Разработка алюмоматричных материалов, полученных жидкофазным замешиванием тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.09, кандидат наук Чэнь Ицзинь

• Чэнь Ицзинь
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Чэнь Ицзинь

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

1.1 Перспективы конструкционных металлических композиционных

материалов

1.1.1 Исторические предпосылки формирования потребности в МКМ

1.1.2 Мониторинг научной информации по МКМ

1.1.3 Основные сведения о перспективных матричных материалах на

основе металлов

1.2 Матричные материалы на основе алюминия

1.2.1 Составы и основные свойства алюминия

1.2.2 Анализ технологических подходов к получению изделий на основе алюминиевых сплавов

1.3 Выбор перспективных армирующих наполнителей

1.3.1 Получение и свойства карбида кремния

1.3.2 Получение и свойства оксида алюминия

1.4 Совместимость компонентов в композиционных материалах

1.4.1 Теоретические основы совместимости компонентов

1.4.2 Методы управления совместимостью компонентов КМ

1.4.3 Методы оценки совместимости компонентов КМ

1.5 Анализ способов получения алюмоматричных композиционных материалов

1.5.1 Твердофазные способы производства

1.5.2 Жидкофазные способы производства

1.5.3 Комбинированные способы производства

1.5.4 М^Ш технология (реакционное литье)

1.6 Приоритетные области применения АКМ

1.7 Постановка цели и задач

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ

2.1 Матричные материалы

2.2 Состав и основные свойства выбранных армирующих наполнителей

2.2.1 Выбор размера наполнителя на основе теоретического анализа

2.2.2 Выбранные наполнители

2.3 Оборудование и методики изучения структуры

2.3.1 Макро- и микроструктурный анализ

2.3.2 Фрактографический анализ

2.4 Оборудование и методики изучения свойств композитов

2.4.1 Определение плотности материалов

2.4.2 Определение пористости композиционных материалов

2.4.3 Измерение твердости

2.4.4 Испытание на сжатие

2.4.5 Испытание на ударный изгиб

2.5 Оценка обрабатываемости сверлением

2.6 Оценка интенсивности изнашивания

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ПОЛУЧЕНИЯ АЛЮМОМАТРИЧНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ВЫБРАННЫХ СОСТАВОВ

3.1 Решение проблемы совмещении компонентов жидкофазным замешиванием

3.1.1 Предварительная обработка частиц SiC

3.1.2 Способ изготовления конгломерата нановолокон оксида

алюминия, закрепленных в порошке меди

3.2 Установка для замешивания наполнителя в расплав

3.3 Выбор технологических режимов получения образцов

3.4 Объект исследования

ГЛАВА 4. АНАЛИЗ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ПОЛУЧЕННЫХ АЛЮМОМАТРИЧНЫХ

КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

4.1 Анализ модельных образцов АКМ на основе технического

алюминия АД0 с различными наполнителями

4.1.1 Исследование влияния наполнителей на структуры АКМ на

основе АД0

4.1.2 Исследование влияния наполнителей на плотность и пористость

АКМ на основе АД0

4.1.3 Исследование механических свойств АКМ на основе АД0

4.1.4 Исследование разрушения АКМ в условиях

ударного нагружения

4.2 Анализ экспериментальных образцов АКМ на основе алюминиевых сплавов с частицами SiC

4.2.1 Исследование микроструктур АКМ на основе алюминиевых

сплавов с частицами SiC

4.2.2 Исследование твердости АКМ на основе алюминиевых сплавов с

частицами SiC

4.3 Однородность распределения наполнителей

ГЛАВА 5. ОЦЕНКА СВОЙСТВ, ПОЗВОЛЯЮЩИХ ЭФФЕКТИВНО ИСПОЛЬЗОВАТЬ НОВЫЙ МАТЕРИАЛ

5.1 Оценка особенности поведения АКМ при механической обработке

5.2 Оценка особенности поведения АКМ при трении

ГЛАВА 6. ПРОГНОЗ НАПРАВЛЕНИЯ ПРАКТИЧЕСКОГО

ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РАЗРАБОТАННЫХ МАТЕРИАЛОВ

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка алюмоматричных материалов, полученных жидкофазным замешиванием»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Развитие современной науки и техники в значительной степени основывается на создании и комплексном использовании новых материалов с улучшенными свойствами. Одним из перспективных путей реализации этих направлений является разработка новых композиционных материалов (КМ).

Металломатричные композиционные материалы (МКМ) являются перспективным классом гетерофазных материалов для объектов техники будущего благодаря уникальному сочетанию свойств. МКМ нашли применение в машиностроении, авиастроении, космической технике и ряде других промышленных областей. Однако, несмотря на явные преимущества МКМ перед традиционными материалами, их производство и применение до сих пор еще весьма ограниченно и фактически не вышло из стадии полупромышленного производства. Разработке новых функциональных и конструкционных МКМ уделяется значительное внимание в современных работах исследователей во всем мире. Большой вклад в разработку составов таких материалов и технологий их получения внесли такие ученые как Шоршоров М.Х., Гаврилин И.В., Каблов Е.Н., Колмаков А.Г., Семенов Б.И., Чернышова Т.А., Курганова Ю.А., Rohatgi P., Kainer Karl U., Mortensen А.и др.

В состав МКМ традиционно входят пластичные металлические матрицы и высокомодульные, высокопрочные наполнители. Наиболее привлекательными с точки зрения практического использования в машиностроении, являются композиционные материалы на основе алюминия и алюминиевых сплавов (АКМ), обладающие низкой плотностью, высокой коррозионной стойкостью и хорошей технологичностью.

Наиболее перспективными наполнителями для АКМ являются карбид кремния и оксид алюминия, в настоящее время весьма привлекательными объектами являются в том числе и наноразмерные фракции. Уменьшение размеров наполнителя до наноуровня увеличивает протяженность границ в

единице объема матричного расплава, увеличивая число центров кристаллизации при охлаждении и обеспечивая желаемую мелкозернистую структуру. Наноразмерный наполнитель имеет высокую седиментационную устойчивость в расплаве и, находясь во взвешенном состоянии, блокирует диффузию атомов к зарождающимся и растущим кристаллам. После перехода в твердое состояние, нанонаполнитель работает как барьер при движении дислокаций по матрице, затрудняя их движение в тем большей степени, чем меньше расстояние между частицами. Обозначенные эффекты ведут к повышению механических свойств при незначительных объемах вводимых нанонаполнителей. Разработка алюмоматричных композиционных материалов с наноразмерными наполнителями занимались такие исследователи, как Калашников И.Е., Попов В.А., Веткасов Н.И., Surappa M.K., Sharma S.C., Sajjadi S.A., Zhang D., Li Z. и др.

В качестве наноразмерных наполнителей уже исследованы такие перспективные наноразмерные материалы, как наночастицы AI2O3, SiC, TiB2, углеродные нановолокна и нанотрубки, и графен. В настоящее время появился новый объект - нановолокно оксида алюминия AI2O3. Оксид алюминия Y-AI2O3, обладающий высокой прочностью и твердостью, низкой плотностью, хорошей теплостойкостью и химической стойкостью, а также обеспечивает достаточную связь по границе раздела с алюминиевыми матрицами и характеризуется отсутствием нежелательной реакции по границе раздела, имеет относительно низкую стоимость по сравнению с остальными нанообъектами, используемыми в качестве наполнителей.

При изготовлении АКМ основная проблема заключается в совмещении компонентов: алюминиевая матрица, хотя и имеет низкую температуру плавления, интенсивно окисляется на воздухе, обладает высокой вязкостью, обеспечивая низкую смачиваемость. Разработанные в настоящее время способы изготовления в основном включают твердофазные методы: порошковую технологию и механическое легирование; жидкофазные методы: механическое замешивание и пропитку. Жидкофазные методы достаточно перспективны из-за

простоты технологического процесса, возможности получения изделий сложной конфигурации, малого времени подготовки производства новых изделий. Однако с помощью такого метода непосредственно вводить наноразмерные наполнители в расплав алюминия невозможно. Наноразмерные наполнители образуют в воздухе легковесную пылевидную взвесь.

Анализ литературных и патентных источников, посвящённых данной проблематике, показал, что в достаточной мере рассмотрены АКМ, наполненными углеродными наноразмерными материалами (фуллеренами, углеродными нанотрубками и графенами) с высокой ценой, а АКМ, наполненные нановолокнами оксида алюминия изучены мало. Кроме того, большинство АКМ с наноразмерными наполнителями изготовлены твердофазным методом. Таким образом, разработка алюмоматричных композиционных материалов, упрочненных перспективными наполнителями, и технология их получения жидкофазным замешиванием представляют собой актуальную задачу.

Целью данной работы является повышение прочностных свойств алюмоматричных материалов за счёт обеспечения смачиваемости между матрицей и наполнителей.

Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи:

1. Выбор составов алюмоматричного материала для перспективного использования в машиностроении.

2. Анализ механизмов упрочнения алюмоматричных композиционных материалов, с целью прогнозирования эффекта упрочнения АКМ с наноразмерными наполнителями.

