vestiftИзвестия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-технических наукProceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physical-technical series1561-83582524-244XThe Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-8358-2018-63-3-271-279vestift-386Research ArticleМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ, МЕТАЛЛУРГИЯMATERIALS SCIENCES AND ENGINEERING, METALLURGYПолучение алюмоматричного композиционного материала, модифицированного наноструктурным кубическим нитридом бораProduction of alumo-matrix composite material modified by nanostructured cubic boron nitrideВитязьП. А.VityazP. A.

Витязь Петр Александрович – академик Национальной академии наук Беларуси, доктор технических наук, профессор, руководитель аппарата Национальной академии наук Беларуси, главный научный сотрудник.

Пр. Независимости, 66, 220072, Минск

Pyotr A. Vitiaz – Academician of the National Academy of Sciences of Belarus, D. Sc. (Engineering), Professor, Head of Academy Staff of the NAS of Belarus, Head Researcher JIMENASB.

66, Nezavisimosti Ave., 220072, Minsk

vitiaz@presidium.bas-net.byСенютьВ. Т.SenyutV. T.

Cенють Владимир Тадеушевич – кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник.

Ул. Академическая, 12, 220072, Минск 

Vladimir T. Senyut – Ph.D. (Engineering), Leading Researcher.

12, Akademicheskaya Str., 220072, Minsk 

vsenyut@tut.byХейфецМ. Л.KheifetzM. L.

Хейфец Михаил Львович – доктор технических наук, профессор, заместитель академика­секретаря Отделения физико­технических наук Национальной академии наук Беларуси, главный научный сотрудник.

Пр. Независимости, 66, 220072, Минск

Mikhail L. Kheifetz – D. Sc. (Engineering), Professor, Deputy Academician-Secretary of the Department of Physical-Engineering Sciences of the National Academy of Sciences of Belarus, Republic of Belarus), Head Researcher, SSPA «Center» of the NAS of Belarus.

66, Nezavisimosti Ave., 220072, Minsk

mlk-z@mail.ruКолмаковА. Г.KolmakovA. G.

Колмаков Алексей Георгиевич – член­корреспондент Российской академии наук, доктор технических наук, заместитель директора.

Ленинский пр., 49, 119991, Москва 

Alexey G. Kolmakov – Corresponding Member of the Rus sian Academy of Sciences, D. Sc. (Engineering), Deputy Director.

49, Leninsky Ave., 119991, Moscow

kolmakov@imet.ac.ruОбъединенный институт машиностроения Национальной академии наук БеларусиJoint Institute of Mechanical Engineering of the National Academy of Sciences of BelarusНПО Центр ОАО, Национальная академия наук БеларусиOpen Joint Stock Company “NPO Center” of the National Academy of Sciences of BelarusИнститут металлургии и материаловедения имени А. А. Байкова, Российская академия наукA.A. Baikov Institute of Metallurgy and Materials Science of the Russian Academy of Sciences201831102018633271279Copyright © Витязь П.А., Сенють В.Т., Хейфец М.Л., Колмаков А.Г., 20182018Витязь П.А., Сенють В.Т., Хейфец М.Л., Колмаков А.Г.Vityaz P.A., Senyut V.T., Kheifetz M.L., Kolmakov A.G.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestift.belnauka.by/jour/article/view/386

Проведено исследование структуры и микротвердости алюминиевого сплава с добавками наноструктурного кубического нитрида бора (cBN) после обработки в условиях высоких давлений и температур. В качестве наполнителя применяли наноструктурный порошок сBN с размером первичных частиц в пределах 50–200 нм. Для повышения химического сродства наноструктурного cBN к алюминиевой матрице проведено предварительное химико-термическое модифицирование наноструктурного cBN, заключавшееся в его высокотемпературной обработке (отжиге) в диапазоне температур 750–950 °С в среде алюмосодержащих соединений. Показано, что модифицирование наноструктурного нитрида бора алюминием способствует прочности удержания наполнителя в алюминиевой матрице. При этом увеличение в шихте концентрации наполнителя BN от 1,5 до 5 мас.%, а также повышение температуры обработки при фиксированном давлении способствует возрастанию микротвердости материала в 1,5– 2 раза по сравнению с базовым алюминиевым сплавом без добавок модификатора. Повышение концентрации BN  до 5 мас.% приводит к увеличению в материале доли более мелких конгломератов частиц (1–5 мкм), уменьшению размеров крупных включений до 10–20 мкм, при этом распределение включений из частиц BN в алюминиевой матрице более равномерное по сравнению с материалом, содержащим 1,5 мас.% cBN. С ростом температуры до 1000 оС в материале происходит рекристаллизация cBN в агрегатах с образованием его отдельных монокристаллических (поликристаллических) частиц размерами 1–10 мкм, обладающих огранкой, характерной для микрочастиц cBN.

