Содержание к диссертации
Введение
1. Проблемы разработки и применения композиционных сплавов 10
1.1. Методологические основы разработки композиционных материалов 10
1.2. Технологии получения композиционных материалов 19
1.3. Нанокристаллические структуры - основа создания нового класса композиционных материалов 23
1.4. Области применения армированных композиционных материалов на металлической основе 32
2. Постановка задачи, материалы и методы исследования 34
2.1. Постановка задачи 34
2.2. Материалы и методы исследования 37
3. Композиционный материал на основе никелида титана и титана 46
3.1. Методология создания композиционных материалов на основе никелида титана и титана 46
3.2. Технологическая схема получения композиционного материала "монолитный никелид титана, армированный титановыми волокнами" 49
3.3. Структура и свойства композиционного материала "монолитный никелид титана, армированный титановыми волокнами" 52
3.4. Физико-механические свойства композиционного материала "монолитный никелид титана, армированный титановыми волокнами" 63
4. Композиционный материал "пористый никелид титана, армированный монолитным никелидом титана" 71
4.1. Технологическая схема изготовления композиционного материала "пористый никелид титана, армированный монолитным никелидом титана" 71
4.2. Структура композиции "пористый никелид титана, армированный монолитным никелидом титана" 77
4.3. Физико-механические свойства композиционного материала "пористый никелид титана, армированный монолитным никелидом титана" 86
5. Композиционные материалы на основе нанокристаллического никелида титана с памятью формы 92
5.1. Композиционный наноструктурный материал на основе никелида титана с высокими эластичными свойствами 92
5.1.1. Технологическая схема получения наноструктурного композиционного материала 93
5.2. Особенности управления структурой и параметрами композиционного наноструктурного материала на основе никелида титана 99
Приложение 106
Выводы 112
Список литературы 114
- Нанокристаллические структуры - основа создания нового класса композиционных материалов
- Технологическая схема получения композиционного материала "монолитный никелид титана, армированный титановыми волокнами"
- Структура композиции "пористый никелид титана, армированный монолитным никелидом титана"
- Особенности управления структурой и параметрами композиционного наноструктурного материала на основе никелида титана
Введение к работе
Пористые и беспористые (монолитные) сплавы на основе никелида титана, проявляющие эффекты памяти формы и сверхэластичности, зарекомендовали себя, как эффективный материал для использования в различных областях техники и медицины. Монолитные сплавы на основе никелида титана обладают высокими физико-механическими и коррозионными свойствами, биомеханической и биохимической совместимостью с живыми тканями организма. Главное отличие пористых сплавов от монолитных - это проницаемость пористых сплавов при достаточно высоких физико-механических свойствах. Для эффективного использования сплавов на основе TiNi, необходимо уметь целенаправленно изменять температурные интервалы фазовых превращений и управлять параметрами формоизменения при изменении температуры и напряжения. В настоящее время существует в основном два способа воздействия на физико-механические характеристики материала - за счет изменения состава и за счет термомеханической обработки. Однако перспективным может быть и третий вариант - свойства никелида титана можно изменять в широких пределах путем создания его композиции с другими материалами.
Данная диссертационная работа посвящена исследованию физико-механических и структурных свойств композиционных материалов на основе никелида титана. В диссертации приведены основные закономерности влияния армирования никелида титана титаном на физико-механические свойства, характер взаимодействия матрицы с армирующими титановыми элементами, особенности изменения мартенситных превращений в композиции, параметров формоизменения при эффектах памяти формы и сверхэластичности. Практическим результатом приведенных исследований является разработка технологических основ создания композиционных материалов: "монолитный никелид титана, армированный титановыми волокнами", "пористый никелид титана, армированный монолитным
5 никелидом титана" и наноструктурный никелид титана с оксидным покрытием.
