Введение к работе
Актуальность проблемы. Среди задач технического прогресса особую роль играет получение новых материалов со специальными свойствами, позволяющими повышать рабочие I параметры машин и механизмов и использовать новые принципы для их создания. Подтверждением сказанного являются программы "Нирин-97" и "Дофин-97", в которых в числе приоритетных направлений развития науки и техники названо создание новых металлических материалов с заданными свойствами. Особенно это проявляется при создании и разработке принципиально новых устройств и установок для обеспечения жизнедеятельности людей в условиях отсутствия гравитационного поля, при создании агрегатов для редуцирования жидкостей и газов. В полной мере упомянутое относится к установкам по получению водорода и кислорода путем электролиза воды, при разработке концентраторов углекислого газа и кислорода, карбонитратных систем, установок электрофореза и других изделий новой техники. Основными элементами конструкции этих установок являются токоподводы. Неслучайно 34% капитальных затрат на электролизер с твердополимерньш электролитом приходятся на коллектора тока. Дальнейшее развитие науки и техники выдвигает все новые задачи по созданию материалов с заданным комплексом свойств. Пути и средства достижения этих свойств, используемые ранее, не позволяют обеспечить более высокий уровень свойств новых материалов и требуемый ресурс работы.
В связи с этим разработка научных основ и производственная реализация технологий изготовления материалов с регулируемой пористой структурой для изделий новой техники является важной научной и народнохозяйственной задачей.
Работа выполнялась в соответствии с координационными планами НИР Минвуза СССР по проблеме "Порошковая металлургия", ряда решений ВПК и постановлений СМ СССР, а также в рамках межвузовской инновационной научно-технической программы "Исследования в области порошковой технологии" 1991-93 гг.
Цель и задачи работы. Разработка теоретических основ и способов управления структурой металлических материалов, технологий их изготовления и широкое внедрение в изделиях новой техники.
Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:
теоретическое обоснование создания новой структуры, обеспечивающей работоспособность металлических токоподводов в установках электролиза воды, эксплуатируемых в условиях отсутствия влияния гравитационного поля;
разработка технологических основ изготовления металлических материалов с регулируемой пористой структурой и определение оптимальных составов шихты и параметров процесса;
теоретическое и экспериментальное обоснование закономерностей структурообразования металлических материалов с развитой поверхностью;
установление закономерностей изменений температурных напряжений, а также напряжений, возникающих от совместного действия градиента температур, давления газов при диссоциации порообразователей и давления садки. Получение аналитических уравнений по определению этих напряжений;
разработка физико-химических и технологических основ изготовления материалов с гомопористой и бипористой структурой на основе металлов, сталей и сплавов из порошков и волокон для фильтрации жидкостей и газов;
установление закономерностей процесса рекристаллизации пористых спеченных деформированных металлических материалов и ее влияние на свойства этих материалов;
установление основных закономерностей коррозионной стойкости металлических токоподводов в зависимости от типа сплава никеля Ренея, порообразователей и вида химико-термической обработки материалов с регулируемой пористой структурой;
обеспечение широкого промышленного внедрения разработанных материалов на предприятиях страны.
Научная новизна. Основными научными результатами являются:
-
Разработаны теоретические основы и способы управления структурой металлических материалов, обеспечивающей их работоспособность в установках электролиза воды в условиях отсутствия влияния гравитационного поля. Доказано, что для успешной работы токоподводов с низкими значениями потенциалов на аноде и катоде необходимо иметь материалы с тремя группами пор. На основе уравнений свободной энергии системы, условий трансверсальности функционала и уравнения кривой диаметрального сечения мениска определены размеры каналов трипористого материала.
-
Впервые создана принципиально новая группа металлических материалов с трипористой структурой. Эта структура обеспечивает устойчивую работу электродов в условиях отсутствия влияния гравитационного поля. Она состоит из металлической матрицы никеля и пористостей трех подсистем. Подсистема мелких пор - реактивная пористость, вносимая частицами Ni-Al и Ni-Mg сплавов после выщелачивания А1 и Mg. Эта группа пор вследствие большого капиллярного давления создает условия смачиваемости электродов. Средние поры, получаемые между частицами карбонильного никеля и никеля Ренея, ответственны за протекание химических реакций разложения воды и создают большую развитую поверхность электродов. Подсистема крупных пор способствует непрерывной транспортировке воды в зону реакций и беспрепятственному отводу образующихся водорода и кислорода (Ас. 841171; Ас. 1116609 и Ас. 1741361).
-
Разработана новая методика определения термических напряжений при спекании материалов. Получены аналитические уравнения расчета внутренних напряжений, возникающих в теле от градиента температур, давления газов диссоциированных порообразователей и от давления садки.
