Preview

Izvestiya vuzov. Poroshkovaya metallurgiya i funktsional’nye pokrytiya

Расширенный поиск
№ 4 (2017)
Скачать выпуск PDF

Самораспространяющийся высокотемпературный синтез

4-10 187
Аннотация
Актуальность работы связана с использованием за рубежом в биологии и медицине керамических фильтров для тонкой фильтрации воздуха и биологических жидкостей. Благодаря уникальному сочетанию химической и термической стойкости, высокой прочности и теплопроводности керамические фильтры применяются для очистки агрессивных жидкостей, перегретого пара высокого давления и других газов. Исследована зависимость скорости горения от относительной плотности и гранулометрического состава порошковых смесей системы FeTiO3–Al–Si–SiO2–C. Приведены экспериментальные результаты по влиянию плотности прессования и состава исходной шихты на качество получаемых изделий. Выявлены основные типы дефектов, возникающих в процессе синтеза. Установлены причины возникновения брака. Наличие в составе шихты частиц крупнее заданной дисперсности приводит к появлению в изделии проплавлений (каверн). Причина их образования заключается в повышенном содержании жидкой фазы в этих областях вследствие замедления скорости реакции и роста температуры. При увеличении плотности в изделиях формируются поперечные и продольные расслоения. Причиной расслоений является действие давления газообразных продуктов в условиях малой газопроницаемости образца, ухудшающейся с ростом плотности. Разработана технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза крупногабаритных пористых изделий (КГПИ) и представлены фотографии фильтр-элементов (ФЭ): для типовой промышленной газовой горелки ГГ-2; для очистки перегретого пара и обессоленной воды (ФЭ используются в технологических аппаратах по получению поливинилхлоридов в ОАО «Саянскхимпласт»); для обезжелезивания воды из артезианских скважин. Для получения бездефектных КГПИ необходимо оптимальное соотношение гранулометрического состава и плотности образца, а также скорости реакции и скорости теплоотвода.
11-18 308
Аннотация
Методом времяразрешающей рентгеновской дифракции исследован процесс фазообразования при самораспространяющемся высокотемпературном синтезе (СВС) порошковых смесей Ti–Al–C составов, близких к составу МАХ-фаз. Установлено, что формирование материала при горении на воздухе в условиях медленного теплоотвода происходит стадийно. На первом этапе доминирующей является реакция образования карбида титана, обеспечивающая основное тепловыделение и распространение фронта горения. В результате формируются кристаллы TiC, окруженные расплавом Ti–Al. За фронтом горения происходит растворение карбида титана в окружающем расплаве с последующей кристаллизацией тройного соединения – Ti2AlC. При синтезе в среде гелия, обеспечивающей быстрый теплоотвод, не наблюдается формирования TiC. Первой фазой, возникающей на дифракционном поле, является Ti2AlC. Период существования TiC, составляющий 5–10 с для смесей, синтезированных на воздухе, существенно уменьшается при проведении процесса в среде гелия и не превышает 1 с. В результате СВС получен композиционный материал на основе фазы Ti2AlC, содержащий менее 20 мас.% TiAl и 2 мас.% TiC. Структура материала характеризуется пластинчатыми зернами Ti2AlC, окруженными матрицей TiAl. Микротвердость синтезированных материалов составила 4,0–4,5 ГПа и соответствует микротвердости фазы Ti2AlC. Дисперсность зерен Ti2AlC при синтезе в среде гелия ниже, чем при синтезе на воздухе. При медленном охлаждении на воздухе размеры пластинчатых зерен МАХ-фазы вырастают до 8–15 мкм в длину и 2–5 мкм в ширину. В гелии дисперсность Ti2AlC ниже – длина и ширина зерен не превышают 8 и 1 мкм соответственно.