Первая глава посвящена анализу известных видов композиционных материалов на металлической основе. Приведены методы создания композиционных материалов. Рассмотрены физические принципы и способы создания композиционных материалов на металлической основе, а также области их применения. Рассмотрены данные по структуре и свойствам известных нанокристаллйческих материалов.
Вторая глава посвящена постановке цели и задачи исследования, описанию используемых в работе материалов и методов. Представлены оригинальные способы получения полуфабрикатов и основные подходы при изготовлении композиций на основе никелида титана. Даны схематичные описания используемого в работе оборудования.
В третьей главе изложены результаты исследований композиционного материала "монолитный никелид титана армированный титановыми волокнами". Описаны структура и свойства композиционного сплава на основе никелида титана марки ТН-10 и титана марки ВТ1-00. Проведенные рентгеноспектральные исследования показали, что армирование титановыми волокнами изменяет фазовый состав никелид титановой матрицы. Образование связей матрицы с армирующими элементами происходит на фазовом уровне по всему объему композита. Такая межфазная связь обусловливает эффективное влияние титановых элементов на физико-механические характеристики композиции. Установлено, что увеличение концентрации титана в составе матричного никелида титана смещает температуры мартенситных превращений композиционного сплава в область более высоких температур (на 50 С) по сравнению со сплавом ТН-10. При одинаковой нагрузке степень деформации композита оказывается значительно меньше, чем у монолитного никелида титана. Результатом влияния титановых волокон является более широкий интервал восстановления формы композиционного материала по сравнению с
никелидом титана и более значительная остаточная пластическая деформация чем у никелида титана. При этом эффект сверхэластичности существенно ниже чем у никелида титана при величине обратимой деформации композита не более 4%. Более низкие сверхэластичные свойства композита определяют и более низкое значение величины предела текучести. Отмечено, что в отличие от монолитных сплавов на основе никелида титана, где при увеличении концентрации титана вблизи гомогенного состава (в пределах 0,5-1,5%) прочностные свойства сплавов увеличиваются, а пластические свойства снижаются, в композиционных сплавах на основе никелида титана армирование титановыми волокнами приводит одновременно к увеличению прочности и пластичности сплавов.
В четвертой главе рассмотрены результаты исследований по армированию пористого никелида титана монолитным сплавом на основе никелида титана. Получение армированных никелидом титана пористых сплавов на основе никелида титана осуществляли методом спекания, который сводится к выбору таких характеристик исходных материалов и технологических приемов, которые позволяют получать образцы композита заданной формы и размеров, характеризующиеся прогнозируемыми значениями физико-механических свойств. Проведен целенаправленный анализ компонентного состава порошка никелида титана, пригодность которого в качестве исходного материала для изготовления композита связана с элементным составом, уровнем примесей и механических загрязнений. Химический состав порошка зависит от метода его производства, а также от степени чистоты исходного материала. Выявлено, что основных компонентов сплава (Ті и Ni) в порошке должно составлять не ниже 98%. Метод, который может дать достаточно точную информацию о составе порошка, является метод измерения удельного электросопротивления в широком интервале температур, который чувствителен к изменению фазовых переходов. Используя этот метод были получены данные о том, что температура появления ромбоэдрической R фазы в порошке никелида титана
7 соответствует -40 С и вплоть до температуры жидкого азота (-196 С) R фаза стабильна. Эти данные позволяют надежно утверждать, что мартенситная фаза В19' в широком интервале температур отсутствует и поэтому с большой вероятностью сплав обогащен никелем (Ni). Данные рентгеновского энерго-дисперсионного анализа также показывают, что пористый сплав обогащен по никелю: Ti=47%, Ni~51% (±0,1%). Мы отдали предпочтение образцам, изготовленным из порошка никелида титана марки ПН55Т45С (среднее значение размера фракций 100 мкм). Была отработана методологическая схема получения композиционного пористого армированного сплава на основе никелида титана, состоящего из пористой матрицы с включением монолитного никелида титана. Сочетание равномерной пористости структуры элемента с надежностью припекания монолитного стержня к пористой части композита достигнуто при двухстадийном режиме спекания в вакууме 10"4 Па. Температуры первого спекания варьировали в интервале 1000-1100 С, температуры второго спекания варьировали в интервале 1200-1300 С. Время спекания - по 2 часа. Двукратное спекание проводили исходя из того, что оксидная пленка порошинки не позволяет достичь заданной структуры при однократном спекании, т.к. лишь незначительная доля порошинок спекается. Именно эти порошинки позволяют пористому штабику удерживать форму, но не обеспечивают должного соединения пористой и монолитной частей. В результате образец приобретает лишь заданную форму, легко извлекается из формовки. Второе спекание проводится при более высоких температурах, уже в отсутствии формовочного материала. В результате второго спекания обеспечивается высокое качество припекания пористой части к монолитной, а образцы полностью сохраняют заданную пористость. Сравнение образцов пористого армированного и пористого неармированного сплавов на основе никелида титана, полученных методом двухстадийного спекания, показало, что предел прочности на изгиб возрос почти в 3 раза после армирования пористого никелида титана монолитным стержнем из никелида титана.
