Волгоградский государственный технический университет, Волгоград, Россия:

С. Н. Цурихин, доцент кафедры «Машины и технология литейного производства», канд. техн. наук
Н. Ю. Мирошкин, зав. лаб., кафедры «Машины и технология литейного производства», эл. почта: nikolays34rus@gmail.com
Н. А. Кидалов, заведующий кафедрой «Машины и технология литейного производства», докт. техн. наук

Волгоградский индустриальный техникум, Волгоград, Россия:

В. А. Гулевский, преподаватель, канд. техн. наук

Представлено исследование перераспределения химических элементов сплава в композиционном материале на основе углеграфитового каркаса, пропитанного алюминиевым сплавом системы Al – Mg – Zn – Cu безгазостатным способом при температуре 800 oC. Процессы, происходящие между компонентами используемого алюминиевого сплава, и его взаимодействие с углеграфитовым каркасом изучали с применением программного комплекса Thermo-Calc фирмы Thermo-Calc Software AB (Швеция), реализующего численное моделирование равновесия фаз методом CALPHAD. Выполненные расчеты позволили создать теоретическую модель, показавшую, что за время инфильтрации 20 мин и при температуре 800 ^oC между углеграфитом и сплавом алюминия системы Al – Mg – Zn – Cu не происходит взаимодействия с выделением карбидов. При этом наблюдается преобладание интерметаллидных фаз. При проведении картирования распределения химических элементов сплава в поре, заполненной металлом, выявлено, что по границе поры образована зона с повышенным содержанием магния и меди, что указывает, на взаимодействие этих элементов. В процессе пропитки медное покрытие растворяется в алюминиевом сплаве и переходит в его состав, при этом возможно выделение интерметаллидных соединений, преимущественно состоящих из алюминия, магния и меди, которые образуют «барьер», ограничивающий диффузионное взаимодействие расплава алюминия с углеродом, подавляя образование нежелательной карбидной фазы Al₄C₃. Кроме того, выявлено наличие соединений с титаном (Ti₉Al₂₃), перешедшим в состав сплава в процессе жидкофазного взаимодействия с материалом устройства для пропитки. Проведение рентгеноструктурного анализа композита подтвердило наличие интерметаллидных фаз, при этом карбидные фазы не были выявлены, в частности не обнаружен Al₄C₃.

Окончание. Начало см. «Цветные металлы». 2023. № 6. С. 58–64.

Исследование выполнено при финансовой поддержке ВолгГТУ в рамках научного проекта № 8/466-22.

