Preview

Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия

Расширенный поиск
Доступ открыт Открытый доступ  Доступ закрыт Только для подписчиков

Исследование структуры и свойств керметов на основе системы NiAl–Al2O3

https://doi.org/10.17073/1997-308X-2021-2-31-40

Полный текст:

Аннотация

Методом порошковой металлургии, включающей механическую активацию порошков в планетарной мельнице и искровое плазменное спекание при температуре 1470 °С в инертной атмосфере, получены образцы керметов системы NiAl–42об.%Al2O3 с добавкой наночастиц алюмомагниевой шпинели в количестве 0,05 об.%. Исследованы особенности их микроструктуры. Наночастицы шпинели расположены на границах между зернами компонентов композита. Получены результаты рентгенофазового анализа при t = 25 и 800 °С. Показано, что основными компонентами материала при t = 20 °C являются α-Al2O3 и NiAl. Проведено исследование зависимости внутреннего трения от температуры в интервале 20–900 °С и выявлено влияние наночастиц алюмомагниевой шпинели на характер его изменения. Кривая внутреннего трения отображает, что демпфирование колебаний происходит до 600 °С. Определены зависимости предела прочности на поперечный изгиб керметов при t = 20÷750 °С. Установлено положительное влияние добавки малого количества алюмомагниевой шпинели на упругие свойства композитов. Лучшие механические характеристики были продемонстрированы на образцах NiAl–42%Al2O3–0,05%MgAl2O4. В среднем предел прочности на поперечный изгиб этого материала оказался на 8–15 % выше по сравнению с образцами без наночастиц. Полученные в настоящей работе материалы имели прочность на изгиб при нормальных условиях 460–490 МПа. Проведен обобщающий анализ работ по керметам системы NiAl–Al2O3, заключающийся в определении характера зависимости предела прочности на поперечный изгиб от соотношения компонентов. Установлен ее экстремальный характер: максимум наблюдается при соотношении количества оксида алюминия к никель-алюминию, равном 0,5.

Об авторах

Л. Е. Агуреев
АО ГНЦ «Центр Келдыша»
Россия

Канд. техн. наук, науч. сотрудник отдела нанотехнологий

125438, г. Москва, ул. Онежская, 8



В. И. Костиков
Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»
Россия

Докт. техн. наук, профессор кафедры порошковой металлургии и функциональных покрытий (ПМиФП)

119991, г. Москва, Ленинский пр-т, 4



Ж. В. Еремеева
Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»
Россия

Докт. техн. наук, доцент кафедры ПМиФП

119991, г. Москва, Ленинский пр-т, 4



Б. С. Иванов
АО ГНЦ «Центр Келдыша»
Россия

Инженер отдела нанотехнологий

125438, г. Москва, ул. Онежская, 8



С. В. Савушкина
АО ГНЦ «Центр Келдыша»
Россия

Канд. техн. наук, ст. науч. сотрудник отдела нанотехнологий

125438, г. Москва, ул. Онежская, 8



И. Н. Лаптев
АО ГНЦ «Центр Келдыша»
Россия

Инженер отдела нанотехнологий

125438, г. Москва, ул. Онежская, 8



А. А. Ашмарин
АО ГНЦ «Центр Келдыша»
Россия

Канд. техн. наук, инженер отдела нанотехнологий

125438, г. Москва, ул. Онежская, 8



А. В. Иванов
АО ГНЦ «Центр Келдыша»
Россия

Инженер отдела нанотехнологий

125438, г. Москва, ул. Онежская, 8



Г. В. Сивцова
АО ГНЦ «Центр Келдыша»
Россия

Инженер отдела нанотехнологий

125438, г. Москва, ул. Онежская, 8



Список литературы

1. Kamei T. Recent research of thorium molten-salt reactor from a sustainability viewpoint. Sustainability. 2012. Vol. 4. P. 2399—2418. DOI: 10.3390/su4102399.