Пятая глава посвящена исследованию структурных и физико-механических свойств композиционного наноструктурного никелида титана. Впервые представлены исследования по влиянию наноструктурного состояния на фазовые переходы. Выявлена роль оксидного слоя на изменение критических температур мартенситных превращений и параметры эффекта памяти формы наноструктурных образцов монолитного никелида титана. Установлено, что соотношение толщины оксидного слоя и объема наноструктурного материала определяют физико-механические свойства всей композиции. С одной стороны, оксидный слой препятствует движению межфазных границ мартенситных превращений и приводит к смещению критических температур фазовых переходов в . область более низких температур и сопровождается уширением гистерезиса при эффекте памяти формы. С другой стороны, оксидный слой является дополнительным фактором и источником внутренних напряжений, который может приводить к смещению критических температур мартенситных превращений в область более высоких температур, при этом гистерезис будет характеризоваться большей степенью размытости.
Формирование нанокристаллической структуры в композиционном материале на основе никелида титана позволяет получить уникально высокие физико-механические свойства композиции. Основной особенностью наноструктурного композиционного материала на основе никелида титана являются более высокие сверхэластичные и прочностные свойства, чем у его крупнозернистого аналога. Таким образом, изменяя соотношение монолитного никелида титана и оксидного слоя в никелид-титановой композиции, можно направлено изменять физико-механические свойства и параметры формоизменения материала.
Автор защищает: - методологию создания композиционных материалов на основе
никелида титана и титана, пористого никелида титана и монолитного
никелида титана, композиционного наноструктурного никелида титана
9 с заданным комплексом физико-механических свойств и параметров формоизменения;
экспериментально установленные закономерности изменения структуры и физико-механических свойств композиционных материалов на основе никелида титана, полученных на основе разработанных методов, в зависимости от состава матрицы и армирующих элементов;
разработанные методы термомеханической обработки
композиционньк наноструктурных материалов на основе никелида титана, включающие одновременное воздействие температуры в интервале (150+250) С и деформацию в пределах 15+25%; установленные для композиционных материалов на основе никелида титана закономерности изменения эффекта памяти формы и сверхэластичности в интервале температур мартенситных превращений.
Нанокристаллические структуры - основа создания нового класса композиционных материалов
Процесс получения однонаправленного монослоя, ленты или листа может быть непрерывным при прокатке или горячем прессовании. Сварка взрывом и динамическое горячее прессование были успешно применены для получения композиционных материалов А1 — сталь [57, 58]. Однако применение этих методов с хрупкими волокнами затруднено. Жидкофазные процессы протекают, как правило, при более высоких температурах, чем твердофазные, поэтому для предотвращения разрушения волокон от взаимодействия с расплавом на волокна необходимо наносить защитные покрытия. Из этих процессов метод вытяжки из расплава является весьма перспективным для получения непрерывных армированных профилей постоянного сечения. Применение жидкофазных процессов к композиционным системам осложняется трудностью обеспечения смачиваемости, а при достижении последней — трудностью предотвращения реакций, приводящих к разупрочнению волокон [61].
