Введение к работе
Актуальность проблемы.
Развитие современных отраслей машиностроения требует разработки новых материалов, эксплуатационные характеристики которых должны значительно превосходить свойства существующих аналогов. В этой связи повышенный интерес вызывают нанодисперсные (НД) и ультрадисперсные (УД) металлы и сплавы. Их особые физико-механических свойства обусловлены малым размером зерна, повышенной плотностью решеточных дислокаций, а также неравновесной структурой границ зерен.
С точки зрения приложений особый интерес представляют псевдосплавы -материалы с ограниченной взаимной растворимостью. Псевдосплавы системы W-Ni-Fe (BFDK) с повышенными механическими свойствами могут быть использованы при изготовлении силовых конструкций повышенной надежности, радиографического оборудования, контейнеров защиты от ионизирующих излучений, электродов контактных сварочных машин, в устройствах для утилизации ядерных отходов и т.д. Псевдосплавы системы W-Cu (ВМ) используются как электроконтактные материалы широкого назначения.
В настоящее время единственным методом получения объемных изделий из ВНЖ и ВМ является жидкофазное спекание. Материалы, полученные таким образом, имеют, как правило, неоднородную структуру, большой размер зерна и как следствие, невысокий уровень механических свойств.
Для расширения спектра применения вольфрамовых псевдосплавов и улучшения их эксплуатационных характеристик актуальной является задача повышения механических свойств материалов за счет формирования нано- и субмикрокристаллической структуры.
Работа направлена на разработку физико-химических основ комплекса технологий получения и наномодифицирования тугоплавких псевдосплавов - метода высокоэнергетической механоактивации (МА) и электроимпульсного плазменного спекания (ЭИПС), позволяющих осуществлять эффективное управление диффузионно-контролируемыми процессами структурных и фазовых изменений при интенсивной пластической деформации, механическом легировании и высокоскоростном нагреве.
Метод высокоэнергетической МА позволяет снизить оптимальную температуру спекания и способствует созданию нанодисперсных структур с уникальными свойствами благодаря формированию при интенсивной пластической деформации неравновесного состояния межзеренных и межфазных границ, а также благодаря созданию пересыщенных твердых растворов элементов, которые в обычных условиях взаимно-нерастворимы.
Метод ЭИПС сочетает в себе такие важные для активации спекания факторы, как высокая скорость нагрева, вакуум и давление. В результате спеченные материалы имеют меньший размер зерна, высокий уровень однородности структуры, плотность, близкую к теоретической и повышенные механические и эксплуатационные свойства.
Последовательное применение и оптимизация режимов МА и скоростного ЭИП-спекания позволит создавать материалы с комплексом уникально высоких характеристик.
Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка и исследование нанодисперсных и ультрадисперсных псевдосплавов систем W-Ni-Fe и W-Cu, полученных методами высокоэнергетической МА, свободного спекания и ЭИП-спекания, с уникально высокими механическими и эксплуатационными свойствами, для применения в новой технике и обеспечения повышенной надежности и ресурса использующихся машин и агрегатов.
Достижение поставленной цели достигается решением следующих задач:
1. Экспериментальное исследование влияния режимов интенсивной
пластической деформации при МА на параметры структуры, уровень дисперсности и
фазовый состав вольфрамовых псевдосплавов различного химического состава,
получаемых методами обычного спекания и ЭИП-спекания.
2. Исследование влияния способа получения, уровня дисперсности и параметров
структуры порошков на механические свойства материалов, полученных при
свободном и ЭИП-спекании НД и УД вольфрамовых псевдосплавов.
Теоретическое и экспериментальное исследование эволюции структуры в механоактивированных НД и УД вольфрамовых псевдосплавах при высокотемпературном (обычное свободное спекание) и высокоскоростном (ЭИП-спекание) нагреве.
Исследование механизмов деформации и разрушения НД вольфрамовых псевдосплавов, полученных методом свободного и ЭИП-спекания.
5. Исследование влияния режимов МА и ЭИП-спекания на механические
свойства НД вольфрамовых псевдосплавов.
Научная новизна работы:
Впервые проведены экспериментальные исследования влияния температурно-скоростных режимов ЭИП-спекания на прочность механоактивированных НД псевдосплавов систем W-Cu и W-Ni-Fe.
