Введение к работе
Актуальность проблемы, предпосылки и цель работы. Внимание к проблеме создания композиционных металлических материалов (КМ) с заданными физико-механическими свойствами под конкретные условия эксплуатации непрерывно возрастает начиная с середины 60-х годов. Это объясняется прежде всего тем, что возможности повышения механических свойств традиционных металлических материалов конструкционного назначения практически исчерпаны. В то же время физические принципы конструирования КМ позволяют па практике реализовать проектирование КМ с заданными фпзнко-механпческнми свойствами.
Проблему разработки КМ и, в особенности, КМ с металлической матрицей можно рассматривать в виде суперпозиции нескольких крупных задач: достижения оптимального уровня взаимодействия компонентов КМ, разработки и создания специализированных технологических процессов получения КМ конкретного назначения, исследования физико-механических свойств КМ для наиболее эффективного их применения в технике.
Наиболее перспективные КМ конструкционного назначения -КМ волокнистого строения, находятся сегодня либо на стадии разработки, либо на стадии опытно-промышленного освоения. Но уже первые попытки создания таких материалов путем армирования никеля и его сплавов высокопрочными вольфрамовыми волокнами вскрыли трудности принципиального характера, основными из которых являются низкий уровень химической совместимости компонентов КМ — вольфрамовые волокна катастрофически теряли свою прочность в никелевой матрице при температурах выше 950С, и необходимость создания специализированных технологий получения КМ - известные технологии получения конструкционных материалов не позволяли получать КМ с равномерным распределением волокон в матрице.
Проблема снижения плотности КМ при сохранении их высокотемпературной прочности вызвала большой интерес к углеродным волокнам, отличающимся малым удельным весом, высокими прочностью н модулем упругости при сохранении этих свойств вплоть до температур нагрева 2800-3000 С. Практически с момента создания высокопрочных высокомодульных углеродных волокон начались интенсивные исследования возможностей их использования для армирования никелевых сплавов. Для изготовления таких КМ
были апробированы все три основных технологических направления — методы порошковой металлургии, твердо- и жпдкофазной технологий.
В последние годы все большее внимание в качестве перспективной технологии получения КМ на основе ннкель-алюмшшевых сплавов, близких по составу алюминидам никеля, уделяется методу реакционного спекания, основанному на явлении экзотермической реакции образования интерметаллнда в порошковой смеси никеля с алюминием. При нагреве в печи прессовки из такой порошковой смеси до температуры образования легкоплавкой эвтектики инициируется химическая реакция образования на границах раздела разнородных частиц смеси ннтерметаллического соединения, которая сопровождается выделением тепла. Последнее дополнительно активирует протекание реакции образования ннтерметаллического соединения. Если в процессе реакционного спекания к порошкової! смеси приложить давление, то пористость интерметаллпческой заготовки заметно снижается, но остается сравнительно высокой (до 7 об.%).
Достижение полной сплошности синтезированных пнтерметал-лндов и КМ на их основе возможно при инициировании самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) ннтерметаллического соединения в режиме теплового взрыва порошковой прессовки в условиях синхронизации реакции СВС интерметаллнда с процессом компактирования продукта реакции СВС. Развитие такого подхода к созданию технологии получения КМ на основе никелевых сплавов связано с необходимостью решения целого ряда задач. Прежде всего задач оптимизации технологических режимов получения КМ на основе математических моделей процессов СВС химических соединений в порошковых смесях исходных элементов и исследований структуры и механических свойств синтезированных под давлением сплавов и КМ на их основе.
Таким образом, основными проблемами при разработке КМ с матрицами из жаростойких никелевых сплавов являются не только создание специализированных технологических процессов получения компактных материалов из разнородных компонентов, в которых металлическая матрица связывает высокопрочные частицы или волокна, защищает их от воздействия внешней среды и эффективно передает внешнюю нагрузку на каждую частицу или волокно, но и сохранение высоких исходных механических свойств частиц или волокон как в процессе получения КМ, так и в процессе его эксплуатации при повышенных температурах. Успешное решение ука-
занных проблем возможно только при условии применения физических принципов конструирования КМ на основе научного обоснования выбора совместимых компонентов КМ для заданных условий эксплуатации изделия.
Диссертационная работа выполнялась с 1970 г. в соответствии с Программами ГНКТ СССР 0.08.17 и 0.72.03, Программой КП НТП СЭВ (по проблеме 4.3.1.), планами научно-исследовательских работ СО РАН «Научные основы конструирования новых материалов и создание перспективных технологий», Государственного Научного Центра РФ «Институт физики прочности и материаловедения СО РАН» и Сибирского физико-технического института им.В.Д. Кузнецова.
Цель работы: Разработка физических основ конструирования и технологии получения термически стабильных композиционных материалов конструкционного и инструментального назначений на основе никелевых сплавов.
