Уральский государственный горный университет, Екатеринбург, Россия:

Р. А. Апакашев, проректор по научной работе, докт. хим. наук, проф., эл. почта: parknedra@yandex.ru
М. Л. Хазин, профессор кафедры эксплуатации горного оборудования, докт. техн. наук
Н. Г. Валиев, заведующий кафедрой горного дела, докт. техн. наук, проф.

Для обеспечения надежности и долговечности машин и механизмов обычного и ответственного назначения требуются материалы, способные длительное время выдерживать жесткие условия эксплуатации. Такие ресурсы востребованы в современном машиностроении, авиации, ракетно-космической технике. Подобным требованиям удовлетворяют металломатричные композиционные материалы благодаря высокому уровню физических и механических свойств. Оптимально выбранные компоненты матрицы и армирующего наполнителя, технологии их совмещения и обработки позволяют получить продукт, отвечающий конкретным условиям работы изделия. Композиты с функциональной металлической матрицей, получаемые разными методами, широко используют в машиностроении. Предложен способ синтеза дисперсно-армированных алюмоматричных композиционных материалов, заключающийся в совместном использовании метода порошковой металлургии и метода in situ. Такое совмещение направлено на обеспечение энергосбережения, отказ от вакуумирования реакционной среды и применения инертных газов для защиты от окисления. При этом использование прекурсоров армирующей фазы способно обеспечить хорошую смачиваемость дисперсных частиц расплавленным матричным металлом. Варианты практической реализации способа представлены на примере получения алюмоматричных композитов, наполненных различными функциональными частицами. Результаты сканирующей электронной микроскопии и энергодисперсионного рентгеновского микроанализа показали, что композиционный материал имеет монолитную структуру, характеризующуюся равномерным распределением входящих в его состав атомов алюминия, цинка и магния. Полученные данные свидетельствуют о перспективности способа с точки зрения эффективного армирования металличе ской матрицы широким спектром функциональных частиц, способных обеспечить композиционному материалу необходимые свойства.

Исследование подготовлено в соответствии с государственным заданием на выполнение НИОКР для ФГБОУ ВО «Уральский государственный горный университет» № 11. 075-03-2021-303 от 29 декабря 2020 г., тема № 0833-2020-0007.

