References

powder

Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия

Powder Metallurgy аnd Functional Coatings (Izvestiya Vuzov. Poroshkovaya Metallurgiya i Funktsional'nye Pokrytiya)

1997-308X2412-8767

НИТУ "МИСИС"

10.17073/1997-308X-2019-4-30-37

powder-500

Research Article

Тугоплавкие, керамические и композиционные материалы

Refractory, Ceramic, and Composite Materials

Получение и исследование металлокерамических композитов системы Ni–Al–O с малой добавкой наночастиц MgAl2O4

Preparation and study of Ni–Al–O system cermet composites with a small addition of MgAl2O4 nanoparticles

Агуреев

Л. Е.

Agureev

L. E.

Кандидат технических наук, научный сотрудник отдела нанотехнологий.

125438, Москва, ул. Онежская, 8.

Cand. Sci. (Tech.), scientific researcher of the Nanotechnology Department, State Research Center «Keldysh Center».

125438, Moscow, Onezhskaya str., 8.

trynano@gmail.com

Костиков

В. И.

Kostikov

V. I.

Доктор технических наук, профессор кафедры порошковой металлургии и функциональных покрытий (ПМиФП).

119049, г. Москва, Ленинский пр-т, 4.

Dr. Sci. (Tech.), prof. of the Department of powder metallurgy and functional coatings (PM&FC) of National University of Science and Technology (NUST) «MISIS».

119049, Moscow, Leninskii pr., 4.

Лаптев

И. Н.

Laptev

I. N.

Инженер отдела нанотехнологий.

125438, Москва, ул. Онежская, 8.

Engineer of the Nanotechnology Department, State Research Center «Keldysh Center».

125438, Moscow, Onezhskaya str., 8.

rvah@mail.ru

Канушкин

А. И.

Kanushkin

A. I.

Инженер отдела нанотехнологий.

125438, Москва, ул. Онежская, 8.

Engineer of the Nanotechnology Department, State Research Center «Keldysh Center».

125438, Moscow, Onezhskaya str., 8.

kanushkin.andrey@icloud.com

Еремеева

Ж. В.

Eremeeva

Zh. V.

Доктор технических наук, доцент кафедры ПМиФП.

119049, г. Москва, Ленинский пр-т, 4.

Dr. Sci. (Tech.), associate prof. of the Department of PM&FC of NUST «MISIS».

119049, Moscow, Leninskii pr., 4.

eremeeva-shanna@yandex.ru

Иванов

А. В.

Ivanov

A. V.

Инженер отдела нанотехнологий.

125438, Москва, ул. Онежская, 8.

Engineer of the Nanotechnology Department, State Research Center «Keldysh Center».

125438, Moscow, Onezhskaya str., 8.

Ашмарин

А. А.

Ashmarin

A. A.

Кандидат технических наук, инженер отдела нанотехнологий.

125438, Москва, ул. Онежская, 8.

Cand. Sci. (Tech.), engineer of the Nanotechnology Department, State Research Center «Keldysh Center».

125438, Moscow, Onezhskaya str., 8.

ashmarin_artem@list.ru

Высотина

Е. А.

Vysotina

E. A.

Инженер отдела нанотехнологий.

125438, Москва, ул. Онежская, 8.

Engineer of the Nanotechnology Department, State Research Center «Keldysh Center».

125438, Moscow, Onezhskaya str., 8.

Иванов

Б. С.

Ivanov

B. S.

Инженер отдела нанотехнологий.

125438, Москва, ул. Онежская, 8.

Engineer of the Nanotechnology Department, State Research Center «Keldysh Center».

