[go: up one dir, main page]

RU2770398C2 - Method for manufacturing metal matrix composite materials - Google Patents

Method for manufacturing metal matrix composite materials Download PDF

Info

Publication number
RU2770398C2
RU2770398C2 RU2020111580A RU2020111580A RU2770398C2 RU 2770398 C2 RU2770398 C2 RU 2770398C2 RU 2020111580 A RU2020111580 A RU 2020111580A RU 2020111580 A RU2020111580 A RU 2020111580A RU 2770398 C2 RU2770398 C2 RU 2770398C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
fibers
alloy
metal
matrix
fiber
Prior art date
Application number
RU2020111580A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2020111580A (en
RU2020111580A3 (en
Inventor
Лорна АНГИЛАНО
Тимоти МИНТОН
Брайан МАККЭЙ
Нилам БАРЕКАР
Онух АДОЛ
Original Assignee
Брунел Юниверсити Лондон
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 Брунел Юниверсити Лондон filed Critical Брунел Юниверсити Лондон
Publication of RU2020111580A publication Critical patent/RU2020111580A/en
Publication of RU2020111580A3 publication Critical patent/RU2020111580A3/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2770398C2 publication Critical patent/RU2770398C2/en

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01FMIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F27/00Mixers with rotary stirring devices in fixed receptacles; Kneaders
    • B01F27/80Mixers with rotary stirring devices in fixed receptacles; Kneaders with stirrers rotating about a substantially vertical axis
    • B01F27/805Mixers with rotary stirring devices in fixed receptacles; Kneaders with stirrers rotating about a substantially vertical axis wherein the stirrers or the receptacles are moved in order to bring them into operative position; Means for fixing the receptacle
    • B01F27/806Mixers with rotary stirring devices in fixed receptacles; Kneaders with stirrers rotating about a substantially vertical axis wherein the stirrers or the receptacles are moved in order to bring them into operative position; Means for fixing the receptacle with vertical displacement of the stirrer, e.g. in combination with means for pivoting the stirrer about a vertical axis in order to co-operate with different receptacles
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01FMIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F31/00Mixers with shaking, oscillating, or vibrating mechanisms
    • B01F31/80Mixing by means of high-frequency vibrations above one kHz, e.g. ultrasonic vibrations
    • B01F31/85Mixing by means of high-frequency vibrations above one kHz, e.g. ultrasonic vibrations with a vibrating element inside the receptacle
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01FMIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F33/00Other mixers; Mixing plants; Combinations of mixers
    • B01F33/70Mixers specially adapted for working at sub- or super-atmospheric pressure, e.g. combined with de-foaming
    • B01F33/71Mixers specially adapted for working at sub- or super-atmospheric pressure, e.g. combined with de-foaming working at super-atmospheric pressure, e.g. in pressurised vessels
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01FMIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F35/00Accessories for mixers; Auxiliary operations or auxiliary devices; Parts or details of general application
    • B01F35/20Measuring; Control or regulation
    • B01F35/21Measuring
    • B01F35/211Measuring of the operational parameters
    • B01F35/2115Temperature
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22DCASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D19/00Casting in, on, or around objects which form part of the product
    • B22D19/14Casting in, on, or around objects which form part of the product the objects being filamentary or particulate in form
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22DCASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D21/00Casting non-ferrous metals or metallic compounds so far as their metallurgical properties are of importance for the casting procedure; Selection of compositions therefor
    • B22D21/002Castings of light metals
    • B22D21/007Castings of light metals with low melting point, e.g. Al 659 degrees C, Mg 650 degrees C
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22DCASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D21/00Casting non-ferrous metals or metallic compounds so far as their metallurgical properties are of importance for the casting procedure; Selection of compositions therefor
    • B22D21/02Casting exceedingly oxidisable non-ferrous metals, e.g. in inert atmosphere
    • B22D21/04Casting aluminium or magnesium
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C47/00Making alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments
    • C22C47/08Making alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments by contacting the fibres or filaments with molten metal, e.g. by infiltrating the fibres or filaments placed in a mould
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C49/00Alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments
    • C22C49/02Alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments characterised by the matrix material
    • C22C49/04Light metals
    • C22C49/06Aluminium
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F2202/00Treatment under specific physical conditions
    • B22F2202/01Use of vibrations
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F2999/00Aspects linked to processes or compositions used in powder metallurgy
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C47/00Making alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments
    • C22C47/02Pretreatment of the fibres or filaments
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C49/00Alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments
    • C22C49/14Alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments characterised by the fibres or filaments

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Manufacture Of Alloys Or Alloy Compounds (AREA)

Abstract

FIELD: metallurgy.SUBSTANCE: invention relates to metallurgy, namely to a method for manufacturing metal matrix composite material with improved mechanical properties and corrosion resistance. The method for manufacturing metal matrix composite material includes following stages: (a) melting of metal or a matrix metal alloy, (b) addition to the melt of metal or a matrix metal alloy from the stage (a) of basalt fibers in a proportion from 1 wt.% to 10 wt.%, (c) mixing of the melt of metal or a matrix metal alloy and basalt fibers from the stage (b) at a rate from 400 rpm to 1200 rpm during a period of time from 1 minute to 60 minutes, (d) processing of the melt of metal or a matrix metal alloy and basalt fibers from the stage (c) with an ultrasound for from 1 minute to 15 minutes at a frequency from 10 kHz to 30 kHz, power from 2 kW to 5 kW and amplitude from 20 mcm to 50 mcm, and (e) casting of the melt of metal or a matrix metal alloy and basalt fibers from the stage (d) at a temperature from 200°C to 780°C to a mold pre-heated at a temperature from 150°C to 500°C during a period of time from 1 hour to 2 hours.EFFECT: obtained materials are characterized by high mechanical properties and high corrosion resistance.20 cl, 45 dwg

Description

Настоящее изобретение относится к способу изготовления армированной металлической матрицы, и в частности - металломатричного композитного материала с улучшенными механическими свойствами и коррозионной стойкостью.The present invention relates to a method for manufacturing a reinforced metal matrix, and in particular a metal matrix composite material with improved mechanical properties and corrosion resistance.

Металломатричные композитные материалы (ММС; от англ.: metal matrix composites) объединяют два или более материалов, в характерном случае - армирующую фазу и металлическую матрицу, для улучшения свойств исходной матрицы, не имеющей армирования.Metal matrix composite materials (MMC; from English: metal matrix composites) combine two or more materials, in the characteristic case, a reinforcing phase and a metal matrix, to improve the properties of the original matrix that does not have reinforcement.

Легкие металломатричные композиционные материала важны не только для транспортного сектора, то есть для автомобильной и авиационной отраслей промышленности, но и для других секторов, таких как возобновляемая энергетика.Lightweight metal matrix composite materials are important not only for the transport sector, i.e. for the automotive and aviation industries, but also for other sectors such as renewable energy.

Альтернативные композитные материалы согласно предшествующему уровню техники включают родовые композитные материалы с полимерными основами и другие ММС, в которых в качестве металлической основы используют алюминий, но применяют альтернативные волокна, такие как Е-стеклянные (см. публикацию US 20050133123) и углеродные (см. US 4853294).Alternative composite materials according to the prior art include generic polymer-based composites and other MMCs that use aluminum as the metal backbone but use alternative fibers such as E-glass (see US 20050133123) and carbon (see US 20050133123). 4853294).

Материал для буровых штанг на основе алюминиевого сплава с добавлением базальтовых волокон и керамических частиц и способ его получения раскрыты в публикации CN 107043901 А (Цзилиньский университет).An aluminum alloy drill rod material with addition of basalt fibers and ceramic particles and a method for producing the same are disclosed in CN 107043901 A (Jilin University).

В публикации WO 2006/134405 (Gogoladze et al.) раскрыт способ производства композитного материала на основе алюминия, в котором расплавленный алюминий армируют базальтовыми волокнами, имеющими диаметр, лежащий в диапазоне от 16 мкм до 18 мкм. Способ включает получение слоя волокон с толщиной, лежащей в диапазоне от 8 мм до 10 мм, на дне тигля и последующее добавление такого же объема алюминия. Затем смесь переносят в печь, температура в которой лежит в диапазоне от 800°С до 850°С, и перемешивают в течение периода времени, лежащего в диапазоне от 10 минут до 15 минут. Затем смесь извлекают из печи, отливают в форму и охлаждают. Тем не менее, полученный ММС не имеет особо выгодных свойств.WO 2006/134405 (Gogoladze et al.) discloses a process for producing an aluminum-based composite material in which molten aluminum is reinforced with basalt fibers having a diameter ranging from 16 µm to 18 µm. The method includes obtaining a layer of fibers with a thickness ranging from 8 mm to 10 mm at the bottom of the crucible and then adding the same volume of aluminum. The mixture is then transferred to an oven at a temperature ranging from 800° C. to 850° C. and stirred for a period of time ranging from 10 minutes to 15 minutes. The mixture is then removed from the oven, molded and cooled. However, the obtained MMC does not have particularly advantageous properties.

Настоящее изобретение направлено на то, чтобы обеспечить способ изготовления металломатричного композитного материала с улучшенными механическими свойствами.The present invention is directed to providing a method for manufacturing a metal matrix composite material with improved mechanical properties.

Согласно первому аспекту настоящего изобретения предложен способ изготовления армированной металлической матрицы включающий стадии:According to the first aspect of the present invention, a method for manufacturing a reinforced metal matrix is provided, comprising the steps:

(a) по меньшей мере частичного плавления металла или сплава металлов,(a) at least partial melting of the metal or metal alloy,

(b) добавления к расплаву из стадии (а) базальтовых волокон в пропорции, лежащей в диапазоне от 1 масс. % до 10 масс. %, и(b) adding to the melt from stage (a) basalt fibers in a proportion ranging from 1 wt. % up to 10 wt. %, and

(c) перемешивание базальтовых волокон и расплава из стадии (b) со скоростью, лежащей в диапазоне от 400 об/мин до 1200 об/мин, в течение периода времени, лежащего в диапазоне от 1 минуты до 60 минут.(c) mixing the basalt fibers and the melt from step (b) at a speed ranging from 400 rpm to 1200 rpm for a period of time ranging from 1 minute to 60 minutes.

В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения способ дополнительно включает стадию:In a preferred embodiment of the present invention, the method further comprises the step of:

(d) обработки базальтовых волокон и расплава из стадии (с) ультразвуком в течение периода времени, лежащего в диапазоне от 1 минуты до 15 минут, при частоте ультразвука, лежащей в диапазоне от 10 кГц до 30 кГц, мощности ультразвука, лежащей в диапазоне от 2 кВт до 5 кВт, и амплитуде ультразвука, лежащей в диапазоне от 20 мкм до 50 мкм.(d) sonicating the basalt fibers and the melt from step (c) for a period of time ranging from 1 minute to 15 minutes, with an ultrasound frequency ranging from 10 kHz to 30 kHz, an ultrasound power ranging from 2 kW to 5 kW, and an ultrasound amplitude ranging from 20 µm to 50 µm.

В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения способ дополнительно включает стадию:In a preferred embodiment of the present invention, the method further comprises the step of:

(е) отливки продукта из стадии (d) при температуре, лежащей в диапазоне от 200°С до 780°С, в форму, которую предварительно нагревали при температуре, лежащей в диапазоне от 150°С до 500°С, в течение периода времени, лежащего в диапазоне от 1 часа до 2 часов.(e) casting the product from step (d) at a temperature ranging from 200°C to 780°C into a mold that has been preheated at a temperature ranging from 150°C to 500°C for a period of time , ranging from 1 hour to 2 hours.

В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения предложен способ изготовления армированной металлической матрицы, включающий стадии:In a preferred embodiment of the present invention, a method for manufacturing a reinforced metal matrix is provided, comprising the steps:

(а) предварительного нагрева базальтовых волокон при температуре, лежащей в диапазоне от 100°С до 500°С, в течение периода времени, лежащего в диапазоне от 1 часа до 3 часов,(a) preheating the basalt fibers at a temperature ranging from 100°C to 500°C for a period of time ranging from 1 hour to 3 hours,

(b) закатывания аликвоты волокон в фольгу из чистого алюминия,(b) rolling an aliquot of fibers into pure aluminum foil,

(c) плавления металла или сплава металлов (литейные алюминиевые сплавы - при температуре, лежащей в диапазоне от 550°С до 750°С; цинк - при температуре, лежащей в диапазоне от 400°С до 440°С; магний - при температуре, лежащей в диапазоне от 600°С до 700°С; олово - при температуре, лежащей в диапазоне от 200°С до 260°С),(c) melting a metal or metal alloy (cast aluminum alloys at a temperature ranging from 550°C to 750°C; zinc at a temperature ranging from 400°C to 440°C; magnesium at a temperature ranging from lying in the range from 600°C to 700°C; tin - at a temperature lying in the range from 200°C to 260°C),

(d) добавления от 1 масс. % до 5 масс. % базальтовых волокон из стадий (а и b) к расплаву из стадии,(d) adding from 1 wt. % up to 5 wt. % of basalt fibers from stages (a and b) to the melt from the stage,

(e) перемешивания базальтовых волокон и расплава из стадии (d) со скоростью, лежащей в диапазоне от 400 об/мин до 1000 об/мин, в течение периода времени, лежащего в диапазоне от 10 минут до 30 минут,(e) mixing the basalt fibers and the melt from step (d) at a speed ranging from 400 rpm to 1000 rpm for a period of time ranging from 10 minutes to 30 minutes,

(f) обработки базальтовых волокон и расплава из стадии (d) в течение 5 минут ультразвуком с частотой, равной 17,5 кГц, мощностью, равной 3,5 кВт, и амплитудой, равной 40 мкм, и(f) treating the basalt fibers and the melt from step (d) for 5 minutes with ultrasound at a frequency of 17.5 kHz, a power of 3.5 kW, and an amplitude of 40 µm, and

(д) отливки продукта из стадии (е) при температуре, лежащей в диапазоне от 200°С до 720°С, в форму, которую предварительно нагревали при температуре, лежащей в диапазоне от 150°С до 500°С, в течение периода времени, лежащего в диапазоне от 1 часа до 2 часов.(e) casting the product from step (e) at a temperature ranging from 200°C to 720°C into a mold that has been preheated at a temperature ranging from 150°C to 500°C for a period of time , ranging from 1 hour to 2 hours.

Предложенный материал предпочтительно включает алюминиевую матрицу, армированную базальтовыми волокнами, в частности - нитевидными кристаллами (вискерами), то есть короткими волокнами. Базальтовые волокна классифицируют как волокна, с точки зрения прочности расположенные между Е-стеклом (низкая прочность) и углеродом (высокая прочность), однако эти волокна гораздо дешевле, чем углеродные волокна. Кроме превосходных механических свойств, базальтовые волокна демонстрируют высокую устойчивость к коррозии и радиации, в том числе при температурах до 600°С, и они являются негорючими; комбинация этих свойств является уникальной по сравнению со стеклянными и углеродными волокнами, и она делает эти волокна превосходной альтернативой для специфических применений.The proposed material preferably includes an aluminum matrix reinforced with basalt fibers, in particular whiskers, that is, short fibers. Basalt fibers are classified as being between E-glass (low strength) and carbon (high strength) in terms of strength, but these fibers are much cheaper than carbon fibers. In addition to excellent mechanical properties, basalt fibers demonstrate high resistance to corrosion and radiation, including at temperatures up to 600°C, and they are non-combustible; The combination of these properties is unique compared to glass and carbon fibers and makes these fibers an excellent alternative for specific applications.

Превосходные свойства, достигнутые у композитного материала, состоящего из алюминиевой матрицы и базальтовых волокон, полученного авторами настоящего изобретения, являются прорывом для создания следующего поколения композитных материалов, которые можно использовать в качестве альтернативы стали с целью снижения массы в жестких условиях окружающей среды, то есть в прикладных задачах, связанных с морскими шельфами. Полагают, что улучшение свойств материала основано на избирательной химической реакции между матрицей и базальтовыми волокнами. Мы провели и исследовали управляемую реакцию между волокном и матрицей с целью изготовления прочных полиэдрических обогащенных железом фаз на поверхности раздела. Диффузия элементов во время получения расплава и отливки композитного материала происходит из матрицы в волокно и обратно, обеспечивая более сильное связывание (противодействие скольжению) с сохранением прочной сердцевины волокна.The excellent properties achieved by the aluminum matrix and basalt fiber composite material obtained by the present inventors are a breakthrough for the next generation of composite materials that can be used as an alternative to steel in order to reduce weight in harsh environments, i.e. in applied tasks related to sea shelves. It is believed that the improvement of material properties is based on a selective chemical reaction between the matrix and basalt fibers. We have performed and investigated a controlled reaction between fiber and matrix in order to fabricate strong polyhedral iron-rich phases at the interface. Diffusion of elements during melting and casting of the composite material occurs from the matrix to the fiber and vice versa, providing stronger bonding (resistance to slip) while maintaining a strong core of the fiber.

