Введение к работе
Актуальность работы. Расширение рынка керамических материалов обусловлено не яько их уникальным комплексом свойств, сочетающим в себе высокую износостойкость, ючность, химическую стойкость, возможность формоизменения в режиме сверхпластиче-:ой деформации, но и предпосылками предотвращения угрозы сырьевого дефицита и реше-ія экологических проблем, перспективностью и гибкостью технологических приемов, по-юляющими увеличить потенциальные ресурсы материалов и соответствовать запросам но-;йших научно-технических разработок. Анализ развития мирового производства керамиче-ак материалов показывает, что общий объем производства перспективной керамики в 980 году оценивался в 3 млрд. долл., в 1995 году в 5 млрд. долл, а к 2000 году составил до 0-50 млрд. долл.
D этих условиях особую актуальность приобретают работы по созданию, исследованию внедрению новых оксидных керамических материалов, к числу которых можно отнести ерамику на основе частично стабилизированного диоксида циркония с высоким потенииа-ом вязкости разрушения и реализацией эффекта сверхпластичности.
Возможные пути улучшения имеющихся и придания качественно новых свойств керамическим материалам заключаются в совершенствовании существующих и разработке перфективных методов синтеза сверхтонких порошков, подоходов и принципов структурного дазайна, технических решений управления агломератной структурой исходных продуктов и гористой структурой порошковых компактов.
Настоящая работа является результатом теоретических и экспериментальных исследований автора в области порошковых технологий и выполнена в соответствии с научно-технической программой 'Исследования, разработка и применение альтернативных технологий и создание новых материалов, устройств и технических решений специального назначения", утвержденной приказом № 187 ДСП ГК РСФСР по делам науки и высшей школы от 12.03.91 г.; научно-технической программой "Проведение фундаментальньпс и прикладных исследований в области порошковой металлургии при создании новых функциональных материалов", утвержденной приказом № 190 Министерства науки, высшей школы и технической политики РФ от 15.11.91 г.; подпрограммой "Новые материалы" федеральной целевой научно-технической программы "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского назначения" на 1996-1998 гг., утвержденной Государственным комитетом по высшему образованию 16.12.95 г.; межвузовской научно-
технической программой "Исследования в области порошковых технологий", утвержденной приказом № 390 ГК Министерства науки, высшей школы и технической политики РФ от 30.06.92 г.; проектом государственной научно-технической программы России "Новые материалы", утвержденным приказом № 1052 Министерства науки, высшей школы и технической политики РФ от 3.09.92 г.; грантом по фундаментальным исследованиям в области металлургии на 1996-1997 гг. в рамках государственной научно-технической программы 'Новые материалы", утвержденным 17.12.95 г. Государственным комитетом РФ по высшему образованию.
Цель работы. Создание научных основ и технологии получения материалов из моди-фицированых ультраднсперсных порошков (УДП) на основе частично стабилизированного Z1O2 со свободной от собирательной рекристаллизации и аномального роста зерна структурой, контролируемыми полиморфными превращениями, протекающими при термических и механических нагрузках, и повышенной энергоемкостью разрушения.
В соответствии с указанной целью в работе были поставлены следующие задачи:
-
Установить закономерности формирования ультрадисперсных продуктов с метаста-бильным тетрагональным состоянием и рекомендовать оптимальные условия синтеза низко-агломерируемых многокомпонентных оксидных систем.
-
Изучить влияние лазерного излучения на модифицирование и формирование поверхности и фазового состава керамических УДП.
-
Исследовать кинетику уплотнения, формирование микроструктуры, механизмы фа-зообразования и диффузионного массопереноса в условиях активированного спекания и предложить возможные пути регулирования структурных изменений при получении материалов из модифицированных УДП с плотностью, близкой к теоретической.
-
Установить влияние фазового состава и структуры на свойства и разработать научные и технологические основы получения материалов на основе частично стабилизированного ZsOj при использовашш лазерного модифицирования УДП, обеспечивающие заданный комплекс физико-механических и теплофизических свойств, износостойкость и коррозионную стойкость, сверхпластичность в условиях температурного-силового закритического деформирования.
-
Исследовать работоспособность материалов на основе частично стабилизированного ZtOi в производственных условиях.
Научная новизна работы заключается в следующем;
1. Установлены особенности структурной эволюции ультрадисперсных систем (УДС)
ри лазерной обработке.
2. Получены закономерности о фазовых трансформациях в ульградисперсных модифи-
ированных системах на основе ZrCb при спекании и охлаждении от температуры спекания,
также в процессе термических и механических обработок керамики из ультрадисперсных
юдифицированных порошков.
-
Предложена кинетическая модель рекристаллизации однородного материала в усло-иах с непостоянным числом и пространственным распределением стопоров границ зерен, юсширены представления о рекристаллизационной природе активности УДП.
-
Разработана модель, объясняющая механизм массопереноса и диффузионной гомо-«низации в ультрадисперсных системах на основе Zr02, и уточнены условия активного спе-сания керамических УДП с метастабильной тетрагональной структурой.
-
Идентифицирован эффект реализации закритической стадии деформирования в экспериментах на трехточечный изгиб системы ZrOj-Yj03-Alj03 при высоких температурах и установлен характер протекания диссипативных процессов при сверхпластической деформации.
-
Установлены закономерности влияния термостимулированных мартенситных превращений на формирование структуры и свойств циркониевой керамики.
-
Разработаны научные и технологические основы получения нанокристаллических материалов из модифицированных УДП на основе частично стабилизированного ZrOj.