125438, Moscow, Onezhskaya str., 8.

ibs@live.ru

Центр КелдышаРоссияKeldysh CenterRussian Federation

Национальный исследовательский технологический университет (НИТУ) «МИСиС»РоссияNational University of Science and Technology (NUST) «MISIS»Russian Federation

2019

15122019

043037

2019

НИТУ "МИСИС"

https://powder.misis.ru/jour/about/submissions#copyrightNotice

https://powder.misis.ru/jour/article/view/500

Приводятся результаты получения и исследования структуры и свойств керметов на основе порошков оксида алюминия и никель-алюминиевого сплава с добавкой 0,1 мас.% наночастиц алюмомагниевой шпинели, спеченных электроискровым методом на установке FCT-HP D 25 в среде аргона при температуре t = 1470 °С в течение 30 мин. Представлены результаты ТГ- и ДСК-анализа шихты NiAl–65Al2O3 при температурах до 1300°С. Установлено, что шпинель MgAl2O4 в виде отдельных наночастиц (60 нм) или агрегатов (менее 700 нм) присутствует по границам зерен композита. Для описания механизмов деградации прочностных свойств разрабатываемых материалов были проведены исследования внутреннего трения при t = 20÷900 °С и высокотемпературный рентгенофазовый анализ при t = 700, 800 и 900 °С. Показано влияние наночастиц на внутреннее трение композита в интервале Δt = 20÷900 °С в системе NiAl–65Al2O3–0,1MgAl2O4. Обсуж дены возможные механизмы деградации прочностных свойств керметов при повышении температуры. Выдвинуто предположение о том, что появление при высоких температурах экстремумов на кривых внутреннего трения может быть вызвано смещением границ фаз интерметаллидов и оксидной составляющей из-за разных коэффициентов термического расширения (КТР). Обнаружено положительное влияние добавок наночастиц шпинели на кратковременную жаропрочность керметов при t = 750°С. Исследование кратковременной жаропрочности при t = 750°С показало, что образец с наночастицами более стабилен, чем немодифицированный образец, что, согласно теории Образцова–Лурье–Белова и ряду проведенных на металлических матрицах исследований, можно связать с влиянием сформировавшихся межфазных зон упрочнения вокруг наночастиц.

The paper presents the results of obtaining and studying the structure and properties of cermets based on powders of aluminum oxide and nickel-aluminum alloy doped with 0.1 wt.% of aluminum-magnesium spinel nanoparticles sintered by the electrospark method on the FCT-HP D 25 unit in argon at t = 1470°C for 30 min. The results of the NiAl–65Al2O3 charge TG and DSC analysis at up to 1300°C are presented. It is found that MgAl2O4 spinel in the form of individual nanoparticles (60 nm) or aggregates (less than 700 nm) are present along the grain boundaries of the composite. Internal friction studies at t = 20÷900°C and high-temperature X-ray phase analysis at t = 700, 800 and 900°C were carried out to describe strength properties degradation mechanisms of the developed materials. The effect of nanoparticles on the internal friction of the composite within Δt = 20÷900°C in the NiAl–65Al2O3–0.1MgAl2O4 system is shown. Potential mechanisms for cermet strength properties degradation with increasing temperature are discussed. It is suggested that the appearance of extrema on internal friction curves at high temperatures can be caused by shifted phase boundaries of intermetallic compounds and the oxide component due to different coefficients of thermal expansion (CTE).

A positive effect of doping with spinel nanoparticles on the short-term heat resistance of cermets at t = 750°C is found. The study of short-term heat resistance at t = 750°C showed that the sample with nanoparticles is more stable than the unmodified sample, which can be associated with the influence of interfacial hardening zones formed around nanoparticles according to the Obraztsov– Lurie–Belov theory and a number of studies carried out on metal matrices.

керметникель-алюминийоксид алюминияшпинельвнутреннее трениевысокотемпературный рентгенофазовый анализжаропрочность

cermetnickel-aluminumaluminaspinelinternal frictionhigh-temperature X-ray phase analysishigh temperature strength

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 19-03-00350 А «Разработка методов повышения прочностных и функциональных свойств керметных материалов на основе никеля».

References1

Karayannis V.G., Moutsatsou A.K. Synthesis and characterization of nickel-alumina composites from recycled nickel powder. Adv. Mater. Sci. Eng. 2012. Vol. 2012. P. 1—9. DOI: dx.doi.org/10.1155/2012/395612.

Mileiko S.T. Oxide-fibre/Ni-based matrix composites— III: a creep model and analysis of experimental data. Compos. Sci. Technol. 2002. Vol. 62. P. 195—204. DOI: dx.doi.org/10.1016/S0266-3538(01)00162-2.

