powderИзвестия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытияPowder Metallurgy аnd Functional Coatings (Izvestiya Vuzov. Poroshkovaya Metallurgiya i Funktsional'nye Pokrytiya)1997-308X2412-8767НИТУ "МИСИС"10.17073/1997-308X-2020-3-25-33powder-562Research ArticleТеория и процессы формования и спекания порошковых материаловTheory and Processes of Formation and Sintering of Powder MaterialsИсследование формирования армирующей фазы на границах зерен спеченного бериллияResearch of reinforcement phase formation on the borders of sintered berillium grainsРевуцкийА. В.RevutskyA. V.

Ревуцкий А.В. - докторант факультета Международной высшей технической школы (МВТШ) «Оскемен»

070000, Казахстан, г. Усть-Каменогорск, ул. Серикбаева, 19

Revutsky A.V. - PhD student of the International higher technical school «Oskemen»

070000, Kazakhstan, Ust-Kamenogorsk, Serikbayev str. 19

RevutskiyAV@mail.ruСырневБ. В.SyrnevV. Yu.

Сырнев Б.В. - докт. техн. наук, профессор МВТШ «Оскемен»

070000, Казахстан, г. Усть-Каменогорск, ул. Серикбаева, 19

Syrnev B.V. – Dr. Sci. (Eng.), Professor of ITPS OK

070000, Kazakhstan, Ust-Kamenogorsk, Serikbayev str. 19

izusan@mail.ruЛопатинВ. Ю.LopatinV. Yu.

Лопатин В.Ю. - канд. техн. наук, доцент кафедры порошковой металлургии и функциональных покрытий

119049, г. Москва, Ленинский пр-т, 4

Lopatin V.Yu. - Cand. Sci. (Eng.), Associate prof. of the Department of powder metallurgy and functional coatings

119049, Russia, Moscow, Leninskii pr., 4

lopatin63@mail.ruСемилуцкаяО. В.SemilutskayaO. V.

Семилуцкая О.В. - ст. преподаватель МВТШ «Оскемен»

070000, Казахстан, г. Усть-Каменогорск, ул. Серикбаева, 19

Semilutskaya O.V. – Senior lecturer of ITPS

070000, Kazakhstan, Ust-Kamenogorsk, Serikbayev str. 19

2009genius@mail.ruСегедаТ. А.SegedaT. A.

Сегеда Т.А. - канд. физ.-мат. наук, декан МВТШ «Оскемен»

070000, Казахстан, г. Усть-Каменогорск, ул. Серикбаева, 19

Segeda T.A. - Cand. Sci. (Phys.-Math.), Dean of ITPS OK

070000, Kazakhstan, Ust-Kamenogorsk, Serikbayev str. 19

tsegeda@mail.ruВосточно-Казахстанский государственный технический университет (ВКГТУ) им. Д. СерикбаеваКазахстанD. Serikbayev East Kazakhstan state technical university (EKSTU), Ust-KamenogorskKazakhstanВосточно-Казахстанский государственный технический университет (ВКГТУ) им. Д. СерикбаеваКазахстанD. Serikbayev East Kazakhstan state technical university (EKSTU)KazakhstanНациональный исследовательский технологический университет «МИСиС»РоссияNational University of Science and Technology «MISIS»Russian Federation202016112020032533Copyright © Ревуцкий А.В., Сырнев Б.В., Лопатин В.Ю., Семилуцкая О.В., Сегеда Т.А., 20202020Ревуцкий А.В., Сырнев Б.В., Лопатин В.Ю., Семилуцкая О.В., Сегеда Т.А.Revutsky A.V., Syrnev V.Y., Lopatin V.Y., Semilutskaya O.V., Segeda T.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://powder.misis.ru/jour/article/view/562