Для достижения поставленной цели предполагалось решить следующие задачи:
-
Разработать математическую модель СВС интерметаллического соединения №,зА1 в режиме теплового взрыва порошковых смесей чистых элементов, провести количественные расчеты тепло-физических параметров процесса СВС алюминнда никеля и композиционных материалов на его основе в зависимости от дисперсности исходных порошковых материалов, пористости порошковой заготовки, энергетических параметров процесса СВС, от содержания в исходной порошкової! смеси инертных элементов и оценить влияние указанных факторов на фазовый состав СВС продукта.
-
Разработать физические основы технологии СВС под давлением ннтерметаллнда ЬІізАІ, сплавов и композиционных материалов на его основе.
-
Экспериментально исследовать структурные характеристики синтезированного под давлением ннтерметаллнда №зА1 и сплавов на его основе.
-
Исследовать температурные зависимости прочности, пластичности и характера разрушения синтезированных под давлением ннтерметаллнда N13AI и его сплавов. Разработать модель иптеркрн-сталлнтного разрушения СВС ннтерметаллнда.
-
Исследовать влияние легирования матрицы на термическую стабильность структуры и механических свойств КМ никель-вольфрамовые и никель-углеродные волокна и влияние армирова-
ния- высокопрочными волокнами на высокотемпературную прочность синтезированных под давлением интерметаллнческнх сплавов на основе №,зА1.
-
Разработать технологии спекания двухслойных материалов «металлокерамнческнй КМ - стальная подложка» и применить новые двухслойные КМ для создания высокоресурсного режущего инструмента.
-
Исследовать возможности плазменного напыления износостойких покрытий из композиционных порошковых материалов, полученных механическим измельчением синтезированного под давлением металлокерамнческого компакта.
Научная новизна работы:
На основе физических представлений о диффузионной кинетике образования интерметаллического соединения на границе раздела разнородных порошковых частиц в процессе их непрерывного нагрева внешним источником энергии разработана математическая модель СВС алюминида никеля №зА1 в режиме теплового взрыва порошковой смеси никеля с алюминием, учитывающая геометрические параметры исходной порошковой системы, энергетику процесса синтеза и явление зародышеобразования на границах раздела разнородных порошковых частиц.
Методом компьютерного моделирования проведены количественные расчеты термограмм п фазового состава продукта в режиме теплового взрыва порошковой смеси чистых элементов в зависимости от геометрических параметров порошковой системы, содержания в ней инертного наполнителя н энергетики процесса СВС нн-терметаллида №зА1.
Разработаны физические основы технологии СВС пнтерметаллнда №зА1, сплавов и КМ на его основе в режиме теплового взрыва порошковой смеси исходных элементов под давлением.
Экспериментально установлено, что структура СВС компактного пнтерметаллнда N13AI близка по своим характеристикам к структуре литого пнтерметаллнда.
Разработана модель интеркристаллнтного разрушения СВС поликрпсталлнческих интерметаллидов №зА1. Используя эту модель и характеристики прочности, определена температурная зависимость когсзивной прочности границ зерен СВС поликристаллов Ы1зА1 и выяснены структурные факторы, ответственные за изменение пластичности пнтерметаллнда с ростом температуры деформации и при отклонении от стехиометрии.
На основе исследований влияния легирования СВС компактного Ы1зА1 на температурные зависимости его механических свойств и механизм разрушения определены пути повышения высокотемпературной прочности и пластичности интерметаллпда с целью применения его в качестве матрицы высокотемпературных металлических КМ.
Легирование никеля переходными и В-металлами уменьшает растворимость вольфрамовых и углеродных волокон в матрице КМ и снижает скорость рекристаллизации вольфрамовых и графитнза-ции углеродных волокон. Наиболее эффективное влияние на повышение совместимости высокопрочных волокон с никелевой матрицей оказывает легирование матрицы алюминием, которое достигает наивысшего значения при содержании алюминия в никелевой матрице около 25,0 %.
Армирование СВС компактного интерметаллпда №зА1 высокопрочными волокнами (углеродными и карбида кремния) является эффективным способом повышения высокотемпературной прочности интерметаллпда. Комплексное легирование и армирование пнтерме-таллпческой матрицы позволяет повысить температуру максимальной прочности КМ до 1000 К и выше.
На основе проведенных исследований разработана и создана серия износостоііких КМ класса безвольфрамовых твердых сплавов «карбид титана - никельхромовая связка» инструментального назначения для работы в условиях высокоскоростного трения, повышенных температур и агрессивных сред.
Созданы композиционные порошковые материалы с высокодисперсной внутренней структурой для нанесения износостойких и высокотвердых покрытий методами спекания и плазменного напыления.