The structure and microhardness of an aluminum alloy with additives of nanostructured cubic boron nitride (cBN) after treatment under high pressure and temperature are investigated. А nanostructured powder of cBN with primary particles within 50–200 nm is used as a filler. A preliminary chemical-thermal modifying of the nanostructured cBN, which consists in its high-temperature annealing in the temperature range of 750–950 °C in a medium of aluminum-contai ning compounds, is carried out to increase the chemical affinity of the nanostructured cBN to the aluminum matrix. It is shown that the modifying of nanostructured cBN with aluminum increases the strength of the additives retention in the aluminum matrix. At the same time the increase in the concentration of BN additives from 1.5 to 5 wt.% as well as the increase in the treatment temperature at a fixed pressure promotes the increase in the microhardness of the material by a factor of 1.5 to 2 as compared with the base aluminum alloy without the addition of a modifier. An increase in the cBN concentration to 5 % by weight results in an increase in the fraction of smaller particle conglomerates (1–5 μm) in the material and in a decrease in the size of large inclusions to 10–20 μm. In this case, the distribution of BN particles in the aluminum matrix is more uniform in comparison with a material with a cBN content of 1.5 wt.%. In the material with the growth of temperature up to 1000 °С, cBN in aggregates is recrystallized with the formation of single-crystal (polycrystalline) particles with the size of 1–10 μm  with faceting specific for cBN micron particles.