 Представлены результаты исследований влияния состояния границ зерен, формирующихся в процессах консолидации бериллиевых порошков методом вакуумного горячего прессования, на прочностные свойства спеченного бериллия. С использованием растровой электронной микроскопии и микрорентгеноспектрального анализа изучены зависимости морфологии, элементного состава и структуры дисперсной упрочняющей фазы – оксида бериллия - от содержания легкоплавких примесей на границах зерен спеченного бериллия. Предложена новая гипотеза, объясняющая различие морфологии и структуры армирующих частиц, основывающаяся на особенностях перехода аморфного оксида бериллия в кристаллическое состояние (расстеклования) на межзеренных границах металлического бериллия. Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено, что в зависимости от содержания и соотношения примесей кремния и алюминия механизм расстеклования может быть гомогенным или гетерогенным. Это различие обуславливает образование либо мелкодисперсных высокопрочных армирующих частиц оксида бериллия, либо крупных менее прочных оксидных кластеров. Изменение морфологии и структуры армирующих оксидных частиц на межзеренных границах металлического бериллия, в свою очередь, влияет на динамику роста зерен микроструктуры бериллия в процессах вакуумного горячего формования и в конечном итоге на эффект дисперсно-зернограничного упрочнения спеченного бериллия. Приведены результаты статистической обработки результатов испытаний механических свойств промышленных горячепрессованных заготовок из порошков дисперсностью менее 56 мкм для определения влияния различных факторов (содержания примесей, их соотношения и размера частиц исходных порошков) на прочностные свойства горячепрессованного бериллия. Проведена оценка адекватности полученных закономерностей с помощью коэффициентов достоверности аппроксимации, которая подтвердила выводы теоретического и экспериментального анализов исследуемой проблемы. В результате проведенных статистических исследований обоснован комплексный показатель качества исходных порошков, позволяющий прогнозировать прочностные свойства горячепрессованного бериллия. Полученные результаты обосновывают новые возможности по управлению механическими свойствами спеченного бериллия различного назначения.

The paper presents the results of studying the effect of the state of grain boundaries (formed in the consolidation of beryllium powders by vacuum hot pressing on the strength properties of sintered beryllium. Scanning electron microscopy and X-ray spectral microanalysis were used to study the dependences of the morphology, elemental composition and structure of a dispersion hardening phase - beryllium oxide – on the content of low-melting impurities at the grain boundaries of sintered beryllium. A new hypothesis is proposed to explain the difference in the morphology and structure of reinforcing particles based on the transition features of amorphous beryllium oxide to a crystalline state (devitrification) at the grain boundaries of metallic beryllium. It is theoretically substantiated and experimentally confirmed that the devitrification mechanism can be homogeneous or heterogeneous depending on the content and ratio of silicon and aluminum impurities. This difference leads to the formation of either finely dispersed high-strength reinforcing particles of beryllium oxide or large, lower-strength oxide clusters. Changes in the morphology and structure of reinforcing oxide particles at the metallic beryllium grain boundaries, in its turn, influence the dynamics of beryllium microstructure grain growth during vacuum hot forming and, ultimately, the effect of dispersed grain-boundary hardening of sintered n beryllium. The paper provides the statistically processed results of testing the mechanical properties of industrial hot-pressed blanks produced of less than 56 μm powders to determine the effect of various factors (the content of impurities, their ratio and particle size of the initial powders) on the strength properties of hot-pressed beryllium. The adequacy of the obtained regularities was evaluated using the approximation confidence coefficients and confirmed the conclusions made in the theoretical and experimental analysis of the research problem. The statistical studies substantiated a comprehensive quality indicator of initial powders in order to predict the strength properties of hot-pressed beryllium. The results obtained substantiate new possibilities for controlling the mechanical properties of sintered beryllium for various purposes.

