Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Перспективы производства и использования металлических наноламинатов, получаемых горячей прокаткой

Покупка
Основная коллекция
Артикул: 620421.01.99
Галкин, В.И. Перспективы производства и использования металлических наноламинатов, получаемых горячей прокаткой [Электронный ресурс] / В.И. Галкин, П.С. Евсеев // Современные технологии обработки металлов и сплавов: Сборник научно-технических статей. - Москва : МАТИ: ИНФРА-М, 2015. - с. 184-192. - ISBN 978-5-16-010767-7. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/515423 (дата обращения: 29.03.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.
Сборник статей "Современные технологии обработки металлов и сплавов" 
 

184

УДК 621.775 
DOI 10.12737/8157 

ПЕРСПЕКТИВЫ ПРОИЗВОДСТВА И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ 

МЕТАЛЛИЧЕСКИХ НАНОЛАМИНАТОВ, ПОЛУЧАЕМЫХ 

ГОРЯЧЕЙ ПРОКАТКОЙ 

Галкин Виктор Иванович (профессор, д.т.н.), 

Евсеев Павел Сергеевич  (младший научный сотрудник) 

ФГБОУ ВПО  "МАТИ – Российский  государственный  

технологический университет   имени  К.Э. Циолковского" 

121552, г. Москва,  Оршанская ул., д.3, тел. (499) 141-94-53.  Е-mail: tomd@mati.ru 

 

Предложен новый подход к проблеме получения наноламинатов. Аналогично 

препрегам для слоистых композитов, состоящих из набора листовых материалов, 

предлагается использовать листовые заготовки с толщиной, пригодной для последу
ющей сборки. При сборке и горячей прокатке таких заготовок (пакетов), возможно 

получение многослойного листового материала разного состава из множества слоев 

как однородных, так и разнородных металлов или сплавов. Путем последующей резки, 

полученный многослойный лист разрезается на мерные заготовки (карточки), служа
щие препрегами для сборки нового пакета. Вновь сформированный пакет пластически 

деформируется до минимально возможной толщины, ограниченной теплофизическими 

свойствами.  

 

Металлические наноламинаты  (наноструктурированные композиты) 

– это супермногослойные металлические композиты, в которых армирую
щим компонентом являются тонкие диффузионные зоны между слоями из 

двух и более разнородных металлов или сплавов на их основе, представ
ляющих собой матрицу композита [1]. В зависимости от типа диаграммы 

состояния взаимодействующих материалов, диффузионные зоны могут 

представлять собой сплошные слои твердорастворных фаз, интерметал
лидных соединений. 

В связи с тем, что структура, состав и свойства диффузионных зон  

могут существенно отличаться от тех, которые характеризуют сами метал
Раздел 2.  Теория и технология производства композиционных и слоистых материалов 
 

185

лы, эти зоны следует рассматривать как самостоятельную структурную со
ставляющую супермногослойной композиции. Таким образом, совокуп
ность переходных зон может играть армирующую роль в наноламинате, 

аналогичную волокнам в волокнистых композиционных материалах. 

От других видов многослойных композитов наноструктурированные 

отличаются двумя особыми признаками. Первый – это очень большое ко
личество слоев, измеряемое сотнями и тысячами в 1 мм толщины этого ви
да композитов, а второй – малая толщина диффузионных зон, лежащая в 

диапазоне 10-1…101 мкм. Эти признаки указывают на то, что в нанострук
турированных материалах суммарная объемная доля диффузионных зон 

может составлять десятки процентов от объема всего композита в целом.  

Практический интерес к подобного рода материалам, активизиро
вавшийся в последнее десятилетие, связан с ростом технических требова
ний к композиционным материалам, в том числе к изотропии их свойств. 

Одним из путей радикального повышения изотропии свойств композитов  

является создание материалов с пространственными армирующими эле
ментами в виде диффузионных зон. Этот тип армирующих элементов поз
воляет не только повысить уровень изотропии механических свойств ком
позитов, но и придавать им уникальные пространственно ориентирован
ные свойства (электрические, тепловые, магнитные и др.). В связи с этим  

важность и актуальность исследований в области получения и обработки 

давлением наноструктурированных композитов является вполне обосно
ванной. 

