Введение к работе
Актуальность работы: Сплавы на основе Fe-Ti и Ni-Ti являются перспективными материалами для высокотехнологичных отраслей промышленности. Так сплавы на основе FeTi применяют для обратимого хранения водорода. Среди гидридообразующих сплавов, применяемых в этом качестве, интерметаллическое соединение FeTi, сочетает высокую водородсорбционную ёмкость с относительно низкой стоимостью. Сплавы на основе Ni-Ti используют в различных областях медицины, в частности NiTi сплавы с эффектом памяти формы применяют в качестве материалов-заменителей человеческих органов и повреждённых частей тела, т.к. они обладают высокой химической инертностью и механической прочностью.
Сплавы исследуемых систем, как правило, получают металлургическими методами, связанными с высокотемпературными переплавами, при этом изготовляются достаточно высококачественные макро – или микрокристаллические материалы с характерными для них свойствами.
В настоящее время всё большее распространение получают наноструктурные материалы. Понятие наноструктурные материалы подразумевает в себе не только материалы с размерами структурных составляющих, находящихся в наноразмерной области, а, главным образом, материалы, свойства которых кардинально отличаются от их микро – или макрокристаллических аналогов существенным изменением свойств. Одним из основных направлений в улучшении свойств сплавов является придание им конструкционной прочности. Наноструктурные материалы могут обладать как высокими прочностными, так и высокими пластическими характеристиками. Наноструктурирование металлов может быть достигнуто путём интенсивной пластической деформации (ИПД). К методам ИПД относятся такие виды деформации как: равноканальное угловое прессование (РКУ), прессование с кручением под высоким давлением, механохимический синтез (МХС). МХС представляет собой синтез новых фаз (в том числе и в наноструктурном состоянии) в условиях одновременной совместной пластической деформации смеси компонентов выбранных систем или соединений.
Особый интерес, при получении сплавов на основе Fe-Ti и Ni-Ti методом МХС, заключается в том, что фазы на основе этих металлов имеют широкие области гомогенности, в которых они проявляют те или иные свойства (механические, химические, физические). Поскольку МХС может расширить эти области, целесообразно изучение этих сплавов с целью управления характеристиками с более широкими диапазонами свойств.
Выбранные системы похожи, их компоненты обладают высокой энергией химического взаимодействия и способны образовывать различные химические соединения, при этом для этих систем характерно сильное различие в коэффициентах диффузии компонентов.
Таким образом, исследование процессов образования различных фаз в системах Fe-Ti и Ni-Ti при МХС представляет значительный научный и практический интерес.
Цель работы: изучение влияния механохимического синтеза на процессы формирования интерметаллических фаз в бинарных системах с сильно различающимися коэффициентами диффузии компонентов, исследование устойчивости полученного структурного состояния и разработка основ технологии подготовки объёмных наноструктурных образцов, с целью повышения их свойств.
Для достижения поставленной цели решались задачи:
-
Исследование последовательности фазовых превращений при механохимическом синтезе систем Ti – 35% (ат.) Fe и Ni – 33% (ат.) Ti в зависимости от условий МХС и последующего отжига;
-
Определение температурно-энергетических условий образования фаз в системах Ti – 35% (ат.) Fe и Ni – 33% (ат.) Ti при МХС;
-
Исследование возможности получения компактных образцов в наноструктурном состоянии из порошкового материала, полученного МХС;
-
Получение интерметаллического сплава FeTi механохимическим синтезом и исследование его водородсорбционных свойств.
Научная новизна:
1. Установлены особенности изменения фазового состава и структуры в процессе МХС смесей порошков Ti – 35% (ат.) Fe и Ni – 33% (ат.) Ti в высокоэнергетической шаровой мельнице. Показано, что помимо равновесных фаз, в процессе МХС образуются пересыщенные твёрдые растворы Ti в Ni и Ti в Fe.
2. Проведены оценки парциальных коэффициентов диффузии представленных бинарных пар. Показано, что образование первой фазы происходит на основе малоподвижного компонента, что доказывает диффузионный характер фазообразования при МХС.
3. Показано, что при изменении температурно-энергетических условий изменяется скорость фазообразования. Увеличение интенсивности обработки приводит к повышению фоновой температуры внутри реактора, что способствует ускорению массопереноса.
4. Установлено, что в процессе вылёживания после операции МХС порошков сплавов на основе Ni-Ti и Fe-Ti происходит потеря активированного состояния достигнутого МХС и снижение их способности к низкотемпературному спеканию «схватыванию» (свариваемости частиц металлов во время холодной деформации) при холодном прессовании.
5. Показано, что вплоть до температур 300-350 C сохраняется устойчивость фазового и наноструктурного состояния порошков сплавов на основе Ni-Ti и Fe-Ti, полученных МХС.
6. Установлено, что активация синтезированного интерметаллического соединения FeTi при температуре 670 K под давлением водорода 1 МПа в течение 30 минут обеспечивает достижение обратимой сорбционной ёмкости 0,6% (по массе). При этом изотерма абсорбции характеризуется наличием протяжённого горизонтального плато, соответствующего давлению около 0,4 МПа при комнатной температуре.
Практическое значение полученных результатов:
1. Предложен способ изготовления образцов (оформлена заявка на патент), заключающийся в прессовании с низкотемпературным подогревом (300-350С) порошков сплавов, полученных МХС, непосредственно сразу после МХС. При таком способе компактиования сохраняется фазовое и наноструктурное состояние, полученное в результате МХС.
2. Методом механохимического синтеза получено интерметаллическое соединение FeTi и разработан способ его активации. Синтезированный материал пригоден для использования в качестве накопителя водорода.
Апробация работы. Основные результаты исследования докладывались и обсуждались на V-ой Международной научной конференции «Прочность и разрушение материалов и конструкций» (г. Оренбург, 2008 г.); на IV-ой Евразийской научно-практической конференции «Прочность неоднородных структур» (г. Москва, 2008 г.); на научно-практической конференции МИСиС «Наука 2008» (г. Москва, 2008 г.).
По теме диссертации опубликовано 2 статьи и тезисы 6-ти докладов, подана заявка на патент (№ 2007138675), одна статья прошла рецензию и находится в печати.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов и списка используемых источников из 156 наименований, изложена на 162 страницах, включая 57 рисунков и 59 таблиц.