бериллийпорошокгорячее вакуумное прессованиемикроструктураграницы зеренпримеси кремния и алюминиярасстеклование оксида бериллиямикрорентгеноспектральный анализмеханические свойстваberylliumpowderhot vacuum pressingmicrostructuregrain boundariessilicon and aluminum impuritiesberyllium oxide devitrificationX-ray spectral microanalysismechanical propertiesReferencesБеляев Р.А. Окись бериллия. М.: Атомиздат, 1980.Belyaev R.A. Beryllium oxide. Mosсow: Atomizdat, 1980 (In Russ.).Webster D. The effect of low melting phases on the elevated temperature microstructural stability of hot pressed beryllium. Met. Trans. A. 1975. Vol. 6. No. 4. Р. 803—808.Webster D. The effect of low melting phases on the elevated temperature microstructural stability of hot pressed beryllium. Met. Trans. A. 1975. Vol. 6. No. 4. Р. 803—808.Давыдов Д.А., Холопова О.В., Колбасов Б.Н. Образование и деградация оксидных пленок на бериллии. Вопросы атомной науки и техники. Сер.: Термоядерный синтез. 2010. Вып. 2. С. 39—49.Davyd ov D.A., Kholopova O.V., Kolbasov B.N. Formation and degradation of oxide films on beryllium. Voprosy atomnoi nauki i tekhniki. Ser.: Termoyadernyi sintez. 2010. No. 2. P. 39—49 (In Russ.).Taylor N., Baker D., Cattaglia S. Key issues in the safety and licensing of ITER. In: IAEA, 3-rd TM «First generation of fusion power plants: Design and technology» (Vienna, Austria, 13—15 July 2009); 9-th TM «Fusion power plant safety» (Vienna, Austria, 15—17 July 2009). CD-ROM proc., Thursday-2009-07-16.Taylor N., Baker D., Cattaglia S. Key issues in the safety and licensing of ITER. In: IAEA, 3-rd TM «First generation of fusion power plants: Design and technology» (Vienna, Austria, 13—15 July 2009); 9-th TM «Fusion power plant safety» (Vienna, Austria, 15—17 July 2009). CD-ROM proc., Thursday-2009-07-16.Davydov D.A., Kholopova O.V., Kolbasov B.N. Inflammation and oxidation characteristics of beryllium: ITER Final Report, TA. No. ITA-81-06 Be Dust Explosion, July 2005.Davydov D.A., Kholopova O.V., Kolbasov B.N. Inflammation and oxidation characteristics of beryllium: ITER Final Report, TA. No. ITA-81-06 Be Dust Explosion, July 2005.Николаенко А.А., Тузов Ю.В. Влияние зернограничных включений оксида на механические свойства горячепрессованного бериллия. Вопросы атомной науки и техники. Сер.: Термоядерный синтез. 2012. Вып. 2. С. 52—59.Nikolaenko A.A., Tuzov Yu.V. The effect of grain boundary oxide inclusions on the mechanical properties of hotpressed beryllium. Voprosy atomnoi nauki i tekhniki. Ser.: Termoyadernyi sintez. 2012. No. 2. P. 52—59 (In Russ.).Mori Y., Niiya N., Ukegawa K., Mizuno T., Takarabe K., Ruoff A.L. High-pressure X-ray structural study of BeO and ZnO to 200 GPa. Physica Stat. Sol. B. 2004. Vol. 241. No. 14. P. 3198.Mori Y., Niiya N., Ukegawa K., Mizuno T., Takarabe K., Ruoff A.L. High-pressure X-ray structural study of BeO and ZnO to 200 GPa. Physica Stat. Sol. B. 2004. Vol. 241. No. 14. P. 3198.Cai Y., Wu S., Xu R., Yu J. Pressure-induced phase transition and its atomistic mechanism in BeO: A theoretical calculation. Phys. Rev. B. 2006. Vol. 73. Iss. 18. No. 184104.Cai Y., Wu S., Xu R., Yu J. Pressure-induced phase transition and its atomistic mechanism in BeO: A theoretical calculation. Phys. Rev. B. 2006. Vol. 73. Iss. 18. No. 184104.Sebahaddin A., Murat D. Pressure-induced phase transition of BeO. Solid State Commun. 2009. Vol. 149. No. 9-10. Р. 345—348.Sebahaddin A., Murat D. Pressure-induced phase transition of BeO. Solid State Commun. 