Особенности межфазного взаимодействия армирующих частиц с алюминиевым расплавом в процессах рециклинга литых алюмоматричных композитов

Язык труда и переводы:
УДК:
621.742.22
Дата публикации:
28 мая 2022, 17:37
Категория:
Литейное и сварочное производство
Авторы
Панфилов Алексей Александрович
Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых
Прусов Евгений Сергеевич
Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых
Деев Владислав Борисович
Уханьский текстильный университет
Аннотация:
Показана роль физико-химических процессов межфазного взаимодействия компонентов при металлургической переработке техногенных отходов производства и потребления композиционных материалов методом переплава. Проведена оценка влияния многократных переплавов на изменение структурно-морфологических характеристик литых алюмоматричных композитов с экзогенными керамическими частицами, в том числе на долевое содержание, дисперсность и распределение армирующей фазы, состояние межфазных границ.
Ключевые слова:
литые алюмоматричные композиты, межфазное взаимодействие, рециклинг, многократные переплавы
Основной текст труда

В последние десятилетия были достигнуты значительные успехи в области разработки составов и технологических процессов получения литых композиционных материалов на основе алюминиевых сплавов, что способствовало расширению использования этих перспективных материалов в различных отраслях промышленности развитых стран мира [1–3]. Интерес исследователей и практикующих специалистов к алюмоматричным композитам во многом обусловлен уникальной комбинацией их свойств и характеристик, существенно превышающих свойства традиционных неармированных сплавов. В частности, при армировании алюминиевых сплавов дисперсными тугоплавкими частицами керамических и интерметаллидных фаз отмечается резкий прирост показателей удельной прочности и жесткости, прочностных характеристик, износостойкости и других ценных свойств в широком температурно-силовом диапазоне эксплуатации изделий [4]. Однако рост объемов промышленного производства и коммерческого использования алюмоматричных композитов неразрывно связан с генерацией и накоплением техногенных отходов [5].

В настоящее время большинство реализуемых на мировом рынке литых алюмоматричных композитов представлено в виде слитков, полуфабрикатов или фасонных отливок с содержанием частиц экзогенной керамической фазы SiC, B4C или Al2O3 в количестве до 30 об.%. Поиск экономически целесообразных и ресурсоэффективных вариантов рециклинга продукции из подобных гетерофазных материалов вследствие их термодинамически неравновесной природы сопряжен с решением проблемы возможной интенсификации межфазных химических реакций матричных материалов с армирующими частицами, приводящих к деградации армирующих компонентов и изменению химического и фазового состава металлической матрицы [6]. В этой связи разработка технологических решений по рециклингу литых алюмоматричных композитов неразрывно связана с фундаментальной научной задачей по изучению физико-химических процессов межфазного взаимодействия компонентов материалов при различных параметрах металлургической переработки техногенных отходов производства и потребления композиционных материалов. Выявленные при этом механизмы и закономерности компонентов композитов в условиях переработки методом переплава позволят разработать практические рекомендации по освоению рациональных технологий рециклинга отходов алюмоматричных композитов в условиях действующих производств.

В рамках исследований, выполненных по обозначенному направлению, выявлено влияние многократных переплавов на структурно-морфологические характеристики литых алюмоматричных композитов с экзогенными керамическими частицами, в том числе на долевое содержание, дисперсность и распределение армирующей фазы, состояние межфазных границ и др. В частности, для системы Al–Si–B4C было показано, что при повторных переплавах происходит фрагментация и частичная декомпозиция армирующих частиц карбида бора с образованием соединения Al3BC на межфазных границах, объемная доля которого возрастает с увеличением температуры и продолжительности процесса жидкофазной переработки. В системе Al–Si–SiC при 12 масс.% кремния в расплаве после многократных переплавов не происходит образования новых фаз на границах «матрица–частица» или по крайней мере их количество ниже порога обнаружения метода рентгеновской дифракции. Проведено термодинамическое моделирование систем Al–X–SiC и Al–X–B4C (где X — Si, Mg, Cu, Ti) для установления влияния легирующих элементов на изменение характера межфазного взаимодействия компонентов в технологически значимом диапазоне температур получения и переработки литых алюмоматричных композитов (700…950 ºС). Выполненные теоретические и экспериментальные оценки позволяют наметить возможные пути управления межфазными реакциями при металлургической переработке алюмоматричных композитов для минимизации деградации армирующей фазы.

Грант
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 21-79-10432.
Литература
  1. Mortensen A., Llorca J. Metal Matrix Composites. Annual Review of Materials Research, 2010, vol. 40, pp. 243–270. https://doi.org/10.1146/ANNUREV-MATSCI-070909-104511
  2. Garg P., Jamwal A., Kumar D., Sadasivuni K.K., Hussain C.M., Gupta P. Advance research progresses in aluminium matrix composites: manufacturing & applications. Journal of Materials Research and Technology, 2019, vol. 8, iss. 5, pp. 4924–4939. https://doi.org/10.1016/J.JMRT.2019.06.028
  3. Панфилов А.А., Прусов Е.С., Кечин В.А. Проблемы и перспективы развития производства и применения алюмоматричных композиционных сплавов. Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева, 2013, № 2 (99), с. 210–217.
  4. Панфилов А.А., Прусов Е.С., Кечин В.А. Металлургия алюмоматричных композиционных сплавов. Владимир, Изд-во ВлГУ, 2017, 192 с.
  5. Прусов Е.С. Развитие принципов рециклинга литых металломатричных композитов. Литейщик России, 2018, № 11, с. 23–27.
  6. Carotenuto G., Gallo A., Nicolais L. Degradation of SiC particles in aluminium-based composites. Journal of Materials Science, 1994, vol. 29, pp. 4967–4974. https://doi.org/10.1007/BF01151086
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.