способ получения борсодержащего композиционного материала на основе алюминия

Описание изобретения к патенту

Область техники

Настоящее изобретение относится к области металлургии, в частности к борсодержащим алюмоматричным композиционным материалам, к которым предъявляют требования по поглощению нейтронного излучения в сочетании с низким удельным весом.

Предшествующий уровень техники

Алюмоматричные композиционные материалы (АКМ), содержащие бор, обладают уникальным сочетанием физических и механических свойств. Поскольку бор имеет свойство хорошо поглощать нейтронное излучение, они широко применяются в ядерной энергетике [W.K. Barney, G.A. Shemel. W.E. Seymour, Nucl. Sci. Eng. 1 (1958) 439-448]. Несмотря на то, что бор-содержащие АКМ достаточно давно эксплуатируются, их использование связанно с рядом проблем, в частности, с технологией их получения. Поскольку бор имеет низкую растворимость в жидком алюминии классические технологии, связанные с получением гомогенного расплава (без наличия каких-либо твердых фаз) и формированием борсодержащих соединений при кристаллизации, не могут быть практически реализованы.

Известны многочисленные способы получения бор-содержащих АКМ с использованием методов порошковой металлургии. В частности, известен способ получения АКМ, в котором в качестве алюминиевой матрицы используются сплавы разных систем (1xxx, 3ххх, 6ххх и др.), в качестве борсодержащего наполнителя - карбид бора (В4С) в виде порошка размером 1-60 мкм (пат.US 6602314 В1. публ 05.08.03). Данный способ производства АКМ включает спекание под давлением (с предварительным вакуумированием). Недостатком этого и всех способов, связанных с порошковой металлургией, является трудность получения крупных заготовок, предназначенных для прокатки. Другим недостатком данного способа является то, что предложенные матричные сплавы обладают разным сочетание физико-химических свойств, что определяет широкий разброс по характеристикам, достигаемым в АКМ.

Известен способ производства АКМ, разработанный компанией Alcan Aluminum Corporation, который включает жидкофазный процесс замешивания неметаллических частиц в жидкий расплав (Патент US 5531425 (1996)). По данному способу в кристаллизаторах получают слитки, далее применяется горячая прокатка для производства плит и листов. Недостатком данного способа является трудность предотвращения кластеризации неметаллических частиц в процессе замешивания, что может приводить к формированию негомогенной структуры. Следует также отметить, что размер неметаллических частиц в АКМ определяется размером исходных частиц и не может быть уменьшен в процессе замешивания в расплав.

Наиболее близким к заявленному изобретению является способ получения В-содержащего АКМ, описанный в патенте US2008/0050270A1 (2008), согласно которому в алюминиевый расплав, полученному расплавлением промышленной лигатуры алюминий-бор, вводят титан таким образом, чтобы сформировать в расплаве, температура которого поддерживается в пределах от 700 до 850°С, частицы диборида титана (TiB₂), после чего проводят кристаллизацию путем литья. В частных пунктах данного патента предлагается вводить добавки гадолиния и самария.

Данный способ позволяет получить в АКМ микроструктуру с дисперсными частицами фазы TiB₂, которые формируются в процессе замешивания в результате фазовых превращений. Однако он требует использования в качестве исходной шихты лигатуры алюминий-бор, что обуславливает относительно высокую стоимость данного технологического процесса. Наличие добавок гадолиния и самария еще больше удорожают процесс. Минусом данного способа является и то, что исходная лигатура алюминий-бор содержит труднорастворимые частицы Al₂B, которые в процессе выдержки могут оседать на дно тигля, приводя, таким образом, к потере бора.

Раскрытие изобретения.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание способа получения борсодержащего композиционного материала на основе алюминия, содержащего бор в количестве более 1% в виде частиц диборида титана (TiB₂), равномерно распределенных в алюминиевой матрице. При этом технологический процесс получения такого АКМ должен быть относительно дешевым. В частности, он должен позволять использование алюминиевых отходов, содержащих более 1% Fe. и титановых отходов в виде мелкой стружки.

Поставленная задача решается созданием способа получения борсодержащего композиционного материала на основе алюминия в виде литой заготовки, включающего приготовление алюминиевого расплава, введение в него бора и титана в виде твердых фаз, воздействие на расплав с целью формирования в нем частиц диборида титана (TiB₂), кристаллизацию путем литья в форму, отличающегося тем, что

а) в алюминиевый расплав вводят от 1 до 2 масс.% железа и от 0,2 до 0.6 масс.% кремния, а его температуру поддерживают в пределах от 900 до 1100°С,

б) бор вводят в алюминиевый расплав в виде борной кислоты (H₃BO₃), а титан в виде мелкой стружки в таком соотношении, чтобы количество диборида титана в литой структуре составляло от 4 до 8 масс.%.