Результаты, представленные ниже, показывают повышение твердости, предела прочности на разрыв и коррозионной стойкости на 30%, причем все эти изменения были достигнуты при добавлении всего лишь 5 масс. % волокон.The results below show an increase in hardness, tensile strength and corrosion resistance of 30%, all of which were achieved with the addition of as little as 5 wt. % fibers.

Базальтовые волокна широко использовали для армирования термореактивных и термопластичных полимеров, однако возможность применения базальтовых волокон в качестве армирующего материала для металломатричных композитных материалов была ограниченной вследствие пониженной стабильности волокон во время переработки при повышенных температурах. В частности, одной из основных проблем является зависимость прочности от температуры, которая обычно приводит к потере прочности волокнами во время выдерживания расплавов при высоких температурах, необходимых для обеспечения отливки. Хотя наблюдаемая микроморфология была такой же, как и до термической обработки, было обнаружено, что добавление большего объемного процента волокон сопровождалось повышением пористости. Оценка оптимальных технологических условий для добавления волокон к расплаву была выполнена Sabet et al. (Production and optimisation of aluminium basalt composites by hand lay-out technique. In: Proceedings of the World Congress on Engineering, vol III; 4-6 July 2012. London, UK), которые исследовали прочность, но не включили в публикацию подробные данные о химическом/минералогическом взаимодействии, происходящем на поверхности раздела волокон и металлической матрицы, то есть ограничили результаты только волокнами без оценки общего улучшения свойств композитного материала.Basalt fibers have been widely used to reinforce thermoset and thermoplastic polymers, however, the possibility of using basalt fibers as a reinforcing material for metal matrix composite materials has been limited due to the reduced stability of the fibers during processing at elevated temperatures. In particular, one of the main problems is the dependence of strength on temperature, which usually leads to the loss of strength of the fibers during the exposure of the melts to the high temperatures necessary to ensure the casting. Although the observed micromorphology was the same as before heat treatment, it was found that the addition of a higher volume percentage of fibers was accompanied by an increase in porosity. An evaluation of the optimal process conditions for adding fibers to the melt was performed by Sabet et al. (Production and optimisation of aluminum basalt composites by hand lay-out technique. In: Proceedings of the World Congress on Engineering, vol III; 4-6 July 2012. London, UK), who investigated strength but did not include detailed data in the publication about the chemical/mineralogical interaction occurring at the interface between the fibers and the metal matrix, i.e. limited the results to fibers only without evaluating the overall improvement in the properties of the composite material.

Эти ранее проведенные исследования были посвящены диспергированию волокон и их конечной прочности в композитном материале и не фокусировались на фундаментальной реакции между волокнами и матрицей и на том, как эту реакцию можно выгодно использовать для улучшения химии и обеспечения интерметаллической нуклеации внутри сплава, которая в конечном итоге оказывает влияние и улучшает общие характеристики самого композитного материала.These earlier studies focused on the dispersion of fibers and their ultimate strength in a composite material and did not focus on the fundamental reaction between fibers and matrix and how this reaction can be used to advantage to improve the chemistry and provide intermetallic nucleation within the alloy, which ultimately has influence and improve the overall characteristics of the composite material itself.

Не желая быть связанными какой-либо конкретной теорией, авторы полагают, что настоящее изобретение основано на усилении регулируемого процесса рекристаллизации волокон как средства для нуклеации выгодной полиэдрической обогащенной железом интерметаллической фазы на поверхности раздела волокна и матрицы с сохранением аморфной центральной сердцевины. Полагают, что это фундаментальное изменение матрицы и армирующей фазы преобразует алюминий-базальтовый композитный материал в гибридный композитный материал с алюминиевой матрицей (АМНС; от англ.: Aluminium Matrix Hybrid Composite). Полагают, что при этом структурная целостность волокна сохраняется, за счет чего повышается общая прочность композитного материала. Микроскопические исследования поверхности раздела волокон и матрицы в полученном композитном материале позволили предположить важную роль процесса рекристаллизации базальтовых волокон во время процесса литья. Из-за высокого содержания оксидов железа в волокнах кристаллизация в базальтовом волокне начинается с окисления двухвалентных катионов железа и формирования фазы со шпинельной структурой на поверхности волокна. Кальций, магний и железо диффундируют из внутренней части волокна к поверхности, где в характерном случае они реагируют с кислородом окружающей среды с образованием нанокристаллических слоев оксидов этих элементов. За образованием оксидов следует кристаллизация пироксеновой фазы, центры кристаллизации которой зарождаются в оксидах. Однако иначе обстоит дело в том случае, если волокна находятся в аноксической среде расплавленного металла. В этом случае, как будет объяснено позже, волокна все еще достигают температуры рекристталлизации, поэтому минеральные фазы начинают рекомбинировать, но окисление невозможно, так что вместо этого указанные выше катионы совместно с кремнием реагируют с интерметаллическими соединениями, образующимися в матрице, что способствует нуклеации выгодных полиэдрических обогащенных железом фаз вокруг рекристаллизованного наружного слоя волокна (Фиг. 4, 5 и 6).Without wishing to be bound by any particular theory, the inventors believe that the present invention is based on enhancing the controlled process of fiber recrystallization as a means to nucleate an advantageous polyhedral iron-rich intermetallic phase at the fiber/matrix interface while maintaining an amorphous central core. It is believed that this fundamental change in matrix and reinforcing phase converts the aluminum-basalt composite material into an aluminum matrix hybrid composite (AMHC; from English: Aluminum Matrix Hybrid Composite). It is believed that in this case the structural integrity of the fiber is maintained, thereby increasing the overall strength of the composite material. Microscopic studies of the interface between the fibers and the matrix in the obtained composite material made it possible to assume an important role for the process of recrystallization of basalt fibers during the casting process. Due to the high content of iron oxides in fibers, crystallization in basalt fiber begins with the oxidation of divalent iron cations and the formation of a phase with a spinel structure on the fiber surface. Calcium, magnesium and iron diffuse from the interior of the fiber to the surface, where they typically react with ambient oxygen to form nanocrystalline oxide layers of these elements. The formation of oxides is followed by the crystallization of the pyroxene phase, the crystallization centers of which are nucleated in the oxides. However, the situation is different if the fibers are in an anoxic environment of molten metal. In this case, as will be explained later, the fibers still reach the recrystallization temperature, so the mineral phases begin to recombine, but oxidation is not possible, so instead the above cations, together with silicon, react with the intermetallic compounds formed in the matrix, which promotes the nucleation of advantageous polyhedral iron-rich phases around the recrystallized outer fiber layer (FIGS. 4, 5 and 6).

Отсутствие кислорода ограничивает полную рекристаллизацию волокна, сохраняя целостность внутренней сердцевины, что повышает прочность волокна, и параллельно железо-кремниевые фазы мигрируют из матрицы по направлению к поверхности раздела с волокном, где они могут объединяться с катионами, выходящими из волокон. Этот процесс угнетает образование интерметаллических соединений вокруг волокон железа, ограничивая их рост. Это особенно выгодно в случае обогащенных железом алюминиевых сплавов, например - сплавов, полученных из повторно используемого алюминия, что превращает предложенный способ добавления базальтовых волокон в превосходное средство для получения композитных материалов с высокими техническими характеристиками при использовании вторичного алюминия.The absence of oxygen limits the complete recrystallization of the fiber, maintaining the integrity of the inner core, which increases the strength of the fiber, and in parallel, the iron-silicon phases migrate from the matrix towards the interface with the fiber, where they can combine with cations emerging from the fibers. This process inhibits the formation of intermetallic compounds around the iron fibers, limiting their growth. This is particularly advantageous in the case of iron-rich aluminum alloys, such as alloys made from recycled aluminum, making the present method of adding basalt fibers an excellent means for producing high performance composite materials using recycled aluminum.

Используемые базальтовые волокна можно приобрести в компании ZaoMineral. Способ получения этих волокон раскрыт в публикациях UA 89145, UA 90360, UA 90361, UA 90362.The basalt fibers used are available from ZaoMineral. The method for producing these fibers is disclosed in UA 89145, UA 90360, UA 90361, UA 90362.

Далее будут описаны несколько предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения со ссылкой на прилагаемые графические материалы, где:Several preferred embodiments of the present invention will now be described with reference to the accompanying drawings, where:

Фиг. 1 является схематическим изображением дистрибутивно-смесительного оборудования для осуществления способа по настоящему изобретению;Fig. 1 is a schematic representation of the distributive-mixing equipment for carrying out the method of the present invention;

Фиг. 2 является схематическим изображением аппарата для ультразвуковой обработки расплава для осуществления способа согласно настоящему изобретению;Fig. 2 is a schematic representation of a melt sonicator for carrying out the method according to the present invention;

Фиг. 3 является полученным с использованием светового микроскопа изображением базальтовых волокон, диффузно распределенных в алюминиевой матрице, полученной согласно настоящему изобретению;Fig. 3 is a light microscope image of basalt fibers diffusely distributed in an aluminum matrix obtained according to the present invention;

Фиг. 4 является полученным с использованием сканирующего электронного микроскопа с детектором обратно рассеянных электронов (SEM BSE; от англ.: scanning electron microscope with backscattered electron detector) изображением волокна в металлической матрице, полученной согласно настоящему изобретению, и соответствующего энергодисперсионного рентгеновского спектра (EDS; от англ.: energy-dispersive X-ray spectrum).Fig. 4 is a scanning electron microscope with backscattered electron detector (SEM BSE) image of a fiber in a metal matrix obtained according to the present invention and the corresponding Energy Dispersive X-ray Spectrum (EDS). .: energy-dispersive X-ray spectrum).

Фиг. 5 является SEM BSE изображением поперечного сечения волокна, полученного согласно настоящему изобретению, и соответствующих спектров этого волокна;Fig. 5 is an SEM BSE image of a cross section of a fiber obtained according to the present invention and the corresponding spectra of this fiber;

Фиг. 6 является SEM BSE изображением поперечного сечения другого волокна, полученного согласно настоящему изобретению, и соответствующих спектров этого волокна;Fig. 6 is an SEM BSE image of a cross section of another fiber obtained according to the present invention and the corresponding spectra of this fiber;

Фиг. 7 является графиком «напряжение/деформация» для эталонного сплава LM25;Fig. 7 is a stress/strain plot for the LM25 reference alloy;

Фиг. 8 является графиком «напряжение/деформация для ММС, полученного из LM25 и 5% базальтовых волокон;Fig. 8 is a stress/strain plot for MMC made from LM25 and 5% basalt fibers;

Фиг. 9 демонстрирует результаты исследования механических свойств, а именно предела прочности на разрыв (9А), условного предела текучести при остаточной деформации, равной 0,2% (9В) и твердости по Виккерсу (9С);Fig. 9 shows the results of a study of mechanical properties, namely, tensile strength (9A), conditional yield strength at a permanent set of 0.2% (9B) and Vickers hardness (9C);

Фиг. 10 демонстрирует сгоревшие волокна, снятые с поверхности расплава перед отливкой;Fig. 10 shows burnt fibers removed from the surface of the melt prior to casting;

Фиг. 11 демонстрирует SEM изображение сплава LM 25, полученного при 800°С (А), и EDS спектры краевых зон волокон на поверхности раздела с матрицей (В);Fig. 11 shows the SEM image of the LM 25 alloy obtained at 800°C (A) and the EDS spectra of the edge zones of the fibers at the interface with the matrix (B);

Фиг. 12 демонстрирует LM25, полученный при 720°С;Fig. 12 shows LM25 made at 720°C;

Фиг. 13 демонстрирует сплав LM20, полученный при 800°С;Fig. 13 shows alloy LM20 produced at 800°C;

Фиг. 14 демонстрирует волокно, смоченное сплавом LM25, при 720°С (A-D) и EDS карту элементного состава (Е);Fig. 14 shows LM25 alloy wetted fiber at 720°C (A-D) and EDS elemental composition map (E);

Фиг. 15 демонстрирует сплав LM20, полученный при 720°С;Fig. 15 shows alloy LM20 produced at 720°C;

Фиг. 16 демонстрирует сплав LM20, полученный при 710°С;Fig. 16 shows alloy LM20 produced at 710°C;

Фиг. 17 демонстрирует сплав LM25, полученный при 710°С;Fig. 17 shows alloy LM25 produced at 710°C;

Фиг. 18 демонстрирует сплав LM20, полученный при 690°С;Fig. 18 shows alloy LM20 produced at 690°C;

Фиг. 19 демонстрирует обогащенные Mn волокна, смоченные сплавом LM20, полученным при 720°С;Fig. 19 shows Mn-enriched fibers wetted with LM20 alloy made at 720°C;

Фиг. 20 демонстрирует микрофотографии сплава AMOFe, полученного при 780°С (А), 750°С (В), 720°С (С);Fig. 20 shows photomicrographs of an AMOFe alloy prepared at 780°C (A), 750°C (B), 720°C (C);

Фиг. 21 является оптической микрофотографией сплава LM25, который перемешивали при 500 об/мин в течение 10 минут (А и В), и сплава LM20, который перемешивали при 1000 об/мин в течение 10 минут (С);Fig. 21 is an optical micrograph of LM25 alloy that was stirred at 500 rpm for 10 minutes (A and B) and LM20 alloy that was stirred at 1000 rpm for 10 minutes (C);

Фиг. 22 является оптической микрофотографией, демонстрирующей эффект агломерации при отсутствии обработки ультразвуком;Fig. 22 is an optical micrograph showing the effect of agglomeration in the absence of sonication;

Фиг. 23 является оптической микрофотографией композитного материала после перемешивания в течение 10 минут при 1000 об/мин (А), в течение 20 минут (В), и графиком, демонстрирующим % волокон на микрофотографиях А и В (С);Fig. 23 is an optical micrograph of the composite material after stirring for 10 minutes at 1000 rpm (A), for 20 minutes (B), and a graph showing the % of fibers in micrographs A and B (C);

Фиг. 24 представляет результаты анализа методом площадей EDS спектров образца после времени взаимодействия волокон и расплава, равного 5 минутам (A), 10 минутам (В), 30 минутам (С);Fig. 24 shows the results of EDS area analysis of the spectra of the sample after fiber-melt interaction times of 5 minutes (A), 10 minutes (B), 30 minutes (C);

Фиг. 25 является оптическими микрофотографиями отливки, состоящей из LM25 и базальта, после времени экспозиции, равного 3 минутам (А), 10 минутам (B), 30 минутам (С) и 80 минутам (D);Fig. 25 are optical micrographs of a cast composed of LM25 and basalt after exposure times of 3 minutes (A), 10 minutes (B), 30 minutes (C), and 80 minutes (D);

Фиг. 26 демонстрирует реакции базальтовых волокон в LM20, а именно - А) EDS скан по площади для кремния в случае базальтовых волокон, погруженных в LM20 на 5 минут; В) EDS скан по площади для кремния в случае базальтовых волокон, погруженных в LM20 на 10 минут; С) EDS скан по площади для кремния в случае базальтовых волокон, погруженных в LM20 на 30 минут;Fig. 26 shows the reactions of basalt fibers in LM20, namely - A) EDS area scan for silicon in the case of basalt fibers immersed in LM20 for 5 minutes; B) EDS area scan for silicon in the case of basalt fibers immersed in LM20 for 10 minutes; C) EDS area scan for silicon in the case of basalt fibers immersed in LM20 for 30 minutes;

Фиг. 27 является изображением волокна внутри интерметаллической фазы (А) и SEM спектров интерметаллической фазы (В), центральной части волокна (С) и рекристаллизованной части (D);Fig. 27 is an image of the fiber inside the intermetallic phase (A) and SEM spectra of the intermetallic phase (B), the central part of the fiber (C) and the recrystallized part (D);

Фиг. 28 демонстрирует изображения волокон внутри интерметаллических фаз (А, В), SEM спектры интерметаллической фазы (С) и волокна (D), нуклеацию интерметаллической фазы из волокна (Е, F);Fig. 28 shows images of fibers within intermetallic phases (A, B), SEM spectra of intermetallic phase (C) and fiber (D), nucleation of intermetallic phase from fiber (E, F);

Фиг. 29 демонстрирует изображения волокон внутри сплава Al65-Ti35 (А) и EDS спектр Пятна 1;Fig. 29 shows images of fibers within an Al65-Ti35 alloy (A) and the EDS spectrum of Spot 1;

Фиг. 30 демонстрирует смоченные волокна в матрице из LM20;Fig. 30 shows wetted fibers in an LM20 matrix;

Фиг. 31 демонстрирует EDS анализ волокон внутри сплава LM20: время экспозиции, равное 5 минутам (А), 10 минутам (В), 30 минутам (С);Fig. 31 shows EDS analysis of fibers inside LM20 alloy: exposure time of 5 minutes (A), 10 minutes (B), 30 minutes (C);

Фиг. 32 является микрофотографией сплава LM20, армированного базальтом;Fig. 32 is a photomicrograph of basalt-reinforced alloy LM20;