2. Abou-Jaoude A., Palmer J., Sterbentz J., Calderoni P. Evaluation of a versatile experimental salt irradiation loop (VESIL) inside the advanced test reactor. Report NL/EXT-19-52917- 2019. Idaho National Laboratory. DOI: 10.2172/1511048.

3. Agureev L.E., Kostikov V.I., Eremeeva Zh.V, Barmin A.A., Rizakhanov R.N., Ivanov B.S., Ashmarin A.A., Laptev I.I., 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: 10.1134/s2075113316050026.

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

5. Yang C., Muransky O., Zhu H., Thorogood G.J., Avdeev M., Huang H., Zhou X. The effect of milling time on the microstructural characteristics and strengthening mechanisms NiMo—SiC alloys prepared via powder metallurgy. Mater. Design. 2017. Vol. 113. P. 223—231. DOI: 10.3390/ma10040389.

6. Joo H., Han Ch., Kim B., Kim D., Choi H. Interface activated sintering of tungsten by nano-particles in the spark plasma sintering. J. Adv. Mater. Sci. 2011. Vol. 28. P. 200—206.

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

8. Weeks R.A., Sonder E. Electrical conductivity of pure and fe-doped i magnesium-aluminum spinel. J. Amer. Ceram. Soc. 1980. Vol. 63. No. 1-2. P. 92—95. DOI: 10.1111/j.1151-2916.1980.tb10656.x.

9. Peters D.W., Feinstein L., Peltzer C. On the high-temperature electrical conductivity of alumina. J. Chem. Phys. 1965. Vol. 42. No. 7. P. 2345—2346. DOI: 10.1063/1.1696298.

10. Munir Z.A., Tamburini U.A., Ohyanagi M. The effect of electric field and pressure on the synthesis and consolidation of materials: A review of the spark plasma sintering method. J. Mater. Sci. 2006. Vol. 41. P. 763—777. DOI: 10.1007/s10853-006-6555-2.

11. Shen Z., Johnsson M., Zhao Z., Nygren M. Formation of tough interlocking microstructures in silicon nitride ceramics by dynamic ripening. Nature. 2002. Vol. 417. P. 266—269. DOI: 10.1038/417266a.

12. Olevsky E., Froyen L. Constitutive modeling of spark-plasma sintering of conductive materials. Scripta Mater. 2006. Vol. 55. P. 1175—1178. DOI: 10.1016/j.scriptamat.2006.07.009.

13. Li C., Habler G., Griffiths T., Rečnik A., Jerˇ ábek P., Götze L.C., Mangler C., Pennycook T.J., Meyer J., Abart R. Structure evolution of h.c.p./c.c.p. metal oxide interfaces in solid-state reactions. Acta Cryst. 2018. Vol. A74. P. 466—480. DOI: 10.1107/S205327331800757X.

14. Hwang C.-S., Liu T.-J., Shich J.-P., Tuan W.-H., Guo J.-K. (Eds.). Metal oxidation process: NiAl/Al2O3 composites. In: Multiphased ceramic materials processing and potential. Berlin—Heidelberg: Springer-Verlag, 2004. P. 87—97.

15. Kalinski D., Chmielewski M., Pietrzak K., Choregiewicz K. An influence of mechanical mixing and hot-pressing on properties of NiAl/Al2O3. Composite Arch. Metal. Mater. 2012. Vol. 57. Iss. 3. Р. 695—702. DOI: 10.2478/v10172-012-0075-7.

16. Chang S.T., Tuan W.H., You H.C., Lin I.C. Effect of surface grinding on the strength of NiAl and Al2O3/NiAl composites. Mater. Chem. Phys. 1999. Vol. 59. P. 220—224. DOI: 10.1016/S0254-0584(99)00060-7.