1. Гращенков Д. В., Ефимочкин И. Ю., Большакова А. Н. Высокотемпературные металломатричные композиционные материалы, армированные частицами и волокнами тугоплавких соединений // Авиационные материалы и технологии. 2017. № 5. С. 318–328. DOI: 10.18577/2071-9240-2017-0-S-318-328.
2. Sharma D. K., Mahant D., Upadhyay G. Manufacturing of metal matrix composites: A state of review // Materials Today: Proceedings. 2020. Vol. 26. Р. 506–519. DOI: 10.1016/j.matpr.2019.12.128.
3. Kumar A., Singh R. C., Chaudhary R. Recent progress in production of metal matrix composites by stir casting process: An overview // Materials Today: Proceedings. 2020. Vol. 21. Р. 1453–1457. DOI: 10.1016/j.matpr.2019.10.079.
4. Wyatt B. C., Nemani S. K., Anasori B. 2D transition metal carbides (MXenes) in metal and ceramic matrix composites // Nano Convergence. 2021. Vol. 8, No. 16. DOI: 10.1186/s40580-021-00266-7.
5. Moreira R. C. S., Kovalenko O., Souza D., Reis R. P. Metal matrix composite material reinforced with metal wire and produced with gas metal arc welding // Journal of Composite Materials. 2019. Vol. 53, No. 28-30. P. 4411–4426. DOI: 10.1177/0021998319857920.
6. Ruzic J., Simić M., Stoimenov N., Božić D., Stašić J. Innovative processing routes in manufacturing of metal matrix composite materials // Metallurgical and Materials Engineering. 2021. Vol. 27, No. 1. Р. 1–13. DOI: 10.30544/629.
7. Феофанов А. Н., Овчинников В. В., Губин А. М. Механические свойства соединений алюмоматричного дисперсно-упрочненного композиционного материала, полученных сваркой трением с перемешиванием // Сварочное производство. 2021. № 10. С. 21–31.
8. Prathipa R., Sivakumar C., Shanmugasundaram B. Experimental investigation of aluminium (Al6061) alloy with fly ash metal matrix composite material // Annals of the Romanian Society for Cell Biology. 2021. Vol. 25, No. 5. P. 270–288.
9. Chen C.-L., Lin C.-H. In-situ dispersed La oxides of Al6061 compo si tes by mechanical alloying // Journal of Alloys and Compounds. 2019. Vol. 775. P. 1156–1163. DOI: 10.1016/j.jallcom.2018.10.093.
10. Singh H., Haq M. I. U., Raina A. Dry sliding friction and wear behaviour of AA6082-TiB2 in situ composites // Silicon. 2020. Vol. 12. P. 1469–1479. DOI: 10.1007/s12633-019-00237-y.
11. Jeevan V., Rao C. S. P., Selvaraj N., Rao G. B. Fabrication and characterization of AA6082 ZTA composites by powder metallurgy process // Materials Today: Proceedings. 2018. Vol. 5, No. 1. Р. 254–260. DOI: 10.1016/j.matpr.2017.11.080.
12. Луц А. Р., Закамов Д. В. Применение алюмоматричных композиционных материалов, дисперсно армированных керамическими частицами, для изделий триботехнического назначения // Современные материалы, техника и технологии. 2019. № 5. С. 82–86.
13. Apakashev R. A., Khazin M. L., Krasikov S. A. Effect of nanostructuring of aluminum, copper, and alloys on their basis wear for resistance and hardness // Journal of Friction and Wear. 2020. Vol. 41, No. 5. Р. 428–431. DOI: 10.3103/s1068366620050037.
14. Mahdavi S., Akhlaghi F. Fabrication and characteristics of Al6061/ SiC/Gr hybrid composites processed by in situ powder metallurgy method // Journal of Composite Materials. 2013. Vol. 47. Р. 437–447. DOI: 10.1177/0021998312440898.
15. Zhang J., Ma S., Zhu J., Kang K. et al. Microstructure and compression strength of W/HfC composites synthesized by plasma activated sintering // Metals and Materials International. 2019. Vol. 25. Р. 416–424. DOI: 10.1007/s12540-018-0190-8.
16. Feng S.-Y., Li Q.-L., Liu W., Shu G.-G. et al. Microstructure and mechanical properties of Al – B4C composite at elevated temperature strengthened with in situ Al2O3 network // Rare Metals. 2020. Vol. 39. Р. 671–679. DOI: 10.1007/s12598-019-01279-2.
17. Soltani S., Azari Khosroshahi R., Taherzadeh Mousavian R., Jiang Z.-Y. et al. Stir casting process for manufacture of Al – SiC composites // Rare Metals. 2017. Vol. 36. Р. 581–590. DOI: 10.1007/ s12598-015-0565-7.
18. Mamnooni S., Borhani E., Bovand D. In-situ synthesis of aluminum matrix composite from Al – NiO system by mechanical alloying // Metals and Materials International. 2019. Vol. 25. P. 1–8. DOI: 10.1007/s12540-019-00549-z.
19. Kim J., Jung J. G., Baek E. J., Choi Y. S. et al. Microstructures and mechanical properties of multiphase-reinforced in situ aluminum matrix composites // Metals and Materials International. 2019. Vol. 25. P. 353–363. DOI: 10.1007/s12540-018-0195-3.
20. Shi Q., Mertens R., Dadbakhsh S., Li G. et al. In-situ formation of particle reinforced Aluminium matrix composites by laser powder bed fusion of Fe2O3/AlSi12 powder mixture using laser melting/remelting strategy // Journal of Materials Processing Technology. 2022. Vol. 299. P. 117357. DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2021.117357.
21. Xi L., Gu D., Lin K., Guo S. et al. Effect of ceramic particle size on densification behavior, microstructure formation, and performance of TiB2-reinforced Al-based composites prepared by selective laser melting // Journal of Materials Research. 2020. Vol. 35, No. 6. P. 559–570. DOI: 10.1557/jmr.2019.392.
22. Kandpal C. B., Kumar J., Singh H. Manufacturing and technological challenges in Stir casting of metal matrix composites. A review // Materials Today: Proceedings. 2018. Vol. 5, No. 1. P. 5–10. DOI: 10.1016/j.matpr.2017.11.046.
23. Johnyjames S., Annamalai A. Fabrication of aluminium metal matrix composite and testing of its property // Mechanics, Materials Science & Engineering. 2017. Vol. 9. DOI: 10.2412/mmse.62.86.695.hal-01504692f.

24. Apakashev R. A., Khazin M. L., Krasikov S. A. Synthesizing aluminum matrix composites by combining a powder metallurgical technique and an in situ method // Materials Science Forum 2021. Vol. 1047. P. 20–24. DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.1047.20.
25. Пат. 2768800 РФ. Способ получения алюмоматричных композиционных материалов / Апакашев Р. А., Давыдов С. Я., Хазин М. Л., Чуркин В. А. ; опубл. 24.03.2022.
26. Красиков С. А., Жилина Е. М., Пичкалева О. А., Пономаренко А. А. и др. Влияние состава интерметаллических соеди не ний на характер межфазных взаимодействий при совмест ном алюминотермическом восстановлении титана, никеля и молибдена из оксидов // Расплавы. 2016. № 4. С. 345–352.
27. Osinkina T. V., Krasikov S. A., Russkih A. S., Zhilina E. M. et al. Influence of conditions for metallothermic reduction of titanium dioxide on the phase formation of titanium aluminides // AIP Conference Proceedings. 2020. Vol. 2313. Article 060013.