2009. Vol. 149. No. 9-10. Р. 345—348.Шабловский Я.О. Термодинамические закономерности полиморфизма оксида бериллия. Журн. физ. химии. 2010. Т. 8. No. 12. С. 2211—2216.Shablovskii Ya.O. Thermodynamic laws of beryllium oxide polymorphism. Zhurnal fizicheskoi khimii. 2010. Vol. 8. No. 12. P. 2211—2216 (In Russ.).Weisz M., Mollen J., Voron J. Possibility of the appearance of a liquid phase at 430 °C in commercial beryllium. J. Nucl. Mater. 1963. Vol. 10. Р. 56—59.Weisz M., Mollen J., Voron J. Possibility of the appearance of a liquid phase at 430 °C in commercial beryllium. J. Nucl. Mater. 1963. Vol. 10. Р. 56—59.Тузов Ю.В., Хомутов А.М. Разработка обобщающего критерия работоспособности изделий из бериллия. Цветные металлы. 2010. No. 2. С. 76—78.Tuzov Yu.V., Khomutov A.M. Development of a general criterion for the performance of products from beryllium. Tsvetnye metally. 2010. No. 2. P. 76—78 (In Russ.).Кан Р. Физическое металловедение. М.: Мир. 1968. Т. 2.Kan R. Physical metal science. Moscow: Mir. 1968. Vol. 2 (In Russ.).Дохов М.П. Межфазная энергия на границах твердая фаза — расплав и твердая фаза—пар некоторых металлокерамических систем. Фундаментальные исследования. 2008. No. 8. С. 50—51.Dokhov M.P. Interfacial energy at the boundaries of the solid phase — melt and solid phase-pairs of some metalceramic systems. Fundamental’nye issledovaniya. 2008. No. 8. P. 50—51 (In Russ.).Humenik M., Kingerу W.D. Metal-ceramic interactions: III. Surface tension and wettability of metal-ceramics systems. J. Amer. Cerаm. Soc. 1954. Vol. 37. No. 1. Р. 18—23.Humenik M., Kingerу W.D. Metal-ceramic interactions: III. Surface tension and wettability of metal-ceramics systems. J. Amer. Cerаm. Soc. 1954. Vol. 37. No. 1. Р. 18—23.Rhee S.K. A method for determining surface energies of solids: Temperature-variant contact angle method. Mater. Sci. Eng. 1977. Vol. 16. No. 1. P. 45—51.Rhee S.K. A method for determining surface energies of solids: Temperature-variant contact angle method. Mater. Sci. Eng. 1977. Vol. 16. No. 1. P. 45—51.Дохов М.П. Новый вариант термодинамической оценки межфазной энергии на границе раздела твердое тело—расплав. Изв. вузов. Физика. Томск: ВИНИТИ, 1987.Dokhov M.P. New version of the thermodynamic assessment of interfacial energy at the solid-melt interface. Izvestiya vuzov. Fizika. Tomsk: VINITI, 1987 (In Russ.).Гегузин Я.Е. Физика спекания. М.: Наука. 1984.Geguzin Ya.E. Sintering physics. Moscow: Nauka, 1984 (In Russ.).Turner G.I., Lane R.A. The effect of powder particle size on the mechanical properties of hot pressed P1 beryllium. In: Proc. Conf. «Beryllium» (London, October, 1977). P. 1—15.Turner G.I., Lane R.A. The effect of powder particle size on the mechanical properties of hot pressed P1 beryllium. In: Proc. Conf. «Beryllium» (London, October, 1977). P. 1—15.Webster D., Crooks D.D., Vidoz A.E. The effect of oxide dispersion on the recrystallization of beryllium. Met. Trans. 1974. Vol. 4. No. 12. P. 2841—2847.Webster D., Crooks D.D., Vidoz A.E. The effect of oxide dispersion on the recrystallization of beryllium. Met. Trans. 1974. Vol. 4. No. 12. P. 2841—2847.Папиров И.И., Тихинский Г.Ф. Пластическая деформация бериллия. М.: Атомиздат, 1973.Papirov I.I., Tikhinskii G.F. Plastic deformation of beryllium. Moscow: Atomizdat, 1973 (In Russ.).Хоникомб Р. Пластическая деформация металлов. М.: Мир, 1972.Khonikomb R. Plastic deformation of metals. Moscow: Mir, 1972 (In Russ.).

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