Фиг. 33 является SEM изображением волокон внутри сплава LM25: (А) волокно и интерметаллическая фаза, срезанные в поперечном направлении, (В) волокно и интерметаллическая фаза, срезанные под углом в продольном направлении, (С) образование интерметаллической фазы на волокне, взаимодействующем с расплавом;Fig. 33 is an SEM image of fibers within an LM25 alloy: (A) fiber and intermetallic phase cut in the transverse direction, (B) fiber and intermetallic phase cut at an angle in the longitudinal direction, (C) formation of an intermetallic phase on a fiber interacting with the melt;

Фиг. 34 является EDS картой по площади и EBSD картой 1_М25/базальта: карта для алюминия (А), карта для кремния (В), ESBD карта (С);Fig. 34 is an EDS area map and an EBSD 1_M25/basalt map: aluminum map (A), silicon map (B), ESBD map (C);

Фиг. 35 является SEM изображением волокна в LM12 и полученного интерметаллического соединения (А); (В) EDS спектр Пятна 1 на краевой зоне волокна, демонстрирующий присутствие Al, Si, Fe и Cu (В);Fig. 35 is an SEM image of the fiber in LM12 and the resulting intermetallic compound (A); (B) EDS spectrum of Spot 1 at the fiber edge showing the presence of Al, Si, Fe and Cu (B);

Фиг. 36 является изображениями волокон внутри сплава AZ91 (А); (В) изображение с большим увеличением, демонстрирующее образование интерметаллической фазы, (С) образование интерметаллической фазы на волокне, взаимодействующем с расплавом;Fig. 36 are views of the fibers within the AZ91 alloy (A); (B) High magnification image showing the formation of an intermetallic phase, (C) formation of an intermetallic phase on a melt-fiber;

Фиг. 37 является BSE изображением интерметаллических соединений на поверхностях раздела волокон и расплава. Соответствующий линейный сканирующий EDX анализ показывает, что интерметаллические соединения обогащены Al и Fe;Fig. 37 is a BSE image of intermetallic compounds at fiber-melt interfaces. The corresponding linear scanning EDX analysis shows that the intermetallic compounds are enriched in Al and Fe;

Фиг. 38 является оптической микрофотографией, демонстрирующей хорошее распределение волокон в матрице: AZ91 с 5 масс. % волокон, полученный при 667°С (A), EDS спектр ярких интерметаллических соединений (В);Fig. 38 is an optical micrograph showing a good distribution of fibers in the matrix: AZ91 with 5 wt. % fibers obtained at 667°C (A), EDS spectrum of bright intermetallic compounds (B);

Фиг. 39 демонстрирует образование интерметаллической фазы вокруг волокон в AZ91 (А) и EDS спектры, полученные от интерметаллических соединений (B-D);Fig. 39 shows the formation of an intermetallic phase around fibers in AZ91 (A) and EDS spectra obtained from intermetallic compounds (B-D);

Фиг. 40 является оптической микрофотографией, демонстрирующей образование интерметаллической фазы в смешанном сплаве после добавления базальтовых волокон;Fig. 40 is an optical micrograph showing the formation of an intermetallic phase in a mixed alloy after the addition of basalt fibers;

Фиг. 41 является кривой «напряжение-деформация» LM25 и композитного материала на его основе;Fig. 41 is the stress-strain curve of LM25 and a composite material based on it;

Фиг. 42 отражает данные о плотности LM20 и композитного материала на его основе;Fig. 42 reflects data on the density of LM20 and a composite material based on it;

Фиг. 43 демонстрирует графики, полученные во время испытания на износостойкость LM20 и композитного материала на его основе;Fig. 43 shows graphs obtained during the wear test of LM20 and a composite material based on it;

Фиг. 44 демонстрирует коррозионную стойкость образцов LM25, композитного материала на его основе и стали 316L; иFig. 44 demonstrates the corrosion resistance of samples of LM25, composite material based on it and steel 316L; and

Фиг. 45 является графиком коррозионной стойкости.Fig. 45 is a graph of corrosion resistance.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ПРОЦЕДУРЫEXPERIMENTAL PROCEDURES

Материалыmaterials

В качестве материала матрицы использовали коммерчески доступный алюминиевый литейный сплав LM25 (обозначение в США - А356), который был поставлен компанией Norton Aluminium Ltd., Стаффордшир, СК, в форме слитков (фактический состав (масс. %): Al - 7,50 Si - 0,30 Mg - 0,003 Cu - 0,05 Fe - 0,005 Mn - 0,003 Zn - 0,11 Ti). Использованный армирующий материал имел форму коротких базальтовых волокон, т.е. вискеров (их состав в масс. % показан в Табл. 1).The matrix material used was a commercially available LM25 aluminum casting alloy (US designation A356) supplied by Norton Aluminum Ltd., Staffordshire, UK, in ingot form (actual composition (wt %): Al - 7.50 Si - 0.30 Mg - 0.003 Cu - 0.05 Fe - 0.005 Mn - 0.003 Zn - 0.11 Ti). The reinforcing material used was in the form of short basalt fibers, i. whiskers (their composition in wt. % is shown in Table 1).

Figure 00000001
Figure 00000001

Процессы смешенияMixing processes

Способ синтеза дешевых металломатричных композитных материалов на основе Al в характерном случае состоит из двух стадий. Первая часть способа производства предусматривает дистрибутивное смешение армирующего материала с матрицей, тогда как второй частью является дисперсионное смешение с использованием ультразвуковой кавитации перед формованием.The method for the synthesis of cheap aluminum-based metal-matrix composite materials typically consists of two stages. The first part of the production method involves distributive mixing of the reinforcing material with the matrix, while the second part is dispersive mixing using ultrasonic cavitation before molding.

Дистрибутивное смешениеdistributive mixing

При дистрибутивном смешении используют стандартное механическое перемешивание для предварительного смешивания Al сплава с армирующими базальтовыми вискерами. Установка для дистрибутивного смешения схематически изображена на Фиг. 1. Смесительное оборудование состояло из приводного двигателя для создания крутящего момента крыльчатки, подъемного механизма для приводного блока вращательного движения и мешалки в сборе и транспортной трубы для подачи армирующих вискеров в расплав. Слиток плавили в цилиндрическом тигле, расположенном внутри резистивной электрической печи с верхней загрузкой, при 750°С.In distributive mixing, standard mechanical mixing is used to premix the Al alloy with the reinforcing basalt whiskers. The distributive mixing plant is shown schematically in FIG. 1. The mixing equipment consisted of a drive motor to create the torque of the impeller, a lifting mechanism for the drive unit of rotational movement and an agitator assembly, and a transport pipe for feeding reinforcing whiskers into the melt. The ingot was melted in a cylindrical crucible located inside a top-loaded resistive electric furnace at 750°C.

Точно отмеренный армирующий материал (5 масс. % базальтовых волокон) предварительно прогревали в печи при 250°С в течение 1 часа. Титановая крыльчатка с четырьмя лопастями была покрыта нитридом бора для предотвращения реакции с расплавленным алюминием. Внутри печи в течение всего эксперимента поддерживали контролируемую атмосферу аргона для предотвращения окисления расплава. С помощью транспортной трубы (в форме вискеров, обернутых алюминиевой фольгой) предварительно нагретые армирующие вискеры медленно и непрерывно перемещали в расплав со стороны вихревой воронки, созданной за счет перемешивания расплава со скоростью, лежавшей в диапазоне от 400 об/мин до 600 об/мин, в течение 10 минут.Accurately measured reinforcing material (5 wt. % basalt fibers) was preheated in an oven at 250°C for 1 hour. The titanium impeller with four blades was coated with boron nitride to prevent reaction with the molten aluminum. A controlled argon atmosphere was maintained inside the furnace during the entire experiment to prevent melt oxidation. Using a transport tube (in the form of whiskers wrapped in aluminum foil), the pre-heated reinforcing whiskers were slowly and continuously transferred into the melt from the side of the vortex created by mixing the melt at a speed ranging from 400 rpm to 600 rpm, within 10 minutes.

На распределение армирующей фазы оказывают сильное влияние многие аспекты технологической схемы. Согласно теореме Бернулли, отрицательное дифференциальное давление, существующее в вихревой воронке, способствует перемещению добавленных извне вискеров в жидкий металл. Сила, создаваемая при перемешивании расплава механической мешалкой, способствует преодолению поверхностных энергетических барьеров, обусловленных плохой смачиваемостью базальтовых вискеров алюминиевыми сплавами. Как только вискеры попадают в жидкость, на их распределение оказывает сильное влияние некоторая турбулизация потока. Приложение сдвигового усилия к добавленным вискерам способствует относительно равномерному их распределению. Для обеспечения предпочтительной циркуляции расплава и равномерного распределения армирующего материала в расплаве важную роль играет конструкция крыльчатки. Аксиальные и радиальные потоки, необходимые для исключения застойных зон, предпочтительно обеспечивает крыльчатка, имеющая отношение диаметра крыльчатки к диаметру тигля, равное 0,4, и отношение толщины крыльчатки к диаметру крыльчатки, равное 0,35. Перемешивание смеси производят в жидком режиме для обеспечения пространственной однородности распределения частиц (сходные объемные фракции в любой части смеси).The distribution of the reinforcing phase is strongly influenced by many aspects of the flowsheet. According to Bernoulli's theorem, the negative differential pressure existing in the vortex funnel promotes the movement of whiskers added from the outside into the liquid metal. The force created during melt mixing with a mechanical stirrer helps to overcome surface energy barriers caused by poor wettability of basalt whiskers by aluminum alloys. Once the whiskers enter the liquid, their distribution is strongly affected by some flow turbulence. The application of shear force to the added whiskers contributes to their relatively uniform distribution. The design of the impeller plays an important role in ensuring the preferred circulation of the melt and uniform distribution of the reinforcing material in the melt. The axial and radial flows necessary to avoid dead zones are preferably provided by an impeller having an impeller diameter to crucible diameter ratio of 0.4 and an impeller thickness to impeller diameter ratio of 0.35. The mixing of the mixture is carried out in a liquid mode to ensure the spatial uniformity of the distribution of particles (similar volume fractions in any part of the mixture).

Стадия дистрибутивного смешения важна в качестве способа включения армирующих вискеров и грубого распределения их в расплаве. Степень смешения определяется передачей импульса от местоположения мешалки к комкам, расположенным на расстоянии от местоположения мешалки. На этой стадии смешения вследствие наличия градиентов линейной скорости внутри жидкой среды сдвиговое усилие, приложенное к жидкости, находящейся в контакте с крыльчаткой, приводит к низкому сдвиговому усилию при усреднении по всему объему жидкой среды. Отсутствие достаточного сдвигового усилия при дистрибутивном смешении приводит к образованию агломератов в относительно застойных зонах (например, вблизи от стенок тигля). Для разрушения этих агломератов до отдельных вискеров в жидком металле приложенное сдвиговое напряжение (т), действующее на кластеры армирующего материала, должно превышать среднюю когезионную силу или сопротивление разрыву комка. Поэтому дисперсионное смешение в идеале необходимо выполнять с помощью ультразвуковой кавитации.The distributive mixing step is important as a way of incorporating reinforcing whiskers and coarsely distributing them in the melt. The degree of mixing is determined by the transfer of momentum from the location of the stirrer to lumps located at a distance from the location of the stirrer. At this stage of mixing, due to the presence of linear velocity gradients within the fluid, the shear applied to the fluid in contact with the impeller results in low shear when averaged over the entire volume of the fluid. The lack of sufficient shear force during distributive mixing leads to the formation of agglomerates in relatively stagnant zones (for example, near the walls of the crucible). To break these agglomerates into individual whiskers in the liquid metal, the applied shear stress (t) acting on the clusters of reinforcing material must exceed the average cohesive force or rupture strength of the lump. Therefore, dispersive mixing should ideally be performed using ultrasonic cavitation.

Дисперсионное смешение с помощью ультразвуковой кавитацииDispersive mixing with ultrasonic cavitation

Для достижения улучшенных механических свойств ММС, в частности - ММС, полученных посредством литья, необходимо, чтобы базальтовые вискеры были гомогенно и равномерно диспергированы внутри расплавленного алюминия. Агломерация мелких вискеров препятствует получению высококачественных отливок. Поскольку когезионные силы удерживают агломераты армирующего материала от распада, то для их разрушения необходимы высокие гидродинамические силы. В способе смешения с помощью обработки ультразвуком ультразвуковые кавитационные силы используют для преодоления когезионной силы или сопротивления разрыву комка для диспергирования волокон. Поэтому механически перемешанную суспензию композитного материала на основе Al и базальта перемещают в аппарат, изображенный на Фиг. 2, и обрабатывают ультразвуком в течение 5 минут (17,5 кГц, 3,5 кВт, амплитуда 40 мкм, ниобиевый сонотрод) для получения дисперсии базальтовых вискеров.In order to achieve improved mechanical properties of MMS, in particular MMS obtained by casting, it is necessary that the basalt whiskers be homogeneously and uniformly dispersed within the molten aluminum. The agglomeration of fine whiskers hinders the production of high quality castings. Since the cohesive forces keep the agglomerates of the reinforcing material from disintegrating, high hydrodynamic forces are required for their destruction. In the sonication blending method, ultrasonic cavitation forces are used to overcome the cohesive force or slug tear resistance to disperse the fibers. Therefore, the mechanically agitated slurry of the composite material based on Al and basalt is transferred to the apparatus shown in FIG. 2 and sonicated for 5 minutes (17.5 kHz, 3.5 kW, 40 µm amplitude, niobium sonotrode) to obtain a dispersion of basalt whiskers.

Введение ультразвуковых волн в расплав приводит к эффектам акустической кавитации и акустических течений (акустического ветра). Акустическая кавитация возникает вследствие образования, роста и спадения кавитационных пузырьков под действием циклов переменного акустического давления. Акустическое течение - это поток жидкости вследствие градиента акустического давления, приводящий к высокоэффективному перемешиванию. Расплавленный Al в условиях окружающей среды всегда содержит растворенные газы. При превышении порога кавитации захваченный газ образует многочисленные мелкие полости. При пульсации эти кавитационные пузырьки растут за счет направленной диффузии газов из расплава. Кавитационные пузырьки определенного размера схлопываются во время цикла положительного давления, генерируя температуру, равную 5000°С, и давление, равное 1000 МПа, и создают струю жидкости со скоростью, равной 100 м/с, в непосредственной близости от зоны кавитационной имплозии. Одновременно акустическое течение со скоростью, равной 0,1 м/с, образовавшееся вследствие пульсации кавитационной зоны, обеспечивает непрерывный эффект перемешивания во всем расплаве. Полагают, что во время обработки ультразвуком кавитация и акустическое течение повышают смачиваемость армирующего материала. Кроме того, кавитационное давление и струя жидкости, создаваемые за счет имплозии пузырьков, дезинтегрируют агломераты. Суспензию композитного материала затем отливают при 720°С в форму для получения образцов для испытаний на растяжение, которую предварительно нагревают до 400°С для обеспечения предпочтительной текучести расплава и пористости отливки.The introduction of ultrasonic waves into the melt leads to the effects of acoustic cavitation and acoustic flows (acoustic wind). Acoustic cavitation occurs due to the formation, growth and collapse of cavitation bubbles under the action of alternating acoustic pressure cycles. Acoustic flow is the flow of fluid due to an acoustic pressure gradient resulting in highly efficient mixing. Molten Al at ambient conditions always contains dissolved gases. When the cavitation threshold is exceeded, the trapped gas forms numerous small cavities. During pulsation, these cavitation bubbles grow due to the directed diffusion of gases from the melt. Cavitation bubbles of a certain size collapse during the positive pressure cycle, generating a temperature of 5000°C and a pressure of 1000 MPa, and create a jet of liquid at a speed of 100 m/s in the immediate vicinity of the cavitation implosion zone. At the same time, the acoustic flow with a speed equal to 0.1 m/s, formed due to the pulsation of the cavitation zone, provides a continuous mixing effect throughout the melt. It is believed that during sonication, cavitation and acoustic flow increase the wettability of the reinforcing material. In addition, the cavitation pressure and liquid jet created by bubble implosion disintegrate the agglomerates. The composite material slurry is then cast at 720° C. into a tensile test specimen mold, which is preheated to 400° C. to provide the preferred melt flow and casting porosity.

РЕЗУЛЬТАТЫRESULTS

В режиме плавки, описанном выше, волокна диспергировали в матрице (Фиг. 3), при этом происходило химическое взаимодействие между матрицей и волокном при сохранении физической целостности волокна. Авторы настоящего изобретения выполнили подробную оценку интерметаллических фаз, и анализ показал, что на поверхности раздела волокна и матрицы образовались полиэдрические фазы Fe-содержащих интерметаллических соединений (AlFeMnSi) (Фиг. 4).In the melting mode described above, the fibers were dispersed in the matrix (FIG. 3), while chemical interaction between the matrix and the fiber occurred while maintaining the physical integrity of the fiber. The inventors of the present invention performed a detailed evaluation of the intermetallic phases, and the analysis showed that polyhedral phases of Fe-containing intermetallic compounds (AlFeMnSi) were formed at the fiber-matrix interface (FIG. 4).

