Работа посвящена детальному изучению катодных процессов, их влиянию на анодный процесс и показатели электролиза. Измерена поляризация стального катода в расплаве CaCl2–BaCl2–NaCl при температуре t = 610 °С. На поляризационной кривой отчетливо выделяются потенциалы (Eнас = –2,97 В) и плотности тока (iк = 0,04 А/см2, lgiк = –1,4) образования насыщенного раствора натрия в электролите и появления металлического натрия на катоде (ENa = –3,22 В, iNa = 0,12 А/см2, lgiNa = –0,92). По величине Eнас рассчитана концентрация натрия в электролите при t = 610 °С (1,3·10–4 мол. дол.). Величины Eнас, ENa и их разность (E = 0,25 В) подтверждены при длительном электролизе. Эти фундаментальные характеристики являются основой для контроля и управления процессом. При длительном электролизе на кривой в координатах E (В) – lgQ (А·мин) выявлены 3 близких к прямолинейным участка: разряд ионов натрия из пересыщенных растворов при E отрицательнее Eнас (от ENa до Eнас), из смеси пересыщенных и насыщенных растворов (при постоянном E, равным Eнас), из разбавленных растворов (при E положительнее Eнас). Коэффициенты активности натрия в пересыщенных растворах близки к 1, что обеспечивает их повышенную восстановительную способность. Максимальные степени пересыщения (>100) создаются при образовании и распаде на катоде зародышей металлического натрия, которые достаточны для того, чтобы интенсифицировать и продлить электролиз, понизить нижний предел температур его реализации с 600 до 350 °С. Образование металлического титана в прианодном слое объяснено диспропорционированием ионов Ti2+, поступающих в прианодный электролит от поверхности анода и из прикатодного расплава.

Представлены результаты исследования структуры и свойств порошков гидрида титана, полученных из титановой губки СВС-гидрированием и механическим измельчением. Гидрирование осуществляли в реакторе при постоянном давлении водорода 3 МПа. После прохождения волны горения горячую титановую губку охлаждали до комнатной температуры в среде водорода. В результате были получены губчатые гранулы гидрида титана с содержанием водорода 4,2 мас.%. Их измельчали в шаровой мельнице и разделяли на 4 фракции, соответствующие фракционному составу порошка титана: ПТК, ПТС, ПТМ и ПТОМ. Анализ размера частиц показал, что образцы порошков ПТК и ПТОМ имеют более узкое распределение частиц в сравнении с ПТС и ПТМ. Далее для полученных порошков были проведены исследования химического состава, морфологии поверхности и определены насыпная плотность, уплотняемость, пикнометрическая плотность и удельная поверхность. Из результатов химического анализа было установлено, что в ходе СВС-гидрирования происходит снижение содержания примеси углерода и кислорода, а при механическом измельчении, в зависимости от его времени, незначительно увеличивается содержание железа. Исследование морфологии показало, что частицы гидрида титана имеют неправильную осколочную форму, – такая морфология характерна для порошков, полученных по данной технологии. Структура поверхности частично сохранила структуру исходной титановой губки и состоит из вытянутых ориентированных зерен. Установлено, что с уменьшением размера частиц насыпная плотность снижается, а уплотняемость возрастает. Значения пикнометрической плотности и удельной поверхности приблизительно равны для всех образцов порошка.

Проведены исследования процесса синтеза MAX-фазы Ti2AlN спеканием в вакууме различных смесей порошков в зависимости от фазового состава исходных реагентов и режимов их термической обработки в вакуумной электропечи. На примере смеси порошков титана и нитрида алюминия в мольном соотношении Ti : AlN = 2 : 1 (состав 1) прослежена последовательность изменения фазового состава смеси при увеличении температуры изотермической выдержки длительностью 60 мин при t = 1100÷1500 °С с шагом 100 °С и определено значение температуры 1400 °С, при которой в продуктах спекания достигается максимальное значение содержания MAX-фазы Ti2AlN – 94 мас.%. При этой температуре изотермической выдержки для исходной смеси TiAl : TiN = 1 : 1 (состав 2) содержание MAX-фазы составило 93 мас.%. Наилучший результат по синтезу MAX-фазы (100 мас.% Ti2AlN) был получен для смеси Ti : Al : TiN = 1 : 1 : 1 (состав 3). На примере смеси данного состава массой 500 г при определенном режиме термовакуумной обработки экспериментально показана принципиальная возможность масштабирования процесса получения однофазного продукта состава Ti2AlN спеканием в вакууме. Эксперименты проводились с двумя типами образцов: с закрытой и открытой боковой поверхностью. К образцам с закрытой боковой поверхностью относились образцы в кварцевых трубках, заполненных исходной смесью порошков с насыпной плотностью, и образец массой 500 г, помещенный в молибденовый тигель с крышкой. Образцы с открытой боковой поверхностью – это цилиндрические таблетки, спрессованные из исходной порошковой смеси. Было показано, что закрытие боковой поверхности образца из смеси Ti : Al : TiN (состав 3) блокирует выход паров алюминия из порового пространства образца при нагреве, благодаря чему образуется только Ti2AlN.