Сущность изобретения состоит в том, чтобы реализовать структуру, в которой имеются частицы фазы TiB₂ в количестве от 4 до 8 масс.%, равномерно распределенные в алюминиевой матрице. При этом железо должно быть преимущественно связано в скелетообразные частицы фазы Al₈Fe₂Si. Такая структура позволяет обеспечить наилучшее сочетание физико-механических свойств и технологичности при обработке давлением.

Предлагаемый способ не требует использования лигатуры алюминий-бор, содержащей труднорастворимые частицы Al₂B. С другой стороны, частицы фазы TiB₂ формируются в расплаве в процессе химических реакций, что способствует их равномерному распределению.

Нижний предел по количеству фазы TiB₂ выбран с целью достижения необходимого уровня поглощения нейтронного излучения, а верхний - с целью достижения необходимого уровня технологичности, в частности, при холодной прокатке.

Примеры выполнения

Для экспериментального обоснования предложенного изобретения было реализовано 5 вариантов получения борсодержащего АКМ, которые приведены в табл.1.

Первоначально в индукционной печи «РЭЛТЕК» в графитошамотном тигле готовили алюминиевые расплавы с разным содержанием железа и кремния. В качестве исходной шихты использовали отходы сплавов 1xxx и 8ххх серии (системы Al-Fe-Si). При заданной температуре в алюминиевый расплав вводили борную кислоту в виде кристаллического порошка, а затем титан в виде мелкой стружки. После перемешивания, обработки флюсом и выдержки при 1000°С снимали шлак, а затем проводили заливку в водоохлаждаемую металлическую изложницу, получая плоские слитки с размерами 20×80×200 мм. Далее проводили металлографический, химический и рентгенофазовый анализы. Типичная структура композиционного материала, полученного по варианту №3 (см. табл.1), представлена на фигуре 1.

Критерием технологичности экспериментальных АКМ являлось получение холоднодеформированных листов толщиной до 1 мм со степенью деформации не менее 80%.

Механические свойства листов (предел прочности (σ_в). предел текучести (σ_0,2) и относительное удлинение (δ)) при одноосном растяжении определяли при комнатной температуре на универсальной испытательной машине Zwick Z250 в соответствии с ГОСТ 1497-84. Скорость испытания составляла 10 мм/мин, расчетная длина 50 мм.

Как видно из табл.1, только предложенный способ получения АКМ (№№2-4) обеспечивает заданное содержание диборида титана в литой заготовке АКМ. В способе №1 (содержание железа и кремния в алюминиевом расплаве, а также температура последнего ниже заявленных пределов), содержание диборида титана в литой заготовке АКМ ниже заданного. Кроме того, содержание бора в АКМ, полученному по способу №1, ниже 1%, что не позволяет обеспечить необходимый уровень поглощения нейтронного излучения. В способе №5 (содержание железа и кремния в алюминиевом расплаве, а также температура последнего выше заявленных пределов), содержание диборида титана в литой заготовке выше заданного, что отрицательно влияет на технологичность при холодной прокатке (произошло разрушение заготовки при холодной прокатке).

Таблица 1 Параметры приготовления экспериментальных АКМ и содержание диборида титана в литой заготовке № Параметры расплава Вводимые твердые вещества Количество TiB₂ в литой заготовке, мас.%     Fe, мас.% Si, мас.% Температура, °С Н₃ВО₃, мас.% Ti мас.%   1 0,5 1,0 800 7 7 1,6 2 1,0 0,2 900 14 1,5 4,1 3 1,5 0,4 1000 21 2,2 6,2 4 2,0 0,6 1100 28 3,0 7.9 5 3,0 1,0 1200 35 4,0 9,3

Оценку механических свойств на растяжения проводили на листах АКМ, мученных по варианту №3. Результаты, приведенные в табл.2, показывают, что предложенный способ позволяет получить достаточную прочность, как в нагартованном, так и отожженном, состояниях.

Таблица 2 Типичные механические свойства листов экспериментального АКМ, полученного по варианту №3 (табл.1) Состояние σ_0,2, МПа σ_в, МПа δ, % нагартованное 200 225 2.0 отожженное 120 155 11.6

Способ получения борсодержащего композиционного материала на основе алюминия в виде литой заготовки, включающий приготовление алюминиевого расплава, введение в него бора и титана с формированием в нем частиц диборида титана (TiB₂), кристаллизацию путем литья в форме, отличающийся тем, что приготавливают алюминиевый расплав, содержащий от 1 до 2 мас.% железа и от 0,2 до 0,6 мас.% кремния, и поддерживают его температуру в пределах от 900 до 1100°С, бор вводят в полученный расплав в виде борной кислоты (Н₃ВО₃), а титан в виде мелкой стружки в таком соотношении, чтобы количество сформированного диборида титана в литой структуре составляло от 4 до 8 мас.%.