Кроме того, видна миграция кремния из сердцевины волокна и алюминия из матрицы к сердцевине волокна, которая свидетельствует о реакции между волокном и матрицей (Фиг. 5). В частности, SEM BSE изображение поперечного сечения волокна демонстрирует новообразованные полиэдрические фазы на поверхности волокна и их соответствующий состав (Спектр 5). Это наглядно демонстрирует изменения, происходящие в сердцевине волокна, которая теряет кремний и приобретает алюминий, тогда как кремний перемещается к поверхности волокон и образует новые интерметаллические фазы.In addition, the migration of silicon from the fiber core and aluminum from the matrix to the fiber core is visible, which indicates the reaction between the fiber and the matrix (Fig. 5). In particular, the SEM BSE image of the fiber cross section shows the newly formed polyhedral phases on the fiber surface and their respective composition (Spectrum 5). This clearly demonstrates the changes taking place in the core of the fiber, which loses silicon and gains aluminum, while silicon moves to the surface of the fibers and forms new intermetallic phases.

Тот же феномен виден на Фиг. 6, где можно видеть разложение волокна и его рекристаллизацию совместно с образованием интерметаллических фаз. В частности, сердцевина волокон сохраняет химический состав исходного волокна, хотя обнаруживает частичное обогащение алюминием (Спектр 1), тогда как рекристаллизованная зона (Спектр 3) демонстрирует состав с ограниченным содержанием алюминия, магния и кислорода, а кремний, который изначально присутствовал, мигрирует из рекристаллизованной зоны с образованием i интерметаллических фаз (Спектр 4).The same phenomenon is seen in Fig. 6, where one can see the decomposition of the fiber and its recrystallization together with the formation of intermetallic phases. In particular, the core of the fibers retains the chemical composition of the original fiber, although it shows a partial enrichment in aluminum (Spectrum 1), while the recrystallized zone (Spectrum 3) shows a composition with a limited content of aluminum, magnesium and oxygen, and the silicon that was originally present migrates from the recrystallized zones with the formation of i intermetallic phases (Spectrum 4).

Предел прочности на разрыв алюминиевого композитного материала, армированного базальтом, демонстрирует увеличение на 30% (см. Фиг. 8) по сравнению с неармированным сплавом (см. Фиг. 7).The tensile strength of the aluminum composite material reinforced with basalt shows a 30% increase (see Fig. 8) compared to the unreinforced alloy (see Fig. 7).

Провели также дополнительное экспериментальное исследование, результаты которого суммированы ниже. Выводы сделаны без желания ограничиваться какой-либо теорией и не являются ограничивающими настоящее изобретение.An additional experimental study was also carried out, the results of which are summarized below. The conclusions are made without wishing to be bound by any theory and are not intended to limit the present invention.

ПРОГРАММА ЭКСПЕРИМЕНТОВPROGRAM OF EXPERIMENTS

1.0. Исследование эффектов различных режимов обработки1.0. Studying the Effects of Different Processing Modes

Figure 00000002
Figure 00000002

Figure 00000003
Figure 00000003

1.1. Исследование эффектов различных сплавов1.1. Investigation of the effects of various alloys

Для исследования потенциальных реакций, протекающих с различными сплавами, выполнили серию экспериментов, фокусируясь каждый раз на одном конкретном сплаве. Основными исследованными элементами были: железо (Fe), никель (Ni), титан (Ti), кремний (Si) и медь (Cu).To investigate the potential reactions occurring with different alloys, a series of experiments was performed, each time focusing on one particular alloy. The main elements studied were: iron (Fe), nickel (Ni), titanium (Ti), silicon (Si) and copper (Cu).

Figure 00000004
Figure 00000004

1.2. Исследование улучшения механических свойств по сравнению с эталоном1.2. Study of the improvement of mechanical properties in comparison with the standard

Figure 00000005
Figure 00000005

Figure 00000006
Figure 00000006

1.3. Изготовление образца1.3. Sample making

После того как расплав был получен и ему позволяли остыть, материал разрезали и обрабатывали с использованием стандартных металлографических протоколов [заливка в смолу, шлифовка по плоскости, полировка (SiC), полировка (алмазной пастой), чистовая полировка (коллоидный диоксид кремния)].After the melt was obtained and allowed to cool, the material was cut and processed using standard metallographic protocols [pouring into resin, plane grinding, polishing (SiC), polishing (diamond paste), fine polishing (colloidal silicon dioxide)].

Каждый образец исследовали с использованием сканирующего электронного микроскопа с электронной пушкой полевой эмиссии Zeiss SUPRA FEG-SEM, оборудованного EDAX Octane Superior EDS детектором. Изображения образцов, показанные ниже, были получены с использованием сканирующего электронного микроскопа (SEM), а спектры элементного состава были получены с использованием EDS системы.Each sample was examined using a Zeiss SUPRA FEG-SEM field emission scanning electron microscope equipped with an EDAX Octane Superior EDS detector. Sample images shown below were obtained using a scanning electron microscope (SEM) and elemental composition spectra were obtained using an EDS system.

2.0. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТОВ РАЗЛИЧНЫХ РЕЖИМОВ ОБРАБОТКИ2.0. STUDYING THE EFFECTS OF DIFFERENT PROCESSING MODES

2.1. Программа экспериментов2.1. Program of Experiments

Была выполнена серия экспериментов с целью исследования основных характеристик образования и производства композитного материала. Этими характеристиками являются массовый процент добавленных волокон, диапазон температур при обработке, время воздействия расплава на волокно и перемешивание.A series of experiments were carried out to investigate the main characteristics of the formation and production of the composite material. These characteristics are the weight percentage of fibers added, the processing temperature range, the time the melt is exposed to the fiber, and the agitation.

2.1.1. Массовый % волокон2.1.1. Mass % of fibers

С целью определения номинальной массовой доли базальтового армирующего материала для добавления к алюминиевому сплаву выполнили испытания на растяжение композитных материалов, армированных 1 масс. %, 2,5 масс. % и 5 масс. % базальта, с использованием 4 образцов каждого вида. Изготовили литые образцы для испытаний на растяжение с расчетным диаметром, равным 10 мм, расчетной длиной, равной 50 мм, ручками с диаметром 14 мм и выполнили испытание на растяжение с использованием испытательной машины Instron® 5569. Как в случае образцов композитных материалов, так и в случае эталонных образцов использовали скорость деформации, равную 0,400%/минуту, и все испытания провели при температуре окружающей среды. Полученными результатами были условный предел текучести, предел прочности на разрыв (временное сопротивление растяжению) и расчетный модуль Юнга.In order to determine the nominal mass fraction of basalt reinforcing material to be added to the aluminum alloy, tensile tests were performed on composite materials reinforced with 1 wt. %, 2.5 wt. % and 5 wt. % basalt, using 4 samples of each type. Cast tensile test specimens were fabricated with a 10 mm gauge diameter, 50 mm gauge length, 14 mm diameter handles, and tensile testing was performed using an Instron® 5569 testing machine. In the case of reference specimens, a strain rate of 0.400%/minute was used and all tests were carried out at ambient temperature. The results obtained were the conditional yield strength, tensile strength (tensile strength) and the calculated Young's modulus.

2.1.2. Диапазон температур2.1.2. Temperature range

Исследовали эффект диапазона температур на образование интерметаллических соединений внутри композитного материала. Температуру обработки варьировали в диапазоне от 680°С до 800°С и изготавливали образцы для металлографических испытаний. Затем образцы анализировали с использованием EDS и SEM систем наблюдения.The effect of temperature range on the formation of intermetallic compounds within the composite material was investigated. The processing temperature was varied in the range from 680°C to 800°C and samples were made for metallographic testing. The samples were then analyzed using EDS and SEM observation systems.

2.1.3. Экспозиция2.1.3. exposition

Два массива экспериментальных данных были получены для оценки эффектов воздействия матрица/волокно и перемешивания расплава. Эксперименты с временем экспозиции были выполнены посредством погружения волокон в расплавленный алюминиевый сплав LM20 с целью исследования реакций на поверхности раздела и внутри волокна. Серия отливок через короткие интервалы была выполнена с использованием сплава LM25 и 5 масс. % базальтовых волокон с целью исследования образования интерметаллической фазы стечением времени.Two sets of experimental data were obtained to evaluate the effects of matrix/fiber exposure and melt mixing. Exposure time experiments were performed by immersing fibers in molten LM20 aluminum alloy to investigate reactions at interfaces and within the fiber. A series of castings at short intervals was made using alloy LM25 and 5 wt. % of basalt fibers in order to study the formation of an intermetallic phase over time.

2.1.4. Перемешивание2.1.4. Mixing

Эксперименты с перемешиванием включали использование лопастной мешалки с электрическим приводом, погруженной в расплав с целью замешивания волокон в алюминий, скорость мешалки и время перемешивания варьировали. Во всех случаях были изготовлены образцы полученных материалов для микроструктурного исследования и EDS анализа.The mixing experiments involved using an electrically driven paddle agitator immersed in the melt to knead the fibers into the aluminium, varying the agitator speed and mixing time. In all cases, samples of the obtained materials were made for microstructural studies and EDS analysis.

2.2. Массовый % волокон2.2. Mass % of fibers

Эталонный образец представляет собой исходный уровень для оценки влияния массового процента добавленных волокон. Предел прочности на разрыв (временное сопротивление при растяжении) (UTS; от англ.: ultimate tensile strength) - это максимальная нагрузка, которую может выдержать материал перед началом образования шейки и разрушения. Добавление 2,5 масс. % волокон немного повышает UTS (~ 5%), как показано на Фиг. 9А, добавление 1 масс. % и 5 масс. % снижает UTS ниже уровня эталонного образца и, по-видимому, является потенциально вредным. Для повышения предела прочности на разрыв важна согласованная ориентация волокон, причем волокна, ориентированные перпендикулярно направлению приложенной нагрузки, снижают предел прочности на разрыв. Данные по условному пределу текучести при остаточной (пластической) деформации, равной 0,2%, рассчитаны и представлены на Фиг. 9В. Эти данные показывают, что условный предел текучести при остаточной деформации, равной 0,2%, улучшается при добавлении любых количеств волокон, однако наибольшее улучшение было у образца с добавлением 2,5 масс. % волокон. Образец с добавлением 5 масс. % волокон также показал значительное возрастание условного предела текучести, поэтому образцы с добавлением 5 масс. % и 2,5 масс. % волокон были подвергнуты дополнительным испытаниям.The reference sample is the baseline for evaluating the effect of the weight percent added fibers. Ultimate Tensile Strength (UTS) is the maximum load that a material can withstand before necking and failure begins. Adding 2.5 wt. % fiber increases UTS slightly (~5%) as shown in FIG. 9A, adding 1 wt. % and 5 wt. % reduces UTS below the reference sample and appears to be potentially detrimental. To increase the tensile strength, the consistent orientation of the fibers is important, with fibers oriented perpendicular to the direction of the applied load, reducing the tensile strength. Data on the conditional yield strength at a residual (plastic) deformation of 0.2% are calculated and presented in Fig. 9B. These data show that the yield stress at 0.2% residual strain improves with the addition of any amount of fibers, however, the greatest improvement was in the sample with the addition of 2.5 wt. % fibers. The sample with the addition of 5 wt. % fibers also showed a significant increase in the conditional yield strength, so the samples with the addition of 5 wt. % and 2.5 wt. % of the fibers were subjected to additional tests.

Были проведены испытания на твердость с использованием микроиндентора по Виккерсу, результаты которых совпадают с данными по растяжению. Оба образца композитных материалов обнаружили повышенную твердость по сравнению с эталонным образцом, что видно на Фиг. 9С.Hardness tests were carried out using a Vickers micro-indenter, the results of which are consistent with the tensile data. Both samples of composite materials showed increased hardness compared to the reference sample, as can be seen in Fig. 9C.

Добавление гораздо большего количества базальта к композитному материалу является очень трудной задачей. 5 масс. % - это максимум, достигнутый в этих экспериментах. Предпринимались попытки добавить большее количество волокон, но они привели к образованию слоя сгоревших волокон на поверхности стандартной отливки. Это показано на Фиг. 10. Перед отливкой с поверхности расплава снимают нагар, удаляя сгоревшие волокна.Adding much more basalt to a composite material is a very difficult task. 5 wt. % is the maximum reached in these experiments. Attempts have been made to add more fibers, but they have resulted in a layer of burnt fibers on the surface of the standard casting. This is shown in FIG. 10. Before casting, deposits are removed from the surface of the melt, removing burnt fibers.

Выводы:Findings:

- Чем больше объемная доля волокон, тем дольше приходится добавлять волокна. Трудность при добавлении большого масс. % волокон создает время, которое необходимо для того, чтобы смешать с расплавом большой объем волокон. 5 масс. % - это максимальное достижимое количество.- The higher the volume fraction of fibers, the longer it takes to add fibers. Difficulty adding large masses. The % fiber creates the time it takes to mix a large volume of fibers into the melt. 5 wt. % is the maximum amount that can be reached.

- Добавление большого количества волокон приводит к всплытию добавленных волокон и образованию слоя нагара.- The addition of a large amount of fibers causes the added fibers to float and form a layer of soot.

- В этой серии экспериментов оптимальным было добавление 2,5 масс. %. Увеличение условного предела текучести и UTS означает общее улучшение механических свойств.- In this series of experiments, the addition of 2.5 wt. %. An increase in yield strength and UTS means an overall improvement in mechanical properties.

2.3. Эксперименты с диапазоном температур2.3. Temperature Range Experiments

Серию экспериментов с отливками малого размера выполнили при необычно высокой температуре, чтобы исследовать верхние границы процесса отливки при добавлении волокон и посмотреть, какие интерметаллические соединения образуются внутри образцов композитных материалов. Алюминиевые сплавы поместили в маленькие керамические тигли и загрузили в печь для нагрева до 800°С. Добавили 5 масс. % базальтовых волокон, перемешали и оставили в печи на 30 минут для протекания реакции, после чего разлили, разрезали и проанализировали. Фиг. 11А демонстрирует трудности с обеспечением достаточного смачивания волокон. Образцы сплава LM25, полученные при 800°С, продемонстрировали агломерацию волокон и сниженные реакции вследствие ручного перемешивания и малого объема расплава. Тем не менее, волокна все же рекристаллизовались и обнаружили начальную реакцию с матрицей, продемонстрировав слой оксида алюминия на крае волокон, который является триггером образования интерметаллических соединений. Фиг. 11В демонстрирует EDS спектры исследованной интерметаллической фазы.A series of experiments were performed with small size castings at unusually high temperatures to explore the upper limits of the casting process when fibers are added and to see what intermetallic compounds form inside the composite material samples. The aluminum alloys were placed in small ceramic crucibles and loaded into a furnace to heat up to 800°C. Added 5 wt. % of basalt fibers, mixed and left in the oven for 30 minutes for the reaction to proceed, after which it was poured, cut and analyzed. Fig. 11A shows the difficulty in ensuring sufficient fiber wetting. Samples of LM25 alloy prepared at 800° C. showed fiber agglomeration and reduced reactions due to manual mixing and low melt volume. However, the fibers did recrystallize and show an initial reaction with the matrix, showing an alumina layer at the edge of the fibers, which is a trigger for the formation of intermetallic compounds. Fig. 11B shows the EDS spectra of the investigated intermetallic phase.

Второй эксперимент выполнили при более низкой температуре, равной 720°С.Его результаты можно видеть на Фиг. 12. Смачиваемость волокон была выше вследствие большего объема расплава и перемешивания мешалкой (1000 об/мин). Фиг. 12А демонстрирует улучшенную смачиваемость волокон, а Фиг. 12В демонстрирует образование интерметаллического соединения на границе раздела волокна и матрицы. Анализ краевой зоны волокон показывает состав, сходный с составом, представленным на Фиг. 11В, и свидетельствует об образовании слоя оксида, который связан с образованием интерметаллических соединений. Диффузия кремния наружу с края волокна и нуклеация оксидных слоев запускают нуклеацию дендритных интерметаллических соединений (Фиг. 11В - начальная форма до полной кристаллизации).The second experiment was performed at a lower temperature of 720°C. Its results can be seen in FIG. 12. The wettability of the fibers was higher due to the larger volume of the melt and mixing with a stirrer (1000 rpm). Fig. 12A shows improved fiber wettability and FIG. 12B shows the formation of an intermetallic compound at the fiber-matrix interface. Analysis of the fiber edge zone shows a composition similar to that shown in FIG. 11B and indicates the formation of an oxide layer, which is associated with the formation of intermetallic compounds. Diffusion of silicon outward from the edge of the fiber and nucleation of the oxide layers trigger the nucleation of dendritic intermetallic compounds (Fig. 11B - initial shape to complete crystallization).

