Создан инновационный способ производства высокотвердых металломатричных композитов.

Исследования финансируются грантом Российского научного фонда. Результаты работы опубликованы в журнале Ceramics International (Q1, IF: 5,1).

Композиты с алюминиевой матрицей, благодаря сочетанию свойств металлов и керамики, сегодня считаются современными материалами для множества автомобильных и аэрокосмических применений, таких как тормозные диски, барабаны и поршни, а также крылья и фюзеляжи. Они демонстрируют выдающуюся пластичность, коррозионную стойкость, высокую жесткость и прочность, а также возможность повторного использования. Тем не менее, все традиционные ex-situ методы получения таких композиций приводят к ухудшению физико-механических свойств объемных образцов.

Ученые Томского политеха разработали единую стратегию для создания композитов с алюминиевой матрицей, обладающих улучшенными характеристиками – от уникального метода in-situ получения композитных порошков до их объединения и физико-механических испытаний.

Метод ученых основывается на «встраивании» армирующих частиц карбидов вольфрама, кремния и бора в металлическую матрицу с использованием плазмодинамического синтеза.

«Уникальность нашего метода получения дисперсных композитов заключается в том, что внедрение армирующих частиц в металлическую матрицу происходит в результате взаимодействия компонентов во время обработки импульсной плазмой дугового разряда. Этот подход in-situ позволяет формировать армирующий компонент и металлическую матрицу, а также их совмещение в одном процессе.

В отличие от традиционных ex-situ методов, это обеспечивает равномерное распределение микро- и наноразмерных частиц карбидов в материале и их внедрение в алюминиевую матрицу, хорошую межфазную связь, а также полимодальный характер распределения частиц по размерам, что в конечном итоге улучшает физико-механические свойства готовых изделий», — подчеркивает один из авторов исследования, доцент кафедры электроэнергетики и электротехники ТПУ Дмитрий Никитин.

По словам ученых, содержание карбидной фазы в готовом композите может изменяться от 5,85% до 16,38% в зависимости от начальных условий процесса. Это позволит «настраивать» характеристики композитов.

Благодаря добавлению карбидов в композит при создании объемных образцов, материал получает уникальную структуру. Например, это позволяет достичь высокой степени уплотнения всех компонентов (до 99%) и улучшенных физико-механических свойств. По результатам исследования, новые композиты ТПУ в четыре раза тверже аналогов: они достигают твердости в диапазоне 103-215 HV, в то время как аналогичные образцы из коммерчески доступных компонентов показывают твердость в пределах 47-62 HV.

«Важно отметить, что предложенный метод in situ совмещения алюминиевого матричного материала с керамическим карбидом не приводит к образованию пористых образцов и рекристаллизации частиц, что часто затрудняет получение качественных композитов. Это означает, что финальные изделия будут обладать значительно улучшенными механическими свойствами и стойкостью к износу», — добавляет Дмитрий Никитин.

Результаты исследования могут стать основой для разработки высокоэффективных композитных материалов для авиационной, автомобилестроительной и других отраслей, где требуются материалы с низкой удельной массой и высокой твердостью.