наноструктурные материалыалюмоматричный композитнаноструктурный кубический BNхимико-термическое модифицированиемикротвердостьвысокое давление и температураnanostructured materialsalumo-matrix compositenanostructured cubic BNchemical-thermal modi fyingmicrohardnesshigh pressure and temperatureБелорусский республиканский фонд фундаментальных исследований – Российский фонд фундаментальных исследований гранта по проекту № Т18Р­183Belarusian Republican Foundation for Fundamental Research – Russian Foundation for Fundamental Research grant for the project № Т18Р­183ReferencesМарукович, Е. И. Модифицирование сплавов / Е. И. Марукович, В. Ю. Стеценко. – Минск: Беларус. навука, 2009. – 192 с.Marukovich E. I., Stetsenko V. Yu. Modifying of alloys. Minsk, Belaruskaya navuka Publ., 2009. 192 p. (in Russian).О модифицировании литых алюмоматричных композиционных материалов тугоплавкими наноразмерными частицами / Т. А. Чернышова [и др.] // Металлы. – 2009. – № 1. – С. 79–87. https://doi.org/10.1134/S0036029509010121Chernyshova T. A., Kobeleva L. I., Kalashnikov I. E., Bolotova L. K. Modification of cast aluminum­matrix composite materials by refractory nanoparticles. Russian Metallurgy (Metally), 2009, no. 1, pp. 79–87. https://doi.org/10.1134/S0036029509010121Модифицирование материалов и покрытий наноразмерными алмазосодержащими добавками / П. А. Витязь [и др.]; под общ. ред. П. А. Витязя. – Минск: Белорус. наука, 2011. – 522 с.Vityaz P. A., Zhornik V. I., Kukareko V. A., Komarov A. I., Senyut’ V. T. Modification of materials and coatings by na no sized diamond-containing additives. Minsk, Belaruskaya navuka Publ., 2011. 522 p. (in Russian).Аспекты создания наноструктурированных композиционных модификаторов для сплавов алюминия / П. А. Витязь [и др.] // Докл. Нац. акад. наук Беларуси. – 2011. – Т. 55, № 5. – С. 91–96.Vityaz P. A., Komarov A. I., Komarova V. I., Shipko A. A., Senyut’ V. T. Creation of nanostructured composite modifiers for aluminium alloys. Doklady Natsional’noi akademii nauk Belarusi = Doklady of the National Academy of Sciences of Belarus, 2011, vol. 55, no. 5, pp. 91–96 (in Russian).Трибологические свойства поршневого сплава, армированного микро­ и ультрадисперсными керамическими частицами / А. Т. Волочко [и др.] // Трение и износ. – 2011. – Т. 32, № 2. – С. 183–191. https://doi.org/10.3103/S1068366611020127Volochko A. T., Komarov A. I., Komarova V. I., Senyut’ V. T., Shipko A. A., Izobello A. Yu. Tribological behavior of piston alloy reinforced by micro- and ultradispersed ceramic particles. Journal of Friction and Wear, 2011, vol. 32, no. 2, pp. 183–191. https://doi.org/10.3103/S1068366611020127Новые технические решения при создании композитов на основе эвтектических силуминов / А. И. Комаров [и др.] // Инновации в машиностроении: сб. науч. тр. 3­й Междунар. науч.­техн. конф. ОИМ НАН Беларуси, Минск, 30–31 окт. 2008 г / Объедин. машиностр. ин­т НАН Беларуси; редкол.: М. С. Высоцкий [и др.]. – Минск, 2008. – С. 459–463.Komarov A. I., Senyut’ V. T., Shipko A. A., Tainova A. A., Volochko A. T., Izobello A. Yu. New technical solutions for composites based on eutectic silumines. Vysotskii M. S. et al. (eds.) Innovatsii v mashinostroenii: sbornik nauchnykh trudov 3-i Mezhdunarodnoi nauchno-tekhnicheskoi konferentsii OIM NAN Belarusi, Minsk, 30–31 oktyabrya 2008 g. [Innovations in mechanical engineering: proceedings of the 3rd International Scientific and Technical Conference of the Joint Institute of Mechanical Engineering of the National Academy of Sciences of Belarus, Minsk, October 30–31, 2008]. Minsk, The Joint Institute of Mechanical Engineering of the National Academy of Sciences of Belarus, 2008, рp. 459–463 (in Russian).Научно­технические основы применения процессов СВС для создания литых алюмоматричных композиционных сплавов, дискретно армированных наноразмерными керамическими частицами / А. П. Амосов [и др.] // Наукоемкие технологии в машиностроении. – 2013. – №. 