3. Разработка технологического способа жидкофазного замешивания для совмещения компонентов и получение экспериментальных образцов для исследования.

4. Установление закономерности влияния компонентного состава и режимов жидкофазного замешивания на формирование структуры и свойств.

5. Оценка технологических и эксплуатационных свойства, позволяющих эффективно использовать новый материал.

Научная новизна.

1. Впервые установлены условия получения нового материала на основе алюминия путем жидкофазного совмещения конгломератов нановолокон на порошках меди размером 10-20 мкм.

2. На основе анализа механизмов упрочнения, спрогнозированы преимущества совмещения наноразмерных наполнителей и экспериментально доказан эффект упрочнения до 50% при наличии 1% нановолокна AI2O3 .

3. Установлено, что наличие 1% AI2O3 нановолокон, закрепленных на медном порошке, способствует измельчению зерна на 25% по сравнением с матричным сплавом.

Практическая значимость.

1. Разработан и впервые реализован способ совмещения тугоплавкого керамического нановолокна оксида алюминия в алюминиевый сплав с помощью медного носителя для получения материала нового состава.

2. Установлены технологические режимы жидкофазного замешивания, (температура расплава, скорость и время перешивания, время выдержки) совмещения нановолокон AI2O3, обеспечивающие смачиваемость и однородное распределение наполнителей в алюминиевой матрице.

3. Спрогнозированы рациональные области применения и осуществлены испытания на конкретных изделиях с выражением квот превосходства разработанного АКМ к традиционно используемому материалу.

4. Результаты работы приняты для использования в учебном процессе обучения магистров по профилю и выполнении профильных квалификационных работ.

Методы исследования. При выполнении работы использованы современные методы исследования структуры и свойств материалов: металлографический анализ с помощью микроскопов фирмы Olympus; определение твердости по Бринеллю и микротвердости с помощью твердомера

Emco-test type Dura Vision 20 и DURASCAN 70; определение механических характеристик при испытании на сжатие с помощью универсальной испытательной машины ИР 5143-200; исследовано поведение материала при ударе с помощью маятникового копра PH 300. Фрактографический анализ выполняли с помощью растрового электронного микроскопа VEGA II LMH фирмы Tescan. Фазовый состав структурных составляющих КМ и используемых наполнителей определяли с помощью энергетического детектора INCA 350. Исследование поведения АКМ при механической обработке и в условиях трения проведены на соответствующих испытательных установках.

Достоверность полученных результатов и выводов в диссертационной работе обеспечена использованием современного оборудования, применением принятых методов исследований и испытаний в соответствии с требованиями ГОСТ и международных стандартов.

Положения, выносимые на защиту:

1. Способ совмещения не смачивающегося нановолокна оксида алюминия в алюминиевый сплав с помощью медного носителя для получения материала нового состава.

2. Закономерности влияния нановолокон оксида алюминия на изменения структуры и свойств АКМ.

3. Результаты экспериментальных исследований структуры и механических свойств композиционных материалов на основе алюминия и алюминиевых сплавов с разными наполнителями (частицами SiC, микроволокнами AhO3, нановолокнами AhO3), полученных жидкофазным методом механического замешивания.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 16 конференциях, семинарах и форумах, в том числе: XXIV Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (г. Москва, 2017 г.); Х, XI, XIII Всероссийская конференция молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России» (г. Москва, 2017, 2018, 2020 г.); третий, четвертый и пятый

междисциплинарный молодежный научный форум с международным участием «Новые материалы» (г. Москва, 2017, 2018, 2019 г.); XXIV Уральская школа металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов» (г. Магнитогорск, 2018 г.); международный форум «Ключевые тренды в композитах: наука и технологии» (г. Москва, 2018, 2019, 2020 г.); Всероссийская научно-техническая конференция «Студенческая научная весна: Машиностроительные технологии» (г. Москва, 2019, 2020 г.); The 1st European Conference on Silicon and Silica Based Materials (Hungary, 2019 г.); VIII Международная конференция «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов» (г. Москва, 2019 г.); XV Всероссийская выставка «Политехника» (г. Москва, 2020 г.).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликованы 21 научная работа, в том числе 7 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 6 работ, входящих в Scopus или Web of Science, 9 докладов в сборниках трудов конференций, оформлен патент на изобретение.

Личный вклад автора состоит в выполнении следующих этапов диссертационного исследования: анализ научно- технической литературы и патентный поиск; анализ механизма упрочения АКМ и прогноз упрочения АКМ с наноразмерными наполнителями; подготовка конгломерата на основе меди и нановолокон AI2O3 и изготовление алюмоматричных композиционных материалов; проведение исследований структуры, механических свойств и поведения при ударе; исследование поведения АКМ при механической обработке и трении; прогноз эффективного применения АКМ; обработка и анализ полученного объема экспериментальных данных, включая подготовку научных статей и выступление с докладами на научных конференциях.

Работа выполнена в рамках направления НИР кафедры «Материаловедение» МГТУ им Н.Э. Баумана и проекта РФФИ № 20-53-53022 «Исследование алюмоматричных композиционных материалов, наполненных наноразмерными компонентами».

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, общих выводов, списка использованных источников. Объем диссертации составляет 160 страницы, включая 84 рисунков, 24 таблиц, 46 формул и список использованных источников из 195 наименований.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

В современном мире развитие науки и техники невозможно без создания и использования новых материалов, которые наилучшим образом будут отвечать заданному уровню механических и эксплуатационных свойств. Современное машиностроение требует повышения конструкционной прочности, надежности и долговечности деталей механизмов и машин. В том числе, важным требованием является сочетание высокой прочности с достаточным запасом пластичности. Эксплуатационные характеристики, гарантирующие требуемый уровень работоспособности, преимущественно обеспечиваются созданием оптимальных структур. Одним из перспективных направлений в материаловедении является создание композиционных материалов.

Понятие "композиционный материал", или композит, сформировалось в середине XX века. Композиционные материалы (КМ) - особый класс гетерофазных материалов, состоящих из наполнителя и матрицы с четко выраженной границей раздела. КМ используют преимущества каждого из компонентов и проявляют новые свойства, обусловленные граничными процессами. Один из компонентов, обладающий непрерывностью по всему объему, является матрицей. Матрица обеспечивает сохранение необходимой формы и размеров, связывает наполнитель и определяет параметры полученного материала. Компонент прерывный, разделенный в объеме композиции, считается усиливающим или армирующим и называется наполнителем [2, 27].

Матрицы могут быть полимерными, металлическими, керамическими и смешанными. В том числе, композиционные материалы с металлической матрицей по сравнению с другими матрицами обладают следующими преимуществами: высокой удельной прочностью, высоким удельным модулем, высокой пластичностью, вязкостью разрушения, хорошей теплопроводностью и электропроводностью, хорошими механическими свойствами при повышенных температурах, высокой технологичностью (деформируемостью, обрабатываемостью).

По природе наполнителя металломатричные композиционные материалы (МКМ) разделяются на армированные волокнами (волокнистые КМ) и наполненные тонкодисперсными частицами, не растворяющимися в основном металле (дисперсно-упрочненные КМ).

1.1 Перспективы конструкционных металлических композиционных материалов

Металломатричные композиционные материалы - новый класс гетерофазных материалов для объектов техники будущего. В состав МКМ входят пластичные металлические матрицы и высокомодульные, высокопрочные наполнители. Благодаря уникальному сочетанию свойств (высокие удельные жесткость и прочность, высокие вязкость разрушения, жаропрочность, электро- и теплопроводность, износостойкость, технологичность при обработке и соединения, низкий коэффициент термического расширения, малая чувствительность к тепловым ударам, облучению и др.). МКМ нашли применение в ряде промышленных областей: машиностроении, приборостроении, авиастроении, космической технике и др. Однако, несмотря на преимущества МКМ перед традиционными материалами, их производство и применение до сих пор еще весьма ограниченно и фактически не вышло из стадии полупромышленного производства.

1.1.1 Исторические предпосылки формирования потребности в МКМ

Понятие «металломатричный композиционный материал» (по-Английски Metal Matrix Composite), или «металлический композиционный материал», или «металлической / металломатричный композит» сформировалось в середине 20 в. Однако принципы объединения разнородных материалов известны человечеству достаточно давно. Первое использование МКМ относится к глубокой древности. Медное шило из Кайону (Турция) датируемое примерно 7000 г. до н.э., было изготовлено путем многократного ламинирования и

ударного процесса, что привело к высоким уровням вытянутых неметаллических включений [1,2].

Среди первых металломатричных композиционных материалов, которые привлекли научное и практическое внимание, были материалы из дисперсно-упрочненных металлов. Они были разработаны на основе работ Schmit [3] в 1924 году по спеченным смесям порошков Al / AI2O3, и материалы из спеченной алюминиевой пудры (САП) привели к обширным исследованиям в 1950-60-х годах [4,5]. Материал САП характеризуется высокой прочностью, жаропрочностью, коррозионной стойкостью и термической стабильностью.

