Работа направлена на разработку технологии производства тонкодисперсных (от 10 до 100 мкм) порошков титана и его сплавов, пригодных, после классификации и сфероидизации, для применения в аддитивных технологиях. В качестве электролита использовали эвтектическую смесь, мол. доли: BaCl₂ – 0,16, CaCl₂ – 0,47, NaCl – 0,37 – с температурой плавления 452 °С. Близкие по составу электролиты применяются в промышленности при электролитическом получении натрия с высоким выходом по току. Соли титана в электролит не вводили. Потери натрия за счет испарения, коррозии и перезаряда ионов восполняли периодическим повышением тока электролиза. В качестве анода использовали пластину из титана марки ВТ1-0. Катодом служили стенки стального тигля, на которых выделялся натрий и растворялся в электролите. Восстановление ионов титана происходило в объеме электролита и прианодном слое. Для интерпретации полученных результатов впервые использованы данные об электродных потенциалах систем Ti³⁺/Ti, Ti²⁺/Ti, Ti³⁺/Ti²⁺. Показано, что в первые 12 мин электролиза в прианодном слое растет концентрация малоподвижных комплексных ионов Ti³⁺, а растворенный в электролите натрий восстанавливает в объеме электролита в основном ионы Ti²⁺. Начиная с 20-й мин, при накоплении порошка титана в объеме электролита, в прианодном слое начинает ускоренно возрастать концентрация ионов Ti²⁺ по реакции: 2Ti³⁺ + Ti = 3Ti²⁺. Одновременно уменьшается доля натрия, расходующегося на восстановление ионов Ti³⁺ до Ti²⁺, что способствует повышению выхода по току и стабилизации на 30 мин потенциала катода при –2,963 В. После 50-й мин начинает снижаться реакционная активность солевого расплава, стабильно растет концентрация ионов Ti³⁺ до выравнивания ее на 85-й мин с концентрацией ионов Ti²⁺. Это резко увеличило затраты тока на перезаряд ионов и привело к необходимости, после кратковременного (на 40 с) включения тока 12 А, прекратить электролиз. Через 10 с, судя по изменению потенциала катода, практически весь натрий, растворенный в электролите, был израсходован на восстановление ионов титана. Через 6 мин потенциалы электродов вернулись к первоначальному значению потенциала анода, свидетельствуя о возвращении системы к исходному состоянию, где соли титана и растворенный натрий практически отсутствовали. Получено 95 % порошка в объеме электролита. Выход по току составил 84,0 % и оказался близким к рассчитанному по средней валентности ионов титана и убыли массы анода (87,0 %). После ультразвукового диспергирования более 80 % порошка находилось в диапазоне 10–100 мкм с максимумом при 36 мкм. Рентгенофазовый анализ показал, что это практически чистый α-титан (93,06 %) и насыщенный кислородом α-титан (5,45 %). Оригинальность работы состоит в применении объемного интенсивного электролитического способа получения тонкодисперсных порошков титана при отсутствии растворенного натрия и хлоридов титана в исходном и конечном электролитах, в ступенчатом повышении тока и потенциометрическом контроле процесса. Уникальность работы заключается в получаемом порошке титана, основная часть которого находится в объеме расплава в виде сростков, легко измельчаемых при ультразвуковом диспергировании на отдельные кристаллы. Более 80 % этих кристаллов находилось в требуемом для аддитивных технологий диапазоне 10–100 мкм со средним размером 36 мкм.