8. – С. 3–10.Amosov A. P., Nikitin V. I., Nikitin K. V., Ryazanov S. A., Ermoshkin A. A. Scientific and technical principles of application of self-propagating high-temperature synthesis processes for production of cast aluminum matrix composite alloys, reinforced discretely by ceramic nanoparticles. Naukoemkie tekhnologii v mashinostroenii = Science Intensive Technologies in Mechanical Engineering, 2013, no. 8, pp. 3–10 (in Russian).Применение процессов СВС для получения in situ алюмоматричных композиционных материалов, дискретно армированных наноразмерными частицами карбида титана: обзор / А. П. Амосов [и др.] // Изв. высш. учеб. заведений. Цвет. металлургия. – 2016. – № 1. – С. 39–49. https://doi.org/10.17073/0021-3438-2016-1-39-49Amosov A. P., Luts A. R., Latuhin E. I., Ermoshkin A. A. Application of SHS processes for the production of in situ aluminum matrixcomposites discretely reinforced with nanosized titanium carbide particles. Review. Izvestiya vuzov. Tsvetnaya мetallurgiya = Proceedings of Higher Schools. Nonferrous Metallurgy, 2016, no. 1, pp. 39–49 (in Russian). https://doi.org/10.17073/0021­3438­2016­1­39­49Наноалмазы детонационного синтеза: получение и применение / П. А. Витязь [и др.]; под общ. ред. П. А. Витязя. – Минск: Белорус. наука, 2013. – 381 с.Vityaz P. A., Zhornik V. I., Il’yushchenko A. F., Senyut’ V. T., Komarov A. I., Korzhenevskii A. P., Ivakhnik A. V. Nanodiamonds of detonation synthesis: preparation and application. Minsk, Belaruskaya navuka Publ., 2013. 381 p. (in Russian). 10. Vityaz P. A., Ilyushchenko A. F., Senyut V. T., Heyfets M. L., Chernyak I. N., Kolmakov A. G., Klimenko S. A. Formation of aluminum-schungite composite material under pressure. Eurasian Physical Technical Journal, 2016, vol. 13, no. 1(25), pp. 35–39.Formation of aluminum-schungite composite material under pressure / P. A. Vityaz [et al.] // Eurasian Phys. Tech. J. – 2016. – Vol. 13, № 1 (25). – P. 35–39.Vityaz P. A., Il’yushchenko A. F., Senyut’ V. T., Kheifets M. L., Chernyak I. N., Kusin R. A., Zhegzdrin D. I. Sintering of aluminum­matrix composites modified with shungite carbon and corundum in conditions of high pressure. Vestnik nauki i obrazovaniya Severo-Zapada Rossii = Journal of Science and Education of North-West Russia , 2015, vol. 1, no. 1, pp. 55–65 (in Russian).Спекание в условиях высоких давлений алюмоматричных композитов, модифицированных шунгитовым углеродом и корундом / П. А. Витязь [и др.] // Вестн. науки и образования Северо­Запада России. – 2015. – Т. 1, № 1. – С. 55–65.Golubev A. S., Kurdyumov A. V., Pilyankevich A. N. Boron nitride: structure, properties, production. Kiev, Naukova dumka Publ., 1987. 200 p. (in Russian).Голубев, А. С. Нитрид бора. Структура, свойства, получение / А. С. Голубев, А. В. Курдюмов, А. Н. Пилянкевич. – Киев: Наук. думка, 1987. – 200 с.Vityaz P. A., Senyut’ V. T. Synthesis and application of nanostructural superhard materials of tool appointment. Vestsi Natsyyanal’nai akademii navuk Belarusi. Seryya fizika-technichnych navuk = Proceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physical-technical series, 2015, no. 3, pp. 60–76 (in Russian).Витязь, П. А. Синтез и применение наноструктурных сверхтвердых материалов инструментального назначения / П. А. Витязь, В. Т. Сенють // Вес. Нац. акад. навук Беларусі. Сер. фіз.­тэхн. навук. – 2015. – № 3. – С. 60–76.Senyut’ V. T., Kovaleva S. A., Gamzeleva T. V., Grigor’eva T. F. Investigation of the structural features of boron nitride after mechanical activation in attritor and planetary mill followed by agglomeration at high pressure and temperature. Khimiya v interesakh ustoichivogo razvitiya = Chemistry for Sustainable Development, 2016, vol. 24, no. 2, pp. 169–175 (in Russian). https://doi.org/10.15372/KhUR20160208Исследование структурных особенностей нитрида бора после механоактивации в аттриторе и планетарной мельнице с последующим спеканием в условиях высоких давлений и температур / В. Т. Сенють [и др.] // Химия в интересах устойчивого развития. – 2016. – Т. 24, № 2. – С. 169–175. https://doi.org/10.15372/KhUR20160208Vityaz P. A., Senyut’ V. T., Zhornik V. I. Nanostructured composite materials of tool appointment based on cubic boron nitride. Alifanov A. V., Vityaz P. A., Volochko A. T., Garbachevskii V. V., Glezer A. M., Govor G. A. et al. Klubovich V. V. (ed.). Promising materials and technologies. Vol. 2, chapter 14. Vitebsk, Belarus’ Publ., 2017. Pp. 254–277 (in Russian).