Sánchez-Herencia A.J., Hernández N., Moreno R. Fracture behaviour of pressureless sintered nickel-reinforced alumina composites. Key Eng. Mater. 2005. Vol. 290. P. 324—327.

Burkovskaya N.P., Yefimochkin I.Yu., Sevostyanov N.V., Rodionov A.I. A composite material based on Al2O3 dispersion strengthened nickel aluminide. Inorg. Mater: Appl. Res. 2016. Vol. 7. No. 1. P. 91—96. DOI: dx.doi.org/10.1134/S2075113316010044.

Pham H.V., Maruoka D., Nanko M. Inf luences of Al2O3 grain size on high-temperature oxidation of nano-Ni/ Al2O3 composites. J. Asian Ceram. Soc. 2016. Vol. 4. No. 1. P. 120—123. DOI: dx.doi.org/10.1016/j.jascer.2016.01.003.

Emme E.M., Dryden H.L. Aeronautics and astronautics: An american chronology of science and technology in the exploration of space, 1915—1960. Washington DC: Literary Licensing, LLC, 2012. P. 49—63.

Bettis E.S., Cottrell W.B., Mann E.R., Meem J.L., Whitman G.D. The aircraft reactor experiment-operation. Nucl. Sci. Eng. 1957. Vol. 2. P. 841—853.

Ignatiev V., Zakirov R., Grebenkine K. Molten salts as possible fuel f luids for TRU fuelled systems: ISTC #1606 Approach. In: Actinide and fission product partitioning and transmutation: 6th Information Exchange Meeting (Madrid, Spain, 11—13 Dec. 2000). 2000. P. 841—851.

Ignatiev V., Surenkov A., Abalin S., Gnidoy I., Kulakov A., Uglov V. Nickel based alloys compatibility with fuel salts for molten salt reactor with thorium and uranium support. In: Structural materials for innovative nuclear systems (SMINS-3): Worshop Proc. (United States, Idaho National Laborator y, Idaho Falls, 7—10 Oct. 2013). Idaho Falls: Idaho National Laborator y, 2013. P. 71—80.

Айзенкольб Ф. Успехи порошковой металлургии. М.: Металлургия, 1969.

Aizenkol’b F. Advances in powder metallurgy. Moscow: Metallurgiya, 1969 (In Russ.).

Агуреев Л.Е., Иванов Б.С., Костиков В.И., Еремеева Ж.В., Агеев Е.В., Лаптев И.Н., Савушкина С.В., Рудштейн Р.И., Бармин А.А., Канушкин А.И., Ашмарин А.А. Разработка алюмокомпозитов, легированных микропорошками меди или магния, с малыми добавками оксидных наночастиц. Изв. Юго-Западного гос. ун-та. Сер.: Техника и технологии. 2016. Т. 20. No. 3. С. 9—20.

Agureev L.E., Ivanov B.S., Kostikov V.I., Eremeeva Zh.V., Ageev E.V., Laptev I.N., Savushkina S.V., Rudshtein R.I., Barmin A.A., Kanushkin A.I., Ashmarin A.A. Development of aluminum composites alloyed with micropowders of copper or magnesium, with small additives of oxide nanoparticles. Izvestiya Jugo-Zapadnogo gosudarstvennogo universiteta. Ser. Tekhnika i tekhnologii. 2016. Vol. 20. No. 3. P. 9—20 (In Russ.).

Агуреев Л.Е., Костиков В.И., Еремеева Ж.В., Ашмарин А.А., Рудштейн Р.И. Разработка алюмокомпозитов с малыми добавками наночастиц керамик. Металлург. 2016. No. 4. С. 92—99.

Agureev L.E., Kostikov V.I., Eremeeva Zh.V., Ashmarin A.A., Rudshtein R.I. Development of aluminum composites with small additions of ceramic nanoparticles. Metallurgist. 2016. Vol. 60. No. 3—4. P. 447—455. DOI: dx.doi.org/10.1007/s11015-016-0312-9.