Проведено исследование гранул алюминиевого композиционного материала, полученного методом механического легирования исходных порошков сплава марки ВАС1 и карбида кремния. Установлено, что по мере увеличения времени механического легирования изменяются морфология и средний размер композиционных гранул. Происходят процессы пластической деформации алюминиевой матрицы, внедрения в нее частиц карбида кремния, «холодной сварки» агломератов между собой и роста среднего размера гранул до 550 мкм при обработке в течение 40 ч. После более длительного механического легирования (60 ч) структура композиционных гранул становится однородной, средний размер частиц составляет ~ 150 мкм и практически не изменяется с повышением времени технологического процесса. Рентгеновский анализ показал изменение не только морфологии композиционных гранул, но и их внутренней структуры: уменьшаются области когерентного рассеяния, изменяется период решетки алюминиевого матричного сплава, растут микродеформации и количество дефектов упаковки. Для более подробного изучения микроструктуры материала были проведены исследования с использованием метода просвечивающей электронной микроскопии. Их результаты подтвердили, что материал обладает однородной ультрамелкозернистой структурой Размер зерен твердого раствора алюминия не превышает 160 нм. Плотность дислокаций в композиционном материале достаточно высокая. В структуре наблюдаются наноразмерные пластинчатые частицы Si и карбид кремния, который присутствует в материале в виде распределенных крупных частиц осколочной формы. Диффузионной зоны между частицами SiC и основным материалом не обнаружено.

Рассматривается возможность связывания в карбидную фазу свободного углерода, присутствующего в нанокристаллической композиции VC_0,40O_0,53–C_своб, полученной в ходе плазмохимического синтеза в низкотемпературной азотной плазме. В качестве карбидообразователя использован титан в виде его никелида TiNi, обладающего температурой плавления, равной 1310 °С. Эксперименты проводились в условиях вакуумного спекания с участием жидкой фазы при температуре 1500 °С в течение 40 мин. На основе данных рентгенографии, растровой электронной микроскопии и энергодисперсионного анализа определены фазовый состав и особенности микроструктуры спеченных образцов. По результатам экспериментов было изучено жидкофазное взаимодействие нанокристаллической композиции VC_0,40O_0,53–C_своб с никелидом титана, содержание которого изменялось от 10 до 99 мас.%. Было показано, что с увеличением доли TiNi в интервале 10–90 мас.% наблюдается уменьшение содержания C_своб и карбида ванадия VC с одновременным повышением количества TiC. При дальнейшем росте содержания никелида титана до 99 мас.% после спекания присутствуют никелиды Ti₃Ni₄ и Ni₃Ti. Содержание свободного углерода увеличивается до 88 мас.%, а количество TiC снижается до 5 мас.%. На основе полученных данных в ходе исследования предложены различные схемы процессов, протекающих при спекании с участием жидкой фазы системы (VC_0,40O_0,53–C_своб)–TiNi. В частности, спекание с участием жидкой фазы протекает в три этапа, включающих плавление TiNi, растворение тугоплавкой основы, ее переосаждение в виде карбидов TiC_x и VC_x и охлаждение полученной композиции. Следует отметить, что механизм жидкофазного взаимодействия при вакуумном спекании с участием жидкой фазы разработан на закономерностях, представленных в работе М. Гуменика.

Разработан новый высокотемпературный композиционный антифрикционный материал 90 % MoSi₂ + + 10 % MoS₂ с коэффициентом трения покоя менее 0,3. Он работоспособен при температурах до 1500 °С в условиях нейтронного облучения в среде инертных газов. Отработаны режимы приготовления смеси исходных порошков MoSi₂ и MoS₂ и горячего прессования полученной шихты в индукционно-вакуумной установке в графитовых пресс-формах при температуре 1600–1650 °С и удельном давлении горячего прессования 25 МПа с выдержкой 1 ч при данных значениях температуры и давления. Исследованы триботехнические свойства материала в зависимости от усилия сжатия в паре трения и от твердости материала контртела в паре трения. Показано, что чем выше усилие сжатия и чем тверже материал контртела в паре трения, тем меньше коэффициент трения. Установлено влияние температуры на физико-механические и теплофизические свойства материала. При ее увеличении с 20 до 1000 °С прочность материала при сжатии уменьшается с 1388 до 739 МПа. Повышение температуры с 25 до 400 °С ведет к росту удельной теплоемкости от 427 до 596 Дж/(кг·К) и коэффициента теплопроводности от 2,35 до 3,41 Вт/(м·К). Подшипники скольжения из данного материала успешно прошли ресурсные и реакторные испытания.