17. Chmielewski M., Nosewicz S., Pietrzak K., Rojek J., Strojny- Ne˛dza A., Mackiewicz S., Dutkiewicz J. Sintering behavior and mechanical properties of NiAl, Al2O3, and NiAl— Al2O3 composites. JMEPEG. 2014. Vol. 23. P. 3875—3886. DOI: 10.1007/s11665-014-1189-z.

18. Агуреев Л.Е., Костиков В.И., Лаптев И.Н., Канушкин А.И., Еремеева Ж.В., Иванов А.В., Ашмарин А.А., Высотина Е.А., Иванов Б.С. Получение и исследование металлокерамических композитов системы Ni—Al—O с малой добавкой наночастиц MgAl2O4. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2019. No. 4. С. 30—37. DOI: 10.17073/1997-308X-2019-4-30-37.

19. Kaliński D., Chmielewski M., Pietrzak K. Mechanical, thermal and tribological properties of hot-pressed NiAl/ Al2O3 composites. In: Proc. 15-th European Conf. on composite materials. Italy: Venice, 2012. http://www.escm.eu.org/eccm15/data/assets/580.pdf.

20. Davies I.J., Pezzotti G., Bellosi A., Sciti D., Guicciardi S. Mechanical behavior of nickel aluminide reinforced alumina (Al2O3—NiAl) composites. Adv. Composites Lett. 2002. Vol. 11. No. 6. P. 265—273. DOI: 10.1177/096369350201100601.

21. Upadhyay A., Beniwal R. S., Singh R. Elastic properties of Al2O3—NiAl: A modified version of Hashin—Shtrikman bounds. Continuum Mech. Thermodyn. 2012. Vol. 24. P. 257—266. DOI: 10.1007/s00161-012-0237-x.

22. Hsieh C.L., Tuan W.H., Wu T.T. Elastic behavior of amodel two phase material. J. Eur. Ceram. Soc. 2004. Vol. 24. P. 3789—3793. DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2004.02.002.

23. Qi G., Shangguan F., Yang L., Bai Q., Wu G. Microstructure and mechanical properties of Al2O3/NiAl in situ composites by hot-press-aided reaction synthesis. Adv. Mater. Res. 2012. Vol. 581-582. P. 548—551. DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMR.581-582.548.

24. Lenel F.V., Ansell G.S. A theory of dispersion strengthening. https://ntrs.nasa.gov/ citations/19620002956.

25. Nosewicz S., Rojek J., Mackiewicz S., Chmielewski M., Pietrzak K., Romelczyk B. The influence of hot pressing conditions on mechanical properties of nickel aluminide/ alumina composite. J. Composite Mater. 2014. Vol. 48. P. 3577—3589. DOI: 10.1177/0021998313511652.

26. Weller M., Hirscher M., Schweizer E., Kronrniiller H. High temperature internal friction in NiAl single crystals. J. Phys. IV Colloque. 1996. Vol. 6. P. 231—234. DOI: 10.1051/jp4:1996849.

27. Hirscher M., Hirscher E., Schweizer M., Weller H. Kronmüller H. Internal friction in NiAl single crystals. Philosoph. Magazine Lett. 1996. Vol. 74. No. 3. Р.189—194.

28. Hirscher M., Schaible D. Internal friction in plastically deformed high-purity NiAl single crystals. Mat. Res. Soc. Syrup. Proc. 1998. Vol. 552. Р. KK8.2.2—KK8.2.6. DOI: 10.1557/PROC-552-KK8.2.1.

29. Hirth J.P., Lothe J. Theory of dislocations. New York: Wiley, 1982.

30. Dezerald L., Proville L., Ventelon L., Willaime F., Rodne D. First-principles prediction of kink-pair activation enthalpy on screw dislocations in bcc transition metals: V, Nb, Ta, Mo, W, and Fe. Phys. Rev. B. 2015. Vol. 91. P. 94—105. DOI: 10.1103/PhysRevB.91.094105.

