Институт механики сплошных сред УрО РАН, Пермь, Россия:

С. Ю. Хрипченко, ведущий научный сотрудник, профессор, докт. техн. наук, эл. почта: khripch@icmm.ru
В. М. Долгих, старший научный сотрудник, канд. техн. наук, эл. почта: dolgikh@icmm.ru

Рассмотрены подготовка и эксперименты по введению армирующих частиц TiB₂ и BN в жидкий алюминий в составе таблеток, спрессованных из смеси с алюминиевым микропорошком, при помощи магнито гидродинамического (МГД) перемешивания, с последующей его направленной кристаллизацией. Исследованы физические свойства полученного алюмокомпозита. В ходе эксперимента таблетки забрасывали в тигель с жидким алюминием, который находился в рабочем объеме МГД-перемешивателя, создающего в алюминии раздельно регулируемое тороидальное и полоидальное течения. Установлено, что таблетки из смеси микрочастиц алюминия (100–150 мкм) и армирующихмикрочастиц TiB₂ (1–5 мкм) «растворяются» в жидком алюминии при его МГД-перемешивании лучше, чем таблетки с микрочастицами BN (1–5 мкм). Таблетки с содержанием более 7 % армирующих частиц BN плохо «растворяются» в расплаве алюминия, а таблетки с содержанием 10 % микрочастиц TiB₂ удовлетворительно «растворяются» в нем. В экспериментах из-за необходимости введения в жидкий алюминий большого числа таблеток и его сильного охлаждения не удалось получить в слитке алюминия концентрацию армирующих микрочастиц TiB₂ выше 2,5 % и микрочастиц BN выше 1,4 %. Эксперимент показал, что твердость и предельная прочность алюминия растет с увеличением содержания микрочастиц TiB₂ и BN схожим образом, но в меньшей мере, чем при введении наночастиц BN. Введение в алюминий армирующих микрочастиц увеличивает прочность и удельное электросопротивление с ростом их концентрации в металле.

Работы по исследованию структуры образцов на электронном и цифровом оптическом микроскопах были выполнены в соответствии с госбюджетной темой ИМСС УрО РАН AAAA-A19-119012290101-5, экспериментальные работы по введению микрочастиц в алюминиевый расплав выполнены при поддержке правительства Пермского края и РФФИ в рамках регионального проекта Урал № 19-48-590001 р_а.

1. Debrupa Lahiri, Ali Hadjikhani, Cheng Zhang, Tan Xing et al. Boron nitride nanotubes reinforced aluminum composites prepared by spark plasma sintering: Microstructure, mechanical properties and deformation behavior // Materials Science & Engineering A. 2013. Vol. 574. P. 149–156.
2. Borisov V. G., Kazakov А. А. New method for synthesis of metal matrix composites // Alumitech’97. Aluminum Association. Atlanta, GA, USA, 1997. P. 191–203.
3. Косников Г. А., Борисов В. Г. Перспективные направления создания металломатричных литейных и деформируемых композиционных материалов нового поколения // Труды 8-й научно-практической конференции «Литейное производство сегодня и завтра». — СПб., 2010. С. 64–75.
4. Borisov V. Aluminum-dased cоmposite billets produced by plasma injectin and thixocasting // Light metal Age. 2017. P. 48–51.
5. Gelfgat Yu., Skopis M., Grabis J. Electromagnetically driven vortex flow to introduce small solid particles into liquid metal // Magnetohydrodynamics. 2005. Vol. 41, No. 3. P. 249–254.
6. Пат. 117439 РФ. Установка для получения алюмоматричных композиционных расплавов и отливок из них / Алимова О. Т., Гришанова М. С., Минаев А. А. ; заявл. 16.03.2012 ; опубл. 27.06.2012.

7. Пат. 2348719 РФ. Способ получения композиционного материала алюминий–карбид кремния (Al – SiC) / Серебряков С. П., Ларионов А. Я., Изотов В. А., Зимина М. Н. ; заявл. 20.11.2006 ; опубл. 10.03.2009.
8. Пат. 2144573 РФ. Устройство для введения мелкодисперсных компонентов в матричный металлический расплав / Борисов В. Г., Юдаков А. А., Хрипченко С. Ю., Денисов С. А., Зайцев В. Н. ; заявл. 27.06.1995 ; опубл. 20.01.2000.
9. Bojarevics V., Djambazov G. S., Pericleous K. A. Contactless ultrasound generation in a crucible // Metallurgical and Materials Transactions A. 2015. Vol. 46. P. 2884–2892.
10. Grants I., Gerbeth G., Bojarevičs A. Contactless magnetic excitation of acoustic cavitation in liquid metals // Journal of Applied Physics. 2015. Vol. 117. P. 204901. DOI: 10.1063/1.4921164.
11. Brodova I. G., Uimin M. A., Astafiev V. V., Kotenkov P. V. et al. Synthesis of aluminum composites with nanoscale particles of carbides and titanium diborides // Letters on Materials. 2013. Vol. 3. P. 91–94.
12. Kaldre I., Bojarevics A. Electromagnetic contactless method for metal matrix composite production // Magnetohydrodynamics. 2020. Vol. 56, No. 2-3. P. 325–331. DOI: 10.22364/mhd.56.2-3.24.
13. Ворожцов А. Б., Данилов П. А., Жуков И. А., Хмелева М. Г. и др. Влияние внешних воздействий на расплав и неметаллических наночастиц на структуру и механические характеристики легких сплавов на основе алюминия и магния // Вестник Томского государственного университета. Математика и механика. 2020. № 64. С. 91–105.
14. Khripchenko S., Dolgikh V., Kiselkov D. Experiment on injection of SIC and BN nanoparticles into liquid aluminum using MHD stirring with subsequent crystallization of the melt // IOP Publishing Journal of Physics: Conference Series 1945. 2021. P. 012017. DOI: 10.1088/1742-6596/1945/1/012017.
15. Хрипченко С. Ю., Долгих В. М. Повышение эффективности модифицирования слитков из алюминиевого сплава АК7 поочередно действующими бегущим и вращающимся магнитными полями // Цветные металлы. 2021. № 8. С. 5–50. DOI: 10.17580/tsm.2021.08.07.
16. Denisov S., Dolgikh V., Khripchenko S., Kolesnichenko I., Nikulin L. The effect of traveling and rotating magnetic fields on the structure of aluminum alloy during its crystallization in a cylindrical crucible // Magnetohydrodynamics. 2014. Vol. 50, No. 4. P. 249–265.
17. ГОСТ 9012–59 (ИСО 410–82, ИСО 6506–81). Металлы. Метод измерения твердости по Бринеллю. — Введ. 01.01.1960.
18. ГОСТ 1497–84. Металлы. Методы испытаний на растяжение. — Введ. 01.01.1986.
19. Рыбаков А. Д. Применение различных форм углерода для СВС высокодисперсного карбида титана в расплаве при получении алюмоматричных композиционных материалов : дис … канд. техн. наук. — Самара, 2021. — 182 с.