Затем эксперимент при 800°С повторили с использованием сплава LM20, но обнаружили те же проблемы со смачиваемостью вследствие процедуры ручного перемешивания. Тем не менее, видна рекристаллизация волокон, и можно видеть продукты реакции. Фиг. 13 демонстрирует волокна внутри композитного материала, имеющие неповрежденную сердцевину (белая на Фиг. 13В), аморфный слой, обогащенный алюминием (светло-серый на Фиг. 13В) и полностью рекристаллизованный слой оксида алюминия (темно-серый на Фиг. 13В).The experiment at 800° C. was then repeated using the LM20 alloy, but the same wettability problems were found due to the manual mixing procedure. However, recrystallization of the fibers is visible and reaction products can be seen. Fig. 13 shows fibers within a composite having an intact core (white in FIG. 13B), an amorphous aluminum-rich layer (light gray in FIG. 13B), and a fully recrystallized alumina layer (dark gray in FIG. 13B).

Исследования влияния элементов сплава, частично выполненные для раздела 3, также включают экспериментальную работу, проведенную на верхней границе диапазоны температур (800°С). Подробности см. в разделе 3.The studies of the effect of alloy elements, partly performed for section 3, also include experimental work carried out at the upper limit of the temperature range (800°C). See section 3 for details.

Оба сплава - LM20 и LM25 - были успешно отлиты при 720°С и продемонстрировали превосходную смачиваемость и выраженную реакцию волокон. Фиг. 14 демонстрирует волокна, смоченные расплавом (A-D), и интерметаллические соединения (IMC), образующиеся на поверхности раздела. На Фиг. 14Е показан EDS скан по площади волокна, изображенного на Фиг. 14D. Он демонстрирует образование различных IMC.Both alloys, LM20 and LM25, were successfully cast at 720°C and showed excellent wettability and strong fiber response. Fig. 14 shows melt-wetted fibers (A-D) and intermetallic compounds (IMCs) formed at the interface. On FIG. 14E shows an area EDS scan of the fiber shown in FIG. 14D. It demonstrates the formation of various IMCs.

Фиг. 15 демонстрирует волокна внутри расплава LM20, полученного при 720°С. Достигнуто превосходное смачивание и наблюдалась выраженная реакция между волокном и матричным сплавом.Fig. 15 shows fibers inside an LM20 melt made at 720°C. Excellent wetting was achieved and a pronounced reaction was observed between the fiber and the matrix alloy.

Эксперименты, выполненные при более низкой температуре (710°С) со сплавами LM20 и LM25, демонстрируют рекристаллизацию волокон и образование интерметаллических соединений на поверхности раздела волокна и матрицы (Фиг. 16 и Фиг. 17). Наблюдаемые феномены, по-видимому, согласуются с наблюдениями при 720°С, описанными выше.Experiments performed at lower temperature (710° C.) with LM20 and LM25 alloys demonstrate fiber recrystallization and formation of intermetallic compounds at the fiber/matrix interface (FIG. 16 and FIG. 17). The observed phenomena seem to agree with the observations at 720°C described above.

Сплавы LM20 и LM25 (которые являются наиболее распространенными литейными сплавами, и именно поэтому их чаще всего использовали в экспериментальной процедуре) исследовали также при 690°С. При этой температуре уже была видна рекристаллизация на крае волокна, однако интерметаллические соединения (образующиеся перпендикулярно к краям волокон) сохраняют морфологию типа «китайского почерка», а не приобретают более полиэдрическую морфологию, как показано на Фиг. 18.Alloys LM20 and LM25 (which are the most common casting alloys, and that is why they were most often used in the experimental procedure) were also investigated at 690°C. At this temperature, recrystallization at the fiber edge was already visible, however, the intermetallic compounds (formed perpendicular to the fiber edges) retain the "Chinese handwriting" type morphology rather than becoming more polyhedral morphology, as shown in FIG. eighteen.

Фактически эффект температуры, по-видимому, в большей степени связан с кристаллической структурой образующихся интерметаллических соединений:In fact, the effect of temperature seems to be more related to the crystal structure of the resulting intermetallic compounds:

- при 690°С - «китайский почерк»;- at 690°C - "Chinese handwriting";

- при 710°С/720°С - полиэдрическая структура;- at 710°С/720°С - polyhedral structure;

- выше 720°С - блочная структура.- above 720°С - block structure.

Тем не менее, взаимодействие между волокнами и матрицей остается тем же самым, и связь между реакцией волокно/матрица и образованием интерметаллических соединений, по-видимому, остается неизменной.However, the interaction between the fibers and the matrix remains the same, and the relationship between the fiber/matrix reaction and the formation of intermetallic compounds appears to remain unchanged.

Для оценки важности состава волокон для их потенциальной смачиваемости и химической реакции с матрицей такому же испытанию были подвергнуты волокна, легированные марганцем (Mn). Добавленные к LM20 при 720°С волокна смачивались и реагировали так же, как в предыдущем эксперименте. Фиг. 19 демонстрирует обогащенные Mn волокна, смоченные расплавом LM20, полученным при 720°С.Manganese (Mn) doped fibers were subjected to the same test to evaluate the importance of fiber composition for their potential wettability and chemical reaction with the matrix. The fibers added to LM20 at 720°C were wetted and reacted in the same way as in the previous experiment. Fig. 19 shows Mn-rich fibers wetted with LM20 melt made at 720°C.

В отдельном эксперименте расплав AMOFe с добавлением 5 масс. % волокон получили при 780°С, 750°С и 720°С. Фиг. 20 демонстрирует микрофотографии композитного материала, полученного при этих температурах. Можно видеть, что при всех температурах существует тенденция к образованию интерметаллических соединений, окружающих волокна. Однако из-за высокого содержания железа в этом случае интерметаллические соединения проявляют тенденцию к блочной морфологии.In a separate experiment, an AMOFe melt with the addition of 5 wt. % fibers were obtained at 780°C, 750°C and 720°C. Fig. 20 shows photomicrographs of a composite made at these temperatures. It can be seen that at all temperatures there is a tendency for the formation of intermetallic compounds surrounding the fibers. However, due to the high iron content in this case, the intermetallic compounds tend to block morphology.

Выводы:Findings:

Исследования диапазона температур показали, что в присутствии расплавленного или частично расплавленного металла протекают две реакции:Temperature range studies have shown that two reactions occur in the presence of molten or partially molten metal:

- Волокна начинают рекристаллизоваться с образованием химически активной оксидной краевой зоны, которая запускает образование интерметаллических соединений в матрице;- The fibers begin to recrystallize with the formation of a chemically active oxide edge zone, which triggers the formation of intermetallic compounds in the matrix;

- Химическая реакция также протекает на поверхности раздела, кремний и железо диффундируют из волокон, способствуя образованию интерметаллических соединений, тогда как алюминий диффундирует в волокна, ускоряя образование оксидного слоя, который способствует образованию интерметаллических соединений.- A chemical reaction also occurs at the interface, silicon and iron diffuse out of the fibers, promoting the formation of intermetallic compounds, while aluminum diffuses into the fibers, accelerating the formation of an oxide layer, which promotes the formation of intermetallic compounds.

- Различные кристаллические структуры образующихся IMC, а именно - дендритная, полиэдрическая и блочная, формируются при различных температурах обработки.- Different crystal structures of the resulting IMC, namely, dendritic, polyhedral and block, are formed at different processing temperatures.

2.4. Распределение волокон - скорость перемешивания в об/мин и время перемешивания2.4. Fiber distribution - agitation speed in rpm and agitation time

Распределение и общее смачивание волокон внутри матричного сплава определяются скоростью перемешивания, временем перемешивания и применением ультразвуковой обработки. Время контакта так же является фактором, поскольку слишком длительное пребывание в расплаве вызывает полную рекристаллизацию волокон. Были испытаны различные скорости перемешивания с оптимумом, лежавшим в диапазоне от 500 об/мин до 1000 об/мин. Более высокие скорости вращения обеспечивают более гомогенное распределение, но при этом волокна могут сломаться, а в экстремальных условиях такие скорости могут привести к образованию несмачиваемого порошка. Фиг. 21А и Фиг. 21В демонстрируют образец на основе LM25 после перемешивания в течение 10 минут со скоростью, равной 500 об/мин, Фиг. 21С демонстрирует сплав LM20 после перемешивания в течение 10 минут со скоростью, равной 1000 об/мин. Более длительное время перемешивания является полезным, но оно не может превышать время взаимодействия, определенное в разделе 2.5. Эффект применения обработки ультразвуком виден из Фиг. 22. Она демонстрирует образец, полученный при использовании перемешивания в течение 10 минут со скоростью, равной 500 об/мин, без обработки ультразвуком. Очень хорошо видно, что волокна все еще агломерированы, что значительно снижает механические свойства. Поэтому перемешивание является необходимой стадией (что было показано в разделе 2.3), тогда как обработка ультразвуком является предпочтительной стадией. Фиг. 23 демонстрирует эффект времени перемешивания на распределение волокон. Фиг. 23А демонстрирует сплав LM20 после перемешивания в течение 10 минут, Фиг. 23В демонстрирует тот же сплав после перемешивания в течение 20 минут. Фиг. 23С демонстрирует данные по проценту волокон, присутствующих на оптической микрофотографии. Это подтверждает улучшение проникновения волокон в расплав и гомогенное распределение волокон в матрице при перемешивании в течение 20 минут.The distribution and overall wetting of the fibers within the matrix alloy is determined by the stirring speed, stirring time and the application of ultrasonic treatment. Contact time is also a factor, as too long a residence time in the melt causes complete recrystallization of the fibers. Various stirring speeds were tested with the optimum being in the range of 500 rpm to 1000 rpm. Higher rotation speeds provide a more homogeneous distribution, but the fibers can break, and in extreme conditions such speeds can lead to the formation of a non-wettable powder. Fig. 21A and FIG. 21B shows the LM25 based sample after mixing for 10 minutes at 500 rpm, FIG. 21C shows alloy LM20 after mixing for 10 minutes at 1000 rpm. A longer mixing time is useful, but it cannot exceed the interaction time defined in section 2.5. The effect of applying sonication is seen from FIG. 22. She shows a sample obtained using agitation for 10 minutes at 500 rpm without sonication. It is very clearly seen that the fibers are still agglomerated, which significantly reduces the mechanical properties. Therefore mixing is a necessary step (as shown in section 2.3), while sonication is the preferred step. Fig. 23 shows the effect of mixing time on fiber distribution. Fig. 23A shows the LM20 alloy after mixing for 10 minutes, FIG. 23B shows the same alloy after mixing for 20 minutes. Fig. 23C shows data on the percentage of fibers present in the optical micrograph. This confirms the improvement in the penetration of the fibers into the melt and the homogeneous distribution of the fibers in the matrix with stirring for 20 minutes.

Выводы:Findings:

- Перемешивание базальтовых волокон в расплаве является необходимой стадией.- Mixing of basalt fibers in the melt is a necessary step.

- Предпочтительным является перемешивание в течение периода времени, лежащего в диапазоне от 10 минут до 20 минут.- Mixing is preferred for a period of time ranging from 10 minutes to 20 minutes.

- Перемешивание в течение длительного периода времени предпочтительно для обеспечения хорошего распределения волокон.- Stirring for a long period of time is preferable to ensure good fiber distribution.

- Ультразвуковая кавитация является улучшающей стадией, которая является полезной для получения отливок, не имеющих дефектов, и помогает разделить комки волокон.- Ultrasonic cavitation is an enhancement step that is useful for producing defect-free castings and helps to separate fiber clumps.

2.5. Время экспозиции2.5. Exposure time

Серии экспериментов с погружением выполнили с целью исследования влияния расплавленного алюминия на базальтовые волокна. Для проведения этих испытаний приготовили расплав LM20 и выдерживали его при температуре, равной 700°С. Базальтовые волокна приготовили и упорядочили перед погружением в расплавленный металл и выдерживали в металле в течение предварительно определенного периода времени (5 минут, 10 минут и 30 минут). Затем волокна вынимали из расплава и давали им остыть, после чего изготавливали образцы и анализировали их посредством SEM. EDS сканы по площади волокон показали, что имеет место значительная диффузия из волокна в окружающий металл, а также из окружающего расплава в волокно. Фиг. 24 демонстрирует анализ по площади на алюминий и кремний. Изображение показывает высокое содержание кремния и дефицит алюминия в волокне уже через 5 минут (Фиг. 24А). Через 10 минут (Фиг. 24В) волокно рекристаллизуется на поверхности раздела волокна и матрицы и начинается миграция элементов. Волокно медленно накапливает алюминий и теряет кремний. Через 30 минут волокно почти полностью преобразовано (Фиг. 24С). Эти эксперименты показывают, что время экспозиции базальтовых волокон является важным фактором для получения предпочтительной химии в конечном полученном композитном материале. В идеале время экспозиции должно составлять по меньшей мере от 5 минут до 10 минут, чтобы обеспечить начало химических реакций, и в идеале оно должно не превышать 30 минут для предотвращения полного преобразования волокон.A series of immersion experiments were performed to investigate the effect of molten aluminum on basalt fibers. For these tests, an LM20 melt was prepared and kept at a temperature of 700°C. The basalt fibers were prepared and ordered before being immersed in the molten metal and kept in the metal for a predetermined period of time (5 minutes, 10 minutes and 30 minutes). The fibers were then removed from the melt and allowed to cool, after which samples were made and analyzed by SEM. EDS scans over the area of the fibers showed that there was significant diffusion from the fiber into the surrounding metal, as well as from the surrounding melt into the fiber. Fig. 24 shows area analysis for aluminum and silicon. The image shows a high content of silicon and a deficiency of aluminum in the fiber after only 5 minutes (Fig. 24A). After 10 minutes (FIG. 24B), the fiber recrystallizes at the fiber/matrix interface and element migration begins. The fiber slowly accumulates aluminum and loses silicon. After 30 minutes, the fiber is almost completely converted (Fig. 24C). These experiments show that the exposure time of the basalt fibers is an important factor in obtaining the preferred chemistry in the final resulting composite material. Ideally, the exposure time should be at least 5 minutes to 10 minutes to allow chemical reactions to begin, and ideally it should not exceed 30 minutes to prevent complete conversion of the fibers.

Чтобы понять реакцию волокон в LM25, была выполнена небольшая серия отливок при времени экспозиции, равном 5 минутам, 10 минутам, 30 минутам и 80 минутам. Фиг. 25 демонстрирует оптические микрофотографии образцов LM25 после различных периодов экспозиции. Видно, что реакции начинаются уже по истечении 3 минут (Фиг. 25А), и что волокно почти полностью кристаллизуется через 30 минут (Фиг. 25С и Фиг. 25D). Из этих экспериментов очевидно, что реакции происходят очень быстро, и они определяют, насколько быстро будет полностью преобразовано волокно. Время экспозиции для сплава LM25 должно быть больше 3 минут, но меньше 30 минут.To understand the response of the fibers in the LM25, a small series of casts were made at exposure times of 5 minutes, 10 minutes, 30 minutes and 80 minutes. Fig. 25 shows optical micrographs of LM25 samples after various exposure periods. It can be seen that reactions start already after 3 minutes (FIG. 25A) and that the fiber is almost completely crystallized after 30 minutes (FIG. 25C and FIG. 25D). It is clear from these experiments that the reactions are very fast and they determine how quickly the fiber will be completely converted. The exposure time for LM25 alloy should be greater than 3 minutes but less than 30 minutes.

Выводы:Findings:

- Из экспериментов, описанных выше, можно определить время экспозиции. Определение времени экспозиции: время экспозиции при добавлении базальтовых волокон в идеале должно быть дольше 5 минут, но короче 30 минут, чтобы гарантировать начало реакций, но чтобы аморфная сердцевина волокна осталась интактной в оболочке из кристаллизованного материала.- From the experiments described above, the exposure time can be determined. Exposure Time Determination: The exposure time when adding basalt fibers should ideally be longer than 5 minutes, but shorter than 30 minutes, to ensure that reactions start but that the amorphous core of the fiber remains intact in the sheath of crystallized material.

3.0. РЕАКЦИИ ЭЛЕМЕНТОВ СПЛАВА (SI. FE, TI, CU, NI, MG)3.0. REACTIONS OF ALLOY ELEMENTS (SI. FE, TI, CU, NI, MG)

3.1. Исследование реакции между алюминиевыми сплавами и базальтовыми волокнами3.1. Study of the reaction between aluminum alloys and basalt fibers

Ранее описанные эксперименты по времени экспозиции и массовому % волокон послужили основой для экспериментов с реакциями элементов, описанных в этой главе. Необходимо добавить подходящее количество волокон, но не слишком много, чтобы не помешать перемешиванию малого объема расплава. Добавление и перемешивание в идеале также должно быть завершено за относительно короткое время, т.е. общее время взаимодействия не должно превышать 30 минут. Это проиллюстрировано ниже на Фиг. 26 для реакции с кремнием. Через 5 минут волокна не обнаруживают видимой реакции с горячим алюминием. Однако через 10 минут (Фиг. 26В) волокно начинает кристаллизоваться, прежде всего - на поверхности раздела матрицы и волокна, тогда как сердцевина волокна остается аморфной. После самого длительного времени взаимодействия (30 минут) волокно подвергается выраженной кристаллизации, и сохраняется лишь небольшая часть аморфной сердцевины, как показано на Фиг. 26С.The previously described exposure time and fiber mass % experiments provided the basis for the elemental response experiments described in this chapter. A suitable amount of fibers should be added, but not too much so as not to interfere with mixing of the small volume of melt. The addition and mixing should ideally also be completed in a relatively short time, i.e. the total interaction time should not exceed 30 minutes. This is illustrated below in FIG. 26 for reaction with silicon. After 5 minutes, the fibers show no visible reaction with hot aluminum. However, after 10 minutes (FIG. 26B), the fiber begins to crystallize, primarily at the interface between the matrix and fiber, while the core of the fiber remains amorphous. After the longest interaction time (30 minutes), the fiber undergoes pronounced crystallization and only a small portion of the amorphous core is retained, as shown in FIG. 26C.