31. Proville L., Ventelon L., Rodney D. Prediction of the kinkpair formation enthalpy on screw dislocations in α-iron by a line tension model parametrized on empirical potentials and first-principles calculations. Phys. Rev. B. 2013. Vol. 87. P. 144—106.

32. 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: 10.15330/pcss.18.3.324-327.

33. Blanter M.S., Golovin I.S., Neuhäuser H., Sinning H.-R. Internal friction in metallic materials. Berlin: Springer, 2007. DOI: 10.1007/978-3-540-68758-0.

34. Wu J., Han F.S., Wang Q.Z., Hao G.L., Gao Z.Y. The internal friction peaks correlated to the relaxation of atomic defects in Fe47Al53 alloy. Intermetallics. 2007. Vol. 15. P. 838—844. DOI: 10.1016/j.intermet.2006.10.037.

35. Nguyen K.N., Dang K.C. Synthesis, characterization and catalytic activity of CoAl2O4 and NiAl2O4 spinel — type oxides for NOx selective reduction. Adv. Tech. Mater. Mat. Proc. J. (ATM). 2004. Vol. 6 (2). P. 336—343. DOI: 10.2240/azojomo0129.

36. Шелудяк Ю.Е., Кашпоров Л.Я., Малинин Л.А., Цалков В.Н. Теплофизические свойства компонентов горючих смесей. М.: НПО «Информ ТЭИ», 1992.

37. Kalita P., Ghosh S., Singh U.B., Kulriya P.K., Grover V., Shukla R., Tyagi A.K., Sattonnay G., Avasthi D.K. Enhanced radiation tolerance of YSZ at high temperature against swift heavy ions: Key role of interplay between material microstructure and irradiation temperature. https://arxiv.org/abs/1806.10024.

38. Wen J., Sun C., Dholabhai P., Xia Y., Tang M., Chen D., Yang D., Li Y., Uberuaga B.P., Wang Y. Temperature dependence of the radiation tolerance of nanocrystalline pyrochlores A2Ti2O7 (A = Gd, Ho and Lu). Acta Mater. 2016. Vol. 110. P. 175—184. DOI: 10.1016/j.actamat.2016.03.025.

39. El-Atwani O., Esquivel E., Efe M., Aydogan E., Wang Y., Martinez E., Maloy S. Loop and void damage during heavy ion irradiation on nanocrystalline and coarse grained tungsten: Microstructure, effect of dpa rate, temperature, and grain size. Acta Mater. 2018. Vol. 149. P. 206—219. DOI: 10.1016/j.actamat.2018.02.035.

40. Jagielskia J., Piatkowskaa A., Aubert P., Labdi S., Maciejak O., Romaniec M., Thomé L., Jozwik I., Debelle A., Wajler A., Boniecki M. Effect of grain size on mechanical properties of irradiated mono- and polycrystalline MgAl2O4. Acta Phys. Polonica A. 2011. Vol. 120. No. 1. P. 118—121. DOI: 10.12693/APHYSPOLA.120.118.


Рецензия

Для цитирования:


Агуреев Л.Е., Костиков В.И., Еремеева Ж.В., Иванов Б.С., Савушкина С.В., Лаптев И.Н., Ашмарин А.А., Иванов А.В., Сивцова Г.В. Исследование структуры и свойств керметов на основе системы NiAl–Al2O3. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2021;(2):31-40. https://doi.org/10.17073/1997-308X-2021-2-31-40

For citation:


Agureev L.E., Kostikov V.I., Eremeeva Z.V., Ivanov B.S., Savushkina S.V., Laptev I.N., Ashmarin A.A., Ivanov A.V., Sivtsova G.V. Study of the structure and properties of cermets based on the NiAl–Al2O3 system. Powder Metallurgy аnd Functional Coatings. 2021;(2):31-40. (In Russ.) https://doi.org/10.17073/1997-308X-2021-2-31-40

Просмотров: 105


ISSN 1997-308X (Print)
ISSN 2412-8767 (Online)