Впервые исследовано влияние режимов МА на кинетику процесса свободного спекания и ЭИП-спекания, а также особенности эволюции структуры в НД и УД порошковых псевдосплавах систем W-Cu и W-Ni-Fe при интенсивной пластической деформации, высокотемпературной и высокоскоростной термической обработке.
Проведены исследования влияния технологических режимов спекания и параметров исходной структуры порошков на механические свойства НД и УД вольфрамовых псевдосплавов.
Впервые разработаны качественные модели, объясняющие немонотонный характер зависимости плотности от температуры спекания НД и УД вольфрамовых псевдосплавов и влияние эффекта механического легирования при механоактивации на оптимальную температуру спекания.
Достоверность и надежность представленных результатов подтверждается их воспроизводимостью при стандартных условиях эксперимента, ясной физической трактовкой и соответствием с ранее опубликованными данными.
Практическая ценность работы:
1. Разработаны физико-химические основы нового метода создания
нанодисперсных вольфрамовых псевдосплавов с уникально высокими механическими
свойствами.
2. Определены режимы свободного спекания псевдосплавов W-Cu и W-Ni-Fe,
полученных методами низко- и высокоэнергетической МА, обеспечивающие
формирование в массивных образцах однородной высокоплотной УД структуры с повышенными механическими свойствами.
3. Показана принципиальная возможность использования технологии ЭИП-
спекания НД и УД порошков для формирования высокоплотной структуры в
тугоплавких псевдосплавах различного химического и фазового состава.
4. Определены оптимальные режимы ЭИП-спекания, обеспечивающие
формирование в псевдосплавах систем W-Ni-Fe и W-Cu высокоплотной однородной
структуры с уникальными физико-механическими свойствами.
5. Разработаны рекомендации по использованию разработанных псевдосплавов в
промышленности.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Зависимость плотности механоактивированных НД и УД вольфрамовых
псевдосплавов от температуры спекания имеет немонотонный характер с максимумом,
соответствующим оптимальной температуре спекания. Уменьшение среднего размера
частиц W и увеличение концентрации атомов W в у-фазе приводит к уменьшению
оптимальной температуры спекания.
2. Зависимость механических свойств нанодисперсных вольфрамовых
псевдосплавов от температуры ЭИП-спекания имеет двухстадийный характер,
аналогичный характеру зависимости плотности от температуры спекания.
Повышенная склонность к хрупкому разрушению при низких температурах спекания
обусловлена повышенной остаточной пористостью, снижение механических свойств
при высоких температурах спекания связано с развитием процессов рекристаллизации.
Формирование высокопрочного состояния в псевдосплавах с рекордными значениями механических свойств обусловлено возможностью сохранения НД структуры, формируемой при механоактивации и последующем высокоскоростном ЭИП-спекании.
В процессе интенсивной пластической деформации при механическом легировании порошков вольфрамовых псевдосплавов имеет место формирование неравновесного твердого раствора W в ГЦК-решетке у-фазы на основе Ni и Fe. Увеличение интенсивности процесса МА приводит к повышению концентрации атомов W в решетке у-фазы.
Апробация работы. Основные результаты диссертации были представлены на следующих конференциях: III и IV Международная конференция «Современные методы и технологии создания и обработки материалов» (Минск, 2008, 2009); V Международная конференция «Фазовые превращения и прочность кристаллов», памяти академика Г.В. Курдюмова (г. Черноголовка, Московская обл., 2008); XXVII научные чтения им. Н.В. Белова (Н. Новгород, 2008); «XIV Нижегородская сессия молодых ученых. Технические науки» (Татинец, Нижегородская обл., 2009); 7-я и 8-я Всероссийская молодежная научная школа «Материалы нано-, микро- и оптоэлектроники: физические свойства и применение» (Саранск, 2008-2009); IV Международная школа «Физическое материаловедение» (Тольятти, 2009); III конференция «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов» (Москва, 2009); Всероссийская научно-техническая конференция «Ультрадисперсные порошки, наноструктуры, материалы (5-е «Ставеровские чтения»)» (Красноярск, 2009); 48-я Международная конференция «Актуальные проблемы прочности» (Тольятти, 2009).
Публикации. По теме работы опубликовано 18 работ, включая 3 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК, а также подана заявка на изобретение.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, 7 глав и заключения. Она изложена на 199 страницах и содержит 86 рисунков, 32 таблицы и список литературы из 122 наименований.