Витязь, П. А. Наноструктурные композиционные материалы инструментального назначения на основе кубического нитрида бора / П. А. Витязь, В. Т. Сенють, В. И. Жорник // Перспективные материалы и технологии: в 2 т. / А. В. Алифанов [и др.]; под ред. В. В. Клубовича. – Витебск: Беларусь, 2017. – Т. 2. – Гл. 14. – С. 254–277.Vstovskii G. V., Kolmakov A. G., Bunin I. Zh. Introduction to multifractal parameterization of materials structures. Izhevsk, Scientific and Publishing Center “Regulyarnaya i khaoticheskaya dinamika”, 2001. 116 p. (in Russian).Встовский, Г. В. Введение в мультифрактальную параметризацию структур материалов / Г. В. Встовский, А. Г. Колмаков, И. Ж. Бунин. – Ижевск: Науч.­изд. центр «Регулярная и хаотическая динамика», 2001. – 116 с.Vityaz P. A., Ilyuschenko A. F., Kheifetz M. L., Chizhik S. А., Solntsev K. A., Kolmakov A. G., Alymov M. I., Barinov S. M. Technologies of constructional nanostructured materials and coatings. Minsk, Belorusskaya nauka Publ., 2011. 283 p. (in Russian).Технологии конструкционных наноструктурных материалов и покрытий / П. А. Витязь [и др.]; под общ. ред. П. А. Витязя, К. А. Солнцева. – Минск: Белорус. наука, 2011. – 283 с.Kolmakov A. G. Using the provisions of the system approach in studying the structure, the features of plastic deformation and the destruction of metals. Metally = Russian Metallurgy (Metally), 2004, no. 4, pp. 98–107 (in Russian).Колмаков, А. Г. Использование положений системного подхода при изучении структуры, особенностей пластической деформации и разрушения металлов / А. Г. Колмаков // Металлы. – 2004. – № 4. – С. 98–107.Sevost’yanov M. A., Kolmakov A. G., Molokanov V. V., Zabolotnyi V. T., Umnov P. P., Kurakova N. V. Features of deformation and fracture of a composite material based on high­strength martensitic­aging steel with a rapidly quenched surface layer of the Co69Fe4Cr4Si12B11 alloy. Deformatsiya i razrushenie materialov, 2010, no. 3, pp. 28–35 (in Russian).Особенности деформации и разрушения композиционного материала на основе высокопрочной мартенситно­ стареющей стали с быстрозакаленным поверхностным слоем из сплава Co69Fe4Cr4Si12B11 / М. А. Севостьянов [и др.] // Деформация и разрушение материалов. – 2010. – № 3. – С. 28–35.Vityaz P. A., Ilyushchenko A. Ph., Senyut V. T., Kheifez M. L., Charniak I. N., Kusin R. A., Zhehzdryn D. I. High pressure sintering of aluminum­matrix composites modified with shungite carbon and corundum. ЕРМА. Lightweight MMCs. Proceedings. 2016. Pp. 3296211­1–3296211­6. Available at: https://www.epma.com/publications/euro-pm-proceedings/product/world-pm2016-lightweight-mmcs (Accessed 15 October 2017).High pressure sintering of aluminum­matrix composites modified with shungite carbon and corundum [Electronic resource] / P. A. Vityaz [et al.] // ЕРМА. Lightweight MMCs. Proceedings. 2016. – P. 3296211­1–3296211­6. – Mode of access: https://www.epma.com/publications/euro-pm-proceedings/product/world-pm2016-lightweight-mmcs – Date of access: 15.10.2017.Kolmakov A. G., Vityaz P. A., Kheifets M. L., Senyut’ V. T. Analysis of schungite minerals on micro- and mesostructural levels after treatment at conditions of high pressures and temperatures. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Khimiya i khimicheskaya tekhnologiya = Russian Journal of Chemistry and Chemical Technology, 2013, vol. 56, iss. 5, pp. 23–26 (in Russian).Анализ минералов шунгита на микро­ и мезоструктурных уровнях после обработки в условиях высоких температур и давлений / А. Г. Колмаков [и др.] // Изв. высш. учеб. заведений. Химия и химическая технология. – 2013. – Т. 56, вып. 5. – С. 23–26.Анализ минералов шунгита на микро­ и мезоструктурных уровнях после обработки в условиях высоких температур и давлений / А. Г. Колмаков [и др.] // Изв. высш. учеб. заведений. Химия и химическая технология. – 2013. – Т. 56, вып. 5. – С. 23–26.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.