Рассмотрено применение процесса самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) для получения высокодисперсных порошковых нитри дно-карбидных композиций из наиболее распространенных тугоплавких нитридных (Si3N4, AlN, TiN) и карбидного (SiC) соединений с размером частиц менее 1 мкм. Изложены преимущества композиционной керамики перед однофазными керамическими материалами и такие тенденции ее развития, как переход к наноструктурной керамике и использование in situ процессов прямого химического синтеза наночастиц компонентов в объеме композита. Показана привлекательность процесса СВС как одного из перспективных in situ процессов, характеризующегося простотой и экономичностью, возможностью получения высокодисперсных керамических порошков при сжигании смесей недорогих реагентов. Значительное внимание уделено рассмотрению результатов применения азидного СВС, основанного на использовании азида натрия и газифицирующихся галоидных солей в составе смесей исходных порошков азотируемых и карбидизируемых элементов при их сжигании в газообразном азоте. Представлен обзор публикаций, посвященных применению СВС для получения высокодисперсных композиционных порошков Si3N4–SiC, AlN–SiC и TiN–SiC, перспективных для использования при спекании соответствующих композиционных керамических материалов субмикронной и наноразмерной структуры с повышенными свойствами, меньшей хрупкостью, хорошей обрабатываемостью, меньшими температурами спекания по сравнению с однофазными керамическими материалами из нитридов или карбидов, а также для использования в других приложениях. Подробно представлены результаты применения азидного СВС как в виде показателей термодинамических расчетов, так и данных экспериментального исследования параметров горения, структуры и состава продуктов горения. Обсуждены достоинства и недостатки использования процесса горения для синтеза композиций нитридов с карбидом кремния, причины возникновения сдерживающих факторов и направления проведения дальнейших исследований по их устранению.

Изучено горение порошков переходных металлов: титана марки ПТС (средний размер частиц 57 мкм), циркония ПЦРК-1 (12 мкм), тантала Та ПМ-3 (8 мкм), гафния ГФМ-1 (4 мкм), ниобия НБП-1а (21 мкм) – с сажей марки П-803 дисперсностью 1–2 мкм. Процесс горения спрессованных образцов (масса 2,5–6,9 г, высота 1,2–1,7 см, относительная плотность 0,55–0,61) осуществляли в инертной среде аргона при давлении 760 мм рт. ст. в камере постоянного давления. Исследовали комбинации Me1 + Me2 + Me3 + Me4 + 4С и Me1 + Me2 + Me3 + Me4 + Me5 + 5С. Рентгенограммы смесей регистрировали на дифрактометре «Дрон-3М» (CuKα-излучение). Шлифы продуктов горения изучали на сканирующем электронном микроскопе LEO 1450 VP (Carl Zeis, Германия). Фракционный состав и распределение частиц смеси по размеру устанавливали по стандартной методике на лазерном анализаторе размера частиц «Микросайзер-201C» (РФ). Определяли скорость горения, удлинение образцов, фазовый состав продуктов. Впервые экспериментально измерена максимальная температура горения смеси (Ti + Hf + Zr + Nb + Ta) + 5C. Также наблюдали за морфологией и микроструктурой продуктов реакции. Продукты горения смесей (Ti + Zr + Nb + Ta) + 4C и (Ti + Zr + Nb + Hf) + 4C содержат высокоэнтропийные карбиды, представляющие собой твердые растворы с одинаковым структурным типом B1 (пространственная группа Fm-3m) и обладающие различными параметрами ячейки. Образцы продуктов смесей (Ti + Zr + Hf + Ta) + 4C и (Ti + Hf + Zr + Nb + Ta) + 5C содержат в составе высокоэнтропийные и среднеэнтропийные карбиды, также представляющие собой твердые растворы с одинаковым структурным типом B1 (пространственная группа Fm-3m). Результаты данной работы могут найти применение при получении высокоэнтропийных и среднеэнтропийных многокомпонентных карбидов.