Выводы:Findings:

- Последовательность и время добавления волокон важны для успешного получения композитного материала.- The sequence and timing of adding fibers is important for the successful production of a composite material.

- Общее время взаимодействия волокон и расплава в идеале не должно превышать 30 минут.- The total interaction time of the fibers and the melt should ideally not exceed 30 minutes.

- Волокна реагируют очень быстро, реакция наблюдается уже через 3 минуты.- The fibers react very quickly, the reaction is observed after 3 minutes.

3.2. Исследование эффектов различных элементов сплава3.2. Investigation of the effects of various alloy elements

Описанные ниже эксперименты были выполнены с целью выявления реакций, протекающих в композитном материале между основными элементами сплава и добавленными армирующими базальтовыми волокнами. В этой серии экспериментов использовали стандартный способ. В каждом эксперименте были выполнены следующие стадии:The experiments described below were performed in order to identify the reactions occurring in the composite material between the main elements of the alloy and the added reinforcing basalt fibers. In this series of experiments, the standard method was used. In each experiment, the following steps were performed:

1. Выбирали сплав для эксперимента на основании концентрации основного элемента сплава. Различные сплавы имели высокую долю специфических элементов (Fe, Ni, Mg, Ti, Cu).1. The alloy for the experiment was chosen based on the concentration of the main element of the alloy. Various alloys had a high proportion of specific elements (Fe, Ni, Mg, Ti, Cu).

2. 40 г выбранного сплава нагревали в печи в течение 1 часа при 800°С.2. 40 g of the selected alloy was heated in an oven for 1 hour at 800°C.

3. Добавляли примерно 5 масс. % базальтовых волокон. Добавление большого объема волокон необходимо для обеспечения подходящего процентного содержания смоченных волокон для наблюдения реакции на поверхности раздела.3. Approximately 5 wt. % basalt fibers. The addition of a large volume of fibers is necessary to provide a suitable percentage of wetted fibers to observe reaction at the interface.

4. Ручное перемешивание расплава и волокон выполняли в течение 10 минут (обработку ультразвуком не производили).4. Manual mixing of the melt and fibers was performed for 10 minutes (no sonication was performed).

5. После добавления волокон и перемешивания расплав оставляли в печи на 0,5 часа при 800°С.5. After adding the fibers and mixing, the melt was left in the oven for 0.5 hours at 800°C.

6. Тигель вынимали из печи и оставляли для остывания в условиях окружающей среды.6. The crucible was removed from the furnace and left to cool under ambient conditions.

3.2.1. Железо (Fe): Al90-Fe8-Si13.2.1. Iron (Fe): Al90-Fe8-Si1

Алюминиевый сплав с высоким содержанием железа (Al90-Fe8-Si1) был выбран для исследования реакций, происходящих между волокнами и матричным сплавом. Фиг. 27 демонстрирует базальтовые волокна, инкапсулированные в интерметаллическом соединении в форме большого блока. Серия спектров была получена для оценки состава различных областей в пределах микрофотографии. Фиг. 27В демонстрирует состав большого интерметаллического блока (светлая область), который преимущественно состоит из алюминия и железа. Фиг. 27С и Фиг. 27D демонстрируют сердцевину волокна (С) и оболочку волокна (D).A high iron aluminum alloy (Al90-Fe8-Si1) was chosen to study the reactions that take place between the fibers and the matrix alloy. Fig. 27 shows basalt fibers encapsulated in an intermetallic compound in the form of a large block. A series of spectra was obtained to evaluate the composition of different regions within the micrograph. Fig. 27B shows the composition of a large intermetallic block (light area), which is predominantly composed of aluminum and iron. Fig. 27C and FIG. 27D show the fiber core (C) and the fiber cladding (D).

Выводы:Findings:

- Фиг. 27 демонстрирует образование блочного интерметаллического соединения вокруг двух базальтовых волокон и полученные EDS спектры, отображающие элементный состав.- Fig. 27 shows the formation of a blocky intermetallic compound around two basalt fibers and the resulting EDS spectra showing the elemental composition.

- По-видимому, базальтовые волокна реагируют с богатыми железом интерметаллическими соединениями, что вызывает изменение их формы (от игольчатой формы к блочной форме в зависимости от температуры кристаллизации интерметаллических соединений) и рекристаллизацию волокон.- Apparently, basalt fibers react with iron-rich intermetallic compounds, which causes a change in their shape (from an acicular shape to a block shape, depending on the crystallization temperature of intermetallic compounds) and recrystallization of the fibers.

3.2.2. Никель (Ni): Al8-Ni23.2.2. Nickel (Ni): Al8-Ni2

Алюминиевый сплав с высоким содержанием никеля был выбран для исследования реакций, происходящих между волокнами и матричным сплавом. Сплавы с высоким содержанием никеля сами являются крупноблочными интерметаллическими соединениями. Фиг. 28А демонстрирует изображение при малом увеличении сплава после его обработки при 800°С. Фиг. 28В демонстрирует изображение при большем увеличении базальтового волокна, инкапсулированного в крупноблочном интерметаллическом соединении. Фиг. 28С и Фиг. 28D демонстрируют соответствующие спектры для EDS анализа.A high nickel aluminum alloy was chosen to study the reactions that take place between the fibers and the matrix alloy. Alloys with a high nickel content are themselves coarse-grained intermetallic compounds. Fig. 28A shows a low magnification image of the alloy after it has been processed at 800°C. Fig. 28B shows a high magnification image of a basalt fiber encapsulated in a coarse block intermetallic compound. Fig. 28C and FIG. 28D show the corresponding spectra for EDS analysis.

В случае реакции со сплавами с высоким содержанием никеля базальтовые волокна вызывают образование гораздо больших интерметаллических фаз, чем в других алюминиевых сплавах. Фиг. 28Е и Фиг. 28F демонстрируют детальное изображение и EDS анализ базальтового волокна с интерметаллическими соединениями, зарождающимися из кристаллизованной оболочки, тогда как сердцевина волокна выглядит аморфной.When reacted with alloys with a high nickel content, basalt fibers cause the formation of much larger intermetallic phases than in other aluminum alloys. Fig. 28E and FIG. 28F show a detailed image and EDS analysis of a basalt fiber with intermetallic compounds originating from a crystallized shell, while the core of the fiber appears amorphous.

Выводы:Findings:

- Интерметаллические никелевые соединения обнаруживаются в форме крупных блоков.- Intermetallic nickel compounds are found in the form of large blocks.

- Интерметаллические соединения зарождаются и растут из кристаллизованной оболочки волокна.- Intermetallic compounds originate and grow from the crystallized fiber sheath.

- Взаимодействие между волокнами и матрицей запускает нуклеацию интерметаллических соединений.- The interaction between the fibers and the matrix triggers the nucleation of intermetallic compounds.

- В случае реакции со сплавами с высоким содержанием никеля базальтовые волокна вызывают образование больших интерметаллических фаз по сравнению с интерметаллическими фазами, обнаруживаемыми в других алюминиевых сплавах.- When reacted with high nickel alloys, basalt fibers cause the formation of large intermetallic phases compared to the intermetallic phases found in other aluminum alloys.

3.2.3. Титан (Ti): Al65-Ti353.2.3. Titanium (Ti): Al65-Ti35

Исследование реакции между волокнами и матрицей в алюминиевых сплавах с высоким содержанием титана показывает, что и в этом случае волокна рекристаллизуются и образуют краевую зону, состоящую из оксида алюминия (Фиг. 29). Вблизи поверхности волокна виден небольшой интерметаллический рост (зона 4). Однако, как и в случае кремния, волокно, по-видимому, не несет прямой ответственности за образование алюминидных интерметаллических соединений.A study of the reaction between the fibers and the matrix in aluminum alloys with a high titanium content shows that in this case, too, the fibers recrystallize and form an edge zone consisting of aluminum oxide (Fig. 29). A small intermetallic growth is visible near the fiber surface (zone 4). However, as in the case of silicon, the fiber does not appear to be directly responsible for the formation of aluminide intermetallic compounds.

Выводы:Findings:

- Волокна в этой системе сплава, по-видимому, не реагируют с образованием центров кристаллизации интерметаллических соединений- The fibers in this alloy system do not appear to react to form crystallization centers of intermetallic compounds

- Оксид алюминия (глинозем) образуется по краю волокна, как и в других сплавах.- Alumina (alumina) is formed along the edge of the fiber, as in other alloys.

3.2.4. Алюминий коммерческой чистоты: LM03.2.4. Commercial Grade Aluminum: LM0

Не был проведен элементный анализ, поскольку волокна производили впечатление рекристаллизованных и не образовывали интерметаллических соединений. Фиг. 30 демонстрирует успешно смоченные волокна внутри LM0 матричного материала. На этой стадии, по-видимому, не происходит никаких реакций, вызывающих нуклеацию и рост интерметаллических соединений, окружающих волокно.Elemental analysis was not performed because the fibers appeared to be recrystallized and did not form intermetallic compounds. Fig. 30 shows successfully wetted fibers within an LM0 matrix material. At this stage, apparently, no reactions occur that cause the nucleation and growth of intermetallic compounds surrounding the fiber.

3.2.5. Алюминиевый литейный сплав LM20: Al-SH23.2.5. Aluminum casting alloy LM20: Al-SH2

Литейный сплав LM20 сходен с LM25 (далее в разделе 3.2.6), за исключением немного более высокого содержания кремния. Эксперимент с погружением, проведенный при температуре, лежавшей в диапазоне от 700°С до 730°С, показал реакцию между кремнием и алюминием в матрице и в волокнах. Волокно вначале содержит мало алюминия и захватывает алюминий; однако волокно вначале также содержит много кремния и отдает небольшое его количество в матрицу. По сравнению с LM25 в этом случае матрица содержит больше кремния, поэтому диффузия кремния из волокна ограничена, так как сплав содержит почти максимально возможное количество кремния. Фиг. 31 демонстрирует EDS карту, полученную для эксперимента с погружением. Как видно, матрица уже вначале содержит высокий процент кремния, диспергированного в сплаве (указано белой буквой А). На Фиг. 31С имеются более явные области с высоким содержанием кремния, выступающие из поверхности раздела волокна и матрицы. Этот феномен является триггером образования интерметаллических соединений; оптическую микрофотографию сплава LM20 с добавленным армирующим материалом можно видеть на Фиг. 32. Волокно вступило в реакцию со сплавом и генерировало блочные IMC, окружающие волокно.Cast alloy LM20 is similar to LM25 (further in section 3.2.6), except for a slightly higher silicon content. An immersion experiment carried out at a temperature ranging from 700° C. to 730° C. showed a reaction between silicon and aluminum in the matrix and in the fibers. The fiber initially contains little aluminum and captures aluminum; however, the fiber initially also contains a lot of silicon and releases a small amount of it into the matrix. Compared to LM25, in this case, the matrix contains more silicon, so the diffusion of silicon from the fiber is limited, since the alloy contains almost the maximum amount of silicon. Fig. 31 shows the EDS map obtained for the dive experiment. As can be seen, the matrix already initially contains a high percentage of silicon dispersed in the alloy (indicated by the white letter A). On FIG. 31C, there are more pronounced areas of high silicon content protruding from the interface between the fiber and the matrix. This phenomenon is a trigger for the formation of intermetallic compounds; an optical micrograph of the LM20 alloy with the reinforcing material added can be seen in FIG. 32. The fiber reacted with the alloy and generated blocky IMCs surrounding the fiber.

Выводы:Findings:

- Высокое содержание кремния в сплаве снижает потерю кремния из волокон, однако этот диффузионный феномен все еще действует в качестве триггера нуклеации и образования IMC вокруг оболочки волокна.- The high silicon content of the alloy reduces the loss of silicon from the fibers, however this diffusion phenomenon still acts as a trigger for nucleation and IMC formation around the fiber cladding.

3.2.6. Алюминиевый литейный сплав LM25: Al-Si7,53.2.6. Aluminum casting alloy LM25: Al-Si7.5

Образцы, полученные с использованием LM25 в качестве матричного сплава, испытали на образование интерметаллических соединений. При высокой доле присутствующего кремния (однако меньшей, чем в случае LM20 (Al-SM2)) наблюдали такую же миграцию алюминия и кремния. Фиг. 33 демонстрирует оптические микрофотографии базальтовых волокон внутри матрицы. Фиг. 33А и Фиг. 33В демонстрируют образование интерметаллических соединений, обогащенных кремнием, вокруг оболочки волокна. Фиг. 33С демонстрирует интерметаллическое соединение, прикрепленное к волокну, обнаруженное на поверхности излома после испытания на растяжение. Фиг. 34 иллюстрирует EDS картирование и EBSD картирование, показывающие локальную концентрацию кремния в волокне и вокруг волокна. Фиг. 34В демонстрирует EDS карту для кремния, в верхнем правом углу видно образование интерметаллического соединения кремния и алюминия, окружающего волокно (показано стрелкой). Фиг. 34С демонстрирует EBSB карту этой области. Погружение волокон в расплав привело к появлению рекристаллизованных зон (зон мелких кристаллов). Меньшая концентрация кремния в матрице в этом случае позволяет дополнительную диффузию кремния на поверхность раздела, способствующую образованию интерметаллических соединений.Samples prepared using LM25 as the matrix alloy were tested for the formation of intermetallic compounds. At a high proportion of silicon present (but less than in the case of LM20 (Al-SM2)) the same migration of aluminum and silicon was observed. Fig. 33 shows optical micrographs of basalt fibers inside a matrix. Fig. 33A and FIG. 33B show the formation of silicon-rich intermetallic compounds around the fiber cladding. Fig. 33C shows an intermetallic compound attached to a fiber found on a fracture surface after a tensile test. Fig. 34 illustrates EDS mapping and EBSD mapping showing local silicon concentration in and around the fiber. Fig. 34B shows an EDS map for silicon, the formation of an intermetallic compound of silicon and aluminum surrounding the fiber is visible in the upper right corner (shown by an arrow). Fig. 34C shows an EBSB map of this area. The immersion of the fibers into the melt led to the appearance of recrystallized zones (zones of small crystals). The lower concentration of silicon in the matrix in this case allows additional diffusion of silicon to the interface, which promotes the formation of intermetallic compounds.

Выводы:Findings:

- Присутствие волокон в матрице и процесс их рекристаллизации способствуют диффузии кремния на поверхность раздела волокна и матрицы, которая запускает образование полиэдрических интерметаллических соединений, функционирующих в качестве якоря между волокнами и матрицей.- The presence of the fibers in the matrix and the process of their recrystallization contribute to the diffusion of silicon to the interface between the fiber and the matrix, which triggers the formation of polyhedral intermetallic compounds that function as an anchor between the fibers and the matrix.

3.2.7. Медь (Cu): LM123.2.7. Copper (Cu): LM12

Волокна демонстрируют полную рекристаллизацию, и интерметаллическое соединение - медно-алюминиевый силицид (Фиг. 35В) - кристаллизуется перпендикулярно волокну (Фиг. 35А).The fibers show complete recrystallization and the copper-aluminum silicide intermetallic compound (FIG. 35B) crystallizes perpendicular to the fiber (FIG. 35A).

Выводы:Findings:

- В данном случае, как и в других сплавах, волокно рекристаллизуется, а кремний диффундирует в матрицу, запуская кристаллизацию волокна.- In this case, as in other alloys, the fiber recrystallizes, and silicon diffuses into the matrix, starting the crystallization of the fiber.

3.3. Магний (Mg): AZ91 (2,5 масс. %)3.3. Magnesium (Mg): AZ91 (2.5 mass%)

Базальтовые волокна были успешно добавлены к магниевому сплаву; этот сплав обозначают как AZ91, и поэтому основными элементами сплава являются алюминий (9%) и цинк (1%). AZ91 поместили в стальной тигель и плавили при 730°С в течение 3 часов. В качестве защитного газа использовали гексафторид серы (SF6). Температура при перемешивании была равна 678°С.5 масс. % базальтовых волокон добавили и перемешивали со скоростью вращения, равной 350 об/мин, в течение 5 минут. Ультразвуковую кавитацию выполнили на смеси в течение 5 минут. После завершения смесь нагрели до температуры отливки, равной 667°С, и отлили без применения давления в форму типа «книга» для получения металлургических образцов.Basalt fibers have been successfully added to magnesium alloy; this alloy is referred to as AZ91, and therefore the main elements of the alloy are aluminum (9%) and zinc (1%). AZ91 was placed in a steel crucible and melted at 730°C for 3 hours. Sulfur hexafluoride (SF 6 ) was used as a protective gas. The temperature during stirring was equal to 678°C.5 wt. % basalt fibers were added and mixed at 350 rpm for 5 minutes. Ultrasonic cavitation was performed on the mixture for 5 minutes. After completion, the mixture was heated to a casting temperature of 667° C. and cast without pressure into a book-type mold to obtain metallurgical specimens.