Тугоплавкие, керамические и композиционные материалы

19-28 180
Аннотация

Комплексные исследования материалов на основе меди Cu–ZnO (нано), Cu–TiN (нано) стандартными методами механических испытаний в сочетании с металлографическими, электронно-микроскопическими исследованиями с использованием энергодисперсионного и термического анализов позволили установить стабильные корреляционные связи между содержанием добавок наночастиц, параметрами микроструктуры и физико-механическими свойствами псевдосплавов. Разработаны и обоснованы технологические приемы повышения однородности распределения модифицирующих добавок наночастиц ZnO и TiN по объему псевдосплава, исключающие их конгломерацию. Предложены новые оригинальные способы введения наночастиц в матричный материал в виде лигатуры из Cu–Al–ZnO или медных порошков, покрытых наночастицами TiN. Высокая удельная поверхность и реакционная способность нанопорошков обеспечивают возможность снижения керамической фазы в электроконтактных материалах (до 2,0–3,0 % вместо 10–15 % в сравнении с известными коммерческими марками). В результате сохраняются на достаточно высоком уровне основные свойства, характерные для матричного материала (меди): теплои электропроводность, и, одновременно, повышается общий уровень физико-механических (твердость, прочность, износостойкость) и эксплуатационных свойств композиционных псевдосплавов. Основные характеристики композиционных материалов на основе меди: электросопротивление (ρ ~ 0,025 мкOм·м), прочность соединения с материалом контактодержателя (σ ~ 2 MПa), включения дисперсной керамической фазы – обеспечивают снижение электроэрозионного износа (до 2,5 раз) в сравнении с традиционными материалами.

29-36 320
Аннотация

В настоящее время ответственные детали и узлы, изготовленные из традиционных материалов, не всегда удовлетворяют возросшим требованиям конструкторов и условиям эксплуатации. Одним из решений данной проблемы являются разработка и применение дисперсно-упрочненных композиционных материалов с металлической матрицей. В работе на основе информационно-аналитического обзора предложена новая технология создания дисперсно-упроченного композиционного материала на основе алюминия. Изложены особенности разрабатываемой технологии, приведены макрои микроструктуры и механические характеристики образцов в литом состоянии. Синтез упрочняющих частиц непосредственно в расплаве позволяет получать композиты в одну стадию и обеспечивать термодинамическую устойчивость, плотный контакт и хорошую адгезию между матрицей и упрочняющей фазой. Достигнутые размеры частиц твердой фазы внедрения находятся в пределах от 3 мкм до 2 мм. Изучение структурно-фазового состояния полученного материала проводили с использованием методов оптической металлографии и рентгеноструктурного анализа (дифрактомер «Дрон-2»). Микроструктуру исследовали на микроскопе «Keyence VHX-1000». Твердость образцов определяли на ТКС-1М, микротвердость – на ПМТ-3 и «HMV Shumadzu», предел прочности – на универсальных разрывных машинах ZD 10/90 и УМЭ-10ТМ, ударную вязкость – на маятниковом копре МК-30а. Установлено что варьирование размера и содержания упрочняющей фазы позволяет изменять механические свойства литого металла в широких пределах. Применение предлагаемой технологии позволит существенно снизить временные и экономические затраты. По результатам оценочного расчета ожидается уменьшение стоимости получения дисперсно-упрочненного композиционного материала.