В 60-х годах 20 века, для того чтобы повышать удельные прочность и жесткость металлических материалов, началась разработка металломатричных композиционных материалов в США. В 1963 году D.L. McDanels и др. [6] из Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) впервые изготовили композиционные материалы на основе меди, упрочненные 10%-ми волокнами вольфрама методом жидкофазной пропитки. Результаты исследования показали, что прочность КМ увеличивается на 90% по сравнению с матричными медными сплавами. С тех пор были разработаны металломатричные композиционные материалы, упрочненные волокнами или нитевидными кристаллами чистых элементов или тугоплавких соединений (B, С, AI2O3, SiC и др.), а также проволоками из металлов и сплавов (Mo, W, Be и др.). Волокнистые металломатричные композиционные материалы имеют высокую прочность, анизотропны, но их сложные технологии и высокая стоимость производства ограничивают масштабное применение.

Первые работы о получении литых АКМ, упрочненных частицами, начались в середине 60-х гг. прошлого века и были выполнены профессором P. Rohatgi в г. Сафферне (США) [7]. Ранние эксперименты были нацелены на получение КМ систем Al-SiC, AI-AI2O3 и Al-графит механическим замешиванием армирующих фаз в алюминиевый расплав [12]. Значительный вклад в развитие теории и практики литья композиционных материалов внесли работы американских ученых M.C. Flemings, А. Mortensen и R. Mehrabian,

заложивших основы современных представлений о кристаллизации литейных композиций [8-11].

Разработка МКМ в СССР производилась в связи с развитием космической отрасли, особенно после запуска на орбиту первого искусственного спутника «Спутник-1» 4 октября 1957 года [26]. Требование аэрокосмической и авиационной техники к повышению прочности и жесткости конструкционных материалов при одновременном снижении их плотности привели к созданию и применению металломатричных композиционных материалов [13]. Разработка волокнистых КМ стала возможной только в середине 60-х годов 20 века после появления армирующих средств - высокопрочных, высокомодульных борных и углеродных волокон, нитевидных кристаллов, а также высокопрочной стальной и вольфрамовой проволоки. Во Всероссийском институте авиационных материалов (ВИАМ) разработаны первые волокнистые КМ, полученные методом порошковой металлургии на никелевой основе с дисперсными окислами редкоземельных элементов и на основе боридов тугоплавких соединений. Эти материалы успешно использованы на атомных ледоколах «Арктика», «Сибирь» и «Ленин». В 1970-х годах разработаны дисперсно-упрочненные композиционные материалы на основе никеля ВДУ-1 и ВДУ-2, волокнистые КМ на основе алюминия с высокопрочной стальной проволокой ВНС (КАС-1) и борными волокнами (ВКА-1). С 1970 г. началась активная разработка волокнистых и других КМ., в результате к 1975 г. ВИАМ совместно с НИИграфит, ГНИИХТЭОС, ИМЕТ АН СССР, ВНИИВ, ИПМ АН УССР завершил комплекс исследований по созданию МКМ, которые по своим свойствам не отличались от зарубежных аналогов. Разработаны материалы системы алюминий-углеродное волокно (ВКУ-1) [14], магний-борное волокно (ВКМ-1) [15] и дисперсно-упрочненный никельхромовый материал ВДУ-3. У МКМ достигается повышение предела прочности, малоцикловой усталости, выносливости и длительной прочности на 50-100%, увеличивается модуль упругости в 2-3 раза, снижается склонность к трещинообразованию в несколько раз и повышается надежность деталей и узлов конструкций [13]. Для

конструкционных материалов одной из наиболее важных характеристик является вязкость разрушения. С.Т. Милейко и др. [16] применили линейную механику разрушения к волокнистому КМ на основе алюминия с 50 об. % борных волокон при однонаправленном армировании. Для указанной композиции определена величина вязкости разрушения: работа разрушения волокнистого КМ в 3 раза превышает работу разрушения матричного алюминиевого сплава Д16Т.

Основополагающими работами, послужившими своего рода фундаментом для перехода к разработке и освоению литейных дисперсно-упрочненных КМ, следует считать работы по суспензионной разливке, возглавляемые А.А. Рыжиковым и В.А. Ефимовым [19,20]. Идеи и методы суспензионной разливки находят естественное развитие в исследованиях литейных композиций, и особенно важным здесь является накопленный опыт изучения взаимодействия жидкой и твердой фаз, опыт ввода твердых частиц в расплавы и многое другое.

Вопросы получения литейных композиций и способы их литья изучаются во Владимирском государственном университете с 1973 г., и первые работы в этой области были начаты научным коллективом под руководством профессора И.В. Гаврилина [21]. Технологические процессы получения алюмоматричных композиционных материалов триботехнического назначения и изделий из них активно разрабатываются в Институте металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН под руководством профессора Т.А. Чернышовой [22]. В ОАО «РУСАЛ ВАМИ» под руководством В.Г. Борисова разработана технология получения АКМ методом плазменной инжекции порошковых компонентов в низкотемпературные матричные расплавы [37]. В Самарском государственным техническом университете (СамГТУ) проводятся исследования путем метода самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) для получения модифицирующих лигатур и композиционных сплавов систем Al-Ti, Al-Ti-C, Al-Ti-B [38].

В отличие от США и России, исследование МКМ в Китае началось в 80-е годы прошлого века, когда в Китае появилась первая статья о МКМ на

английском языке [23]. Интенсивные исследования композиционных материалов проводятся в Японии при поддержке Министерства международной торговли и индустрии с 80-х гг. 20 века [24]. В 1983 году компания Toyota впервые использовала алюмоматричные композиционные материалы, упрочненные AhO3/SiO2, для изготовления поршней дизельных двигателей. По сравнению с традиционным литым никелевым сплавом, КМ уменьшает массу и повышает эффективность двигателей [25]. С тех пор началось широкое применение МКМ в гражданской отрасли. Работы японских ученых направлены на получение алюмоматричных композиционных материалов, в т.ч. с применением центробежного литья. На Рисунке 1.1 представлена история разработки современных металломатричных композиционных материалов.

Рисунок 1.1. История разработки современных МКМ

1.1.2 Мониторинг научной информации по МКМ

Разработке новых функциональных и конструкционных МКМ уделяется значительное внимание в современных работах исследователей во всем мире [27-36]. На Рисунке 1.2 показано количество опубликованных статей по МКМ во всем мире с 2010 по 2019 год согласно базе данных Web of Science. Видно, что за указанный период количество статей по МКМ увеличилось почти в 3 раза. Исследованием и разработкой МКМ активно занимаются в следующих странах:

КНР, Индия, США, Иран, Россия, Германия, Республика Корея, Великобритания, Франция, Польша, Япония, Канада и др. (Рисунок 1.3).

Рисунок 1.2. Количество статей по МКМ с 2010 по 2019 год согласно

базе данных Web of Science

Страна

Рисунок 1.3. Количество статей по МКМ в различных странах с 2016 по 2020

год согласно базе данных Web of Science С целью лучшего и быстрого развития МКМ Россия, США, КНР, страны Европы, Япония и другие страны разработали соответствующие стратегии развития (Таблица 1).

Таблица 1.

Стратегия развития МКМ

Страна Стратегия развития Ссылка

Россия «Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» 34

США «Lightweight innovations for tomorrow» 39

КНР «13-й пятилетний план развития» «Сделано в Китае - 2025» -

Страны Европы «Horizon 2020» «THERMACO» 40 41

Япония «Перспективные композиционные материалы» 24

В Китае ведутся активные разработки по созданию МКМ и их свойствам. Объем инвестиций на исследования КМ в Китае ежегодно увеличивается, а китайский рынок композиционных материалов считается одним из крупнейших и занимает 3-е место в мире после американского и европейского. Особое внимание уделяется получению композиционных материалов на основе металла (Al, Cu, Mg, Ti) с разными наполнителями (SiC, AI2O3, CNTs, графен, B4C и др.). Такие работы проводятся в Шанхайском университете Цзяотун, Харбинском политехническом университете, Институте изучения металлов Китайской академии наук, Центральном институте цветных металлов, Пекинском институте авиационных материалов, университете науки и технологии г.Пекин и др.

В Индии разработки и исследование новых МКМ активно проводятся в Индийском институте технологий, Совете Индии по научным и промышленным исследованиям (CSIR), Университете Анны, Индийском научном институте (Бангалор), Оборонной исследовательской организации и др.

В США проводятся масштабные работы по изучению и разработке МКМ. В рамках проекта «Lightweight innovations for tomorrow», который возглавляется представителями промышленности и финансируется Министерством обороны

США через Управление военно-морских исследований, разработаны экономичные технология получения субмикронных армированных МКМ порошковой металлургии и in-situ способ получения алюмоматриных композиционных материалов, упрочненных наночастицами [39].

