Preview

Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия

Расширенный поиск
Доступ открыт Открытый доступ  Доступ закрыт Только для подписчиков
№ 2 (2021)
Скачать выпуск PDF

Теория и процессы формования и спекания порошковых материалов 

4-12 45
Аннотация

Методом высокоинтенсивной механической обработки (ВМО) многокомпонентной порошковой смеси Fe + Cr + Co + Ni + Ti получен двухфазный порошковый сплав на основе твердых растворов замещения с ОЦК- и ГЦК-решеткой. Шлифы образцов и частицы полученных смесей изучались на электронном сканирующем автоэмиссионном микроскопе сверхвысокого разрешения методом сканирующей электронной микроскопии. Рентгенограммы смесей регистрировались с помощью дифрактометра ДРОН 3 на FeKα- и CuKα-излучении. Выявлено, что после 10 мин ВМО на рентгенограмме остается один интенсивный суперпозиционный рефлекс, угловое положение которого отвечает рефлексам 111 и 110 фаз с ГЦК- и ОЦК-решеткой соответственно. Искровым плазменным спеканием (ИПС) при температурах 800 и 1000 °С из смеси после 90 мин ВМО получены образцы компактного высокоэнтропийного материала. Определены их удельное электросопротивление и плотность, а также зависимости этих характеристик от температуры спекания. Показано, что в процессе ИПС порошкового сплава, вероятно, происходит обогащение твердого раствора замещения с ОЦК- решеткой титаном.

Самораспространяющийся высокотемпературный синтез 

13-21 40
Аннотация

Используя совместно два варианта процесса самораспространяющегося высокотемпературного синтеза: СВС из элементов и СВС-металлургии, получены литые материалы на основе MAX-фаз Cr2AlC и (Cr0,7Ti0,3)2AlC. В экспериментах применялись смеси с составами, рассчитанными согласно химической схеме 70%(Cr2O3 + 3Al + C)/(2Ti + Al + C) + + 30%(3CaO2 + 2Al). Синтез осуществлялся в реакторе объемом 3 л при давлении аргона 5 МПа. Структуру и фазовый состав продукта реакции исследовали методами рентгенофазового анализа и сканирующей электронной микроскопии. В ходе работы установлено существенное влияние соотношения исходных реагентов на параметры синтеза и фазовый состав целевых продуктов. Показана возможность получения литого материала на основе легированной титаном фазы Cr2AlC. Выявлено, что полученный продукт является композиционным материалом на основе фазы (Cr1–хTiх)2AlC (х = 0,18÷0,28), содержание которой составляет 43–62 мас.% в зависимости от исходного соотношения реагентов. Микроструктура материала характеризуется наличием ламинатных слоев с включениями карбидных зерен. В конечном продукте присутствуют примесные карбидные (Ti0,9Cr0,1C, Cr7C3, Cr3С2) и интерметаллидные (Al8Cr5, AlTi3) соединения, что обусловлено недостаточным временем существования расплава, формирующегося в волне горения.

Тугоплавкие, керамические и композиционные материалы 

22-30 42
Аннотация

Полиимидные покрытия в настоящее время обеспечивают наиболее высокие эксплуатационные свойства кварцевых волокон. Целью работы являлось определение прочности, твердости, динамической усталости, периода сохранения работоспособности и трещиностойкости оптических волокон с полиимидными покрытиями. Методом осевого растяжения на расстояние между кабестанами 500 мм определен предел прочности волокон, который составил 4,8– 6,0 ГПа при скорости нагружения 10–500 мм/мин. Построены графики статистики В. Вейбулла в координатах, связывающих вероятность разрушения с прочностью, длиной волокна и параметром, описывающим предельную прочность. Найден показатель динамической усталости (n), который по физическому смыслу соответствует тангенсу угла наклона tgα = 1/(1 + n) в двойных логарифмических координатах. Значения твердости и трещиностойкости кварцевых волокон измерены методом индентирования. Для вычисления трещиностойкости (K1c) использовали полуэмпирическую зависимость А. Ниихары, связывающую размер отпечатка, длину радиальной трещины и трещиностойкость. С помощью сканирующей электронной микроскопии рассчитана исходная длина трещины и определен размер характерного дефекта. Методом термогравиметрии показано, что волокна с полиимидным покрытием сохраняют термическую стабильность до 450 °С. На основе данных по динамической усталости определен срок службы оптических волокон, который при нагрузке 0,2 ГПа составил не менее 25 лет. Параметр распределения (m), описывающий предельную прочность оптических волокон, был тем больше, чем сильнее отличались нижний уровень прочности от верхнего при испытании на растяжение отрезков волокон. Значения этого параметра характеризуют качество волокна: m = 50÷100 для волокон с покрытием и m = 1÷5 без него.

31-40 40
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.

41-48 33
Аннотация

Исследован процесс формирования композиционного материала углеграфит–свинец методом пропитки пористого каркаса АГ-1500 расплавом свинца, содержащего 2 ат.% Cu. Описана кинетика заполнения открытой пористости углеграфита (УГ) металлическим расплавом в режиме постоянного нагрева печи и устройства для пропитки. Особенностью данного способа является объемное расширение сплава свинца, пропитывающего пористый углеграфит. Его помещают в герметичную стальную емкость, заполненную свинцом на 2/3 объема, вакуумируют, доливают расплав и герметизируют. Далее устройство размещают в печи таким образом, чтобы сплав свинца с медью, уже имеющий температуру ниже температуры ликвидуса на 20–30 °С при нагреве в печи до 900 °С, пропитывал УГ-каркас с дальнейшим расширением при постоянном нагреве. Капилляры пористого каркаса заполняются в ходе непрерывного роста температуры расплава. После извлечения УГ, пропитанного сплавом свинца, его исследовали с помощью рентгеноспектрального и энергодисперсионного методов анализа. Выявлено перераспределение элементов пропитывающего сплава на границе УГ-каркас– Pb-сплав в зависимости от его исходного состава. Так, за время пропитки сплавом Pb–2%Сu углеграфитового каркаса под давлением до 5 МПа на внутренней поверхности пор и на границе со сплавом происходит перераспределение меди, которое приводит к образованию межфазного слоя, содержащего 70 % Cu. В ходе проведенных исследований удалось получить композит с содержанием меди 1,85 ат.% в пропитывающем Pb-сплаве на поверхности раздела с углеграфитом.

