Введение к работе
Актуальность работы
Тенденции развития современного материаловедения многие годы были сконцентрированы на получении гомогенных качественных сплавов и других материалов, имеющих постоянные заданные свойства и эксплуатационные характеристики. Обычные композиционные материалы, полученные путем интегрирования металлической или керамической матрицы и дисперсной фазы, используют синергетические характеристики каждого из этих составных компонентов. Эти композиты обладают равномерно распределенной упрочняющей фазой, и их результирующие свойства гомогенны.
Во многих областях техники возникла задача создания функциональных структур материалов с высокими степенью релаксации термических напряжений, сопротивлением окислению и термическому удару, что потребовало получения сочетания различных свойств в определенной анизотропии структуры материала. Функциональные градиентные материалы (ФГМ) характеризуются в общем случае трехмерным распределением состава и свойств по объему, т.е. отличаются от изотропных материалов наличием градиента структуры и свойств (твердости, плотности, теплопроводности). Эти градиенты создаются специальными процессами и количественно контролируются с целью существенного улучшения свойств конечного изделия.
Для решения этих задач в Японии, США и Европе ведутся работы по созданию таких материалов (ФГМ). Первоначальной задачей было создание материалов и структур, способных противостоять термическим напряжениям для космолета, однако эта концепция была существенно расширена на создание комбинаций различных материалов без четкой границы раздела между ними, с целью создания структур с новыми многими функциями.
Несмотря на очевидный прогресс в этой области за последние годы и существенный рост исследований, практически нет опубликованных разработок, направленных на теоретическое исследование и развитие принципов ФГМ В большей части работ исследуется, главным образом, определенный метод, который использовался для изготовления ФГМ, аапример, химическое осаждение из пара, плазменное напыление, и др. Практически отсутствуют работы, связанные с разработкой адекватного описания свойств ФГМ и их зависимости от градиента концентрации, что должно обеспечивать главный результат "обратной связи", используемой для непосредственного проектирования ФГМ компонентов. Подавляющая экспериментальная направленность исследований в области ФГМ привела к накоплению обширного опытного материала, который не может должным образом ис-
пользоваться из-за недостаточной теоретической базы. Поэтому в настоящем исследовании предлагается разработать теоретические основы получения ФГМ, "дизайна" таких материалов, получить конкретные образцы и компоненты, а также применить полученные материаловедчсские решения в промышленности. В соответствии с этим актуальность разработки теоретических и технологических основ ФГМ и компонентов на их основе является несомненной. Цель настоящей работы
Целью данной работы является установление основных закономерностей в поведении ФГМ как пространственно-неоднородных систем, разработка теоретических основ ФГМ и адекватной микромеханической модели, позволяющей оценивать свойства ФГМ как трехмерных компонентов без использования метода конечных элементов, а также разработка конкретных материалов и технологических методов из изготовления. Научная новизна:
Создана теоретическая модель для описания структуры и основных свойств (модулей упругости и сдвига, коэффициента термического расширения, теплоемкости, теплопро-водности, и др.) ФГМ на основе микромеханических принципов.
Впервые рассмотрены особенности локальных полей в ФГМ и разработаны пути расчета локальных напряжений и деформаций в подобных материалах со сложной структурой. Проведены расчеты по разработанным моделям и теоретическим положениям, определены свойства ФГМ нескольких типов с различной формой градиента, рассчитаны величины полей термомеханических напряжений. Созданы специальные программы для оценки структуры и свойств ФГМ и соединений для бинарных систем "ФГМ для Windows". .
- Разработана модель инфильтрации расплава в пористый каркас и создана экспериментальная установка для динамического определения кинетики инфильтрации при высоких температурах, что позволило исследовать инфильтрацию сплавов Си, Ag и Со в пористые образцы на основе W, WC, SfeN^ SiC и АЬОз с целью получения градиентных структур.
На основании эффекта термоупрочнения !'сырой" керамики разработан процесс получения упрочненных неспеченных керамических изделий, которые могут быть подвергнуты инфильтрации для получения ФГМ без риска разрушения.
Впервые получены образцы ФГМ различных систем (W-Cu-алмаз, WC-Co, керамика-металл) и исследованы их свойства.