В Германии значительные успехи в получении МКМ достигнуты научным коллективом под руководством доктора R.F. Singer из Университета Эрлангена-Нюрнберга им. Фридриха-Александра. Их разработки направлены на создание литых КМ на основе алюминия и магния, армированных углеродными нанотрубками [42]. Кроме того, разработка получения литых КМ на основе магниевых сплавов, упрочненных керамическими частицами, производится в центре Helmholtz-Zentrum Geesthacht (г. Гестахт, Германия) под руководством профессора K.U. Kainer [43,44].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Чэнь Ицзинь, 2021 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Muhly J.D. The beginnings of metallurgy in the old world // The beginning of the use of metals and alloys: Papers from the second international conference on the beginning of the use of metals and alloys. Cambridge: MIT Press, 1986. P. 2-20.

2. Clyne T.W., Withers P.J. An introduction to metal matrix composites. Cambridge university press. 1995. 509 p.

3. Schmidt E. German Patents Nos 425451, 425452 and 427370, 1924.

4. Hansen N. Dispersion-strengthened aluminium products manufactured by powder blending // Powder metallurgy. 1969. V. 12(23). P. 23-44.

5. Hansen N. Dispersion-strengthened aluminium products. (Thesis). Roskilde, Denmark: Riso National Laboratory. 1969. 73 p.

6. McDanels D.L., Jech R.W., Weeton J.W. Stress-strain behavior of tungsten-fiber-reinforced copper composites. National aeronautics and space administration cleveland on lewis research center, 1963.

7. Gupta N., Satyanarayana K.G. The solidification processing of metal-matrix composites: The Rohatgi Symposium // JOM. 2006. V. 58(11). P. 92-94.

8. Flemings M.C. Solidification processing // Metallurgical transactions. 1974. V. 5(10). P. 2121-2134.

9. US Patent №2 3951651. Metal composition and methods for preparing liquidsolid alloys for casting and casting methods employing the liquid-solid alloys / R. Mehrabian, M.C. Flemings. Patented 20.04.1976.

10. Mortensen A., Cornie J.A., Flemings M.C. Solidification processing of metal-matrix composites // Journal of Metals. 1988. V. 40(2). P. 12-19.

11. Wannasin J., Flemings M.C. Fabrication of metal matrix composites by a high-pressure centrifugal infiltration process // Journal of materials processing technology. 2005. V. 169(2). P. 143-149.

12. Прусов Е.С., Панфилов А.А., Кечин В.А. Современные методы получения литых композиционных сплавов // Литейщик России. 2011. № 12. С. 35-39.

13. Фридляндер И.Н., Портной К.И., Строганова В.Ф., Салибеков С.Е., Чубаров В.М. Композиционные материалы с металлической матрицей // Авиационная промышленность. 1984. № 5. С. 5-7.

14. Заболоцкий А.А., Салибеков С.Е. Разработка и исследование композиционного материала Al-C // МиТОМ. 1978. № 10. С. 49-52.

15. Строганова В.Ф., Городецкая Л.А., Токарь Е.М. Композиционные материалы системы магний-бор / Книга «Материалы IV Всесоюзной конференции по композиционным материалам». М.: Наука. 1981. 304 с.

16. Милейко С.Т., Сорокин Н.М., Цирлин А.М. Распространение трещин в боралюминиевом композите // Механика полимеров. 1976. №2 6. С. 1010-1017.

17. Алюминиевые и магниевые сплавы, армированные волокнами / Иванова В.С. [и др.]. М.: Наука, 1974. 202 с.

18. Волокнистые композиционные материалы с металлической матрицей / М.Х. Шоршоров [и др.]. М.: Машиностроение, 1981. 268 с.

19. Затуловский С.С., Ефимов В.А. Некоторые вопросы теории и технологии суспензионного литья // Сборник «Суспензионное литье». Киев: ИПЛ АН УССР, 1977. С. 3-29.

20. Рыжиков А.А. Технологические процессы направленного управления формированием отливом // Суспензионное и композиционное литье. Киев: ИПЛ АН УССР, 1988. С. 8-10.

21. Гаврилин И.В. Разработка теории и технологии композиционного литья: дисс.. докт. техн. наук. Владимир. 1991. 352 с.

22. Чернышова Т.А., Кобелева Л.И., Болотова Л.К. Дискретно -армированные композиционные материалы с матрицами из алюминиевых сплавов и их трибологические свойства // Металлы. 2001. № 6. С. 85-98.

23. Wu G. An introduction to design of metal matrix composites. Science press, China, 2016. 224 p. (In Chinese)

24. Koczak M.J., Prewo K., Mortensen A., Fishman S., Barsoum M., Gottschall R. Inorganic composite materials in Japan: status and trends. // Office of naval research liaison office far east apo San Francisco 96503. 1989. 53p.

25. Kajikawa Y. High functional composite castings and their applications to automotive components // Chuzo Kogaku (Journal of Japan Foundry Engineering Society). 1996. V. 68, I. 12. P.1106-1112. (In Japanese)

26. Cyriac A.J. Metal matrix composites: History, status, factors and future. Oklahoma State University. 2011. 247 p.

27. Курганова Ю.А., Колмаков А.Г. Конструкционные металломатричные композиционные материалы. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2015. 141 с.

28. Чэнь Ицзинь. Металломатричные композиционные материалы. Перспективы эффективного применения и получения (Обзор) // Технология металлов. 2017. № 10. С. 25-30.

29. Chawla N., Chawla K.K. Metal Matrix Composites. New York: Springer Science+Business Media. 2013. 370 p.

30. Kurganova Yu.A, Chernyshova T.A, Kobeleva L.I, Kurganov S.V. Service properties of aluminum-matrix precipitation-hardened composite materials and the prospects of their use on the modern structural material market // Russian Metallurgy (Metally) 2011. V. 7. P. 663-666.

31. Tjong S.C. Recent progress in the development and properties of novel metal matrix nanocomposites reinforced with carbon nanotubes and graphene nanosheets // Materials Science and Engineering R: Reports. 2013. V. 74. P.281-350.

32. Miracle D.B. Metal matrix composites - from science to technological significance // Composites science and technology. 2005. V. 65(15). P. 2526-2540.

33. Moghadam A.D., Omrani E., Menezes P.L., Rohatgi P.K. Mechanical and tribological properties of self-lubricating metal matrix nanocomposites reinforced by carbon nanotubes (CNTs) and grapheme - A review // Composites Part B: Engineering. 2015. V. 77. P. 402-420.

34. Каблов Е.Н. Стратегические направления развития материалов и технологий ихпереработки на период до 2030 года // Авиационные материалы и технологии. 2012. № S. С. 7-17.

35. Косников Г.А. Жидкофазные технологии получения заготовок из алюмоматричных нанокомпозитов (обзор) // Журнал сибирского федерального университета. Серия: техника и технологии. Т. 7. № 4. С. 409415.

36. Pan H., Fan G., Tan Z., Li Z., Zhang D. Preparation methods and developing trends of nano-AhO3-reinforcend aluminum matrix composites // Materials Reviews. 2015. V. 1. P. 36-42.

37. Борисов В.Г. Разработка технологии плазменного синтеза алюминиевых сплавов композиционного типа // Металлург. 2008. №11. С. 102106.

38. Луц А.Р., Макаренко А.Г. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез алюминиевых сплавов. Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2008. 175 с.

39. In-situ manufacturing of nanoparticle reinforced aluminum matrix composites. URL. https://lift.technology/project/situ-manufacturing-nanoparticle-reinforced-aluminum-matrix-composites/. (дата обращения:08.01.2020).

40. Horizon 2020. https://ec.europa.eu/programmes/horizon2020/en. (дата обращения: 08.01.2020).

41. THERMACO. http://thermaco.eu/project-overview/. (дата обращения: 08.01.2020).

42. Li Q., Rottmair C.A., Singer R.F. Fabrication of carbon nanotube reinforced aluminum alloy composites by high pressure die casting // Proceedings of the international carbon conference (CARBON 2008). 2008.

43. Thakur S.K., Dhindaw B.K., Hort N., Kainer K.U. Some studies on Mg alloy reinforced with ceramic discontinuous phases // Material Science Forum. 2003. V. 419-422. P. 837- 842.

44. Kainer K.U. Metal Matrix Composites: Custom-made Materials for Automotive and Aerospace Engineering. Wiley-VCH. 2006. 330 p.

45. Гращенков Д.В., Ефимочкин И.Ю., Большакова А.Н. Высокотемпературные металломатричные композиционные материалы,

армированные частицами и волокнами тугоплавких соединений // Авиационные материалы и технологии. 2017. № S. C. 318-328.

46. Song B., Wang Z., Yan Q., Zhang Y., Zhang J., Cai C., Wei Q., Shi, Y. Integral method of preparation and fabrication of metal matrix composite: Selective laser melting of in-situ nano/submicro-sized carbides reinforced iron matrix composites // Materials Science and Engineering: A. 2017. V.707. P. 478-487.

47. Ferkel H., Mordike B.L. Magnesium strengthened by SiC nanoparticles // Materials Science and Engineering: A. 2002. V. 328. P. 137-146.

