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

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.

1. 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

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

11. 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.

12. 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.

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

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

15. 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.

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

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

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

19. 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.

20. 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.

21. 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.

22. 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.

23. 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.

24. 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.

25. 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.

26. 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.

27. 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.

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

29. 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.

30. 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.

31. 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.

32. 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.

33. 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.

34. 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.