Процессы осаждения и напыления применяются для получения полуфабрикатов, нуждающихся в последующем уплотнении до монолитного состояния. В этих процессах на волокна, намотанные на оправку, напыляется или осаждается матричный материал. Монослои снимаются с оправки, нарезаются «карточки», которые набираются в пакеты требуемой толщины и уплотняются. Наиболее перспективным методом из этих процессов является плазменное напыление [59].
Каждый из описанных выше методов получения армированных металлов имеет свои достоинства и недостатки. Поэтому на практике часто используют сочетание нескольких методов таким образом, чтобы достоинства одного метода уменьшали или сводили на нет недостатки другого. В большинстве случаев возможность применения того или иного метода получения армированных материалов, как правило, во многом определяется конфигурацией детали или полуфабриката из МАВ. 1.3. Нанокристаллические структуры - основа создания нового класса композиционных материалов Основную часть конструкционных материалов составляют металлические, керамические, полимерные и композиционные. Выбор для их применения в конструкциях определяется соотношением между прочностью и пластичностью этих материалов. Металлические материалы обладают более оптимальными значениями этого соотношения [62]. Керамические и полимерные материалы менее пластичны, а композиционные по указанным характеристикам занимают промежуточное положение между керамическими и металлическими материалами. Оптимальное соотношение между прочностью и пластичностью металлических материалов определило их превалирующую долю в общем объеме конструкционных материалов, которая превышает 90%. Мировое производство стали непрерывно возрастало и к концу XX в. достигло 800 млн. тонн в год [63]. Некоторое замедление темпов роста в значительной мере связано с удовлетворением потребности за счет повышения качества сталей (табл. 1). К настоящему времени в России разработано и используется около 2000 марок сталей и выпускается более 15 млн. вариантов исполнения металлопродукции, включающих металлы массового назначения (стали, алюминиевые сплавы, титановые сплавы и др.), высокопрочные стали и сплавы, жаропрочные сплавы, хладостойкие стали, коррозионностойкие стали и сплавы, износостойкие стали, радиационностойкие стали и сплавы, литейные чугуны и др.
Прирост прочностных свойств конструкционных материалов за последние десятилетия был обусловлен в основном разработкой сплавов с новым химическим и фазовым составами. В последние годы наметились новые пути повышения свойств конструкционных материалов за счет целенаправленного формирования микро- и нано-кристаллической структуры композиций. Необычность атомной структуры наноматериалов приводит к появлению принципиально новых физических и механических свойств [76 - 80].
Работы по созданию наноматериалов ведутся в основном с использованием двух различных подходов. Первый - поатомный синтез кластеров с последующей их консолидацией, создание мультислоев. Достигнуты значительные успехи по формированию прецизионных наноструктур в образцах с размерами в несколько миллиметров. Такие материалы в прикладном отношении перспективны для микроэлектроники, создания микроэлектромеханических систем. Второй подход включает использование интенсивных внешних воздействий (ударное нагружение, ионная бомбардировка, интенсивная пластическая деформация и т.д.) для трансформации микроструктур объемных образцов в наноразмерные структуры.
Химический и фазовый состав, форма, размеры и другие характеристики кристаллитов и границ раздела оказывают определяющее влияние на свойства композиционных материалов. Наноматериалы можно классифицировать по химическому составу, форме кристаллитов и расположению границ раздела (табл. 2) [64]. По этим параметрам композиции делятся на слоистые, волокнистые и равноосные, для которых толщина слоя, диаметр волокна или зерна меньше некоторого значения, например 100 нм. По химическому составу кристаллитов можно выделить четыре группы наноматериалов. Для наиболее простого варианта химический состав кристаллитов и границ раздела одинаков - это, например, слоистые поликристаллические полимеры или чистые металлы с нанокристаллической равноосной структурой. Вторая группа представляет наноструктурные композиционные материалы с кристаллитами различного химического состава и многослойной структурой.