Результаты проводимых исследований, имеющиеся на сегодняшний 

день, довольно разрозненны и не дают полную картину, чтобы оценить 

возможности и перспективы практического использования наноламинатов 

[2, 3]. Это связано с тем, что подавляющее большинство технологий изго
товления слоистых композитов, применяемых в настоящее время (сварка 

взрывом, холодная прокатка, диффузионная сварка, различные методы 

Сборник статей "Современные технологии обработки металлов и сплавов" 
 

186

осаждения тонких металлических пленок из паровой фазы и др.), малоэф
фективны в получении многослойных структур, соответствующих сфор
мулированным выше признакам.  

Реализуемая на кафедре "ТОМД" МАТИ им. К.Э.Циолковского об
ширная программа исследований в области применения способа горячей 

прокатки для изготовления супермногослойных материалов различного 

состава нацелена не только на получение новых научных результатов в 

этой области, но и на поиск направлений наиболее эффективного практи
ческого применения таких полуфабрикатов.  

Взяв за аналогию основу имеющихся способов получения слоистых 

металлических материалов горячей прокаткой, схожими со всеми, можно 

считать три основные операции в технологическом процессе. Первая – из
готовление исходных заготовок (препрегов), входящих в пакет, вторая – 

сборка пакета, третья – пластическое деформирование пакетной заготовки 

в валках прокатного стана. Однако полностью применить эту схему к 

наноламинатам весьма затруднительно по следующим причинам. Сама по 

себе задача изготовления упрочняющего слоя из пластин микронной, а тем 

более наноразмерной величины и площадью в сотни и тысячи квадратных 

сантиметров является весьма затруднительной. Но еще большие сложно
сти, связанные с выполнением технологических манипуляций с очень тон
кими пластинами значительной площади, возникают при изготовлении и 

сборке заготовок для супермногослойных композитов с параметрами 

наноламинатов. 

Нами предложен иной подход к проблеме получения наноламинатов 

(рис.1). Аналогично препрегам для слоистых композитов, состоящих из 

набора листовых материалов, мы используем листовые заготовки с толщи
ной, пригодной для последующей сборки. При сборке и горячей прокатке 

таких заготовок (пакетов) возможно получение многослойного листового 

материала разного состава из множества слоев как однородных, так и раз
Раздел 2.  Теория и технология производства композиционных и слоистых материалов 
 

 
187

нородных металлов или сплавов. Путем последующей резки полученный 

многослойный лист разрезается на мерные заготовки (карточки), служащие 

препрегами для сборки нового пакета. Вновь сформированный пакет пла
стически деформируется до минимально возможной толщины, ограничен
ной теплофизическими свойствами.  

 

 

 
 

Рис. 1. Принципиальная схема получения наноламината. 

 

Таким образом, при многократном чередовании операций – горячая 

прокатка и последовательная резка карточек – можно получить супермного
слойный материал с толщиной входящего слоя из нескольких нанометров. 

В процессе последующей комплексной термообработки, состоящей 

из отжига, закалки и старения, многослойный композиционный материал 

на заключительном этапе его трансформирования в наноламинат, на гра
ницах раздела слоев металлов разного состава образуются диффузионные 

зоны, которые являются продуктами диффузионного металлохимического 

взаимодействия контактирующих исходных материалов. 

Сборник статей "Современные технологии обработки металлов и сплавов" 
 

188

 По сравнению с традиционной схемой получения слоистых компо
зиционных материалов (СКМ) принципиальным отличием предложенной 

схемы получения супермногослойных наноструктурированных композитов 

является использование в качестве препрегов не фольговых материалов с 

тонким сечением, как это уже проводилось в работе [4], а тонколистовых и 

даже толстолистовых материалов. Кроме того, нами предложен синтез де
формирующей стадии с упрочняющей термообработкой на заключитель
ном этапе. Протекание диффузионных процессов на границах контактиру
ющих слоев можно сравнить с дисперсионным упрочнением металлов, до
стигаемым в результате выпадения новой фазы из пересыщенного твердо
го раствора в процессе термоактивируемого старения.  