На зашнтт выносятся;
-
Пути регулирования фазовых и структурных превращений при синтезе сложных ультрадисперсных систем на основе ZrCh.
-
Оценка роли лазерного модифицирования при формировании поверхности и фазового состава УДП и разработка способа приготовления сверхтонких частиц с помощью лазерной обработки.
-
Развитие представлений о фазовых превращениях, кинетике, структурной динамике и рекристаллизационной природе диффузионной активности УДП.
-
Объяснение механизма массопереноса в ггОз-УгОз-АЬОз керамике по предложенной статистической модели структуры и применимость ее для прогнозирования условий активированного спекания УДП.
-
Разработка методологического подхода для реализации закритической стадии деформирования и оценки характера диссипативных процессов, протекающих при сверхпластической деформации ггОг-УгОз-АЬОз керамики.
-
Определение взаимосвязи между фазовыми трансформациями, структурой и свойствами керамики на основе частично стабилизированного ZrCh.
-
Создание научных и технологических основ получения из модифицированных УДП нанокристаллических материалов на основе частично стабилизированного ZrC>2.
Практическая ценность работы:
-
Разработана методика лазерного модифицирования ультрадисперсных порошков, получены и экспериментально подтверждены аналитические зависимости для расчета потерь энергии, доли поглощенного излучения и экранируемой поверхности при лазерной обработке, учитывающие основные технологические факторы при целенаправленном управлении структурным состоянием и свойствами модифицированных УДП.
-
Предложен способ получения с помощью лазерной обработки ультрадисперсных сложных оксидных порошков контролируемого химического и фазового составов, заданной морфологии и структуры.
-
Разработаны методики экспериментального исследования процессов рекристаллизации в ультрадисперсных системах, определения трещиностойкости, комплексной оценки те-плофизических свойств композиционных керамических материалов, методологический подход для реализации закритической стадии деформирования и оценки характера диссипативных процессов, протекающих при сверхпластической деформации в керамике.
-
Предложены технологические приемы регулирования фазовых и структурных превращений в УДС, позволяющие получать керамические материалы с заданной микроструктурой и свойствами.
-
Получены положительные результаты стендовых испытаний в КБМ НПО "Искра" г.Пермь вкладышей для малогабаритных управляющих двигателей летательных аппаратов, изготовленных из композиционного материала на основе частично стабилизированного 2лОг.
-
Керамические детали для узла фиксации установки полирования оптических лиш, изготовленные по разработанной технологии, бьши испытаны в производственных условиях НПАО 'Эхо" г.Пермь и показали высокую работоспособность.
-
По результатам производственных испытаний в АО "Уралхиммонтаж" гЛермь изготовленных из циркониевой керамики деталей, входящих в комплектность аппарата для воз-
шно-плазменной резки черных и цветных металлов и сплавов, принято решение о их внесении в серию.
8, Стендовые испытания в АООТ "Пермская приборостроительная компания" деталей и чувствительных элементов авиационных приборов, изготовленных из циркониевой ке-імики, показали более высокие эксплуатационные характеристики по сравнению с ранее вменявшимися материалами.
Методы исследования. Теоретическая часть работы базируется на применении мате-атического и компьютерного моделирования. Статистическую обработку полученных дан-ых проводили с использованием ПЭВМ. При выполнении экспериментальных исследова-ий использовали мессбауэровскую спектроскопию, дифференциально-термический, элек-ронно-микроскопический, комплексонометрический, атомно-эмиссионный, нейтронно-ктивационный, рентгеноструктурный, микроструктурный, фрактографичесхий и мнкро-еіпгеноспектральньїй анализы. В ходе работы проводили измерения теплофизических войств, трещиностойкости, твердости, определяли триботехнические характеристики, кор-юзионкую стойкость в жидких средах, сверхпластичность при изгибе и растяжении.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены на Уральской региональ-юй конференции по порошковой металлургии (Пермь, 1987 г.), Всесоюзной научной конфе->енпии по проблемам прочности и пластичности (Куйбышев, 1989 г.), международной конференции "Химия твердого тела" (Одесса, 1990 г.), семинаре ученых и специалистов научных организаций и предприятий "Ультрадисперсные и неупорядоченные системы. Свойства ї структура" (Пермь, 1991 г.), научно-технической конференции по межвузовским инновационным программам "Исследования в области порошковой технологии" и "Трансфертные технологии, комплексы и оборудование" (Перла, 1993 г.), международной научно-гехнической конференции "Новые технологии получения слоистых и порошковых материалов, композиционных покрытий" (Сочи, 1993 г.), научно-технической конференции "Керамика в народном хозяйстве" (Суздаль, 1993 г.), международном аэрозольном симпозиуме (Москва, 1994 г.), международной конференции "Miss-94" по композиционным материалам (Москва, 1994 г.), международной конференции "НАНО-94" (Германия, Штугтгарт, 1994 г.), международном симпозиуме "Механика разрушения керамики" (Германия, Карлсруэ, 1995 г.), международной конференции "Деформирование и разрушение в структуре порошковых материалов" (Словакия, Кошице, 1996 г.), международной конференции 'Электрокерамика V" (Португалия, Авейро, 1996 г.), Европейской конференции "EURO Mat-
дерланды, Маастрит, 1997 г.), Мезвдународдом симпозиуме "Механика разрушения керамики" (Москва, 1999 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 46 печатных работ, учебное пособие, получено авторское свидетельство w 2 патента Российской Федерации.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка литературы, включающего 203 наименования, и приложения со сведениями о практической реализации результатов работы. Диссертация изложена на 249 страницах машинописного текста, содержит 56 рисунков и 23 таблицы.