37-43 223
Аннотация

Анализ современной научно-технической информации свидетельствует о больших перспективах использования композиционных материалов (КМ) на основе системы Al–Al2O3. В работах кафедры материаловедения и технологии обработки материалов МАИ показано, что перспективным способом получения КМ на основе алюминия является реакционное спекание на воздухе заготовок из высокодисперсных порошков марки ПАП-2. Однако для практической реализации предлагаемого метода необходимо было решить ряд проблем, в частности связанных с их низкими технологическими свойствами: отсутствием текучести и крайне низкой насыпной плотностью. Для изменения характеристик исходного порошка в работе изучены и предложены различные методы его гранулирования, а также описаны их физико-химические аспекты. Для гранулирования алюминиевой пудры ПАП-2 применяли различные технологические подходы, в основе которых лежат следующие технологические операции: нагрев пудры на воздухе с последующей изотермической выдержкой при температуре 350 °С, введение в ее состав разбавленного водой натрий-силикатного стекла, механическая обработка пудры в высокоэнергетической планетарной мельнице, ее термообработка в вакууме при температуре 650 °С, инициирование реакции омыления стеарина на поверхности чешуйчатых частиц ПАП-2 с образованием органического компонента – пластификатора. Установлено, что предложенные способы гранулирования промышленного порошка марки ПАП-2 обеспечивают возможность улучшения и варьирования технологических характеристик исходного порошка, а также модифицирование его состава и структуры. Наиболее высокий показатель насыпной плотности (до 1,25 г/см3) достигается при использовании способа механической обработки исходного порошка в высокоэнергетической планетарной мельнице с образованием округлых гранул размером 50–150 мкм. Наиболее технологичным и экономичным является способ, основанный на инициировании химической реакции омыления стеарина на поверхности частиц порошка (насыпная плотность ~0,4 г/см3).

Модифицирование поверхности, в том числе пучками заряженных частиц, потоками фотонов и плазмы

44-52 273
Аннотация

Прямое лазерное наплавление металлических порошков является одним из методов аддитивного производства функциональных изделий и заключается в сплавлении металлических порошков лазерным лучом в среде инертного газа. Основные параметры процесса – мощность лазерного излучения, скорость и траектория перемещения лазерного луча, расход порошка. Каждый из них подбирают в зависимости от типа сплава, что в совокупности влияет на структурои дефектообразование в изделиях. В настоящей работе методом прямой лазерной наплавки порошка стали аустенитного класса марки 316L были получены экспериментальные образцы прямоугольного сечения. С помощью сканирующей электронной микроскопии исследована микроструктура, изучены изломы образцов с целью определения структурных особенностей и выявления дефектов (пор, раковин, кристаллизационных трещин и оксидных включений). Проведены испытания на одноосное растяжение и испытания по оценке твердости. Представлен анализ влияния траектории перемещения лазерного луча во время наплавки на микроструктуру и свойства образцов. Установлено, что при мощности лазерного излучения 250 Вт и скорости сканирования 16 мм/с происходит формирование дисперсной структуры со средним размером кристаллитов 1,3–1,9 мкм, что обуславливает высокий уровень характеристик механических свойств экспериментальных образцов. Показано, что при использовании продольной траектории перемещения лазерного луча (вдоль наибольшего размера образца) предел прочности достигает значения 730 МПа при относительном удлинении 25 %, что превышает уровень характеристик механических свойств стали 316L на 110 МПа.

Наноструктурированные материалы и функциональные покрытия

53-61 203
Аннотация

Проведены исследования процессов агрегации и седиментации ультрадисперсных алмазов (УДА) в цитратном электролите меднения (ЦЭМ), используемом для получения композиционных электрохимических покрытий. Изучалась седиментационная и агрегационная устойчивость с целью выбора концентрации УДА в ЦЭМ. Это было необходимо для создания композиционных медных покрытий с улучшенными эксплуатационными характеристиками (повышенной твердостью, износостойкостью, коррозионной устойчивостью), а также для придания им новых свойств (антифрикционных, каталитических). Содержание УДА в электролите варьировалось в пределах от 0,2 до 2,0 г/л. С помощью лазерного дифракционного анализатора «Malvern Mastersizer 2000» определено распределение по размерам частиц УДА в электролите сразу после приготовления суспензии и после 10-суточной выдержки. Агрегационная и седиментационная устойчивость суспензии УДА в ЦЭМ исследована гравиметрическим методом с непрерывным взвешиванием кварцевой чашечки, погруженной в данную суспензию. Кварцевая чашечка была связана с аналитическими весами «Sartorius R200D» с помощью кварцевой нити. В результате проведения эксперимента получена зависимость массы оседающих частиц УДА от времени: Q = f(t). Из этой зависимости определено относительное распределение частиц по размерам. Установлено, что на седиментационную устойчивость существенное влияние оказывает процесс агрегации частиц, интенсивность которого увеличивалась с повышением концентрации УДА. Удовлетворяющие требованиям по агрегационной и седиментационной устойчивости результаты получены из суспензии УДА в ЦЭМ с концентрацией 1,0 г/л. В этом случае высокое содержание дисперсной фазы сочеталось с агрегационной и седиментационной устойчивостью, что позволяло получать медные композиционные покрытия с улучшенными эксплуатационными свойствами.

