Введение к работе
Аюуалыюсть темы диссертации. Введение диборида титана (ТіВ2) в качестве дисперсных упрочняющих частиц позволяет получать материалы с высокими физико-механическими характеристиками благодаря его уникальным свойствам. Диборид титана по сравнению с другими диборидами переходных металлов IV-VI групп обладает наибольшей жесткостью решетки, что обеспечивает его высокую твердость и темпера-гуру плавления. Кроме того, присущие дибориду титана низкий удельный вес и высокая химическая стабильность делают его одним из наиболее перспективных материалов при создании деталей с высокой износо- и термостойкостью. Однако сильные кова-лентные связи, характерные для ТіВ2, обусловливают его низкую пластичность и невысокую прочность на изгиб и разрыв, что в значительной степени ограничивает его применение в качестве конструкционной керамики. Поэтому в настоящее время весьма актуальным представляется поиск путей создания композиционных материалов с пластичными матрицами, армированных частицами диборида титана.
Перспективным методом получения дисперсно-упрочненных композиционных материалов является проведение реакций синтеза частиц упрочняющей фазы в матрицах. Значительный вклад в развитие научных основ процессов твердопла-менного горения с образованием тугоплавких боридов, карбидов, силицидов, нитридов представляют работы, выполненные в коллективе под руководством академика А.Г. Мержанова. Актуальными являются исследования по разработке технологии получения порошковых нанокомпозитов с диборидом титана, основа которых заложена в Учреждении Российской академии наук Институте химии твердого тела и механохимии Сибирского отделения РАН (ИХТТМ СО РАН) в работах академика В.В. Болдырева. Метод заключается в кратковременной предварительной механической активации (МА) смесей порошковых реагентов в планетарной шаровой мельнице, последующем СВС и дополнительной МА продуктов СВС.
Помимо аспектов получения наноструктурных композиционных материалов, важной научно-технической проблемой является разработка методов и режимов их ком-пактирования с сохранением наноструктуры в объеме материала, что накладывает ограничение на температуру спекания. Поэтому для получения таких материалов используются модифицированные методы. Методы спекания в плазме электроискрового разряда и квазидинамического прессования отвечают вышеизложенным требованиям и наиболее подходят для компактирования порошковых композитов с наночастицами. Исследования структуры, свойств и режимов получения композиционных материалов с высокими механическими свойствами путем дополнительного механолегирования представлены в работах Н.З. Ляхова, О.И. Ломовского, М.А. Корчагина, В.А. Полубоярова, М.П. Бондарь, Е.С. Ободовского, О.П. Солоненко и др..
Перспективным направлением восстановления и повышения ресурса работы деталей машин является технология электронно-лучевой наплавки в вакууме (ЭЛН). Вопросы формирования покрытий методом ЭЛН с заданными структурой и свойствами под-
робно изучаются в ИФПМ СО РАН под руководством академика В.Е. Панина. В связи с этим разработка и создание высокопрочных, износостойких композиционных материалов и покрытий, армированных мелкодисперсными тугоплавкими включениями ди-борида титана, является актуальной научно-технической задачей.
Исходя из вышеизложенного целью работы является разработка составов композиционных смесей, полученных комбинацией методов механической активации и самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, для формирования высокопрочных и износостойких объемных материалов и покрытий с медной, медно-никелевой и хром-никелевой матрицей, дисперсно-упрочненных введением порошковых нанокомпозитов с диборидом титана, и проведение аттестации их структуры и свойств.
Для достижения поставленной цели в работе поставлены следующие задачи:
-
Оценить возможность создания композиционных объемных материалов и покрытий на медной, медно-никелевой и хром-никелевой основах, модифицированных введением порошковых нанокомпозитов, содержащих диборид титана, при использовании различных методов формирования.
-
Изучить закономерности модификации структуры и дисперсного упрочнения объемных материалов и покрытий при введении в исходную смесь порошковых нанокомпозитов, содержащих диборид титана, в матрицах различного состава, включая предварительную обработку в планетарной мельнице.
-
Исследовать влияние содержания диборида титана, вводимого в составе порошковых нанокомпозитов в объемные материалы и покрытия, на изменение их механических характеристик и износостойкости.
-
Обосновать оптимальное содержание порошковых нанокомпозитов с диборидом титана, вводимых в объемные материалы и покрытия в качестве наполнителя, с позиции обеспечения однородной структуры и повышения физико-механических и триботехнических характеристик.
Научная новизна. В работе впервые:
Для использованных методов консолидации и наплавки определены составы исходных порошковых смесей, модифицированных порошковыми нанокомпозита-ми, содержащими диборид титана, позволяющие формировать объемные материалы и покрытия, обладающие повышенными физико-механическими и триботехни-ческими характеристиками.
Для исследованных объемных материалов и покрытий выделены три характерных варианта дисперсного упрочнения, реализуемых высокопрочными частицами диборида титана нано-, субмикро- и микронного размера, что определяется особенностями и температурными режимами методов консолидации или наплавки.
Для различного состава материалов матрицы определено оптимальное содержание упрочняющей фазы ТіВ2 в порошковых нанокомпозитах, обеспечивающее повышение прочностных свойств и сохранение пластичности дисперсно-упрочненных объемных материалов и покрытий.
Установлены закономерности изменения структуры и свойств композиционных покрытий на хром-никелевой основе в зависимости от режимов механоактивации порошковых смесей и концентрации упрочняющей/модифицирующей фазы диборида титана.
Практическая значимость работы. Порошковые смеси на основе промышленно выпускаемых хром-никелевых композиций с добавлением наноструктурного диборида титана, прошедшие обработку по определенным в работе режимам, могут быть рекомендованы для нанесения защитных покрытий на кристаллизаторы непрерывной разливки стали. Порошковые смеси с матрицей из электролитической и внутреннеокис-ленной меди с добавлением наноструктурного диборида титана, полученные методом квазидинамического прессования, были использованы для изготовления электродов для контактной сварки.