48. Изотова А.Ю., Гришина О.И., Шавнев А.А. Композиционные материалы на основе титана, армированные волокнами (обзор) // Труды ВИАМ. 2017. № 5. С. 42-49.

49. Zimmerman A.F., Palumbo, G., Aust, K.T., Erb, U. Mechanical properties of nickel silicon carbide nanocomposites // Materials Science and Engineering: A. 2001. V. 298. P. 193-199.

50. Cha S.I., Kim K.T., Arshad S.N., Mo C.B., Hong S.H. Extraordinary strengthening effect of carbon nanotubes in metal-matrix nanocomposites processed by molecular-level mixing // Advanced materials. 2005. V. 17. P. 1377-1381.

51. Chen L.Y., Peng J.Y., Xu J.Q., Choi H., Li X.C. Achieving uniform distribution and dispersion of a high percentage of nanoparticles in metal matrix nanocomposites by solidification processing // Scripta materialia. 2013. V. 69. P. 634-637.

52. Большакова А.Н., Ефимочкин И.Ю., Дмитриева В.В., Бурковская Н.П. Дисперсноупрочненные композиционные материалы на основе молибдена (обзор) // Новости материаловедения. Наука и техника. 2018. № 3-4. С. 15-24.

53. Parsonage, T. Beryllium metal matrix composites for aerospace and commercial applications // Materials science and technology. 2000 V. 16. P. 732738.

54. Mizuuchi K., Inoue. K., Agari. Y., Sugioka M., Tanaka M., Takeuchi T., Kawahara M., Makino Y., Ito M. Processing of diamond-particle-dispersed silver-

matrix composites in solid-liquid co-existent state by SPS and their thermal conductivity // Composites part B: engineering. 2012. V. 43 P. 1445-1452.

55. Tai W.P., Kim Y.S., Kim J.G. Fabrication and magnetic properties of AhO3/Co nanocomposites // Materials chemistry and physics. 2003. V. 82 P. 396400.

56. Xiao D., Liu Y., Yu Y., Zhou P., Liu W., Ma Y. Efect of spark plasma sintering on microstructure and properties of TiB2/AlCoCrFeNi composites // Journal of materials engineering. 2018. V. 46. P. 22-27.

57. Andreas, M. 2007. Metal matrix composite in industry: An overview laboratoire de metallurgie mecanique, department des materiaux, Ecole polytechnique federale de Lausanne, Switzerland.

58. Стоякина Е.А., Курбаткина Е.И., Симонов В.Н., Косолапов Д.В., Гололобов А.В. Механические свойства алюмоматричных композиционных материалов, упрочненных частицами SiC, в зависимости от матричного сплава (обзор) // Труды ВИАМ. 2018. № 2 (62). С. 62-73.

59. Михеев Р.С., Чернышова Т.А. Алюмоматричные композиционные материалы с карбидным упрочнением для решения задач новой техники. М.: Маска, 2013. 356 с.

60. Белов Н.А., Савченко С.В., Хван А.В. Фазовый состав и структура силуминов: Справочное издание. М.: МИСИС, 2008. 283с.

61. Золоторевский В.С., Белов Н.А. Металловедение литейных алюминиевых сплавов. М.: МИСИС, 2005. 376 с.

62. Плавка и литье алюминиевых сплавов: Справ. руководство / Под ред. В.И. Добаткина. М.: Металлургия, 1983. 352 с.

63. Новиков И.И. Горячеломкость цветных металлов и сплавов. М.: Наука, 1966. 299 с.

64. Структура и свойства сплавов. Пер. с англ. / Л.Ф. Мондольфо; под ред. Ф.И. Квасова, Г.Б.Строганова, И.Н. Фридляндера. М.: Металлургия, 1979. 640 с.

65. Исходные расплавы как основа формирования структуры и свойств алюминиевых сплавов / И.Г. Бродова [и др.]. Екатеринбург.: УрО РАН, 2005. 369 с.

66. Взаимодействие металлических расплавов с армирующими наполнителями. / Т.А. Чернышова [и др.]. М.: Наука, 1993. 272 с.

67. Wang F., Ma N., Li Y., Li X., Wang H. Impact behavior of in situ TiB2/Al composite at various temperatures // Journal of materials science. 2011. V. 46(15). P. 5192-5196.

68. US Patent № 492767. Production of artificial crystalline carbonaceous material / G. Acheson. Patented 1893.

69. Wu R., Zhou K., Yue C.Y., Pan Y. Recent progress in synthesis, properties and potential applications of SiC nanomaterials // Progress in Materials Science. 2015. V. 72. P. 1-60.

70. Peintinger M.F., Kratz M.J., Bredow T. Quantum-chemical study of stable, meta-stable and high-pressure alumina polymorphs and aluminum hydroxides // Journal of Materials Chemistry A. 2014. V. 2. P. 13143-13158.

71. Mallakpour S., Khadem E. Recent development in the synthesis of polymer nanocomposites based on nano-alumina // Progress in Polymer Science. 2015. V. 51. P. 74-93.

72. Чукин Г.Д. Строение оксида алюминия и катализаторов гидрообессеривания. Механизмы реакций. М.: Типография Паладин, ООО «Принта», 2010. 288 с.

73. Shirai T., Watanabe H., Fuji M., Takahashi M. Structural properties and surface characteristics on aluminum oxide powders // Ceramics Research Laboratory, Nagoya Institute of Technology. 2009. V. 9. P. 23-31.

74. Ptacek P. Strontium aluminate - cement fundamentals, manufacturing, hydration, setting behaviour and applications. Rijeka: In Tech, 2014. 350 p.

75. Афанасов И.М., Лазоряк Б.И. Высокотемпературные керамические волокна. М.: Издательство МГУ им. М.В. Ломоносова, 2010. 51 с.

76. Sreekumar V.M., Hari Babu N., Eskin D.G. Prospects of in-situ a-AkO3 as an inoculant in aluminum: a feasibility study // Journal of Materials Engineering and Performance. 2017. V. 26. P. 4166-76.

77. Wang H., Li G., Zhao Y., Chen G. In situ fabrication and microstructure of AkO3 particles reinforced aluminum matrix composites // Materials Science and Engineering: A. 2010. V.527. P. 2881-85.

78. Yang B., Sun M., Gan G., Xu C., Huang Z., Zhang H., Fang Z. In situ AkO3 particle- reinforced Al and Cu matrix composites synthesized by displacement reactions // Journal of Alloys and Compounds. 2010. V. 494. P. 261-265.

79. Prabhu B., Suryanarayana C., An L., Vaidyanathan R. Synthesis and characterization of high volume fraction Al-AkO3 nanocomposite powders by high-energy milling // Materials Science and Engineering: A. 2006. V. 425. P. 192-200.

80. Mobasherpour I., Tofigh A.A., Ebrahimi M. Effect of nano-size AkO3 reinforcement on the mechanical behavior of synthesis 7075 aluminum alloy composites by mechanical alloying // Materials Chemistry and Physics. 2013. V. 138. P. 535-541.

81. Mula S., Padhi P., Panigrahi S.C., Pabi S.K., Ghosh S. On structure and mechanical properties of ultrasonically cast Al-2% AkO3 nanocomposite // Materials Research Bulletin. 2009. V.44. P.1154-60.

82. Mazaherya A., Abdizadeha H., Baharvandi H.R. Development of highperformance A356/nano-AkO3 composites // Materials Science and Engineering: A. 2009. V. 518. P. 61-64.

83. Akbari M.K., Baharvandi H.R., Mirzaee O. Nano-sized aluminum oxide reinforced commercial casting A356 alloy matrix: Evaluation of hardness, wear resistance and compressive strength focusing on particle distribution in aluminum matrix // Composites Part B: Engineering. 2013. V. 52. P. 262-268.

84. Akbari M.K., Baharvandi H.R., Mirzaee O. 2013 Fabrication of nano-sized Al2O3 reinforced casting aluminum composite focusing on preparation process of reinforcement powders and evaluation of its properties // Composites Part B: Engineering. 2013. V. 55. P. 426-432.

85. Akbari M.K., Mirzaee O., Baharvandi H.R. Fabrication and study on mechanical properties and fracture behavior of nanometric AhO3 particle-reinforced A356 composites focusing on the parameters of vortex method // Materials & Design. 2013. V. 46. P. 199-205.

86. Tahamtan S., Halvaee A., Emamy M., Zabihi M.S. Fabrication of Al/A206-Al2O3 nano/micro composite by combining ball milling and stir casting technology // Materials & Design. 2013. V. 49. P. 347-359.

87. Chen Yijin, Qin He, Kurganova Y.A., Gaaze V.K. A method for introduction of Al2O3 nanofiber into aluminum alloy // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2018. V. 347, conference 1, 012050.

88. Kurganova Yu.A., Scherbakov S.P. Influence of a discrete additive of aluminum oxide on structure and properties of aluminium alloy // Journal of mining institute. 2017. V. 228. P. 717-721.