Технологическая схема получения композиционного материала "монолитный никелид титана, армированный титановыми волокнами"
В основе модификации функциональных свойств материалов на основе никелида титана лежит подход композиционного соединения известных по свойствам сплавов системы TiNi (включая пористые) и сплавов на основе Ті. При этом известно, что передача свойств отдельных составляющих композиционной системы не носит аддитивный характер. Отметим, что исследование физических процессов формирования и поведения таких композиционных материалов дает не только основу для конструирования новых материалов, но и предпосылки для прогнозирования свойств получаемых композиционных материалов.
Сплавы на основе никелида титана марки ТН-10 (TiNiMo) характеризуются стабильностью физико-механических свойств, возможностью программного управления параметрами формоизменения. Сплавы на основе титана (TiAl, TiV) имеют низкий удельный вес, высокие коррозионные свойства в статических условиях и достаточно низкий предел текучести. Степень сохранения свойств ТН-10 и Ті в общей композиции зависит как от количества их в композиции, так и от ряда других факторов (структуры соединения разнородных материалов, формы армирующих элементов, вида матрицы и т.п.).
При изготовлении сплава ТН-10, если не касаться легирующих добавок Мо и Fe, содержание которых не превышает 2,0 ат.%, состав гомогенного сплава определяется содержанием 49,5н-51,5 ат.% Ni и 50,5- 48,5 ат.% Ті. Указанное соотношение никеля и титана в сплаве соответствует максимально высокому уровню памяти формы и сверхэластичности сплава.
Учитывая, что в основе способа получения композиционного материала лежит пропитка титановой матрицы расплавом никелида титана марки ТН-10, необходимо учитывать ряд важных особенностей такой технологии получения композиционного материала. Наличие титана (арматуры) в ходе изготовления композита приводит к увеличению в соединении никелида титана содержания титана и, соответственно, к обеднению по никелю. Выход за пределы гомогенного состава приводит к снижению качества никелида титана, а именно характеристик формоизменения. Теоретически этот процесс плохо контролируется, оптимизация химического состава сплава возможна только экспериментально. Факт выхода за пределы гомогенного интервала никелида титана обнаруживается на стадии исследования физико-механических свойств готового материала, когда коррекция химического состава невозможна.
Для повышения надежности обеспечения функциональных свойств композиционного материала из никелида титана марки ТН-10 с арматурой из титана, шихту матрицы, как показали комплексные исследования, необходимо выбирать с содержанием никеля 51,5 4- 53,0 ат.%. В этом случае, при получении композиционного материала, пропитка расплавом никелида титана (имеющего температуру плавления ниже температуры плавления титана) титанового каркаса позволяет достигнуть гомогенности сплава. При температуре расплава никелида титана происходит его взаимодействие с поверхностным слоем титана, происходит частичное растворение титана в расплаве никелида титана. Возникший в никелиде титана избыток содержания титана приводит к перераспределению никеля и титана в никелиде титана, концентрация никеля снижается до гомогенного уровня 49,5 ч-51,0 ат.%.
Результаты приведенных выше исследований позволили получить композиционные материалы на основе никелида титана и титана с прогнозируемыми свойствами. При этом следует учитывать ряд чрезвычайно важных физических факторов. Необходимо вычислить чистый объем никелида титана и титана, участвующего в процессе формирования композиционного материала, учесть площадь поверхности раздела титанового каркаса с расплавом никелида титана и толщину оксидного слоя титана. На конечные свойства композиционного материала большое влияние оказывают такие технологические составляющие процесса получения композиционного материала в конечном виде, как экструзия, прокатка, волочение, ковка, и поэтому, важно максимально учесть все особенности изменения свойств композиции в результате таких обработок.