62-70 181
Аннотация

Рассмотрены наноструктурирующая обработка металлических поверхностей и нанесение функциональных покрытий гибким инструментом – вращающимися проволочными щетками (ВПЩ). Этот процесс, названный фрикционным плакированием, реализуется на токарных, шлифовальных и других металлорежущих станках с использованием простой оснастки или ручных углошлифовальных машин (УШМ). При металлографическом исследовании поверхностных слоев в качестве изучаемых образцов применялись пластины 3×20×100 мм из стали марки 08. Покрытия наносили на плоскошлифовальном станке, на котором размещались ВПЩ вместо абразивного круга и приспособление для подачи материала покрытия. Цилиндрические образцы (сталь марки 50) диаметром 20 мм обрабатывали на токарном станке, на суппорт которого устанавливалось приспособление с УШМ. Для металлографических исследований использовали оптические микроскопы и растровый электронный микроскоп РЭМ JSM-6490 LV. Электронно-микроскопические исследования проводили методом реплик на электронном микроскопе «Tesla BC-613». Рентгеноструктурный анализ выполняли с помощью дифрактомера «Дрон-3». Измерения и анализ шероховатости осуществляли по методике стандарта ГОСТ Р ИСО 25178 на установке «Contour GT K1» (Bruker). Проведено исследование структуры, текстуры и микротопографии поверхности медных и латунных покрытий, нанесенных гибким инструментом на стальную основу. Средняя толщина покрытий составляла 20–25 мкм, микротвердость медного покрытия – около 6800 МПа, латунного – 9000 МПа, размеры частиц – в пределах 0,3–0,6 мкм. Кристаллографическая текстура покрытий воспроизводит текстуру материала стальной основы. Изучение микротопографии поверхности образцов до и после нанесения покрытий показало, что латунное покрытие существенно сглаживает поверхность, но исходную микротопографию меняет незначительно. Микротопография медного покрытия существенно отличается от исходной.

Применение порошковых материалов и функциональных покрытий

71-78 235
Аннотация

Сплавы на основе титана нашли широкое применение в различных областях промышленности благодаря сочетанию высоких механических свойств и низкой плотности. Наиболее эффективно эти качества используются при создании изделий для авиации и медицинских имплантатов. Сплавы с эффектом памяти формы на основе никелида титана (нитинол) являются перспективными материалами для изготовления сверхупругих медицинских имплантатов и инструментов, а также термомеханических элементов авиационной и космической техники. Совместное применение этих материалов в качестве элементов гибридных конструкций или композиционных материалов перспективно для создания изделий с уникальным комплексом свойств – высокие механические характеристики, сверхупругость и демпфирующая способность, повышенная износостойкость, а также термомеханическая память. Проанализированы основные свойства сплавов на основе никелида титана и наиболее широко распространенного титанового сплава ВТ6 (Ti–6Al–4V). Показано, что сочетание функциональных свойств нитинола и конструкционных свойств титановых сплавов в единой конструкции позволит получать разнообразные изделия, прежде всего для использования в аэрокосмической и медицинских областях. Рассмотрены возможности создания высокопрочных неразъемных соединений из титановых сплавов и нитинола. Для получения таких конструкций в настоящее время исследуются различные способы сварки (в основном лазерная и диффузионная) и пайки, а наибольшие возможности связаны с использованием промежуточных прослоек, которые позволят избежать формирования хрупких интерметаллических фаз в неразъемных соединениях.



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