89. Курганова Ю.А., Чэнь И. Получение образцов литейного металломатричного композиционного материала системы Al-нановолокно AhO3 // Заготовительные производства в машиностроении. 2018. № 11. С. 524528.

90. Wang J., Li Z., Fan G., Pang H., Chen Z., Zhang D. Reinforcement with graphene nanosheets in aluminum matrix composites // Scripta Materialia. 2012. V. 66. P. 594-597.

91. Kollo L., Leparoux M., Bradbury C.R., Jaggi C., Carreno-Morelli E., Rodriguez-Arbaizar M. Investigation of planetary milling for nano-silicon carbide reinforced aluminium metal matrix composites // Journal of Alloys and Compounds. 2010. V. 489. P. 394-400.

92. Li Q., Qiua F., Dong B., Geng R., Lv M., Zhao Q., Jiang Q. Fabrication, microstructure refinement and strengthening mechanisms of T nanosized SiCp/Al composites assisted ultrasonic vibration // Materials Science and Engineering: A. 2018. V. 735. P. 310-317.

93. Gao Q., Wu S., Lv S., Xiong X., Du R., An P. Improvement of particles distribution of in-situ 5 vol% TiB2 particulates reinforced Al-4.5Cu alloy matrix

composites with ultrasonic vibration treatment // Journal of Alloys and Compounds. 2017. V. 692. P. 1-9.

94. Ramakrishna S., Fujihara K., Teo W.E., Yong T., Ma Z., Ramaseshan R. Electrospun nanofibers: solving global issues // Materials Today. 2006. V. 9(3). P. 40-50.

95. Ramaseshan R., Sundarrajan S., Jose R., Ramakrishna S. Nanostructured ceramics by electrospinning // Journal of Applied Physics. 2007. V. 102(11): 111101.

96. Saunders Z., Noack C.W., Dzombak D.A., Lowry G.V. Characterization of engineered alumina nanofibers and their colloidal properties in water // Journal of Nanoparticle Research. 2015. V. 17(3). 140.

97. Kim J.H., Yoo S.J., Kwak D.H., Jung H.J., Kim T.Y., Park K.H., Lee J.W. Characterization and application of electrospun alumina nanofibers // Nanoscale research letters. 2014. V. 9(1), 44.

98. Sawicka K.M., Gouma P. Electrospun composite nanofibers for functional applications. // Journal of Nanoparticle Research. 2006. V. 8(6). P. 769-781.

99. ANF Technologies. http://www.anftechnology.com/en/ (дата обращения: 08.01.2020).

100. Bravaya N.M., Galiullin A.N., Saratovskikh S.L., Panin A.N., Faingol'd E.E., Vasil'ev S.G., Bubnova M.L., Volkov V.I. Synthesis and properties of hybrid materials obtained by in situ copolymerization of ethylene and propylene in the presence of AhO3 nanofibers (NafenTM) on catalytic system rac-Et(2-Melnd)2ZrMe2/ isobutylalumoxane // Journal of Applied Polymer Science. 2017. V. 134, 44678.

101. Копьев И.М., Чернышова Т.А., Кобелева Л.И. Взаимодействие компонентов в композиционных материалах с металлическими матрицами // Институт металлургии и материаловедении им. А.А.Байкова - 60 лет: Сб. науч. тр. / Отв. ред. Н.П.Лякишев. М.: Элищ, 1998. С. 269-284.

102. Взаимодействие металлических расплавов с армирующими наполнителями / Т.А. Чернышова [и др.]. М.: Наука,1993. 272с.

103. Delannay F., Froyen L., Deruyttere A. The wetting of solids by molten metals and its relation to the preparation of metal-matrix composites composites // Journal of materials science. 1987. V. 22(1). P. 1-16.

104. Ksiazek M., Sobczak N., Mikulowski B., Radziwill W., Surowiak I. Wetting and bonding strength in Al/Al2O3 system // Materials Science and Engineering: A. 2002. V. 324(1-2). P. 162-167.

105. Попова Э.А., Бодрова Л.Е., Ченцов В.П., Долматов А.В., Пастухов Э.А. Изучение процессов смачивания карбида кремния алюминиевыми расплавами // Расплавы. 2008. № 3. С. 10-12.

106. Das S., Ramachandran T.R., Prasad S.V. Microstructure of rapidly solidified aluminium-silicon-graphite composite // Scripta Metallurgica. 1989. V. 1. P. 3-6.

107. Композиционные материалы: справочник / Под ред. Д.М. Карпиноса. К.: Наукова думка, 1985. С. 110-124.

108. Ksiazek M., Sobczak N., Mikulowski B., Radziwill W., Surowiak I. Wetting and bonding strength in Al/Al2O3 system // Materials Science and Engineering A. 2002. V. 324. P. 162-167.

109. Серпова, В.М., Шавнев А.А., Гришина О.И., Краснов Е.И., Соляев Ю.О. Смачиваемость и межфазное взаимодействие в МКМ на алюминиевой матрице, армированной AhO3 // Материаловедение. 2014. № 12. С.29-35.

110. Leon C.A., Mendoza-Suarez G., Drew R.A.L. Wettability and spreading kinetics of molten aluminum on copper-coated ceramics. // Journal of Material Science. 2006. V. 41. P. 5081-5087.

111. Alexandrov I.V., Zhu Y.T., Lowe T.C., Islamgaliev R.K., Valiev R.Z. Consolidation of nanometer sized powders using severe plastic torsional straining // Nano-structured materials. 1998. V. 10. P. 45-54.

112. Huang Y., Bazarnik P., Wan, D., Luo D., Pereira P.H.R., Lewandowska M., Yao J., Hayden B.E., Langdon T. G. The fabrication of graphene-reinforced Albased nanocomposites using high-pressure torsion // Acta Materialia. 2019. V. 164. P. 499-511.

113. Miracle D. B. Aeronautical applications of metal matrix composites // ASM handbook - Composites. 2001. V.21. P. 1043 - 1049.

114. Шавнев А.А., Березовский В.В., Курганова Ю.А. Особенности применения конструкционного металлического композиционного материала на основе алюминиевого сплава, армированного частицами SiC. часть I (обзор) // Новости и материаловедения. Наука и техника. 2015. № 3. С. 3-10.

115. Шавнев А.А., Березовский В.В., Курганова Ю.А. Особенности применения конструкционного металлического композиционного материала на основе алюминиевого сплава, армированного частицами SiC. часть II (обзор) // Новости и материаловедения. Наука и техника. 2015. № 3. С. 11-17.

116. Березовский В.В., Курганова Ю.А. Исследования образцов-имитаторов статорной лопатки направляющего аппарата ГТД из дисперсно-упрочненного металлического композиционного материала на основе алюминиевого сплава // Сборнике «Ключевые тренды в композитах: наука и технологии cборник материалов Международной научно-практической конференции». 2019. С. 110-118.

117. Donomoto T.; Funatani K.; Miura N.; Miyake N. Ceramic Fiber Reinforced Piston for High Performance Diesel Engines, SAE Technical Paper 830252,1983.

118. Suresh V. Future in metal matrix composites for automotive industry: a review // International research journal of automotive technology. 2018. V. 1(6). P. 88-100

119. Prasad S.V., Asthana R. Aluminum metal-matrix composites for automotive applications: tribological considerations // Tribology Letters. 2004. V.17 (3). P. 445-453.

120. Hunt W.H., Miracle D.B. Automotive applications of metal-matrix composites // ASM Handbook - Composites, 2001. V. 21 P. 1029-1032.

121. Hamajima K., Tanaka A., Suganama T. Japan Society of Automotive Engineers. 1990. V. 11. P. 80-84.

122. Kevorkijan V.M. Aluminum composites for automotive applications: a global perspective // Journal of Metals. 1999. V.51. № 11. P. 54-58.

123. Rittner M.N. Metal matrix composites in the 21st century: Markets and Opportunities. GB-108R, Business Communications Co., Inc., Norwalk, CT, 2000.

124.Литые дисперсно-упрочненные алюмоматричные композиционные материалы: изготовление, свойства, применение / Чернышова. Т.А. [ и др.].-Ульяновск: УлГТУ, 2012. - 295 с.

125. Курганов С.В., Курганова Ю.А., Чернышова Т.А., Кобелева Л.И. Механическая обработка литых заготовок из дисперсно-армированных композиционных материалов на основе алюминиевых сплавов // Справочник (Инженерный журнал). 2008. № 12. С. 26-29.

126. Ramulu M., Rao P. N., Kao H. Drilling of (Ah03)p/6061 metal matrix composites // Journal of materials processing technology. 2002. V. 124(1-2). P. 244254.

127. Bains P.S., Sidhu S.S., Payal H.S. Fabrication and machining of metal matrix composites: a review // Materials and Manufacturing Processes. 2016. V. 31(5). P. 553-573.

128. Manna A., Bhattacharyya B. A study on different tooling systems during machining of Al/SiC-MMC // Journal of Materials Processing Technology. 2002. V. 123(3). P. 476-482.

