Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» Государственный научный центр Российской Федерации, Москва, Россия:

Е. И. Курбаткина, начальник лаборатории, эл. почта: elena.kurbatkina@mail.ru
Д. В. Косолапов, начальник участка
А. В. Гололобов, инженер
А. А. Шавнев, начальник научно-исследовательского отделения

В настоящей работе с использованием методов порошковой металлургии — механического легирования и последующей экструзии был получен металлический композиционный материал Al – Zn – Mg – Cu/10 % SiC. Изучены фазовые превращения, происходящие в процессе термической обработки, а также механические свойства материала. Показано, что механическое легирование обеспечивает равномерное распределение армирующих частиц карбида кремния в алюминиевой матрице, а последующая экструзия с коэффициентом вытяжки 20:1 — получение монолитного материала. После деформации в структуре композиционного материала присутствуют фазы α_{тв. р}, MgZn₂, SiC, а также частицы, богатые Mg и Cu. Анализ, проведенный с помощью дифференциальной сканирующей калориметрии, показал наличие эндотермических фазовых превращений при температуре ~472 ^oC. Результаты рентгенофазового анализа и просвечивающей электронной микроскопии свидетельствуют о том, что при нагреве композиционного материала под закалку происходит полное растворение фазы MgZn₂ и интерметаллидных соединений, богатых Mg и Cu. Структура образца после закалки и старения по режиму 120 oC, 24 ч в основном схожа со структурой образца после экструзии. Однако после старения наблюдаются выделение более крупных интерметаллидных соединений на границе раздела и образование продуктов распада твердого раствора в виде метастабильной η'-фазы (MgZn2), имеющей форму стержней, располагающихся в трех взаимно перпендикулярных направлениях <100> Al. Исследование структуры композиционного материала показало, что при его термической обработке протекают фазовые превращения, характерные для матричного сплава. Введение частиц карбида кремния не оказывает влияния на температурные интервалы термической обработки. Взаимодействия между матричным сплавом и армирующим компонентом выявлено не было. Испытания образцов композиционного материала на растяжение показали, что введение частиц карбида кремния повышает прочность на 15 % по сравнению с матричным сплавом, однако максимального прироста прочностных свойств материал достигает после закалки и старения. Прочность при растяжении композиционного материала Al – Zn – Mg – Cu/10 % SiC составляет 630 МПа.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда, соглашение № 17-73-10328.

