РАЗРАБОТКА НАУЧНЫХ ОСНОВ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИТНЫХ ДИСПЕРСНО-УПРОЧНЕННЫХ СПЛАВОВ AL-MG ОБРАБОТКОЙ ТРЕНИЕМ С ПЕРЕМЕШИВАНИЕМ (промежуточный, этап 1)

Цель работы – разработка научных основ повышения механических свойств алюминиевых сплавов за счет введения в них наночастиц оксида алюминия методом обработки трением с перемешиванием (ОТП), которая является разновидностью сварки трением с перемешиванием (СТП). Проведен анализ современной научной и научно-технической литературы по композитным сплавам на основе алюминиевых сплавов и способам их получения. Существует два способа получения данных материалов – жидкофазный и твердофазный. Первый метод достаточно прост и экономичен, позволяет получать композитные материалы достаточно больших размеров, но ограниченная смачиваемость армирующих частиц расплавленным алюминием приводит к их неравномерному распределению по объему материала, а также к их слипанию. Твердофазные методы (обработка трением с перемешиванием и порошковая металлургия) лишены проблемы смачиваемости армирующих частиц алюминием, но остро стоит вопрос равномерности распределения упрочняющих дисперсоидов. Обработка трением с перемешиванием является очень перспективным методом получения композитных материалов на основе алюминия. Однако использование инструментов из стали ограничивает применение данного метода из-за их высокого износа. Методом полунепрерывного литья были изготовлены два сплава системы Al-Mg следующего химического состава: Al-4.75Mg-0.3Mn-0.15Zr-0.1Ti-0.1Cr (обозначенный как исследуемый) и Al−5.4Mg−0.5Mn−0.1Zr (обозначенные как тестовый). Оба сплава были подвергнуты термомеханической обработке для повышения прочностных свойств основного материала, что в дальнейшем позволит оценить прочностные свойства всех зон при ОТП. В первом случае исследуемый сплав был подвергнут холодной прокатке с суммарной степенью деформации около 75%. Данная обработка привела к формированию сильно вытянутых в направлении прокатки зерен толщиной около 6,5 мкм с большим количеством малоугловых границ. Предел текучести исследуемого сплава в холоднокатаном состоянии составил 375 МПа, предел прочности – 460 МПа, удлинение до разрушения – 11,9 %. Во втором случае тестовый сплав был подвергнут равноканальному угловому прессованию при повышенной температуре. Предел текучести тестового сплава после РКУП составил 235 МПа, предел прочности – 370 МПа, удлинение до разрушения – 21 %. Была разработана модель пробного инструмента для обработки трением с перемешиванием листов сплавов системы Al-Mg. На основе этой модели были изготовлены два инструмента для ОТП. Первый инструмент был выполнен из карбида вольфрама, а второй – из штамповой стали. Листы исследуемого и тестового сплавов системы Al-Mg были подвергнуты ОТП. Часть листов была обработана инструментом из карбида вольфрама, а другая часть – инструментом из штамповой стали. В процессе обработки были проведены изменения температуры в непосредственной близости от зоны перемешивания для анализа влияния материала инструмента и режимов ОТП на температурные условия. Оказалось, что инструмент из карбида вольфрама способствует более высокому тепловыделению при низких оборотах – 408 °С против 297 °С при обработке инструментом из штамповой стали. При средних и высоких оборотах тепловыделение обоих инструментов практически одинаково. Методом оптической металлографии были изучены сплавы, подвергнутые ОТП. При использовании карбидного инструмента никаких видимых дефектов обнаружено не было, кроме изогнутой цепочки оксидов (remnant line) при средней и высокой скорости вращения инструмента. В зоне перемешивания формируется практически равноосная структура со средним размером зерна от 3,4 до 8 мкм в зависимости от режима ОТП. Использование инструмента из штамповой стали при ОТП на низких оборотах способствует формирования бездефектного шва, тогда как при средних и высоких оборотах наблюдаются крупные дефекты-несплошности. В зоне перемешивания формируется структура практически равноосная структура со средним размером зерна от 3,8 до 9,2 мкм. Исследование профиля микротвердости показало, что в зоне ОТП наблюдается снижение твердости материала. Величина снижения при обработке обоими инструментами одинакова. Однако ширина области сниженной твердости в случае инструмента из штамповой стали немного больше, чем при ОТП инструментом из карбида вольфрама. Изучение статических механических свойств методом равноосного растяжения показало, что увеличение скорости вращения инструмента приводит к снижению прочностных свойств материала. При низких оборотах материал, обработанных карбидным инструментом, демонстрирует предел текучести 190 МПа, предел прочности – 325 МПа, а удлинение до разрушения – 13,5 %. Аналогичные прочностные и пластические свойства показал материал в случае ОТП инструментом из штамповой стали. Увеличение скорости вращение приводит к небольшому снижению прочностных и пластических характеристик материала. Но в случае с инструментом из штамповой стали наблюдаемые дефекты привели к значительному падению предела прочности и удлинения до разрушения. Как видно из приведенных результатов, разработанные инструменты демонстрируют высокую эффективность при низких оборотах ОТП. Однако, инструмент из карбида вольфрама способствует более высокому тепловыделению при низких оборотах, чем инструмент из штамповой стали. Благодаря этому, можно сделать предположение, что инструмент из карбида вольфрама обладает более высоким потенциалом для получения композитного материала из алюминиевых сплавов за счет действия более высокой температуры в зоне перемешивания, что способствует более высокой пластичности материала, а значит и более эффективному перемешиванию.