Магний и алюминий составляют 99% материала в сплаве, и оба элемента присутствуют в волокне, так что реакция была ожидаемой. Наблюдали образование интерметаллических соединений, как показано на Фиг. 36А-36С и Фиг. 37. Анализ линейных EDX сканов показал, что IMC обогащены Al и Fe (Фиг. 37). Была достигнута хорошая смачиваемость при по существу гомогенном распределении, как показано на Фиг. 38. Некоторые начальные механические свойства магниевого композитного материала представлены в Таблице 3.3.1.Magnesium and aluminum make up 99% of the material in the alloy, and both elements are present in the fiber, so the reaction was expected. The formation of intermetallic compounds was observed as shown in FIG. 36A-36C and FIG. 37. Analysis of the linear EDX scans showed that the IMCs are enriched in Al and Fe (Fig. 37). Good wettability was achieved with a substantially homogeneous distribution as shown in FIG. 38. Some of the initial mechanical properties of the magnesium composite material are presented in Table 3.3.1.

Figure 00000007
Figure 00000007

Figure 00000008
Figure 00000008

Несмотря на хорошее распределение волокон, было обнаружено, что механические свойства снижаются, за исключением твердости, которая увеличилась с 54,45 до 68,1 и с 64 до 75,5. Поскольку твердость возрастает, наблюдаемое снижение механических свойств можно объяснить дефектами отливок, возникшими во время производственного процесса.Despite the good fiber distribution, the mechanical properties were found to decrease, except for the hardness, which increased from 54.45 to 68.1 and from 64 to 75.5. As hardness increases, the observed reduction in mechanical properties can be attributed to casting defects that occur during the manufacturing process.

Фиг. 39 демонстрирует SEM изображение IMC, образующихся вокруг волокон так же, как и в предыдущих экспериментах с алюминиевой матрицей. EDS анализ показал, что эти IMC содержат много оксидов магния и алюминия, но также содержат небольшое количество железа и марганца.Fig. 39 shows an SEM image of IMCs forming around fibers in the same way as in previous aluminum matrix experiments. EDS analysis showed that these IMCs were high in magnesium and aluminum oxides, but also contained small amounts of iron and manganese.

Выводы:Findings:

- Так же, как в случае с образованием оксида алюминия в разделе 3.2.4 (LM0), волокна содержат оксид магния, и поэтому образуются интерметаллические соединения на основе магния.- Just as in the case of the formation of alumina in section 3.2.4 (LM0), the fibers contain magnesium oxide, and therefore magnesium-based intermetallic compounds are formed.

- Одним из основных элементов сплава является алюминий, поэтому ожидается образование оксида алюминия/шпинели.- One of the main elements of the alloy is aluminum, so alumina/spinel formation is expected.

3.4. Смешанные сплавы3.4. mixed alloys

Показано, что базальтовые волокна реагируют с элементами сплава, которые присутствуют в базальтовых волокнах; при этом испытания провели так, что каждый раз исследовали только один элемент. Добавление более чем одного из этих элементов обеспечивает сходные результаты, вокруг поверхности раздела волокна и матрицы образуется несколько интерметаллических соединений, которые обогащены конкретным материалом, присутствующим одновременно в волокне и матрице, например - при добавлении Al65-Ti35 к Al8-Ni2. Фиг. 40 демонстрирует микрофотографию образования интерметаллических соединений вокруг волокон внутри этого смешанного сплава. Как и ожидалось, присутствует интерметаллическое соединение в форме большого блока совместно со слоем оксида по краю волокон. Полагают, что образование этой фазы отвечает за запуск нуклеации интерметаллического соединения за счет выделения кремния из волокон. Если в матрице очень мало кремния, то весь кремний диффундирует, и интерметаллические соединения являются алюминидами, если же кремний присутствует в матрице в более высокой концентрации, то добавление кремния, диффундирующего из волокон, приводит к образованию силицидных интерметаллических соединений. Во всех случаях образующиеся интерметаллические соединения являются полиэдрическими при температурах ниже 750°С и блочными, если температура расплава превышает 750°С. Во всех случаях процентное содержание игольчатых интерметаллических соединений является крайне ограниченным.It is shown that basalt fibers react with alloy elements that are present in basalt fibers; however, the tests were carried out so that each time only one element was examined. The addition of more than one of these elements provides similar results, several intermetallic compounds are formed around the interface of the fiber and matrix, which are enriched with a specific material present simultaneously in the fiber and matrix, for example, when Al65-Ti35 is added to Al8-Ni2. Fig. 40 shows a photomicrograph of the formation of intermetallic compounds around fibers within this mixed alloy. As expected, there is an intermetallic compound in the form of a large block, together with an oxide layer at the edge of the fibers. It is believed that the formation of this phase is responsible for triggering the nucleation of the intermetallic compound due to the release of silicon from the fibers. If there is very little silicon in the matrix, then all silicon diffuses, and the intermetallic compounds are aluminides; if silicon is present in the matrix in a higher concentration, then the addition of silicon diffusing from the fibers leads to the formation of silicide intermetallic compounds. In all cases, the formed intermetallic compounds are polyhedral at temperatures below 750°C and block, if the melt temperature exceeds 750°C. In all cases, the percentage of acicular intermetallic compounds is extremely limited.

Выводы:Findings:

- Композиты, полученные из смешанных сплавов, обнаруживают реакции, ведущие к образованию IMC, и образование IMC после добавления волокон.- Composites made from mixed alloys show reactions leading to the formation of IMC and the formation of IMC after the addition of fibers.

4.0. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ4.0. STUDY OF MECHANICAL PROPERTIES

4.1. Испытание на растяжение4.1. Tensile test

Был проведен ряд механических испытаний для оценки эксплуатационных характеристик композитного материала. Первая серия испытаний была предназначена для оценки временного сопротивления при растяжении (предела прочности на разрыв) и условного предела текучести для определения начала пластической деформации в образце. Затем оценивали твердость полученного композитного материала.A number of mechanical tests were carried out to evaluate the performance of the composite material. The first series of tests was designed to evaluate the tensile strength (tensile strength) and the conditional yield strength to determine the onset of plastic deformation in the sample. Then, the hardness of the obtained composite material was evaluated.

Испытания для оценки способности металломатричного композитного материала (ММС) противостоять износу были выполнены с использованием испытания на абразивный износ при скольжении по сухой поверхности типа «палец-диск». Потери на износ рассчитывали по массе материала, потерянной после прохождения 250 м, 500 м и 750 м.Tests to evaluate the ability of a metal matrix composite (MMC) to resist wear were performed using a dry sliding abrasion test on a dry finger-disk surface. Wear losses were calculated from the mass of material lost after passing 250 m, 500 m and 750 m.

Во всех случаях результаты испытаний сравнивали с эталонными образцами, которые были изготовлены и обработаны таким же способом, что и ММС.In all cases, the test results were compared with reference samples, which were made and processed in the same way as the MMC.

Figure 00000009
Figure 00000009

Предел прочности на разрыв композитного материала оценивали относительно эталонного образца без добавления базальтовых волокон, но полученного тем же способом изготовления, что и образцы с базальтом. В Таблице 4.1.1 приведены данные для сплава LM25, а также отмечена необходимость применения ультразвуковой кавитации для достижения превосходной совокупности свойств. В Таблице 4.1.2 приведены результаты экспериментов со сплавом LM20, на основании этих результатов был определен оптимальный массовый % добавленных волокон, равный 2,5 масс. %. Этот образец показал наивысшее значение UTS и значимое возрастание условного предела текучести. Фиг. 41 демонстрирует кривые «напряжение/деформация» для образцов на основе LM25. Очевидно, что образец с добавлением 2,5 масс. % волокон имеет наилучшие эксплуатационные характеристики в том, что касается временного сопротивления растяжению и условного предела текучести, но за это приходится платить снижением достижимой деформации при разрыве.The tensile strength of the composite material was evaluated relative to a reference sample without the addition of basalt fibers, but obtained by the same manufacturing method as the samples with basalt. Table 4.1.1 shows the data for the LM25 alloy and also notes the need for ultrasonic cavitation to achieve an excellent combination of properties. Table 4.1.2 shows the results of experiments with LM20 alloy, based on these results, the optimal weight % of added fibers was determined to be 2.5 wt. %. This sample showed the highest UTS value and a significant increase in proof stress. Fig. 41 shows stress/strain curves for samples based on LM25. Obviously, the sample with the addition of 2.5 wt. % fibers have the best performance in terms of tensile strength and yield strength, but this comes at the cost of reduced achievable strain at break.

Исследовали временное сопротивление растяжению, и Фиг. 9А демонстрирует результаты для образцов сплава LM20 с добавлением различного количества волокон. Из результатов очевидно, что добавление 1 масс. % и 5 масс. % приводило к снижению UTS по сравнению с эталонными образцами. Единственным набором образцов, который показал возрастание UTS и, соответственно, наилучшие свойства, был набор образцов, содержавший 2,5 масс. % волокон.The tensile strength was examined, and FIG. 9A shows results for samples of LM20 alloy with different amounts of fibers added. It is clear from the results that the addition of 1 wt. % and 5 wt. % led to a decrease in UTS compared to the reference samples. The only set of samples that showed an increase in UTS and, accordingly, the best properties, was a set of samples containing 2.5 wt. % fibers.

Данные по условному пределу текучести показывают нагрузку, необходимую для начала пластической деформации образца. Результаты, показанные на Фиг. 9В, четко свидетельствуют, что большие масс. % добавленных волокон являются более благоприятными. Образцы с 5 масс. % и 2,5 масс. % волокон показывают условный предел текучести, который на 16,92% и 22,16% выше, чем у эталонного образца, но образец, содержащий 2,5 масс. % волокон, снова обладает наиболее благоприятными свойствами.The yield strength data shows the load required to initiate plastic deformation of the sample. The results shown in FIG. 9B clearly indicate that large masses. % added fibers are more favorable. Samples with 5 wt. % and 2.5 wt. % fibers show a conditional yield strength, which is 16.92% and 22.16% higher than that of the reference sample, but the sample containing 2.5 wt. % fibers, again has the most favorable properties.

Выводы:Findings:

- Предел текучести увеличивается при добавлении любого количества волокон.- The yield strength increases with the addition of any number of fibers.

- 2,5 масс. % волокон обеспечивают наибольшее возрастание предела текучести и возрастание UTS.- 2.5 wt. % fibers provide the greatest increase in yield strength and increase in UTS.

- UTS увеличен только при добавлении 2,5 масс. % волокон и снижен в образцах, содержащих 1 масс. % и 5 масс. % волокон.- UTS increased only by adding 2.5 wt. % fibers and reduced in samples containing 1 wt. % and 5 wt. % fibers.

4.2. Твердость4.2. Hardness

Данные, полученные при растяжении, подтверждаются также ожидаемыми результатами, полученными при испытании на твердость. Результаты испытаний на растяжение образцов на основе сплавов LM20 и LM25 показали, что некоторые образцы обнаруживают повышенную нагрузку при разрыве. Эти повышенные значения UTS демонстрируют увеличение твердости и снижение общей податливости материала. Результаты по твердости, представленные на Фиг. 9С, демонстрируют повышение твердости у образцов, содержащих 5 масс. % и 2,5 масс. % волокон, по сравнению с эталонным образцом.The tensile data is also supported by the expected results from the hardness test. The results of tensile testing of specimens based on LM20 and LM25 alloys showed that some specimens show an increased load at break. These increased UTS values demonstrate an increase in hardness and a decrease in the overall ductility of the material. The hardness results shown in Fig. 9C show an increase in hardness in samples containing 5 wt. % and 2.5 wt. % fibers compared to the reference sample.

Механические испытания демонстрируют повышение твердости и предела прочности на разрыв при добавлении волокон. Дополнительное улучшение обнаруживается при проведении дополнительной стадии обработки ультразвуком. Предполагают, что обработка ультразвуком способствует окончательному распределению волокон и минимизирует пористость, повышая общее качество конечной отливки.Mechanical tests demonstrate an increase in hardness and tensile strength with the addition of fibers. An additional improvement is found when an additional sonication step is carried out. It is believed that sonication promotes final fiber distribution and minimizes porosity, improving the overall quality of the final casting.

Выводы:Findings:

- Твердость возрастает по сравнению с эталонным образцом.- The hardness increases compared to the reference sample.

- Добавление 2,5 масс. % волокон обеспечивает наивысшую твердость материала.- Adding 2.5 wt. % of fibers provides the highest hardness of the material.

4.3. Износостойкость4.3. wear resistance

Испытание на износостойкость было проведено на образцах композитного материала на основе LM20, которые сравнивали с эталонным образцом без добавления базальта. Используя испытание на износостойкость типа «палец и диск» и соответствующие значения плотности материала (Фиг. 42), можно рассчитать скорость износа. Фиг. 43 демонстрирует графики, полученные в испытании на износостойкость, для эталонного образца и образцов, содержащих 5 масс. % и 2,5 масс. % волокон. Доказано, что результаты по износостойкости связаны с твердостью материала, более высокое значение твердости позволяет предположить соответствующее повышение износостойкости. Из графиков износа, показанных на Фиг. 43, и результатов, приведенных в Таблице 4.3.1, видно, что образцом с наилучшими характеристиками опять оказался образец с добавлением 2,5 масс. % волокон. Этот образец испытывает на 50% меньший абразивный износ, чем эталонный образец.The wear resistance test was carried out on LM20 based composite material samples, which were compared with a reference sample without basalt addition. Using the pin and disc wear test and the corresponding material densities (Fig. 42), the wear rate can be calculated. Fig. 43 shows graphs obtained in the wear test for the reference sample and samples containing 5 wt. % and 2.5 wt. % fibers. It has been proven that wear resistance results are related to the hardness of the material, a higher hardness value suggests a corresponding increase in wear resistance. From the wear curves shown in Fig. 43, and the results shown in Table 4.3.1, it can be seen that the sample with the best characteristics was again the sample with the addition of 2.5 wt. % fibers. This sample experiences 50% less abrasion than the reference sample.

Figure 00000010
Figure 00000010

При добавлении волокон видно явное повышение износостойкости. Исследование с использованием SEM показало, что не видно выступающих наружу волокон, что демонстрирует то, что образование интерметаллических соединений работает в качестве системы крепления для волокон.With the addition of fibers, a clear increase in wear resistance is seen. An SEM study showed that no outwardly protruding fibers were visible, demonstrating that the formation of intermetallic compounds works as a binding system for the fibers.

Выводы:Findings:

- Добавление 2,5 масс. % волокон обеспечивает наилучшую износостойкость.- Adding 2.5 wt. % fibers provide the best wear resistance.

- Композитный материал, содержащий базальт, обнаруживает повышенную износостойкость по сравнению с эталонным образцом LM20.- Composite material containing basalt shows improved wear resistance compared to the LM20 reference.

4.4. Коррозионная стойкость4.4. Corrosion resistance

Серия испытаний была выполнена для измерения коррозионной стойкости композита, как показано в Таблице 4.4.1. Использованные растворы имитировали потенциальные жесткие среды, с которыми может взаимодействовать композитный материал. Поскольку основным назначением материала является его использование в морской среде, то наиболее подходящими являются имитации соленой воды. Кроме одномолярного раствора соли, использовали растворы с концентрациями, равными 3,5% и 10%. Однако для испытаний в особенно жестких средах использовали раствор, содержавший соляную кислоту (HCl). Испытания, проведенные с использованием соленой воды, показали настолько низкую скорость коррозии образцов композитного материала, что предпочтительным оказался более агрессивный раствор HCl. Результаты испытаний с ускоренной коррозией при использовании HCl представлены в Таблице 4.4.2.A series of tests were carried out to measure the corrosion resistance of the composite, as shown in Table 4.4.1. The solutions used simulated the potential harsh environments that the composite material might interact with. Since the main purpose of the material is its use in the marine environment, imitations of salt water are the most suitable. In addition to a one molar salt solution, solutions with concentrations equal to 3.5% and 10% were used. However, for testing in particularly harsh environments, a solution containing hydrochloric acid (HCl) was used. Tests carried out using salt water showed such a low corrosion rate of composite samples that the more aggressive HCl solution was preferred. The results of accelerated corrosion tests using HCl are presented in Table 4.4.2.

Figure 00000011
Figure 00000011

Figure 00000012
Figure 00000012

Общая коррозия: Эти испытания были проведены в условиях нулевой нагрузки на испытываемый образец. Это обеспечивали посредством погружения образцов в бак с нагретым раствором (60°С) на 48 часов для выявления коррозии.General corrosion: These tests were carried out under no load conditions on the test piece. This was achieved by immersing the samples in a tank of heated solution (60° C.) for 48 hours to detect corrosion.