-
Получены новые титановые материалы семи модификаций. Структура этих материалов состоит из металлической матрицы и пористости двух подсистем. Средние поры, полученные между частицами титана, обеспечивают протекание химических реакций разложения воды или твердополимерного электролита и создают большую развитую поверхность электродов. Крупные поры способствуют непрерывной транспортировке воды в зону реакции и беспрепятственному отводу образующихся газов. Разработан новый гофрированный титановый материал с бипористой структурой.
-
Введен новый показатель п - относительное критическое давление для определения бипористости материалов, позволивший прогнозировать работоспособность трипористых и бипористых металлических материалов и вместе с математическим планированием эксперимента дал возможность осознанного выбора компонентов шихты, гранулометрического состава и технологических аспектов изготовления этих материалов.
-
Разработан новый способ комбинированного спекания изделий из порошков металлов, высоколегированных сталей и сплавов. (А.с. 602085).
-
Установлены новые закономерности процесса рекристаллизации деформированных металлических материалов с регулируемой пористой структурой, позволившие существенно повысить их механические характеристики.
-
Определены основные закономерности коррозионной стойкости трипористых материалов в зависимости от типа сплава никеля Ренея, наполнителей и вида химико-термической обработки. Определяющими факторами хорошей коррозионной стойкости никелевых материалов с трипористой структурой являются дисперсные никель-алюминиевые фазы и нитроцементованный слой, полученные на стадии изготовления этих материалов.
-
Разработан новый способ изготовления листовых материалов из металлических волокон сталей и сплавов путем насеивания их на подложку, последующего уплотнения, предварительного подспекания, прокатки и окончательного спекания в атмосфере водорода или в вакууме.
Практическая ценность работы состоит в том, что установленные физико-химические и технологические основы позволили получить новые магери&чы с трипористой структурой на основе никелевых порошков. Эта материалы семи модификаций серийно выпускаются Выксунским металлургическим заводом по ТУ14-1-3542-83. Бипористые материалы марки Т-ПМ на основе титановых порошков также семи модификаций изготавливаются ВМЗ по ТУ14-1-4572-89. Материалы из сталей аустенитного и ферритного классов изготавливаются по ТУ14-1-2173-77.
С января 1986 г. разработка принята к широкому внедрению в народное хозяйство через ГОСПЛАН СССР.
На основе разработанных материалов созданы новые типы электролизеров для получения кислорода и водорода типа "КОНТВИК", газификаторы типа "Водень-1" и сварочные аппараты типа "САМ-Г, которые серийно выпускаются на заводе г. Черкасы, механическом заводе г. Коврова Владимирской области.
Материалы используются в установках, разрабатываемых в институте ядерной физики СО АН РФ г. Новосибирска, предприятиях п/я А-7569, п/я Р-6878, п/я В-2620, в НПО "Квант", НПО "Химавтомагика" и др. с общим экономическим эффектом более 25 млн.руб. (долевое участие НГТУ, в ценах 1984 года).
Установки типа "КОНТВИК", газификаторы типа "Водень-1" и сварочные аппараты типа "САМ-1" неоднократно экспонировались на выставках достижений ученых вузов РСФСР и СССР на ВДНХ СССР и за рубежом (Финляндия, Чехословакия, Германия). Материал марки Н-ПМ использован в качестве электродов в установке "ВИКА". С 18 декабря 1989 г. по настоящее время эта установка непрерывно обеспечивает кислородом для дыхания космонавтов на борту комплекса МИР-КВАНТ-2.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на 17 всесоюзных, межреспубликанских, республиканских, региональных, областных и отраслевых научно-технических конференциях и совещаниях (Пермь, Ленинград, Оренбург, Горький, Пенза, Челябинск, Свердловск, Волгоград, Чебоксары, Минск, Нижний Новгород).
Публикации. По результатам выполненных теоретических и экспериментальных исследований опубликованы 55 работ, в том числе одна книга, 4 авторских свидетельства на изобретение.
Структура и обьем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы из 221 наименования и приложения. Она изложена на 374 стр. машинописного текста, содержит в том числе 73 рисунка:^ таблиц и приложение на 53 стр.
В настоящей работе приведены результаты, полученные автором самостоятельно, а также совместно с сотрудниками НГТУ и СКТБЭ с опытным заводом г. Москва. При этом автору принадлежат: постановка проблемы в целом и отдельных задач в частности; проведение
экспериментов и анализ результатов; разработка физико-химических и технологических основ получения трипористкх я бипористых материалов; руководство и непосредственное участие в освоении и внедрении результатов работы.