1. Милейко С. Т. Антони Келли и композиты сегодня. Часть 2: Композиты с металлической матрицей // Композиты и наноструктуры. 2021. Т. 13, № 3. С. 59–107.
2. Тучинский Л. И. Композиционные материалы, получаемые методом пропитки. — М. : Металлургия, 1986. — 208 с.
3. Матусевич А. С. Композиционные материалы на металлической основе. — Минск : Наука и техника, 1978. — 216 с.
4. Фиалков А. С. Процессы и аппараты производства порошковых углеграфитовых материалов. — М. : Аспект Пресс, 2008. — 686 с.
5. Ali M. M., Nived N. Composites materials for sustainable space industry: A review of recent developments // World Review of Science, Technology and Sustainable Development. 2021. Vol. 17, Iss. 2–3. P. 172–196. DOI: 10.1504/WRSTSD.2021.114680
6. Calderon N. R., Voytovych R., Narciso J., Eustathopoulos N. Pressureless infiltration versus wetting in AlSi/graphite system // Journal of Materials Science. 2010. Vol. 45, Iss. 16. P. 4345–4350. DOI: 10.1007/s10853-010-4358-y
7. Миронова Е. В. Смачивание металлических неметаллических материалов алюминиевым сплавом АЛ25 // Металлофизика — новейшие технологии. 2007. № 10. С. 1407–1414.
8. Дьячкова Л. Н., Осипов В. А., Пинчук Т. И. Влияние состава инфильтрата и режимов инфильтрации на структуру и свойства композиционного материала на основе искусственного графита // Порошковая металлургия : Республиканский межведомственный сборник научных трудов. — Минск : Республиканское унитарное предприятие «Издательский дом «Белорусская наука», 2019. С. 175–179.
9. Cuevas A. C., Bercerril E., Martinez M. S. Metal matric composites: wetting and infiltration. — Cham, Switzerland : Springer, 2018. — 221 p.
10. Malaki M., Tehrani A. F., Niroumand B., Gupta M. Wettability in metal matrix composites // Metals. 2021. Vol. 11, Iss. 7. DOI: 10.3390/met11071034
11. Léger A., Weber L., Mortensen A. Influence of the wetting angle on capillary forces in pressure infiltration // Acta Materialia. 2015. Vol. 91. P. 57–69. DOI: 10.1016/j.actamat.2015.03.002
12. Eustathopoulos N., Voytovych R. The role of reactivity in wetting by liquid metals: A review // Journal of Materials Science. 2016. Vol. 51, Iss. 1. P. 425–437. DOI: 10.1007/s10853-015-9331-3
13. Wei W., Liao Q., Yang Z., Li X. et al. Interfacial modification and performance enhancement of carbon matrix/aluminum composites // Journal of Alloys and Compounds. 2022. Vol. 903. DOI: 10.1016/j.jallcom.2022.163877
14. Portnoi K. I., Zabolotskii A. A., Timofeeva N. I. Effect of matrix composition on the reactions of the components of C-Al composite materials // Metal Science and Heat Treatment. 1980. Vol. 22, Iss. 11. P. 813–815. DOI: 10.1007/BF00779432
15. Eustathopoulos N., Sobczak N., Passerone A., Nogi K. Measurement of contact angle and work of adhesion at high temperature // Journal of Materials Science. 2005. Vol. 40, Iss. 9–10. P. 2271–2280.
16. Гулевский В. А., Виноградов Л. В., Антипов В. И. и др. Разработка способа безавтоклавной пропитки пористого углеграфитового материала литейными алюминиевыми сплавами // Перспективные материалы. 2018. № 10. С. 73–79. DOI: 10.30791/1028-978X-2018-10-73-79
17. Gulevskii V. A., Miroshkin N. Y., Gulevskii V. V. et al. Use of electroplating for increasing the efficiency and quality of impregnation of a porous graphitized carbon material with copper alloys // Russian Metallurgy (Metally). 2020. Vol. 2020, No. 7. P. 746–751. DOI: 10.1134/S0036029520070071
18. Nýblová D., Billik P., Noga J., Šimon E. et al. Degradation of Al₄C₃ due to atmospheric humidit // JOM. 2018. Vol. 70, Iss. 10. P. 2378–2384. DOI: 10.1007/s11837-018-3053-3
19. Lu Y., Wang X., Zhang Y., Wang J. et al. Aluminum carbide hydrolysis induced degradation of thermal conductivity and tensile strength in diamond/aluminum composite // Journal Composite Materials. 2018. Vol. 52, Iss. 20. P. 2709–2717.
20. Ma S., Xu E., Zhu Z., Liu Q. et al. Mechanical and wear performances of aluminum/sintered-carbon composites produced by pressure infiltration for pantograph sliders // Powder Technol. 2018. Vol. 326. P. 54–61.
21. Гомзин А. И., Галлямова Р. Ф., Галышев С. Н., Зарипов Н. Г. Подавление образования карбидной фазы при изготовлении углеалюминиевого композита // Молодежный вестник Уфимского государственного авиационного технического университета. 2019. № 2. С. 34–37.
22. Etter T., Schulz P., Weber M., Metz J. et al. Aluminium carbide formation in interpenetrating graphite/aluminium composites // Materials Science and Engineering A. 2007. Vol. 448. P. 1–6. DOI: 10.1016/j.msea.2006.11.088