Исследовано влияние добавок хрома на структуру, механические свойства и адгезию сплавов, предназначенных для использования в качестве связки металлоалмазных композитов. Порошковые смеси Cu–Cr были получены методом высокоэнергетической механической обработки в планетарной центробежной мельнице. Такая обработка позволила получить двухфазные порошки в системе Cu–Cr с равномерно распределенными субмикронными частицами Cr. Компактные образцы состава Cu–Х%Cr (где Х = 10, 30 и 50 %) были получены методом горячего прессования. Установлено, что максимальными механическими свойствами обладали компактные образцы состава Cu—30%Cr (в 9 раз выше, чем у чистой меди). В этих сплавах реализуется упрочнение по механизму Холла–Петча. Полученные сплавы имеют однородную ультрамелкодисперсную структуру, за счет чего достигаются высокие значения предела прочности при изгибе (2330 МПа). Введение хрома в медную связку позволяет существенно повысить ее адгезию к алмазу в металлоалмазных композитах за счет химического взаимодействия хрома, находящегося в составе связки, с углеродом алмаза с образованием карбида Cr₃C₂.

Приведен общий обзор способов получения и областей применения углеродных материалов с большой удельной поверхностью. В качестве объектов для исследования были взяты следующие материалы: гранулированный активированный уголь марки СК-АГ-3 (производства ОАО «Сорбенты Кузбасса»); активированное целлюлозное волокно (Красноярский завод химических волокон), прошедшее карбонизацию и графитацию, подвергнутое газофазной активации при температуре 900 °С в токе диоксида углерода; ткань углеродная марки «Бусофит-Т» (ОАО «СветлогорскХимволокно»); терморасширенный фторированный графит (ОАО «Сибирский химический комбинат»). Проведены исследования пористой структуры этих материалов волюмометрическим методом низкотемпературной адсорбции азота на приборе ASAP 2020. Изотермы адсорбции–десорбции азота фиксировали в интервале относительных давлений p/p₀ = 0,05÷1,0 при температуре 77 К. Величину удельной поверхности оценивали методом БЭТ исходя из изотермы адсорбции при p/p0 = 0,05÷0,30. Для активированного угля, активированных углеродных волокон, ткани «Бусофит-Т» и терморасширенного графита удельная поверхность составила соответственно 485, 1241, 1156 и 290,5 м²/г. Объем мезопор и их распределение по размерам рассчитывали по методу Баррета, Джойнера и Халенды (BJH) в интервале давлений p/p₀ = 0,35÷0,95, а объем микропор и их распределение по размерам – методом Хорвата–Кавазое по изотерме адсорбции–десорбции азота в диапазоне p/p₀ = 0,00÷0,01. Данными методами также определен средний диаметр мезопор и микропор. Проведен сравнительный анализ полученных результатов. Прослежена связь между внутренним строением исследованных материалов и характеристиками пористой структуры. Показано, что активированные уголь, волокна и углеродная ткань являются микропористыми материалами, а терморасширенный графит обладает мезопористой структурой.