Коррозия под напряжением: Эти испытания были проведены на образцах, которые выдерживали при растяжении в специально сконструированном баке для коррозии под напряжением. Образцы механически обрабатывали до гладкости и подвергали испытанию в нагретой ванне с коррозионным раствором (морская вода при 60°С) в течение 48 часов. Это ускоряет испытание на коррозионную стойкость, имитируя недели нахождения под нагрузкой за более короткий промежуток времени. Каждый образец нагружали до 75% предела текучести материала.Stress Corrosion: These tests were carried out on specimens held in tension in a specially designed stress corrosion tank. The samples were machined to smoothness and subjected to a test in a heated bath of corrosive solution (sea water at 60° C.) for 48 hours. This speeds up corrosion testing by simulating weeks of stress in a shorter amount of time. Each sample was loaded to 75% of the yield strength of the material.

Фиг. 44 демонстрирует примеры образцов, подвергнутых испытанию на коррозионную стойкость. Кроме эталонного образца и образца композитного материала, серию испытаний также провели на нержавеющей стали 316L, которая служила эталоном устойчивых к коррозии материалов, используемых в настоящее время в морских прикладных задачах. Эталонные образцы (без добавления волокон) оказались наиболее нестойким к коррозии продуктом. Поверхностная коррозия видна как на образцах, испытанных на общую коррозию, так и на образцах, испытанных на коррозию под напряжением.Fig. 44 shows examples of specimens subjected to a corrosion test. In addition to the reference sample and the composite sample, a series of tests were also conducted on 316L stainless steel, which served as the benchmark for corrosion resistant materials currently used in marine applications. Reference samples (without added fibers) proved to be the most unstable product to corrosion. Surface corrosion is visible both on specimens tested for general corrosion and on specimens tested for stress corrosion.

Фиг. 45 демонстрирует график коррозионной стойкости композитного материала на основе LM25 и эталонных образцов. Скорость коррозии пропорциональна lcorr (кинетическому значению плотности тока коррозии), так что этот график показывает, что образец композитного материала имеет сниженную скорость коррозии.Fig. 45 shows a graph of the corrosion resistance of a composite material based on LM25 and reference samples. The corrosion rate is proportional to l corr (the kinetic value of the corrosion current density), so this graph shows that the composite sample has a reduced corrosion rate.

Выводы:Findings:

- Образцы композитного материала продемонстрировали сниженные уровни поверхностной коррозии.- Composite material samples showed reduced levels of surface corrosion.

- Образцы композитного материала показали сниженную скорость коррозии по сравнению с эталонными образцами.- The composite material samples showed a reduced corrosion rate compared to the reference samples.

Все необязательные и предпочтительные признаки и модификации описанных вариантов осуществления настоящего изобретения и зависимых пунктов формулы изобретения можно использовать во всех аспектах настоящего изобретения. Кроме того, отдельные признаки зависимых пунктов формулы изобретения, а также необязательные и предпочтительные признаки и модификации описанных вариантов осуществления настоящего изобретения можно объединять друг с другом и заменять друг другом.All optional and preferred features and modifications of the described embodiments of the present invention and dependent claims can be used in all aspects of the present invention. In addition, individual features of the dependent claims, as well as optional and preferred features and modifications of the described embodiments of the present invention can be combined with each other and replaced with each other.

Содержание заявки на патент Соединенного Королевства №1714401.5, согласно которой данная заявка претендует на приоритет, и реферата, прилагаемого к этой заявке, полностью включены в данную публикацию посредством ссылки.The contents of the United Kingdom patent application No. 1714401.5, under which this application claims priority, and the abstract accompanying this application, are incorporated into this publication by reference in their entirety.

Claims (25)

1. Способ изготовления металломатричного композиционного материала, включающий следующие стадии:1. A method for manufacturing a metal-matrix composite material, including the following steps: (a) расплавление металла или сплава металлов матрицы,(a) melting the metal or metal alloy of the matrix, (b) добавление к расплаву металла или сплава металлов матрицы из стадии (а) базальтовых волокон в пропорции от 1 мас.% до 10 мас.%,(b) adding to the melt of the metal or metal alloy matrix from stage (a) basalt fibers in a proportion of from 1 wt.% to 10 wt.%, (c) перемешивание расплава металла или сплава металлов матрицы и базальтовых волокон из стадии (b) со скоростью от 400 об/мин до 1200 об/мин, в течение периода времени от 1 минуты до 60 минут,(c) mixing the molten metal or alloy of the matrix metals and the basalt fibers from step (b) at a speed of 400 rpm to 1200 rpm, for a period of time from 1 minute to 60 minutes, (d) обработка расплава металла или сплава металлов матрицы и базальтовых волокон из стадии (с) ультразвуком в течение от 1 минуты до 15 минут, с частотой от 10 кГц до 30 кГц, мощностью от 2 кВт до 5 кВт и амплитудой от 20 мкм до 50 мкм, и(d) treatment of the metal melt or metal alloy of the matrix and the basalt fibers from step (c) with ultrasound for 1 minute to 15 minutes, with a frequency of 10 kHz to 30 kHz, a power of 2 kW to 5 kW and an amplitude of 20 µm to 50 µm, and (e) отливка расплава металла или сплава металлов матрицы и базальтовых волокон из стадии (d) при температуре от 200°С до 780°С в форму, предварительно нагретую при температуре от 150°С до 500°С в течение периода времени от 1 часа до 2 часов.(e) casting a molten metal or alloy of matrix metals and basalt fibers from step (d) at a temperature of 200°C to 780°C into a mold preheated at a temperature of 150°C to 500°C for a period of time from 1 hour up to 2 hours. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что обработку ультразвуком на стадии (d) проводят в течение 5 минут.2. Method according to claim 1, characterized in that the sonication in step (d) is carried out for 5 minutes. 3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что обработку ультразвуком на стадии (d) проводят с частотой 17,5 кГц.3. Method according to claim 2, characterized in that the sonication in step (d) is carried out at a frequency of 17.5 kHz. 4. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что обработку ультразвуком на стадии (d) проводят при мощности 3,5 кВт.4. The method according to any one of paragraphs. 1-3, characterized in that the sonication in step (d) is carried out at a power of 3.5 kW. 5. Способ по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что обработку ультразвуком на стадии (d) проводят при амплитуде 40 мкм.5. The method according to any one of paragraphs. 1-4, characterized in that the sonication in step (d) is carried out at an amplitude of 40 µm. 6. Способ по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что отливку на стадии (е) проводят при температуре от 200°С до 720°С.6. The method according to any one of paragraphs. 1-5, characterized in that the casting in stage (e) is carried out at a temperature of from 200°C to 720°C. 7. Способ по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что по меньшей мере часть базальтовых волокон нагревают при температуре от 100°С до 500°С в течение периода времени от 1 часа до 3 часов перед добавлением на стадии (b).7. The method according to any one of paragraphs. 1-6, characterized in that at least part of the basalt fibers is heated at a temperature of from 100°C to 500°C for a period of time from 1 hour to 3 hours before adding in stage (b). 8. Способ по любому из пп. 1-7, отличающийся тем, что по меньшей мере часть базальтовых волокон оборачивают в алюминиевую фольгу перед добавлением на стадии (b).8. The method according to any one of paragraphs. 1-7, characterized in that at least part of the basalt fibers are wrapped in aluminum foil before being added in step (b). 9. Способ по любому из пп. 1-8, отличающийся тем, что металл или сплав металлов является алюминием или алюминиевым сплавом.9. The method according to any one of paragraphs. 1-8, characterized in that the metal or metal alloy is aluminum or an aluminum alloy. 10. Способ по п. 9, отличающийся тем, что температура во время стадии (а) составляет от 550°С до 750°С.10. The method according to p. 9, characterized in that the temperature during stage (a) is from 550°C to 750°C. 11. Способ по любому из пп. 1-8, отличающийся тем, что металл или сплав металлов является цинком или цинковым сплавом.11. The method according to any one of paragraphs. 1-8, characterized in that the metal or metal alloy is zinc or zinc alloy. 12. Способ по п. 11, отличающийся тем, что температура во время стадии (а) составляет от 400°С до 440°С.12. The method according to p. 11, characterized in that the temperature during stage (a) is from 400°C to 440°C. 13. Способ по любому из пп. 1-8, отличающийся тем, что металл или сплав металлов является оловом или оловянным сплавом.13. The method according to any one of paragraphs. 1-8, characterized in that the metal or metal alloy is tin or tin alloy. 14. Способ по п. 13, отличающийся тем, что температура во время стадии (а) составляет от 200°С до 260°С.14. The method according to p. 13, characterized in that the temperature during stage (a) is from 200°C to 260°C. 15. Способ по любому из пп. 1-8, отличающийся тем, что металл или сплав металлов является магнием или магниевым сплавом.15. The method according to any one of paragraphs. 1-8, characterized in that the metal or metal alloy is magnesium or magnesium alloy. 16. Способ по п. 15, отличающийся тем, что температура во время стадии (а) составляет от 600°С до 700°С.16. The method according to p. 15, characterized in that the temperature during stage (a) is from 600°C to 700°C. 17. Способ по любому из пп. 1-16, отличающийся тем, что доля базальтовых волокон во время стадии (b) составляет от 1 мас.% до 5 мас.%.17. The method according to any one of paragraphs. 1-16, characterized in that the proportion of basalt fibers during stage (b) is from 1 wt.% to 5 wt.%. 18. Способ по любому из пп. 1-17, отличающийся тем, что доля базальтовых волокон во время стадии (b) составляет 2,5 мас.%.18. The method according to any one of paragraphs. 1-17, characterized in that the proportion of basalt fibers during stage (b) is 2.5 wt.%. 19. Способ по любому из пп. 1-18, отличающийся тем, что скорость перемешивания во время стадии (с) составляет от 400 об/мин до 1000 об/мин.19. The method according to any one of paragraphs. 1-18, characterized in that the stirring speed during step (c) is from 400 rpm to 1000 rpm. 20. Способ по любому из пп. 1-19, отличающийся тем, что перемешивание во время стадии (с) выполняют в течение периода времени от 10 минут до 30 минут.20. The method according to any one of paragraphs. 1-19, characterized in that the mixing during step (c) is performed over a period of time from 10 minutes to 30 minutes.
RU2020111580A 2017-09-07 2018-09-07 Method for manufacturing metal matrix composite materials RU2770398C2 (en)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
GB1714401.5 2017-09-07
GBGB1714401.5A GB201714401D0 (en) 2017-09-07 2017-09-07 Method for forming metal matrix composites
PCT/GB2018/052549 WO2019048876A1 (en) 2017-09-07 2018-09-07 Method for forming metal matrix composites

Publications (3)

Publication Number Publication Date
RU2020111580A RU2020111580A (en) 2021-10-07
RU2020111580A3 RU2020111580A3 (en) 2021-12-03
RU2770398C2 true RU2770398C2 (en) 2022-04-15

Family

ID=60117158

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020111580A RU2770398C2 (en) 2017-09-07 2018-09-07 Method for manufacturing metal matrix composite materials

Country Status (4)

Country Link
EP (1) EP3678802B1 (en)
GB (1) GB201714401D0 (en)
RU (1) RU2770398C2 (en)
WO (1) WO2019048876A1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2820862C1 (en) * 2023-12-12 2024-06-11 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" Method of producing aluminium composite reinforced with basalt

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113025930A (en) * 2019-12-24 2021-06-25 南通耀龙金属制造有限公司 Environment-friendly enhanced magnesium-aluminum alloy material and preparation method thereof
CN114427057A (en) * 2022-01-26 2022-05-03 广东中色研达新材料科技股份有限公司 Aluminum-based composite material and preparation method thereof
CN114934242A (en) * 2022-05-24 2022-08-23 日善电脑配件(嘉善)有限公司 Aluminum-based composite material and processing method thereof

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2016702C1 (en) * 1989-07-21 1994-07-30 Ланксид Текнолоджи Компани ЛП Method for making workpieces from composite material
RU2020042C1 (en) * 1990-09-19 1994-09-30 Акционерное общество открытого типа "Всероссийский алюминиево-магниевый институт" Method of manufacture of composite material castings on metal base
RU2182605C1 (en) * 2001-10-09 2002-05-20 Прокопенко Дмитрий Николаевич Composite material

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2016702C1 (en) * 1989-07-21 1994-07-30 Ланксид Текнолоджи Компани ЛП Method for making workpieces from composite material
RU2020042C1 (en) * 1990-09-19 1994-09-30 Акционерное общество открытого типа "Всероссийский алюминиево-магниевый институт" Method of manufacture of composite material castings on metal base
RU2182605C1 (en) * 2001-10-09 2002-05-20 Прокопенко Дмитрий Николаевич Composite material

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Exhil Vannan et al., Investigation on the Influence of Basalt Fiber on Thermal properties of Al7075/ Basalt Fiber Metal Matrix Composites. Procedia Engineering. 97 (2014) p.432-438. *
Ezhil Vannan et al, Corrosion Characteristics of Basalt Short Fiber Reinforced with Al-7075 Metal Matrix Composites. Jordan Journal of Mechanical and Industrial Engineering. Vol.9, N 2, 2015, p.121-128. *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2820862C1 (en) * 2023-12-12 2024-06-11 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" Method of producing aluminium composite reinforced with basalt
RU2835522C1 (en) * 2024-12-17 2025-02-26 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" Method of producing laminar composite material based on aluminium

Also Published As

Publication number Publication date
EP3678802A1 (en) 2020-07-15
WO2019048876A1 (en) 2019-03-14
RU2020111580A (en) 2021-10-07
GB201714401D0 (en) 2017-10-25
RU2020111580A3 (en) 2021-12-03
EP3678802B1 (en) 2023-01-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Ganesh et al. Strontium in Al–Si–Mg alloy: a review
Singh et al. Processing and properties of copper-coated carbon fibre reinforced aluminium alloy composites
Moses et al. Prediction of influence of process parameters on tensile strength of AA6061/TiC aluminum matrix composites produced using stir casting
JP5608519B2 (en) Method for producing magnesium-based composite material
Mazahery et al. Mechanical properties of A356 matrix composites reinforced with nano-SiC particles
Reddy et al. Tensile properties and fracture behavior of 6061/Al2O3 metal matrix composites fabricated by low pressure die casting process
RU2770398C2 (en) Method for manufacturing metal matrix composite materials
Moghadam et al. Strengthening in hybrid alumina-titanium diboride aluminum matrix composites synthesized by ultrasonic assisted reactive mechanical mixing
Kumar et al. Investigation of microstructure and several quality characteristics of AA7075/Al2O3/coconut shell ash hybrid nano composite prepared through ultrasonic assisted stir-casting
Juang et al. Influence of preheating temperatures and adding rates on distributions of fly ash in aluminum matrix composites prepared by stir casting
Liu et al. On the supplementation of magnesium and usage of ultrasound stirring for fabricating in situ TiB2/A356 composites with improved mechanical properties
Gupta et al. Strengthening mechanisms in Al3Zr-reinforced aluminum composite prepared by ultrasonic assisted casting
Kumar et al. Influence of hybrid reinforcements on the mechanical properties and morphology of AZ91 magnesium alloy composites synthesized by ultrasonic-assisted stir casting
Chen et al. Fabrication of nanosized Al2O3 reinforced aluminum matrix composites by subtype multifrequency ultrasonic vibration
Akbarzadeh et al. Microstructure and properties of aluminum silicon/short fibre carbon composites fabricated by semi-solid thixomixing
Singh et al. Microstructure evolution, mechanical behavior, and fracture analysis of ultrasonic-assisted stir-squeeze cast high strength AA7068/ZrO2p/Grp composite under thermal aging
Pirlari et al. Elucidating the effect of TiB2 volume percentage on the mechanical properties and corrosion behavior of Al5083-TiB2 composites
Reddy et al. Investigations on Al 7075/nano-SiC/B4C hybrid reinforcements using liquid casting method
Singh et al. Analyzing the synergistic effects of hard ceramic TiB2 and rare earth oxide La2O3 on mechanical behaviour, wear resistance, and residual stress of AA6061-T6 hybrid composite fabricated via ultrasonic-assisted stir casting
Barot et al. Effect of processing temperature on the synthesis of in situ AlSi5Cu3/TiB2 composites cast in metal mold: structural and mechanical characterizations
Ganiger et al. Microstructural evolution and mechanical behavior of 90 micron sized B4C particulates reinforced Al2219 alloy composites
Vannan et al. Corrosion Characteristics of Basalt Short Fiber Reinforced with Al-7075 Metal Matrix Composites.
Verma et al. Microstructure, mechanical, and wear characteristics of heat-treated aerospace-grade aluminium composite reinforced with HEA particles
El-Mahallawi et al. Influence of nanodispersions on strength–ductility properties of semisolid cast A356 Al alloy
Kambaiah et al. Mechanical‐wear behavior and microstructure analysis of Al2214 alloy with B4C and graphite particles hybrid composites