В данном разделе внимание уделено не подробному изучению известных технологических приемов, а исследованию структуры композиционного материала, его физико-механическим свойствам и характеристикам формоизменения при эффектах памяти формы и сверхэластичности. Именно понимание закономерностей изменения свойств, связанных со структурой компонентов в композиционных материалах на основе никелида титана и титана, позволяет создавать на основе этих сплавов композиционные материалы с новыми свойствами.
Технологическая схема получения композиционного материала "монолитный никелид титана, армированный титановыми волокнами" Для получения методом литья композиционного материала "монолитный никелид титана, армированный титановыми волокнами", использовали сплав на основе никелида титана марки ТН-10 и проволоку из титана марки ВТ1-00 диаметром от 80 до 120 мкм.
Образцы композиционного никелида титана получали методом центробежного литья в инертной атмосфере и методом литья под давлением. Принципиальная схема установки для центробежного литья представлена на рисунках 3.1, 3.2. В тигель помещали, в зависимости от требуемой композиции, каркас из армирующих волокон. Далее, в тигель под действием центробежной силы заливался расплавленный никелид титана. Образцы, полученные путем пропитки этого каркаса, имеют форму цилиндра.
Образцы композиционного материала на основе никелида титана с титановыми волокнами были также получены методом литья под давлением в индукционной литейной машине (рис.3.3). В емкость помещали, в зависимости от требуемой композиции, конструкцию из волокон титана, которую пропитывали расплавом никелидом титана в инертной атмосфере. Изменение давления инертного газа позволило эффективно регулировать плотность соединения компонентов композиционного материала.
Структура композиции "пористый никелид титана, армированный монолитным никелидом титана"
Физико-механические свойства и параметры формоизменения композиционных сплавов на основе никелида титана и титана зависят от свойств компонентов композиций, от количества, формы и размера армирующих элементов, от степени их предварительной деформации. Монолитный никелид титана характеризуется практически 100% восстановлением формы после предварительной деформации на 6 - 8% и последующим нагревом выше температурного интервала фазового перехода. Повышение предварительной деформации свыше 6 - 8% приводит к появлению пластической составляющей деформации, которая носит необратимый характер и проявляется в недовозврате формы материала. Степень недовозврата увеличивается с увеличением пластической деформации.
Что касается композиции "монолитный никелид титана, армированный титановыми волокнами", то параметры эффекта памяти формы имеют существенные отличительные характеристики. В связи с тем, что армирующие титановые волокна имеют другой характер деформирования, т.е. деформируются на начальном этапе по закону Гука, а затем пластическим сдвигом - параметры проявления эффектов памяти формы композиционного сплава ухудшаются по сравнению с монолитным никелидом титана (рис. 3.10). При одинаковой нагрузке степень деформации композита в два раза меньше, чем у монолитного никелида титана. Влияние армирования также отражается на ширине гистерезиса, который у композита значительно шире и более размыт по сравнению с никелидом титана. Такой эффект объясняется влиянием армирующих титановых волокон, которые не обладают способностью проявлять свойство обратимого формоизменения, но при этом имеют высокие упругие, пластические и прочностныехарактеристики в широком интервале температур. Можно сказать, что деформация композита происходит сразу по двум механизмам деформации -по обратимому мартенситному и по механизму пластической деформации. Даже при незначительной нагрузке в композите существуют области деформации, где критические напряжения достигают предельных значений. Поэтому композиционный материал не полностью восстанавливает форму при нагреве выше интервала фазовых превращений. Результатом влияния титановых волокон является широкий интервал восстановления формы композиционного материала по сравнению с никелидом титана и остаточная пластическая деформация, которая имеет более значительную величину, чем у TiNi.