Методами рентгеноструктурного фазового анализа (РФА), просвечивающей электронной микроскопиим (ПЭМ), рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) и спектроскопии комбинационного рассеяния исследованы особенности влияния отжига на воздухе в интервале температур t = 200÷550 °С на морфологию, элементный и фазовый составы, химическое состояние и структуру первичных частиц нанопорошков, полученных измельчением природного алмаза (ПНА) и методом детонационного синтеза (ДНА). Показано, что термообработка на воздухе при заданных значениях температуры и времени нагрева не оказывает влияние на элементный состав и атомную структуру первичных частиц нанопорошков, полученных как методом ДНА, так и методом ПНА. По результатам РФЭС, ПЭМ и спектроскопии комбинационного рассеяния установлено, что отжиг на воздухе при t = 400÷550 °С приводит к эффективному удалению из нанопорошков алмаза атомов аморфного и графитоподобного углерода в sp2- и sp3-состояниях путем окисления кислородом воздуха. В исходном нанопорошке ДНА, содержащем около 33,2 % атомов неалмазного углерода от общего количества атомов углерода, после отжига в течение 5 ч при t = 550 °С относительное количество атомов неалмазного углерода в sp2-состоянии уменьшилась до ~21,4 %. При этом относительное количество атомов углерода в sp3-состоянии (в решетке алмазного ядра) и в составе кислородсодержащих функциональных групп увеличилось соответственно с ~39,8 до ~46,5 % и с ~27 до ~32,1 %. В нанопорошке ПНА, содержащем до отжига около 10,6 % атомов неалмазного углерода в sp2-состоянии от общего количества атомов углерода, после отжига при тех же условиях, что и для нанопорошка ДНА, их относительное количество снизилось до 7,1 %. При этом относительное количество атомов углерода в sp3-состоянии повысилось с 72,9 до 82,1 %, также незначительно (с 10,2 до 10,8 %) возросла доля атомов углерода в составе кислородсодержащих функциональных групп. Показано, что отжиг на воздухе нанопорошков ПНА и ДНА приводит к изменению их цвета: в результате окисления неалмазного углерода кислородом воздуха они становятся более светлыми. Максимальный эффект наблюдается при температуре 550 °С и времени отжига 5 ч. При этом потери массы нанопорошков ПНА и ДНА после отжига составили, соответственно, 5,37 и 21,09 % – значительная потеря в массе нанопорошка ДНА обусловлена, в основном, высоким содержанием в исходном состоянии неалмазного углерода и высокой фповерхностной энергией первичных частиц вследствие их малого размера.

Методом селективного лазерного сплавления (СЛС) в среде азота при подогреве до температуры 200 °С получены образцы в положении 0° относительно плиты построения. Изучено влияние горячего изостатического прессования (ГИП) и термообработки (ТО: закалка + старение) на структуру и механические свойства мартенситно-стареющей стали CL50 WS (российский аналог – ЧС4). Для анализа влияния постобработки на прочностные характеристики (σв, σ0,2, δ, ψ) проведены испытания на разрыв. Их результаты показали высокие значения прочности и пластичности. Установлено, что в результате ТО в структуре стали, помимо α-Fe, γ-Fe, образуются дисперсные выделения упрочняющей фазы NiTi3, идентификацию которой проводили методом просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения. Благодаря интерметаллидной фазе NiTi3, сталь приобрела повышенные предел прочности и предел текучести, требуемые для производства ответственных узлов и деталей высоконагруженных дисков турбомашин. Проанализировано изменение пористости образцов до и после ГИП. Исследованы микроструктуры образцов и изменения, происходящие под влиянием различных вариантов постобработки. Мелкозернистая однородная структура, полученная при сочетании СЛС, ГИП и ТО, обеспечила оптимальные показатели прочности и пластичности. Анализ изломов после механических испытаний показал, что образцы после постобработки разрушаются по вязко-ямочному механизму с образованием шейки.