Анализ многолетней истории развития метода горячей прокатки убе
дительно свидетельствует о том, что этот вид сварки давлением в твердой 

фазе позволяет получать прочные соединения практически любых пар раз
нородных металлов. Одни из первых СКМ симметричного типа, такие как 

Ni-Cu-Ni, Cu-Mo-Cu и др., были получены в ХФТИ еще в начале 60-х го
дов прошлого века [5, 6]. Эти материалы, позже нашедшие важное практи
ческое применение, по существу были прототипом наноламинатов, и ме
тодика, разработанная в процессе их создания, послужила основой для 

разработки в настоящее время нового типа слоистых композитов. Позднее, 

в конце 90-х годов прошлого века, на кафедре «Технологии и оборудова
ние прокатки» "МГТУ им. Н.Э.Баумана" были получены и исследованы 

многослойные композиты на основе железа, состоящие из 1750 слоев [7]. 

Сегодня на кафедре «ТОМД» МАТИ на основании данных методик разра
батываются конструктивные композиты на алюминиевой основе как с раз
нородными материалами Al-Cu-Al, путем совместной прокатки листов, так 

и с однородными: Al-Mn-Fe, Al-Ni, полученные путем литья и трансфор
мированные в многослойную полосу прокаткой.  

Раздел 2.  Теория и технология производства композиционных и слоистых материалов 
 

189

Принципиальная схема изготовления многослойного композита или 

симметричного СКМ методом горячей прокатки предусматривает выпол
нение следующих операций. Из исходных полуфабрикатов (фольг, листов, 

плит, полос) металлов, входящих в состав композита, изготавливаются 

прямоугольные карточки-заготовки определенного размера, из которых в 

нужной последовательности собирают пакет-заготовку композита. Далее 

пакет сваривают, а именно, с четырех углов на пакетную заготовку из кар
точек накладывают сварочный шов или используют металлические клепки, 

исключая тем самым взаимное перемещение карточек при прокатке,  

скрепленный пакет нагревают в вакууме до заданной температуры и про
катывают в плоских валках за один проход с требуемым обжатием. В про
цессе прокатки между слоями пакета-заготовки устанавливается металли
ческая связь. После остывания композитной заготовки, осуществляют по
следующие технологические операции в соответствии с заданным регла
ментом. 

Многолетний практический опыт изготовления различных биметал
лов и СКМ свидетельствует о том, что простой линейный маршрут приго
ден для изготовления как толстых плит, так и тонких полос и лент из мно
гослойных композитов, состоящих из небольшого числа слоев – как пра
вило, не более 15…20. Для изготовления композитов с большим удельным 

числом слоев (количество слоев в 1 мм толщины композита) необходимо 

применять способ поитерационной пакетной прокатки. Это связано с тем, 

что изготовить исходный пакет толщиной, например, 20 мм из нескольких 

сотен слоев практически невозможно. 

На практике, выполнение операций очистки от окислов и жировых 

загрязнений поверхностей такого большого числа фольг, толщиной поряд
ка 10-1 мм и площадью поверхности - 104 мм2, последовательной укладки 

их в стопу и ее скрепления не только весьма трудоемко, но и не гарантиру
ет полной и качественной очистки или предотвращения попадания загряз
Сборник статей "Современные технологии обработки металлов и сплавов" 
 

190

нений на свариваемые поверхности в процессе сборки пакета. Иными сло
вами, обычный способ изготовления исходного пакета для получения ком
позитов с большим удельным числом слоев неприемлем. 

Избежать указанных сложностей можно путем применения пакетной 

технологии изготовления супермногослойных композитов. В этом случае 

исходный пакет имеет умеренное количество слоев (до 20), его изготовле
ние предусматривает использование хорошо отработанных методик и по
этому не вызывает никаких затруднений. Далее следуют сборка слоев в 

пакет, его нагрев и горячая прокатка, резка полосы на карточки, сборка па
кета из этих карточек и последующая прокатка. Понятно, что число слоев в 

конечной многослойной полосе, полученной в результате осуществления 

нескольких описанных циклов, может быть неограниченно большим. 

