Розроблено новий метод виготовлення металоматричних композитів з високою твердістю.

Дослідження підтримані грантом Російського наукового фонду. Результати дослідження опубліковані в журналі Ceramics International (Q1, IF: 5,1).

Композити з алюмінієвою матрицею завдяки поєднанню властивостей металів і кераміки сьогодні вважаються передовими матеріалами для багатьох автомобільних і аерокосмічних застосувань, таких як гальмівні диски, барабани і поршні, а також крила і фюзеляжі. Вони мають відмінну пластичність, корозійну стійкість, високу жорсткість, міцність та можливість повторного використання. Проте всі загальноприйняті ex-situ підходи до отримання таких композицій призводять до зниження фізико-механічних властивостей об'ємних зразків.

Вчені Томського політехнічного університету запропонували єдину стратегію отримання композитів з алюмінієвою матрицею з поліпшеними властивостями – від унікальної методики отримання in-situ композитних порошків до процесу їх об'єднання та фізико-механічних випробувань.

Підхід вчених ґрунтується на «вбудовуванні» армуючих частинок карбідів вольфраму, кремнію та бору в металеву матрицю за допомогою плазмодинамічного синтезу.

«Унікальність нашого підходу до отримання дисперсних композитів полягає в тому, що впровадження армуючих частинок у металеву матрицю відбувається в результаті взаємодії компонентів під час процесу їх обробки імпульсною плазмою дугового розряду. Цей метод базується на підході in-situ, при якому формування армуючого компонента і металевої матриці та їх поєднання здійснюються в єдиному процесі.

На відміну від традиційних методів ex-situ, це забезпечує рівномірний розподіл мікро- і наноразмірних частинок карбідов у продукті та їх впровадження в алюмінієву матрицю, хорошу міжфазну зв'язок, а також полімодальний характер розподілу частинок за розмірами, що в результаті покращує фізико-механічні властивості кінцевих виробів», — зазначає один з авторів дослідження, доцент кафедри електроенергетики та електротехніки ТПУ Дмитро Нікітін.

За словами вчених, вміст карбідної фази в готовому композиті може варіюватися від 5,85% до 16,38% в залежності від початкових умов процесу. Це дозволить «налаштовувати» характеристики композитів.

Завдяки додаванню карбидів у композит під час виготовлення об'ємних зразків матеріал набуває унікальної структури. Наприклад, це дозволяє досягти високого ступеня ущільнення всіх компонентів (до 99%) і поліпшених фізико-механічних властивостей. За результатами дослідження нові композити вчених ТПУ в чотири рази твердіші аналогів: вони досягають твердості в діапазоні 103-215 HV, для порівняння – аналогічні зразки, виготовлені з комерційно доступних компонентів, показують твердість в межах 47-62 HV.

«Важливо зазначити, що запропонований метод in situ поєднання алюмінієвого матричного матеріалу з керамічним карбідом не призводить до утворення пористих зразків і рекристалізації частинок, що часто ускладнює отримання якісних композитів. Це означає, що фінальні вироби будуть мати значно покращені механічні властивості та стійкість до зносу», — додає Дмитро Нікітін.

Результати дослідження можуть лягти в основу розробки високоефективних композитних матеріалів для авіаційної, автомобільної та інших галузей, де потрібні матеріали з малою питомою масою та підвищеною твердістю.