При практическом использовании композиционных сплавов на основе никелида титана важное значение могут иметь также параметры сверхэластичности (рис. 3.11). На диаграммах а - є кривые нагружения и деформации образуют петлю гистерезиса, характерную для сплавов на основе никелида титана. Эта иллюстрация восстановления исходной формы, когда после воздействия внешнего напряжения при температуре выше начала перехода (Ms) возникшая мартенситная фаза переходит при снятии нагрузки в исходное состояние высокотемпературной фазы. У композиционного материала качественно сходная графическая зависимость по сравнению с никелидом титана, однако, величина обратимой деформации композита составляет не более 4%. Более широкий температурный интервал сверхэластичности композиционного материала на основе никелида титана и титана объясняется тем, что титановые волокна, не участвуя в процессе накопления эластичной деформации, препятствуют в виде упругого воздействия мартенситной деформации никелида титана, тем самым уширяя гистерезис.
Также как и у никелида титана, деформация композиционных материалов, проявляющих эффекты памяти формы, представляет собой комплексную величину, состоящую из упругой деформации, деформации связанной с мартенситным превращением и пластической составляющей деформации. Вклад упругой деформации не превышает 0,1%. Деформация, связанная с мартенситным превращением зависит от уровня армирования титановыми волокнами и в разных композиционных материалах составляет, как правило, 2 - 4%. Вклад пластической составляющей также различен и также зависит от уровня и характера армирования.
Важную информацию о композиционном материале представляют величины, соответствующие минимальным и максимальным значениям напряжения разрушения (crm;n и отах) и, соответственно, деформации до разрушения (ЄЩІП и єтах), а также критические напряжения мартенситного сдвига и величина предела текучести (рис. 3.12,3.13).
У композиционного материала минимальное значение напряжения мартенситного сдвига находится практически на одном уровне с монолитным никелидом титана марки ТН-10, из которого изготовлена матрица, что говорит о высокой мартенситной пластичности композиционного сплава. Величина критического напряжения мартенситного сдвига, соответствующая температуре Md, значительно ниже по сравнению со сплавом ТН-10, подчеркивая более низкие сверхэластичные свойства композиции.
Изменение состава никелид титановой матрицы после армирования титановыми волокнами приводит к существенному изменению таких важных механических характеристик, как напряжение разрушения и деформация до разрушения. В монолитных сплавах на основе никелида титана при увеличении концентрации никеля или титана вблизи гомогенного состава (в пределах 0,5 - 1,5%) прочностные свойства сплавов увеличиваются, а пластические свойства снижаются. Что касается композиционных сплавов на основе никелида титана, то армирование титановыми волокнами приводит одновременно к увеличению прочности и пластичности сплавов.
Особенности управления структурой и параметрами композиционного наноструктурного материала на основе никелида титана
Другим методом, который может дать приближенную информацию, является метод измерения удельного электросопротивления в широком интервале температур. Используя этот метод были получены данные (рис. 4.3), которые говорят о том, что температура появления R фазы соответствует -40 С и вплоть до температуры жидкого азота (-196С) нет падения электросопротивления. Эти данные позволяют надежно утверждать, что фаза В19 в широком интервале температур отсутствует, а сплав обогащен никелем. Данные энерго-дисперсионного анализа также подтверждают, что по составу, пористый сплав обогащен по никелю. Содержание элементов соответствует следующему соотношению: Ti=47%, Ni 51%(±0,l%).
Нами было отдано предпочтение образцам, изготовленным из порошка никелида титана марки ПН55Т45С с включением монолитного стержня диаметром d=l,0 мм. Конечная технологическая схема получения композиционного пористого армированного сплава на основе никелида титана следующая. В графитовые цилиндрические формы по центру закрепляли проволочные элементы из монолитного сплава на основе никелида титана. Затем методом насыпки, без прессования, помещали в эти формы порошок никелида титана. Спекание проводили в вакууме 10 4 Па в двухстадийном режиме на установке СНВЗ-1.3.1/16 - НЧ - УХЛЧ.1. Время спекания - по 2 часа. После первого режима спекания образцы извлекали из графитовой формы. Второе спекание производили на молибденовой подложке.
