Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, Россия:

Т. А. Крылова, научный сотрудник, канд. техн. наук, эл. почта: kta@ispms.ru
Ю. А. Чумаков, научный сотрудник, канд. физ.-мат. наук
М. П. Васильева, аспирант, младший научный сотрудник
С. П. Буякова, профессор, главный научный сотрудник, докт. техн. наук

Разработка композиционных материалов на алюминиевой матрице, обладающих высокой прочностью и малым весом, является перспективной для современного машиностроения, аэрокосмической отрасли и медицины. Однако в зависимости от условий эксплуатации с экономической точки зрения не всегда выгодно получение дисперсно-армированных композиционных материалов во всем объеме. В этом случае целесообразно применять поверхностное упрочнение, например наплавку. Метод электронно-лучевой наплавки вне вакуума с использованием ускорителя ЭЛВ-6, способного выпускать пучок релятивистских электронов, и смеси легирующих порошков для нанесения толстых жаростойких покрытий на алюминиевый сплав является весьма перспективным. Было получено дисперсно-армированное алюмоматричное композиционное покрытие методом вневакуумной электронно-лучевой наплавки порошка карбида вольфрама на поверхностности алюминиевого сплава АМг6. Наплавленный слой имел толщину 5,2 ± 0,3 мм без трещин и пор. Покрытие исследовали при помощи растровой электронной микроскопии. Установлено, что между алюминиевой матрицей и частицами WC наблюдаются межфазные взаимодействия с образованием новых фаз. Упрочняющие частицы достаточно равномерно распределены в слое композиционного покрытия и имеют прочную адгезионную связь с матрицей. На основании рентгенофазового анализа было выявлено, что основными фазами покрытия являются Al, Mg2Al3, WC, также формируются фазы Al₁₂W, Al₄W и присутствуют следы Al₄C₃. Механические испытания показали, что композиционное покрытие обладает повышенными микротвердостью и износостойкостью по сравнению с алюминиевым сплавом АМг6, что связано с образованием в нем новых упрочняющих фаз Al₁₂W, Al₄W в сочетании с карбидом WC, которые располагаются в основе мягкой алюминиевой матрицы. Полученные результаты исследований могут быть полезными для прогнозирования свойств алюмоматричных композиционных покрытий материалов, работающих при повышенных механических нагрузках.

Работа выполнена в рамках государственного задания ИФПМ СО РАН, тема номер FWRW-2021-0009.
Авторы выражают благодарность за оказанную помощь Михаилу Гедалиевичу Голковскому (Институт ядерной физики им. Г. И. Будкеpа СО РАН) в проведении электронно-лучевой наплавки вне вакуума и Алексею Александровичу Нейману за помощь в РЭМ-исследовании структуры покрытий. Исследования проводили на оборудовании центра коллективного пользования «Нанотех» в ИФПМ СО РАН.

1. Dursun T., Soutis C. Recent developments in advanced aircraft aluminium alloys // Materials and Design. 2014. Vol. 56. P. 862–871.
2. Gloria A., Montanari R., Richetta M., Varone A. Alloys for aeronautic applications: state of the art and perspectives // Metals. 2019. Vol. 9, Iss. 6. P. 662.
3. Луц А. Р., Закамов Д. В. Применение алюмоматричных композиционных материалов, дисперсно армированных керамическими частицами, для изделий триботехнического назначения // Современные материалы, техника и технологии. 2019. № 5. С. 82–86.
4. Михеев Р. С., Чернышова Т. А. Алюмоматричные композиционные материалы с карбидным упрочнением для решения задач новой техники. — М. : РФФИ, 2013. — 356 с.
5. Амосов А. П., Луц А. Р., Рыбаков А. Д., Латухин Е. И. Применение различных порошковых форм углерода для армирования алюмоматричных композиционных материалов углеродом и карбидом титана. Обзор // Известия вузов. Цветная металлургия. 2020. № 4. С. 44–64.
6. An Q., Cong X., Shen P., Jiang Q. Roles of alloying elements in wetting of SiC by Al // J. Alloys Compd. 2019. Vol. 784. P. 1212–1220.
7. Jiang L., Wen H., Yang H., Hu T. et al. Influence of length-scales on spatial distribution and interfacial characteristics of B4C in a nanostructured Al matrix // Acta Materialia. 2015. Vol. 89. P. 327–343.
8. Zhang L., Jiang H., He Jie, Zhao Ji. Kinetic behaviour of TiB2 particles in Al melt and their effect on grain refinement of aluminium alloys // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2020. Vol. 30, Iss. 8. P. 2035–2044.
9. Деев В. Б., Ри Э. Х., Прусов Е. С., Ермаков М. А. и др. Модифицирование литейных алюминиевых сплавов системы Al – Mg – Si обработкой жидкой фазы наносекундными электромагнитными импульсами // Известия вузов. Цветная металлургия. 2021. № 4. С. 32–41.
10. Shiganov I. N., Ovchinnikov V. V. New technologies for the silicon carbide surface modification of aluminum alloys // Russ. Metall. 2022. P. 685–690.
11. Zhang X., Sang Q., Ren Z., Li G. Microstructure and properties of cladding layers prepared by argon-shielded arc cladding of CuZn40-WC powders on pure aluminum substrate // Coatings. 2018. Vol. 8, Iss. 11. P. 382.
12. Bataev I. A., Golkovskii M. G., Bataev A. A., Losinskaya A. A. et al. Surface hardening of steels with carbon by non-vacuum electron-beam processing // Surface and Coatings Technology. 2014. Vol. 242. P. 164–169.
13. Krylova T. A., Chumakov Yu. A. Effect of refractory modifiers on the structure of coatings based on chromium carbide // Materials Letters. 2021. Vol. 294. 129807.
14. Lazurenko D. V., Laptev I. S., Golkovsky M. G., Stark A. et al. Influence of the Ti/Al/Nb ratio on the structure and properties on intermetallic layers obtained on titanium by non-vacuum electron beam cladding // Materials Characterization. 2020. Vol. 163. 110246.
15. Кrylova T. A., Chumakov Yu. A., Vasilyeva M. P. Microstructure and properties of WC – Ni3Al composite coatings fabricated by non-vacuum electron beam cladding // Materials Letters. 2022. Vol. 308, Part A. 131117.
16. Полетика И. М., Голковский М. Г., Борисов М. Д., Салимов Р. А. и др. Формирование упрочняющих покрытий наплавкой в пучке релятивистских электронов // Физическая мезомеханика. 2005. Т. 8, № S. С. 129–132.
17. Полетика И. М. Упрочнение поверхностного слоя стали легированием в концентрированных потоках энергии : дис. ... докт. техн. наук. — Томск, 1996.