129. Narahari P., Pai B. C., Pillai R. M. Some aspects of machining cast Al-SiCp composites with conventional high speed steel and tungsten carbide tools // Journal of materials engineering and performance. 1999. V. 8(5). P. 538-542.

130. Das S., Behera R., Majumdar G., Oraon B., Sutradhar G. An experimental investigation on the machinability of powder formed silicon carbide particle reinforced aluminium metal matrix composites // International Journal of Scientific & Engineering Research. 2011. V. 2. P. 1-10.

131. Ramulu M., Rao P. N., Kao H. Drilling of (AhO3) p/6061 metal matrix composites // Journal of materials processing technology. 2002. V. 124(1-2). P. 244254.

132. Bains P.S., Sidhu S.S., Payal H.S. Fabrication and machining of metal matrix composites: a review // Materials and Manufacturing Processes. 2016. V. 31(5). P. 553-573.

133. Xiang J., Xie L., Gao F., Yi J., Pang S., Wang, X. Diamond tools wear in drilling of SiCp/Al matrix composites containing Copper // Ceramics International. 2018. V. 44(5). P. 5341-5351.

134. Huang S., Li C., Xu L., Guo L., Yu X. Variation characteristic of drilling force and influence of cutting parameter of SiCp/Al composite thin-walled workpiece // Advances in Manufacturing. 2019. V. 7(3). P. 288-302.

135. Dou T., Fu H., Li Z., Ji X., Bi S. Prediction model, simulation, and experimental validation on thrust force and torque in drilling SiCp/Al6063. // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2019. V. 103(1-4). P. 165-175.

136. Li J., Laghari R. A. A review on machining and optimization of particle-reinforced metal matrix composites. // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2019. V. 100(9-12). P. 2929-2943.

137. Kumaran S. T., Ko T. J., Uthayakumar M., Khan M. A., Muhammad I. Some experimental investigations on drilling AA (6351)-SiC-B4C composite // Materials and Manufacturing Processes. 2017. V. 32(13). P. 1557-1564.

138. Ekici E., Motorcu A. R., Uzun G. An investigation of the effects of cutting parameters and graphite reinforcement on quality characteristics during the drilling of Al/10B4C composites. // Measurement. 2017. V. 95. P. 395-404.

139. Rajmohan T., Palanikumar K. Application of the central composite design in optimization of machining parameters in drilling hybrid metal matrix composites // Measurement. 2013. V. 46. P. 1470-1481.

140. Weinert K., Biermann D., Bergmann S. Machining of high strength light weight alloys for engine applications // CIRP annals. 2007. V. 56(1). P. 105-108.

141. Lucchini E., Casto S. L., Sbaizero O. The performance of molybdenum toughened alumina cutting tools in turning a particulate metal matrix composite // Materials Science and Engineering: A. 2003. V. 357(1-2). P. 369-375.

142. Ding X., Liew W. Y. H., Liu X. D. Evaluation of machining performance of MMC with PCBN and PCD tools // Wear. 2005. V. 259(7-12). P. 1225-1234.

143. Han J., Hao X., Li L., Wu Q., He N. Milling of high volume fraction SiCp/Al composites using PCD tools with different structures of tool edges and grain sizes // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2017. V. 92(5-8). P. 1875-1882.

144. Bian R., He N., Li L., Zhan Z. B., Wu Q., Shi Z. Y. Precision milling of high volume fraction SiCp/Al composites with monocrystalline diamond end mill // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2014. V. 71(1-4). p. 411-419.

145. Kremer A., Devillez A., Dominiak S., Dudzinski D., El Mansori M. Machinability of Al/SiC particulate metal-matrix composites under dry conditions with CVD diamond-coated carbide tools // Machining Science and Technology. 2008. V. 12(2). P. 214-233.

146. Geng L., Zhang X.N., Wang G.S., Zheng Z.Z., Bin X.U. Effect of aging treatment on mechanical properties of (SiCw + SiCp)/2024Al hybrid nanocomposites // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2006. V. 16(2). P. 387-391.

147. Zhang X.N., Geng, L., Wang G.S. Fabrication of Al-based hybrid composites reinforced with SiC whiskers and SiC nanoparticles by squeeze casting // Journal of Materials Processing Technology. 2006. V. 176(1-3). P. 146-151.

148. Jiang D., Yu J. Fabrication of AhO3/SiC/Al hybrid nanocomposites through solidification process for improved mechanical properties // Metals. 2018. V. 8(8). 572.

149. Kim H.H., Babu J.S.S., Kang C.G. Hot Extrusion of A356 aluminum metal matrix composite with carbon nanotube/Al2O3 hybrid reinforcement // Metallurgical and Materials Transactions A. 2014). V. 45(5). P. 2636-2645.

150. Poovazhagan L., Kalaichelvan K., Rajadurai A., Senthilvelan V. Characterization of hybrid silicon carbide and boron carbide nanoparticles-reinforced aluminum alloy composites // Procedia Engineering. 2013. V. 64. P. 681— 689.

151. Shayan M., Eghbali B., Niroumand B. Synthesis of AA2024-(Si02np+ TiO2np) hybrid nanocomposite via stir casting process // Materials Science and Engineering: A. 2019. V. 756. P. 484-491.

152. Tahamtan S., Halvaee A., Emamy M., Jiang Z.Y., Boostani A.F. Exploiting superior tensile properties of a novel network-structure AlA206 matrix composite by hybridizing micron-sized AhTi with AhO3 nano particulates // Materials Science and Engineering: A. 2014. V. 619. P. 190-198.

153. Установка для замешивания частиц в металломатричный расплав. Лопатина Ю.А., Курганова Ю.А., Газзе В.К. Патент на полезную модель RUS 179266 07.05.2018.

154. Ghosh P.R., Ray S., Rohatgi P.R. Incorporation of alumina particles in aluminum-magnezium alloy by stirring in melt // Transactinius of the Japan Institute of Metals. 1984. V.25. № 6. P. 440 - 444.

155. Костиков В.И., Еремеева Ж.В., Симонова Е.В., Капланский Ю.Ю., Лопатин В.Ю. Композиционный материал на основе алюминия, упрочненный наночастицами SiO2, в поле действия центробежной силы // Перспективные материалы. 2015. № 5. С. 16-25.

156. Shirvanimoghaddam K., Hamim S.U., Akbari M.K., Fakhrhoseini S.M., Khayyam H., Pakseresht A.H., Ghasali E., Zabet M, Munir K.S., Jia S., Davim J.P., Naebe M. Carbon fiber reinforced metal matrix composites: Fabrication processes and properties // Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 2017. V. 92. P. 70-96.

157. Ryu H.J., Cha S.I., Hong S.H. Generalized shear-lag model for load transfer in SiC/Al metal-matrix composites // Journal of materials research. 2003.V. 18(12). P. 2851-2858.

158. Khalil K.A., Sherif E.S.M., Nabawy A.M., Abdo H.S., Marzouk W.W., Alharbi H.F. Titanium carbide nanofibers-reinforced aluminum compacts, a new strategy to enhance mechanical properties // Materials. 2016. V. 9(5). 399.

159. Kalaiselvan K., Murugan N., Parameswaran S. Production and characterization of AA6061-B4C stir cast composite // Materials & Design. 2011. V. 32(7). P. 4004-4009.

160. Xu Z.G., Jiang L.T., Zhang Q., Qiao J., Gong D., Wu G.H. The design of a novel neutron shielding B4C/Al composite containing Gd // Materials & Design. 2016. V. 111. P. 375-381.

161. Kumar N.M., Kumaran S.S., Kumaraswamidhas L.A. An investigation of mechanical properties and corrosion resistance of Al2618 alloy reinforced with Si3N4, AlN and ZrB2 composites // Journal of Alloys and Compounds. 2015. V. 652. P. 244-249.

162. Баграмов Р. Х., Евдокимов И. А. Способ получения наноструктурного композиционного материала на основе алюминия. Патент на изобретение. RU 2716965C1 17.03.2020.

163. Курганова Ю.А., Щербаков С.П., Чэнь Ицзинь, Карпухин С.Д. Технология получения перспективного алюмоматричного композиционного материала с дискретными волокнами AhO3 // Технология металлов. 2019. № 10. С. 22-27.

164. Daneshmand S., Masoudi B. Investigation of weight percentage of alumina fiber on EDM of Al/AhO3 metal matrix composites // Silicon. 2018. V. 10(3). P. 1003-1011.

165. Mohamed F.A., Park K.T., Lavernia E.J. Creep behavior of discontinuous SiC/Al composites // Materials Science and Engineering: A. 1992. V. 150(1). P. 21-35.

166. Калашников И.Е. Развитие методов армирования и модифицирования структуры алюмоматричных композиционных материалов: дис. ... д-ра тех. наук. Москва. 2011. 308 с.

167. Костиков В.И., Агуреев Л.Е., Еремеева Ж.В., Ситников Н.Н., Казаков В.А. Алюмоматричные композиты с малыми добавками наночастиц оксидных материалов // Перспективные материалы. 2014. № 7. С. 13-20.