Чувильдеев В.Н. Неравновесные границы зерен в металлах. Теория и приложения. М.: Физматлит, 2004.

Chuvil’deev V.N. Nonequilibrium grain boundaries in metals. Theory and applications. Moscow: Fizmatlit, 2004 (In Russ.).

Тайра С., Отани Р. Теория высокотемпературной прочности материалов. М.: Металлургия, 1986.

Taira S., Otani R. Theory of high temperature strength of materials. Мoscow: Metallurgiya, 1986 (In Russ.).

Ohji T., Hirano T., Nakahira A., Niihara K. Particle/Matrix interface and its role in creep inhibition in alumina-silicon carbide nanocomposites. J. Am. Ceram. Soc. 1996. No. 79. Р. 33—45. DOI: dx.doi.org/10.1111/j.1151-2916.1996.tb07877.x.

Григорович В.К., Шефтель Е.Н. Дисперсионное упрочнение тугоплавких металлов. М.: Наука, 1980.

Grigorovich V.K., Sheftel’ E.N. Dispersion hardening of refractory metals. Moscow: Nauka, 1980 (In Russ.).

Готтштайн Г. Физико-химические основы материаловедения. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2009.

Gottshtain G. Physicochemical fundamentals of materials science. Moscow: BINOM. Laboratoriya znanii, 2009 (In Russ.).

Thompson A.W. Substructure strengthening mechanisms. Met. Trans. 1977. 8A. No. 6. P. 833—842. DOI: dx.doi.org/10.1007/BF02661564.

Фирстов С.А., Луговской Ю.Ф. Особенности влияния микроструктуры на прочность композиционных материалов при статическом и цик лическом нагружениях. Электрон. микроскопия и прочность материалов. 2008. No. 15. С. 83—88.

Firstov S.A., Lugovskoi Yu.F. Features of the inf luence of the microstructure on the strength of composite materials under static and cyclic loading. Elektronnaya mikroskopiya i prochnost’ materialov. 2008. No. 15. P. 83—88 (In Russ.).

Shved O.V., Mudry S.I., Kulyk Yu.O. High-temperature X-ray diffraction studies of Al—Ni—Hf ternary alloys. Phys. Chem. Solid State. 2017. Vol. 18. No. 3. P. 324—327. DOI: dx.doi.org/10.15330/pcss.18.3.324-327.

Blanter M.S., Golovin I.S., Neuhäuser H., Sinning H.-R. Internal friction in metallic materials: A Handbook. N.Y.: Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2007. DOI: dx.doi.org/10.1007/978-3-540-68758-0.

Schaller R., Benoit W. Internal friction associated with precipitation in Al—Ag alloys. In: Proc. 3-rd Europ. Conf. on IFUAS (University of Manchester, England, 18—20 July 1980). Manchester: Pergamon, 1980. P. 311—316.

Cava S., Tebcherani S.M., Souza L.A., Pianaro S.A., Paskocimas C.A., Longo E., Varela J.A. Structural characterization of phase transition of Al2O3 nanopowders obtained by polymeric precursor method. Mater. Chem. Phys. 2007. Vol. 103. P. 394—399. DOI: dx.doi.org/10.1016/j.matchemphys.2007.02.046.

Gutirrez G., Taga A., Johansson B. Thermal structure determination of γ-Al2O3. Phys. Rev. B. 2001. Vol. 65. P. 101—105. DOI: dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.65.012101.

Blas L., Dutournie P., Dorge S., Josien L., Kehrli D., Lambert A. Thermal stability study of NiAl2O4 binders for chemical looping combustion application. Fuel. 2016. Vol. 182. P. 50—56. DOI: dx.doi.org/10.1016/j.fuel.2016.05.080.

Zygmuntowicz J., Wiecińska P., Miazga A., Konopka K. Characterization of composites containing NiAl2O4 spinel phase from Al2O3/NiO and Al2O3/Ni systems. J. Therm. Anal. Calorim. 2016. Vol. 125. No. 3. P. 1079—1086. DOI: dx.doi.org/10.1007/s10973-017-6232-5.