Работа выполнялась в рамках следующих научных проектов и программ: интеграционные проекты СО РАН: №93 «Разработка принципов и технологий создания нано-структурных состояний в поверхностных слоях и на внутренних границах раздела высокоресурсных конструкционных и функциональных материалов» и №90 «Научные основы создания наиоструктурированных поверхностных слоев и внутренних границ раздела материалов для работы в условиях экстремальных внешних воздействий»), проект Президиума РАН №8.11 «Разработка научных основ и технологий нанесения износостойких и защитных покрытий из порошковых нанокомпозитов на конструкционные материалы металлургического оборудования», гранты Президента РФ поддержки ведущих научных школ «Школа академика В.Е. Панина» (2003-2005 гг., 2006-2008 гг.), персональный грант РАН и Фонда содействия отечественной науке по направлению «Инженерные и технические науки».
Достоверность результатов определяется применением комплекса современных методов исследования, систематическим характером проведения экспериментов и их обработки, согласованностью с результатами подобных исследований других авторов.
Вклад автора состоит в совместных с научными руководителями постановке задач диссертации, проведении металлографических и фрактографических исследований, испытаний на одноосное статическое растяжение и сжатие, износ в парах трения, измерении микротвердости, обработке полученных результатов, формулировке выводов и положений, выносимых на защиту, написании статей. МА и СВС были проведены в ИХТТМ СО РАН. Создание образцов квазидинамическим прессованием осуществляли в Учреждении Российской академии наук Институте гидродинамики им. МАЛаврентьева Сибирского отделения РАН (ИГиЛ СО РАН). Рештеноструктурный анализ был выполнен в центре коллективного пользования в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Томском государствеїшом университете в рамках персонального гранта Научно-образовательного центра «Химия и физика высокоэнергетических систем». Химический анализ поверхности разрушения, выполненный методом дисперсионно-энергетической рентгеновской спектроскопии, проведен в центре
коллективного пользования «Нанотех» ИФПМ СО РАН. Атомно-эмиссионная спектрометрия была выполнена в Научном аналитическом центре ГОУ ВПО НИ ТПУ. Положения, выносимые на защиту.
-
Состав композиционной порошковой смеси для спекания в плазме электроискрового разряда (SPS), содержащей медно-никелевую матрицу (в соотношении Cu/Ni=80/20 ат.%) и 10 мас.% TiB2, обеспечивающей формирование образцов с пределом прочности при сжатии -1200 МПа и пластичностью ~4%.
-
Состав смеси композиционных порошков для квазидинамического прессования, содержащей матрицу из электролитической меди с добавлением наноструктурных частиц 10 мас.% TiB2, обеспечивающей формирование образцов с пределом прочности при сжатии в ~2 раза выше, чем для образцов из ВОМ, при сохранении пластичности на уровне ~40% и увеличении износостойкости в несколько раз.
-
Способ подготовки порошковых смесей для электронно-лучевой наплавки на основе ПХ20Н80 с добавлением порошкового нанокомпозита, содержащего 10 мас.% ТіВ2, включающий 2 этапа механической активации порошка и обеспечивающий формирование однородной мелкодисперсной структуры, плавное изменение микротвердости по поперечному сечению покрытия, высокое сопротивление изнашиванию.
-
Закономерности реализации дисперсного упрочнения объемных материалов и покрытий при введении порошковых нанокомпозитов, содержащих диборид титана, в основе которых лежит сохранение исходного размера наночастиц либо их агломерирование/перекристаллизация в результате термического воздействия при компактирова-нии или наплавке.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на следующих конференциях, симпозиумах и семинарах: 1-ой Всероссийской конференции по наноматериалам «Наш», г. Москва, 2004; V Региональной школы-семинар молодых ученых «Современные проблемы физики, технологии и инновационного развития», г. Томск, 2004; International Conference "Mechanochemical Synthesis and Sintering", Novosibirsk, 2004; The 8* Korea - Russia International Symposium on Science and Technology "KORUS", Tomsk, 2004; Международных конференциях по физической мезомеха-нике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов, г.Томск, 2004, 2005, 2008, 2009; X Международном семинаре «Дислокационная структура и механические свойства металлов и сплавов ДСМСМС», «Нанотехнология и физика функциональных нанокристаллических материалов», г. Екатеринбург, 2005; I, II, Ш, IV Всероссийских конференциях молодых ученых «Физика и химия высокоэнергетических систем, г. Томск, 2005,2006,2007,2008; 8 Международной конференции «Пленки и покрытия», г. Санкт-Петербург, 2007; 2-ой Всероссийской конференции по наноматериалам «Нано», г. Новосибирск, 2007; П, Ш Международных конференциях «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов», г. Москва, 2007, 2009; Ш, ГУ International Forums on Strategic Technologies (TFOST), Novosibirsk-Tomsk, Ho Chi Ming City, Vietnam,
2008, 2009; The 9th International conference on Vibrations in Rotating Machinery, University of Exeter, UK, 2008; Ш международной конференции «Фундаментальные основы меха-нохимических технологий», г. Новосибирск, 2009; The Sino-Russia International Conference on Materials Science and Technology, Shenyang, China, 2009.
Публикации. Результаты работы изложены в 35 публикациях (в 8 статьях в рецензируемых журналах и 27 статьях в сборниках тезисов и трудов конференций).
Структура и объем работы. Текст диссертации состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 149 страницах, содержит 62 рисунка и 13 таблиц. Библиографический список включает 116 наименований.