168. NAFEN: Main physical properties. http://www.anftechnology.com/en/physical. (дата обращения:08.01.2020).

169. Hull D., Bacon D.J. Introduction to Dislocations, 5th edn. ButterworthHeinemann, London. 2011. 257p.

170. Zhang Z., Chen D. L. Consideration of Orowan strengthening effect in particulate-reinforced metal matrix nanocomposites: A model for predicting their yield strength // Scripta Materialia. 2006. V. 54 (7). P. 1321-1326.

171. Arsenault R.J., Shi N. Dislocation generation due to differences between the coefficients of thermal-expansion // Materials Science and Engineering: A. 1986. V. 81. P.175-187.

172. Nguyen Q.B., Gupta M. Enhancing compressive response of AZ31B magnesium alloy using alumina nanoparticulates // Composites Science and Technology. 2008. V.68(10-11). P. 2185-2192.

173. Sanaty-Zadeh A. Comparison between current models for the strength of particulate-reinforced metal matrix nanocomposites with emphasis on consideration of Hall-Petch effect // Materials Science and Engineering: A. 2012. V. 531. P. 112118.

174. Nardone V.C., Prewo K.M. On the strength of discontinuous silicon carbide reinforced aluminum composites // Scripta Metallurgica. 1986. V. 20. P. 4348.

175. Ryu H. J., Cha S. I., Hong S. H. Generalized shear-lag model for load transfer in SiC/Al metal-matrix composites // Journal of materials research. 2003.V. 18(12). P. 2851-2858.

176. Chen B., Shen J., Ye X., Jia L., Li S., Umeda J., Kondoh K. Length effect of carbon nanotubes on the strengthening mechanisms in metal matrix composites // Acta Materialia. 2017. V. 140. P. 317-325.

177. Stoller R.E., Zinkle S.J. On the relationship between uniaxial yield strength and resolved shear stress in polycrystalline materials. Journal of Nuclear Materials. 2000. V. 283. P. 349-352.

178. Frost H.J., Ashby M.F. Deformation Mechanism Maps: the Plasticity and Creep of Metals and Ceramics. New York: Pergamon Press, 1982. 166p.

179. Casati R. Aluminum matrix composites reinforced with alumina nanoparticles. Springer International Publishing. 2016.126 p.

180. Hansen N. Halle-Petch relation and boundary strengthening // Scripta Metallurgica. 2004. V. 51. P. 801-806.

181. Nam D.H., Cha S.I., Lim B.K., Park H.M., Han D.S., Hong S.H. Synergistic strengthening by load transfer mechanism and grain refinement of CNT/Al-Cu composites // Carbon. 2012. V. 50. P. 2417-2423.

182. Виноградов Д.В. Оценка качества быстрорежущего инструмента // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 1993. № 10-12. С. 121-125.

183. Виноградов Д.В. К вопросу определения обрабатываемости материалов // Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2005. № 1. С. 12-13.

184. Виноградов Д.В., Древаль А.Е., Васильев С.Г. Комплекс для оценки износостойкости материалов и сил резания при точении // Инженерный вестник. МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2014. №9. C. 33-42.

185. Физические основы механической и физико-технической обработки материалов // Булошников В.С., Малькова Л.Д., Васильев С.Г., Мальков О.В., Сыроегин И.А., Черкасов А., Павлюченков И.А., Виноградов Д.В., Шуляк Я.И. Москва, 2016. 88 с.

186. Панфилов А.А., Прусов Е.С., Кечин В.А. Проблемы и перспективы развития производства и применения алюмоматричных композиционных сплавов // Труды Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева. 2013. № 2(99). С. 210-217.

187. Проектирование ходовых систем тракторов / Шарипов В.М. [и др.]. М.: МГТУ «МАМИ», 2006. 82 с.

188. Kumar P.A., Rohatgi P., Weiss D. 50 years of foundry-produced metal matrix composites and future opportunities // International journal of metal casting. 2020. № 14(2). С. 291-317.

189. Keays R.H. Analysis of armoured-vewicle track loads and strefes, with considerations on alternative track materials. Report prepared for DSTO Materials Research Laboratory under Contract L85513. 1988.

190. Zheng H.S., Bai Y.L., Guan T.Y., Zhang Z.F., Xu J. Study on thixoforming process of 15% SiCp/2A14 composite for production of track shoe // Solid state phenomena. 2019. № 285. С. 354-360.

191. Rawal S.P. Metal-matrix composites for space applications // JOM. 2001. V.53(4). P.14-17.

192. Афанасьев И. «Витязь», ставший «Союзом» // Новости Космонавтики. 2010. № 9.

193. Дрозу М.С., Славский Ю.И., Барон А.А. Развитие методов определения твёрдости металлов //Заводская лаборатория. 1978. № 5. С. 612615.

194. Павлов И.М., Тарасович Ю.Ф., Лешкевич Г.Г., Шелест А.Е. Связь между твердостью титановых сплавов и их прочностью // Заводская лаборатория. 1978. № 5. С. 605-608.

195. Павлов И.М., Лешкевич Г.Г. Изучение зависимости между твердостью и механическими свойствами титановых сплавов // Пластическая обработка металлов и сплавов. М.: Наука, 1979. С. 94-105.

ПРИЛОЖЕНИЕ

В приложении представлены осциллограммы осевой силы и момента резания, полученных на контрольно-диагностическом комплексе.

Таблица 21.

Графики зависимости силы и момента от времени при сверлении АД0

№

отверстия

Осевая сила

Крутящий момент

Зависимость силы от времени при сверленпп АДО

м„

400

200

¿щ^ф ™ II ,м

о $ Л

Зависимость момента от времени > при сверлешт АДО

лМ

-0,5

-Иг

-Мг

2

м,

Зависимость момента от временн ч* при сверлении АДО

0,5

I Г,,/*Н,

А ' 1п к

-0,5

20

-Мг

4

Зависимость силы от временн р сверлении АДО

при

400

200

-200

0 5 10 15 Я

Зависимость момента от времени г при сверлении АДО

Ж

щ^^щг 10

-Г г

1

3

№

отверстия

Осевая сила

Крутящий момент

Зависимость силы от времени при Ро сверлении АДО

400 МО

о

Ж

б 5 10 ! 5 20 25

Таблица 22.

Графики зависимости силы и момента от времени при сверлении АДО+Си

№

отверстия

Осевая сила

Крутящий момент

Зависимость силы от времени при сверлении АДО+Си

зоо 200 100 о • 100

Зависимость момента от времени Мц при сверлении АДО+Си

ли!

-г 2

-ш

2

Зависимость силы от времени • сверлении АДО+Си

при

0.8

0.4

0.2

Зависимость момента от времени «р при сверлении АДО+Си

-vi

-Мг

и

Зависимость момента от времени при сверлении АДО+Си

0.5

-0,5

-Мг

5

1

№

отверстия

Осевая сила

Крутящий момент

4

Зависимость силы от времени при сверлении АДО+Си

зоо

I

-¥г

Л/„

Зависимость момента от времени при сверлении АДО+Си

-ш

р Зависимость силы от времени при сверлении АДО+Си

300

200

^УУЬ

гчгт''

м„

Зависимость момента от времени при сверлении АДО+Си

10 15 20

ьЫЖ

20

-Мг

6

Зависимость силы от времени при сверлении АДО+Си

ю

О |ЛИ|

О Г $ 10 20

Г>

Зависимость момента от времени при МкР сверлении АДО+Си

1.5

0.5

-0.5

10 15 20 25

-Мг

Зависимость силы от времени при F0 сверлении АДО+Си

ЛМкМ

Зависимость момента от времени Мщр при сверлении АДО+Си

0.5

О Г Г ' " 5 " " 10 15 20

-ш

5

7

Графики зависимости силы и момента от времени при сверлении АД0 +SiC

№

отверстия

Осевая сила

Крутящий момент

Зависимость силы от времени при р сверлении АДО-^С

Зависимость момента от времени м при сверлешш АД0+51С

И..............

15 20

i

Л

6 1 5 10 15» г 20

-Тг

-ш

2

Зависимость силы от времени при р сверлешш АДО+БЮ

о

/

ю [У

Л ' С 1Л к

-Гг

4

Зависимость силы от времени сверлении АДО -^¡С

при

0 10 15 20

Зависимость сипы от времеш1 при /=■„ сверлении АДО+БЮ

600 500

100

Зависимость момента от времени М^, при сверлении АДО^С

г

_ з_ю _1 1_20

10 I 15

20

-Мг

1

3

5

Таблица 24.

Графики зависимости силы и момента от времени при сверлении

АДО+Си+ЛЪОз

№

отверстия

Осевая сила

Крутящий момент

Зависимость силы от времеш1 ири сверлешш АДО+Си+АЬОз

Мщ, Завис1шость момента от времени при сверлешш АДО+Си+АЬОз

г™*

10 15 20

-гг

04

-04

шшАш.

-ш

2

Зависимость момента от времени А*, при сверлешш АДО+Си+АЬОз

и

04