Способ, обеспечивающий рост предельной прочности алюминиевых композитов, использующихся в изготовлении деталей двигателей, разработали ученые Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ) и Института механики сплошных сред УрО РАН, 4 сентября сообщает пресс-служба университета.

Создание и изучение свойств алюминиевых композитов в настоящее время интересует многих материаловедов. Алюмокомпозиты, которые производят с помощью введения в алюминий армирующих частиц, имеют повышенные относительно исходного материала механические свойства.

Такой сплав при низкой плотности обладает высокой прочностью, устойчивостью к коррозии и резким температурным перепадам. Это делает его применение предпочтительным для различных отраслей промышленности. Алюмокомпозиты используют для изготовления таких деталей транспортных средств, как поршни, подшипники, головки цилиндров авиационных и автомобильных двигателей.

В качестве наиболее экономичного способа введения армирующих частиц в расплав алюминия используется метод магнитогидродинамического перемешивания. Его недостатком является отторжение и выбрасывание на поверхность расплава большого количества армирующих частиц, вызванного сильным поверхностным натяжением.

Чтобы избавиться от этого, пермские ученые предложили вводить в жидкий алюминий армирующие частицы в виде спрессованных вместе с микрочастицами алюминия таблеток, которые затем интенсивно перемешиваются бегущими и вращающимися магнитными полями в разработанной специально экспериментальной установке.

Результаты исследования предложенного метода его авторы представили в статье «Введение армирующих частиц в жидкий алюминий», опубликованной в «Инженерно-физическом журнале» № 3 за 2023 год.

Экспериментальная установка, кроме магнитогидродинамического перемешивателя, создававшего раздельно регулируемые бегущее и вращающееся магнитные поля, включала в себя тигель (огнеупорный сосуд) с водоохлаждаемым дном и боковой стенкой, обогреваемой окружающим ее кольцевым нагревателем.

Армирующим веществом ученые выбрали наночастицы и микрочастицы нитрида бора (BN). Таблетки диаметром 20 мм и толщиной 10–15 мм приготавливались из смеси микро- или нанопорошка нитрида бора и микропорошка алюминия при помощи прессования.

Далее расплав алюминия температурой 810 °C переливался в подогретый до 600 °C тигель, в котором под действием бегущего и вращающегося магнитных полей генерировалось топологически сложное перемешивающее течение вливаемого алюминия.

После этого в тигель с жидким алюминием вбрасывались приготовленные таблетки с армирующим составом. Внутри жидкого алюминия таблетки растворялись, и армирующие частицы из них разносились перемешивающим течением по всему объему жидкого алюминия.

Во время перемешивания частиц включалось охлаждение дна тигля, приводившее к направленной кристаллизации слитка. Полученные слитки ученые исследовали, разделив их на четыре части.

Три части шли на образцы для определения удельного электрического сопротивления и механических характеристик. Четвертая исследовалась на равномерность распределения армирующих частиц в слитке по продольному сечению.

Выполнив несколько картограмм в различных частях сечения, ученые визуально показали равномерность распределения вводимых частиц в объеме слитков.

Доктор технических наук, профессор кафедры «Прикладная физика» ПНИПУ Станислав Хрипченко рассказал о проведенных экспериментах:

«Мы исследовали механические свойства материала и его удельное электрическое сопротивление при различном процентном содержании армирующих микро- и наночастиц нитрида бора. Оказалось, даже небольшое содержание микрочастиц и особенно наночастиц в алюминии ведет к возрастанию его механической прочности при сравнительно небольшом повышении электросопротивления».

Исследования показали также, что предельная прочность армированного нитридом бора алюминия c увеличением концентрации частиц сначала снижалась, но затем стала медленно расти и на предельной концентрации превысила предельную прочность исходного алюминия на 4,2%.

«Алюмокомпозиты с наночастицами и с микрочастицами несколько отличаются по физическим свойствам. При увеличении концентрации наночастиц нитрида бора в алюминии от 0 до 1,3% электросопротивление металла возросло на 4%, а предельная прочность увеличилась на 13%. В то время как увеличение концентрации микрочастиц нитрида бора в алюминии от 0 до 1,3% приводит к возрастанию электросопротивления на 6,8%, а предельной прочности — только на 4%», — пояснил Станислав Хрипченко.

В своей статье ученые Пермского Политеха делают вывод, что разработанный коллективом метод введения армирующих микро- и наночастиц нитрида бора недорог, удобен и обеспечивает рост предельной прочности композита алюминия, используемого для изготовления деталей в авиационной и автомобильной промышленности.