Пористые материалы и биоматериалы 

49-59 43
Аннотация

Исследованы способы получения материала с градиентной разноуровневой пористостью путем спекания послойно распределенных нано- и субмикропорошков α-Fe2O3. Нанопорошки со средним размером частиц 12 нм были получены методом соосаждения, а субмикропорошки, представляющие собой полые сферы, – спрей-пиролизом. Консолидация порошков осуществлялась спеканием в муфельной печи, горячим прессованием и искровым плазменным спеканием (SPS) при различных температурах, нагрузках и времени выдержки. Показано, что методы спекания в муфельной печи и горячим прессом не позволяют получить компактный образец достаточной прочности по причине различной активности нано- и субмикропорошков. Методом искрового плазменного спекания были получены порошковые материалы при температурах выдержки 700, 750, 800 и 900 °С в течение 3 мин. Установлено, что серия образцов, полученных методом SPS при температуре 750 °С, обладает достаточной прочностью и открытой пористостью 20 % при общей пористости 37 %. Увеличение температуры при использовании метода SPS приводит к увеличению размера частиц в объеме нанопорошков до микронного размера и частичному разрушению полых субмикросфер. При исследовании фазового состава полученных образцов выявлено, что он идентичен фазовому составу исходных порошков. Однако для серий образцов, изготовленных методами горячего прессования и SPS, в объеме нанопорошков наблюдается направленный рост кристаллов в направлении наибольшей электро- и теплопроводности [001] по оси пуансонов. Это связано с температурным градиентом между объемом порошка и пуансонами и наименьшим значением поверхностной энергии плоскости (110), включающей в себя направление [001].

Наноструктурированные материалы и функциональные покрытия 

60-67 33
Аннотация

Методом импульсного магнетронного распыления (PMS) керамической мишени TaSi2 диаметром 120 мм были нанесены покрытия на модельные подложки из кремния при соотношении расходов газов Ar/N2 = 1/2 и частотах f = 5, 50 и 350 кГц. Структура и состав покрытий исследованы с использованием методов растровой электронной микроскопии, энергодисперсионного анализа и оптической эмиссионной спектроскопии тлеющего разряда. Фазовый состав определяли методом рентгенофазового анализа при использовании CuKα-излучения. Механические характеристики измерены путем наноиндентирования на приборе Nano Hardness Tester, оснащенном индентором Берковича, при нагрузке 4 мН. Жаростойкость покрытий оценивали с помощью изотермических отжигов на воздухе в муфельной печи при температуре 1200 °С, а стойкость к окислению – по структуре и толщине оксидного слоя. Результаты структурных исследований показали, что покрытия рентгеноаморфны и обладают плотной однородной структурой. Увеличение частоты от 5 до 350 кГц привело к снижению толщины и скорости роста покрытий. Образцы, осажденные при f = 5 и 50 кГц, показали высокие механические характеристики: твердость на уровне 23–24 ГПа, модуль упругости 211–214 ГПа и упругое восстановление 75–77 %. Покрытие, полученное при максимальной частоте, характеризовалось твердостью 15 ГПа, модулем упругости 138 ГПа и упругим восстановлением 65 %. Отжиги привели к формированию защитных оксидных слоев SiO2, Ta2O5, TaO2. Наблюдалась выраженная кристаллизация фазы TaSi2, что подтверждается данными рентгенофазового анализа. Образцы, осажденные при f = 5 и 50 кГц, показали небольшую толщину оксидного слоя (0,9 и 1,1 мкм), что свидетельствует о хорошей жаростойкости покрытий при температуре 1200 °С.

68-80 39
Аннотация

Изучено влияние параметров биполярного импульсного режима плазменного электролитического окисления (ПЭО) титана: напряжения (U), длительности импульса (t) и продолжительности паузы между импульсами, на структуру и морфологию TiO2-покрытий, легированных Са и Р. Определены пороговые значения напряжения (U1) и длительности положительного импульса (t1), при которых поры не образуются. Показано, что при повышении величины U1 увеличивается размер пор и возрастают концентрации Ca и P в составе TiO2-покрытия. Выявлена связь между содержанием в покрытии рутила и концентрациями Ca и P. Установлено, что размер и распределение пор по размеру зависят величины t1. Во время короткого положительного импульса формируется структура с мелкими порами, равномерно распределенными по площади образца. При повышении t1 образуется структура с крупными неравномерно распределенными порами. Увеличение параметров отрицательного импульса (U2 и t2) приводит к снижению концентраций Ca и P в покрытии, а также уменьшению содержания рутила. Показано, что поверхность TiO2-покрытий, полученных методом ПЭО, обеспечивает рост кристаллитов Са- и Р-содержащих фаз при их выдержке в растворе, имитирующем внутреннюю среду организма. Выявлено, что количество апатитоподобного слоя зависит от содержания Са и Р в составе TiO2-слоя, а также размера и распределения пор.



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