composite material - for electronic component mounting, has high strength and low density
RU2374355C1 (en) * 2008-11-01 2009-11-27 Валентин Александрович Жабрев Composite material
CN103290343A (en) * 2013-06-27 2013-09-11 孟红琳 Preparation method of filler particle enhanced aluminium alloy composite material

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2666657C2 (en) * 2016-10-17 2018-09-11 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук" Method of producing composite material
RU2807246C1 (en) * 2022-12-27 2023-11-13 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Волгоградский государственный технический университет" (ВолгГТУ) Composite material

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Jue et al. Microstructure evolution and mechanical properties of Al-Al2O3 composites fabricated by selective laser melting
Rajan et al. Developments in processing of functionally gradient metals and metal–ceramic composites: a review
AU732289B2 (en) Particulate field distributions in centrifugally cast metal matrix composites
Rajan et al. Developments in solidification processing of functionally graded aluminium alloys and composites by centrifugal casting technique
RU2713668C1 (en) Materials with hca structure based on aluminium, titanium and zirconium and articles made therefrom
CN110621796A (en) Method for manufacturing aluminum alloy parts
JP2003509221A (en) Method and apparatus for producing semi-fluid metal slurry and molding material
CN101280376A (en) High wear-resistant zinc-aluminum alloy and preparation method thereof
JP7196181B2 (en) Use in additive manufacturing of aluminum-containing alloys
JP2019173049A (en) Powder for metal mold
Fattahi et al. Novel manufacturing process of nanoparticle/Al composite filler metals of tungsten inert gas welding by accumulative roll bonding
Upadhyay et al. Role of stir casting in development of aluminium metal matrix composite (AMC): an overview
CN104942271A (en) Beryllium-aluminum alloy sheet and manufacturing method thereof
CN113891951A (en) Aluminium-based alloy having improved mechanical strength on ageing at high temperatures and adapted to rapid solidification
Xie et al. Centrifugal casting processes of manufacturing in situ functionally gradient composite materials of Al-19Si-5Mg alloy
Kai et al. Characteristics of two Al based functionally gradient composites reinforced by primary Si particles and Si/in situ Mg2Si particles in centrifugal casting
CN113412172A (en) Method for manufacturing aluminum alloy parts
CN108941552B (en) A Ti/Ti6Al4V Composite with Continuous Gradient Changes in Composition
WO2021193536A1 (en) Aluminum powder for metal laminate molding, manufacturing method thereof, and metal laminate molded product
Zheng et al. Effects of laser power on the microstructure and mechanical properties of 316L stainless steel prepared by selective laser melting
CN108796297B (en) High-strength high-toughness copper-nickel-tin alloy raw material directly used for 3D printing and preparation method and application thereof
RU2538245C1 (en) Aluminium alloy-based composite with reinforcing fibres
Geng et al. Metal matrix composites
CN101876043A (en) Homogenization heat treatment method suitable for spray forming of 7000 series aluminum alloys
CN104630512A (en) Dispersion type copper-bismuth-tin immiscible alloy composite wire rod and preparation method thereof

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20161025