Двукратное спекание проводили исходя из следующих предположений. На поверхности порошковых частиц имеется оксидная пленка, которая не позволяет реализовать необходимую температуру при однократном спекании, лишь некоторая доля частиц спекается после первого режима. Но именно эти спеченные частицы позволяют пористому штабику удерживать каркасную форму.
Первое спекание проводится в графитовых формах при температурах не выше -1100 С, т.к. при увеличении температуры углерод вступает в реакцию с порошком никелида титана, что приводит к охрупчиванию образцов. Естественно, образцы, получаемые методом однократного спекания при температуре ниже 1100 С, обладают неудовлетворительными прочностными характеристиками. Температуры первого спекания варьировали в интервале 1000 - 1100 С. Заметим, что при первом спекании происходит не только частичное припекание порошковых частиц никелида титана друг к другу, но и уплотнение и усадка насыпной массы. Сформировавшиеся межчастичные контакты позволяют промежуточному спеченному продукту при 1100 С (рис. 4.4) сохранять приданную форму. В результате образец приобретает заданную форму, легко извлекается из формы для спекания.
Второе спекание проводится при более высоких температурах. Температуру второго спекания можно варьировать в интервале 1200 - 1300 С. В результате спекания (рис. 4.5) получаются образцы с более высокой степенью припекания порошковых частиц никелида титана друг к другу, что придает им достаточно высокие физико-механические свойства.
Исследования микроструктуры пористого никелида титана, полученного методом спекания и армированного монолитным никелидом титана, проведенные на растровом электронном микроскопе SEM 515, показали, что пористая и монолитная части образца однородно припечены друг к другу. Монолитная часть композиции плавно переходит в пористую структуру (рис. 4.6). Приграничная область припекания представляет собой структуру, состоящую, в основном из микропор, размеры которых варьируются в интервале 2 - 1 мкм. По контуру зоны припекания пористой части к монолитной, наблюдаются фазовые выделения T Ni. Размеры частиц Ti2Ni составляют 1-6 мкм. Рентгеновский энерго-дисперсионный анализ, определяющий элементный состав материала, показал, что по всему образцу Ті и Ni распределены равномерно. Содержание элементов составляет приблизительно: Ті=47 ат. %, Ni=51 ат.% (±0.1%). Структура пористой части представляет собой сложный конгломерат неоднородного распределения фаз TiNi (матричная фаза), Ti2Ni, TiNi3 (вторичные фазы) [118].
На рис. 4.7 представлена пористая часть композиции "пористый никелида титана, армированный монолитным никелидом титана". На структуру порового пространства существенно влияют состояние поверхности, размеры и формы частиц, режимы спекания и т. д. Чем сложнее форма частиц и больше число неровностей на их поверхности, тем поры спеченного пористого материала более искривленные и более неоднородные. Наиболее простую форму пор имеют пористые материалы из сферических частиц одного размера [119]. Вследствие несферичности частиц порошка никелида титана, их разного размера, форма пор сложна и носит ярко выраженный случайный характер. Поры имеют по всей длине сужения и расширения. Соседние поры соединены друг с другом через сужения. Более детальные исследования структуры армированного пористого образца проведены на рентгеноспектральном микроанализаторе JEOL JSM 840. Для анализа структуры, поверхность поперечного сечения образца условно была разделена на три части: монолитная часть; пористая часть, близлежащая к монолитному проволочному элементу (расположена в интервале R/3+(2R)/3); пористая часть, более отдаленная от монолитого проволочного элемента (расположена в интервале (2R)/3- R), где R- общий радиус образца (рис. 4.8). Результаты проведенных исследований представлены в таблицах 6-9.
Похожие диссертации на Методы получения и исследования физико-механических свойств композиционных материалов на основе никелида титана