Nguyen K.N., Dang K.C. Synthesis, characterization and catalytic activity of CoAl2O4 and NiAl2O4 spinel — type oxides for NOx selective reduction. Adv. in Tech. of Mat. and Mat. Proc. J. (ATM). 2004. Vol. 6. No. 2. P. 336—343. DOI: dx.doi.org/10.2240/azojomo0129.

Шелудяк Ю.Е., Кашпоров Л.Я., Малинин Л.А., Цалков В.Н. Теплофизические свойства компонентов горючих систем: Справочник. М.: НПО Информ ТЭИ, 1992.

Sheludyak Yu.E., Kashporov L.Ja., Malinin L.A., Calkov V.N. Thermophysical properties of components of combustible systems. Мoscow: NPO Inform TEI, 1992 (In Russ.).

Косицын С.В., Косицына И.И. Фазовые и структурные превращения в сплавах на основе моноалюминида никеля. Успехи физики металлов. 2008. T. 9. No. 2. С. 195—258.

Kositsyn S.V., Kositsyna I.I. Phase and structural transformations in alloys based on nickel monoaluminide. Uspekhi fiziki metallov. 2008. Vol. 9. No. 2. P. 195—258. DOI: dx.doi.org/ 10.15407/ufm.09.02.195 (In Russ.).

Образцов И.Ф., Лурье С.А., Белов П.А., Волков-Богородский Д.Б., Яновский Ю.Г., Кочемасова Е.И., Дудченко А.А., Потупчик Е.М., Шумова Н.П. Основы теории межфазного слоя. Механика композ. материалов и конструкций. 2004. Т. 10. No. 4. С. 596—612.

Obraztsov I.F., Lur’e S.A., Belov P.A., Volkov-Bogorodskii D.B., Yanovskii Yu.G., Kochemasova E.I., Dudchenko A.A., Potupchik E.M., Shumova N.P. Fundamentals of the theory of an interphase layer. Mekhanika kompozitsionnykh materialov i konstruktsii. 2004. Vol. 10. No. 4. P. 596—612 (In Russ.).

Lurie S., Belov P., Solyaev Yu., Aifantis E.C. On one class of applied gradient models with simplified boundary problems. Mater. Phys. Mech. 2017. No. 32 (3). P. 353—369.

Агуреев Л.Е., Костиков В.И., Еремеева Ж.В., Бармин А.А., Ризаханов Р.Н., Иванов Б.С., Ашмарин А.А., Лаптев И.Н., Рудштейн Р.И. Порошковые алюмокомпозиты системы Al—Cu с микродобавками оксидных наночастиц. Перспект. материалы. 2016. No. 5. С. 18—24.

Agureev L.E., Kostikov V.I., Eremeeva Zh.V., Barmin A.A. Rizakhanov R.N. Ivanov B.S. Ashmarin A.A. Laptev I.N. Rudshtein R.I. Powder aluminum composites of Al—Cu system with micro-additions of oxide nanoparticles. Inorg. Mater. Appl. Res. 2016. Vol. 7. No. 6. P. 507—510. DOI: dx.doi.org/10.1134/S2075113316050026.

Костиков В.И., Агуреев Л.Е., Еремеева Ж.В. Разработка упрочненных наночастицами алюмокомпозитов для ракетно-космической техники. Изв. вузов. Порошк. металлургия и функц. покрытия. 2014. No. 1. С. 35—38.

Kostikov V.I., Agureev L.E., Eremeeva Zh.V. Development of nanopar ticle-rein forced alumocomposites for rocket-space engineer ing. Russ. J. Non-Ferr. Met. 2015. No. 56 (3). P. 325—328. DOI: dx.doi.org/10.3103/S1067821215030104.

Lurie S., Volkov-Bogorodskiy D., Solyaev Y., Rizahanov R., Agureev L. Multiscale modelling of aluminium-based metal-matrix composites with oxide nanoinclusions. Comput. Mater. Sci. 2016. Vol. 116. P. 62—73. DOI: dx.doi.org/10.1016/j.commatsci.2015.12.034.

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