Металлизированные покрытия позволяют существенно улучшить эксплуатационные свойства кварцевых волокон. Целью работы было определение трещиностойкости, прочности и динамической усталости оптических волокон без покрытия и с медными покрытиями. Микротвердость кварцевых волокон измеряли методом алмазного индентирования торцевых поверхностей. Параметр интенсивности напряжений K1c был найден из полуэмпирической зависимости А. Ниихары, геометрию отпечатка и радиальных трещин исследовали на сканирующем электронном микроскопе. Трещиностойкость кварца без покрытия оказалась почти в 3 раза меньше, чем у волокна в медном покрытии, что, полагаем, связано с аддитивным вкладом сжимающих напряжений на поверхности волокон и смачиванием кварца медью. Вытяжка оптического волокна с медным покрытием повышает предел прочности, трещиностойкость и параметр динамической усталости и является главным ресурсом сохранения эксплуатации волокна в условиях статистического подхода к конструкционной прочности. Проведены сравнительные испытания на прочность оптических волокон методами двухточечного изгиба и осевого растяжения. Результаты экспериментальных испытаний предела механической прочности кварцевых оптических волокон показали значительный разброс данных, что свидетельствует о наличии в хрупком теле трещин различного размера и является характерной особенностью хрупкого разрушения, как и предполагала теория А. Гриффитса. Кроме того, принималось, что хаотичное распределение дефектов и микротрещин распространяется по всей длине хрупкого тела, в данном случае кварцевого оптического волокна. Для описания поверхностных микротрещин в зависимости от длины волокна использована статистическая модель, основанная на распределении В. Вейбулла. Построены графики В. Вейбулла в координатах, связывающих вероятность разрушения с прочностью, длиной волокна и параметром, описывающим предельную прочность.

Данная работа посвящена разработке композиционных материалов на основе сплава Fe–Ni–Cu с добавкой полых корундовых микросфер (ПКМ). Композиты были получены методом порошковой металлургии: смешиванием исходных металлических порошков в смесителях различных типов с последующим горячим прессованием. Компактные образцы композитов Fe–Ni–Cu + ПКМ характеризовались высокой относительной плотностью и однородностью микроструктуры. Введение ПКМ приводит к снижению прочности до 30 % (с 1125 до 800 МПа при концентрации ПКМ 15 об.%), однако полученные композиционные материалы сохраняли высокую пластичность. Методом микромеханического моделирования было установлено, что в таких композитах области концентрации напряжений возникают не на границе между ПКМ и матрицей, а на внутренней поверхности самих микросфер. В объеме матрицы вокруг ПКМ, напротив, происходят релаксация напряжений и формирование «разгруженных» областей. Введение ПКМ в матрицу на основе сплава Fe–Ni–Cu позволяет увеличить износ при трении о бетон марки М300 на 50–170 % при использовании фракции 70–100 мкм и на 160–325 % в случае фракции 100–140 мкм. При трении ПКМ выполняют роль резервуара для продуктов износа (частиц бетона), благодаря чему трущаяся поверхность материала матрицы остается свободной от продуктов износа и напрямую контактирует с обрабатываемым материалом. Интенсивный износ композитов с ПКМ делает их перспективными для использования в качестве связки алмазного инструмента, предназначенного для сухой резки бетона и железобетона.

Машины и механизмы содержат отвечающие за их движение и остановку узлы, использующие фрикционные материалы. К таким узлам относятся маслоохлаждаемые тормоза, гидромеханические коробки передач, муфты. В них применяются преимущественно фрикционные материалы на основе меди, обеспечивающие высокие значения коэффициента трения и износостойкости. Таким материалам присущ эффективный теплоотвод, так как в указанных зонах за незначительный промежуток времени выделяется большое количество тепла. В работе представлены результаты исследований влияния введения железа во фрикционный порошковый материал на основе бронзы БрО6 и БрО12 на его структуру, механические и триботехнические свойства. Показано, что введение железа способствует повышению коэффициента трения фрикционного материала на основе БрО6 с 0,034 до 0,055, а на основе БрО12 – с 0,042 до 0,073. Определено, что предел прочности при сжатии фрикционного материала на основе БрО12 без добавки железа составляет 340 МПа, при введении 10 об.% Fe – 310 МПа, а при 50 об.% Fe – 180 МПа. Это объясняется тем, что при содержании железа более 30 об.% структура материала из каркасной переходит в матричную, температура спекания которой выше температуры, применяемой в работе для спекания фрикционного материала. Установлено, что для фрикционного материала на основе БрО6 в медной фазе имеются как округлые, так и вытянутые включения размером до 2,5 мкм с содержанием в них железа 30–50 %. В материале на основе БрО12 наблюдается большее количество включений железа в медной фазе – их размер более значителен, длина достигает 20 мкм, а содержание железа в них составляет 49–73 %.