Но, несмотря на это, для числа слоев все же существуют ограниче
ния, обусловленные практической целесообразностью и учетом диффузи
онно-контролируемых процессов, протекающих в композитах в процессе 

их изготовления. Первый тип ограничений связан с тем, что с увеличением 

числа циклов возрастает трудоемкость и энергозатратность изготовления 

композита, а также увеличивается количество неизбежных технологиче
ских отходов. С учетом этих обстоятельств и накопленного опыта изготов
ления многослойных композиций Al-Mn-Fe и Al-Ni мы пришли к выводу о 

том, что практически приемлемое удельное число слоев в композитах, по
лучаемых по описанному циклическому маршруту, лежит в интервале 

10000…15000. 

Второй тип ограничений связан со стремлением минимизировать 

толщину переходных зон, которые образуются между слоями композита в 

процессе многократных нагревов пакетов перед их горячей  прокаткой и 

промежуточных отжигов композитной заготовки в процессе ее деформи
рования. Это особенно важно для случая включения в состав композита 

разнородных материалов, компоненты которых способны к взаимодей
Раздел 2.  Теория и технология производства композиционных и слоистых материалов 
 

191

ствию с образованием интерметаллических фаз, существенно снижающих 

технологичность композита на стадии получения из него изделия. 

Наличие достаточно толстых слоев этих хрупких фаз во многих слу
чаях приводит к невозможности проведения прокатки композитной заго
товки в полосу без расслоения заготовки, т.е. к невозможности изготовить 

многослойный композит с желаемым числом слоев. Известные в настоя
щее время расчетные методики оценки допустимой толщины слоев хруп
ких фаз и кинетики ее роста не позволяют получить практически приме
нимые результаты, так как все они базируются на определенных модель
ных, а потому упрощенных, представлениях о реальных процессах в мно
гокомпонентных материалах. Кроме того, они не учитывают множествен
ные технологические факторы, которые существенно влияют на протека
ние диффузионных процессов. Поэтому наиболее эффективным путем ре
шения проблемы получения конкретного многослойного композита из ре
акционно-способных компонентов является экспериментальное определе
ние допустимых значений температурно-временных параметров воздей
ствия на этот композит в процессе его получения. Выбор требуемых усло
вий должен базироваться на результатах проводимых исследований диф
фузионных процессов на конкретных парах материалов. 

В качестве исходных материалов для наших исследований выбраны 

СКМ системы медь-алюминий. Это широко распространенные металлы, 

используемые на практике. Пара медь-алюминий входит в состав многих 

биметаллов, термическая стабильность этой пары, диаграмма состояния и 

характер диффузионных процессов в ней изучены довольно подробно [2
5].  Еще одним аргументом в пользу выбора меди и алюминия в качестве 

базовой системы в наших экспериментах послужила их высокая пластич
ность при комнатной температуре. СКМ на основе системы медь
алюминий являются весьма перспективными материалами с высокими 

демпфирующими характеристиками и уникальными анизотропными элек
Сборник статей "Современные технологии обработки металлов и сплавов" 
 

 
192

тропроводностью и магнитопроводностью, существенно разнящимися в 

направлениях вдоль и поперек к плоскости слоев.  

 Таким образом, установить, с точки зрения металлохимического 

взаимодействия компонентов композитов, какой-то интервал числа слоев, 

общий для композитов любого состава, не представляется возможным. 

Вместе с тем следует отметить, что путь уменьшения эффектов реакцион
ного взаимодействия вполне очевиден – это уменьшение продолжительно
сти и интенсивности термического воздействия на композит в процессе его 

изготовления до практически приемлемых пределов. 

В качестве доказательства предложенной нами методики получения 

многослойных композитов с большим удельным числом слоев по выше
описанному маршруту на рис. 2 приведены фотографии внешнего вида 

композитов Al-Cu-Al (а) и их микрошлифы (б) на начальной стадии транс
формирования в наноламинат. 

а    
 

       б     
 

 

Рис. 2.   Внешний вид многослойных композитов (а) и их микро
структура (б).