Практическая ценность результатов работы
Практическая значимость работы заключается в разработке новых материаловедче-ских решений, расчетов и экспериментов по получению и использованию ФГМ для производства порошковых материалов (алмазные инструменты, конструкционные композиты), покрытий (керамические покрытия на углерод-углеродных композитах), соединений керамики (оксид алюминия) с металлами (никель, жаропрочный сплав), а также материалов специального назначения в термоядерной энергетике (диверторы, "первая стенка" и
ДР-)-
Рассмотрен комплекс вопросов по организации производства ФГМ различными методами от дизайна до конечного продукта и разработана общая схема планирования, производства и применения ФГМ в промышленности. Создание новых модификаций ФГМ на основе керамики, вольфрама и карбида вольфрама, технология получения которых защищена 5 авторскими свидетельствами.
Результаты работы переданы по договорам и использованы при разработке и внедрении новых материалов и технологий на фирмах "Atlas Сорсо Craelius" (Швеция), "T&N Technology" (Великобритания), "Rotex" (Финляндия), "CerametaT (Люксембург), "Guh-ring" (ФРГ)» "Fortum Power and Heat" (Финляндия). Апробация работы
Основные результаты работы доложены на научных и научно-технических конференциях и симпозиумах: "Электротермия неорганических материалов" (Днепропетровск, 1989), "Импульсные методы в порошковой металлургии" (Волгоград, 1990), "Конструкционная керамика: теория и технология производства" (Манчестер, Великобритания, 1991), "10-й Конгресс тр термическому анализу и калориметрии" (Хатфилд, Великобритания, 1992), "Обработка поверхности" (Бремен, 1993), "13-й Платове Семинар" (Платове, Австрия, 1993), 3-м Международном симпозиуме по ФГМ (Лозанна, 1994), Европейских конференциях по порошковой металлургии (Стокгольм,' 1996; Киев, 1997; Турин, Италия, 1999), 4-м Международном симпозиуме по ФГМ (Цукуба, Япония, 1996), Скандинавской конференции по порошковой металлургии (Копенгаген, 1996), 7-м Международном семинаре по компьютерному моделированию и механике материалов (Вена, 1997), семинаре "ФГМ-Форум" (Токио, 1998), Международной конференции "Порошковая металлургия и спеченные материалы" (PM2Tech, Лас-Вегас, США, 1998), Всемирном конгрессе по порошковой металлургии (Гранада, Испания, 1998), 5-м Международном симпозиуме по ФГМ (Дрезден, 1998), Международном конгрессе по автомобильным технологиям
ISATA-32 (Вена, 1999), совещаниях по проекту КОСТ-503 (Лозанна, 1993; Париж, 1994; Эспоо, Финляндия, 1995) и Jernkontoret-8067/90 (Эспоо, Финляндия, 1992-1995; Мэрста, Швеция, 1991-1992) и ряде других национальных и международных семинаров.
Материалы работы также обсуждались на научных семинарах Государственной Металлургической Академии Украины, Хельсинского Технологического университета (Финляндия), Университетов "Тохоку" (Сендай, Япония) и "Когакуин" (Токио), Японского НИИ сварки (Осака), ЦНИИ промышленной электроэнергетики Японии (Токио), Национальной Аэрокосмической лаборатории Японии (Исследовательский Центр Каку-да), Университете Леувена (Леувен, Бельгия) и других организаций. Исследовательская работа по этой теме отмечена премией Фонда Корпорации Оутокумпу (Финляндия) как лучшая НИР в области металлургии, материаловедения и горного дела в Финляндии в 1995 г.
Работа была выполнена на кафедре порошковой металлургии и коррозионной защиты Государственной Металлургической Академии Украины (Днепропетровск) и в лаборатории технологии материалов и порошковой металлургии Хельсинского Технологического Университета (Эспоо, Финляндия). Часть исследований относительно керамических материалов была также выполнена в Манчестерском Центре Материаловедения (Великобритания). Данные исследования являются главной частью международного проекта КОСТ-503 (этап 3) Комиссии Европейских Сообществ. Исследования, связанные с получением градиентных твердых сплавов WC-Co, являются также частью Европейского проекта "Трибоград", выполняемого по программе "Brite-EuRam ПГ\ Часть работы, посвященная исследованию процессов инфильтрации, являлась Скандинавским проектом Jemkontoret JK8067/90 (Швеция).
Публикации
Основное содержание работы опубликовано в 50 работах, в том числе в двух монографиях, 28 статьях, 5 авторских свидетельствах и 15 докладах на международных конференциях.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, 6 глав и выводов, изложена на 234 страницах, включая 19 таблиц и 71 рисунок. Список использованной литературы состоит из 164 наименований.