1. Yuan W., An B. Effect of heat treatment on microstructure and mechanical property of extruded 7090/SiCp composite // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2012. Vol. 22. P. 2080–2086.
2. Kumar S., Reddy S. K., Joshi S. V. Microstructure and performance of cold sprayed Al – SiC composite coatings with high fraction of particulates // Surface and Coatings Technology. 2017. Vol. 18. P. 62–71.
3. Zhu J., Wang F., Wang Y., Zhang B., Wang L. Interfacial structure and stability of a co-continuous SiC/Al composite prepared by vacuum-pressure infiltration // Ceramics International. 2017. Vol. 43, No. 8. P. 6563–6570.
4. Каблов Е. Н. Композиты: сегодня и завтра // Металлы Евразии. 2015. № 1. С. 36–39.
5. Каблов Е. Н. Инновационные разработки ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ по реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» // Авиационные материалы и технологии. 2015. № 1 (34). С. 3–33. DOI: 10.18577/2071-9140-2015-0-1-3-33
6. Zakaria H. M. Microstructural and corrosion behavior of Al/SiC metal matrix composites // Ain Shams Engineering Journal. 2014. Vol. 5, No. 3. P. 831–838.
7. Zhang L., Xu H., Wang Z., Li Q., Wu J. Mechanical properties and corrosion behavior of Al/SiC composites // Journal of Alloys and Compounds. 2016. Vol. 678. P. 23–30.
8. Miller W. S., Humphreys F. J. Strengthening mechanisms in particulate metal matrix composite // Scripta Metallurgica et Materialia. 1991. Vol. 25. P. 33–38.
9. Каблов Е. Н. Основные итоги и направления развития материалов для перспективной авиационной техники // 75 лет. Авиационные материалы. — М. : ВИАМ, 2007. С. 20–26.
10. Wang W., Shi Q., Liu P., Li H., Li T. A novel way to produce bulk SiCp reinforced aluminum metal matrix composites by friction stir processing // Journal of Materials Processing Technology. 2009. Vol. 209. P. 2099–2103.
11. Антипов В. В. Перспективы развития алюминиевых, магниевых и титановых сплавов для изделий авиационно-космической техники // Авиационные материалы и технологии. 2017. № S. С. 186–194. DOI: 10.18577/2071-9140-2017-0-S-186-194
12. Гращенков Д. В. Стратегия развития неметаллических материалов, металлических композиционных материалов и теплозащиты // Авиационные материалы и технологии. 2017. № S. С. 264–271. DOI: 10.18577/2071-9140-2017-0-S-264-271
13. Zhang F., Sun P., Li X., Zhang G. An experimental study on deformation behavior below 0.2% offset yield stress in some SiCp: Al composites and their unreinforced matrix alloys // Materials Science and Engineering: A. 2001. Vol. 300. P. 12–21.
14. Lorentzen T., Clarke A. P. Thermomechanically induced residual strains in Al/SiCp metal-matrix composites // Composites Science and Technology. 1998. Vol. 58. P. 345–353.
15. Song M., Huang B. Effects of particle size on the fracture toughness of SiCp/Al alloy metal matrix composites // Materials Science and Engineering: A. 2008. Vol. 488. P. 601–607.
16. Muratoglu M., Yilmaz O., Aksoy M. Investigation on diffusion bonding characteristics of aluminum metal matrix composites (Al/SiCp) with pure aluminum for different heat treatments // Journal of Materials Processing Technology. 2006. Vol. 178. P. 211–217.
17. Wu Y. L., Froes F. H., Alvarez A., Li C.G., Liu J. Microstructure and properties of a new super-high-strength Al – Zn – Mg – Cu alloy C912 // Materials & Design. 1997. Vol. 18. P. 211–215.
18. Bhaduri A., Gopinathan V., Ramarkrishnan P. Processing and properties of SiC particulate reinforced Al – 6.2Zn – 2.5Mg – 1.7Cu alloy (7010) matrix composites prepared by mechanical alloying // Materials Science and Engineering: A. 1996. Vol. 221. P. 94–101.
19. Li Z., Xiong B., Zhang Y., Zhu B., Wang F., Liu H. Investigation on strength, toughness and microstructure of an Al – Zn – Mg – Cu alloy pre-stretched thick plates in various ageing tempers // Journal of Materials Processing Technology. 2008. Vol. 209. P. 2021–2027.
20. Yuan W., Zhang J., Zhang C., Chen Z. Processing of ultrahigh strength SiCp/Al – Zn – Mg – Cu composites // Journal of Materials Processing Technology. 2009. Vol. 209. P. 3251–3255.
21. Курбаткина Е. И., Косолапов Д. В., Ходыкин Л. Г., Нигметов М. С. Исследование влияния добавки кремния на фазовый состав алюминиевых композиционных материалов, армированных частицами карбида кремния // Авиационные материалы и технологии. 2014. № S6. С. 35–38. DOI: 10.18577/2071-9140-2014-0-S6-35-38
22. Evans R. D., Boyd J. D. Near-interface microstructure in a SiC/Al composite // Scripta Materialia. 2003. Vol. 49. P. 59–63.
23. Металловедение : учебник. В 2-х т. Т. II. Коллектив авторов / под общ. ред. В. С. Золоторевского. — М. : Издательский дом «МИСиС», 2009. — 528 с.
24. ГОСТ 9651–84. Металлы. Методы испытаний на растяжение при повышенных температурах. Введ. 01.01.1986.