Практическая значимость работы состоит, во-первых, в создании математической модели СВС интерметаллпда N13AI, сплавов и композиционных материалов на его основе, позволяющей методами компьютерного эксперимента оптимизировать технологические режимы СВС указанных материалов применительно к реальным порошковым материалам. Во-вторых, в создании новых технологий высокотемпературного синтеза ннтерметаллических и металлокера-мическнх материалов конструкционного и инструментального назначения. В-третьих, в освоении технологических процессов серийного производства высокоресурсного режущего инструмента для
химической, нефтегазодобывающей, переработки пищевых продуктов и других отраслей промышленности.
Результаты исследовании и разработок новых материалов и технологий их получения защищены пятью авторскими свидетельствами, патентом РФ и используются в серийном производстве высокоресурсного инструмента на ряде предприятии: Томский нефтехимический комбинат - производство фильер и ножен для гранулирования пластмасс, КТИ «Республиканский инженерно-технический центр по восстановлению п упрочнению деталей машин н механизмов» (г. Томск) - ножи для гранулирования пластмасс и фильеры для производства проволоки, Опытный завод Объединенного института физики прочности и материаловедения СО РАН (г. Томск) - вставки в буровые ключи, предприятие «Агроннструмент» (г. Томск) — ножи для переработки пищевых продуктов, совместное китайско-российское предприятие по производству режущего инструмента (г. Шеньян, КНР) - специальный режущий инструмент для химической промышленности.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Математическая модель СВС ннтерметаллнда N13AI и карбида титана ТіС в порошковой смеси чистых элементов и количественные расчеты отдельных стаднії процесса и термограмм в целом.
-
Физико-химические основы технологии получения ннтерметаллнда №зА1, а также сплавов и КМ на его основе методом теплового взрыва порошковой смеси чистых элементов под давлением.
-
Результаты экспериментальных исследований влияния легирования на температурные зависимости прочности, пластичности и механизма разрушения СВС компактного интерметаллида N13AI и механических свойств интерметаллических композиционных материалов, армированных высокопрочными вольфрамовыми п углеродными волокнами. Модель интеїжристаллитиого разрушения СВС поликрпсталлического интерметаллида N13AI.
-
Закономерности растворения и активированной рекристаллизации вольфрамовых и графнтизацпн углеродных волокон в композиционных материалах на основе никеля.
-
Физические принципы повышения термической стабильности КМ никель-вольфрамовые и никель-углеродные волокна путем легирования компонентов КМ.
-
Технологический процесс получения композиционных порошковых материалов на основе высокоднеперсного карбида титана и результаты экспериментальных исследований по их применению
для нанесения износостойких и высокотвердых покрытий методами спекания и плазменного напыления композиционного порошка. Технологии производства высокоресурсного режущего инструмента для работы в условиях высокоскоростного трения, агрессивных и абразивных сред, повышенных температур и ударных нагрузок.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на международных, всесоюзных и российских конференциях и симпозиумах, школах и научных семинарах:
Научно-практической конференции «Молодые ученые и специалисты Томской области в 9-й пятилетке» (Томск, 1975), II научной конференции молодых ученых ТГУ (Томск, 1976), III Всесоюзном семинаре по адгезии и взаимодействию расплавов с твердыми фазами и пайке материалов (Томск, 1977), Семинаре по- механике композитов с металлической матрицей (Черноголовка, 1978), II Всесоюзной конференции по композиционным материалам (Москва, 1978), VIII Всесоюзной конференции по поверхностным явлениям в расплавах п твердых фазах (Москва, 1980), Всесоюзной научно-технической конференции «Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий» (Запорожье, 1980), Y Всесоюзной конференции по композиционным материалам (Москва, 1981), IX Всесоюзной конференции по поверхностным явленням в расплавах и пайке материалов (Николаев, 1982), региональной научно-практической конференции «Новые процессы изготовления спеченных деталей машин и порошковых покрытий» (Челябинск, 1982), Всесоюзном семинаре «Процессы растворения, контактного взаимодействия и формирования промежуточных соединений на межфазной границе раздела твердое тело - расплав в высокотемпературных системах и их технологическое применение» (Томск, 1983), Всесоюзной школе-семинаре «Теория и практика СВС процессов» (Агавнадзор, 1985), IY Всесоюзной научно-технической конференции «Горячее прессование в порошковой металлургии» (Новочеркасск, 1985), XYI Всесоюзной научно-технической конференции «Порошковая металлургия» (Свердловск, 1989), First International Symposium on Self Propagating High-Temperature Synthesis (Alma-Ata, 1991), 4-м семинаре с участием иностранных специалистов «Структура дислокаций и механические свойства металлов и сплавов» (Екатеринбург, 1993), 2 nd Sino-Russia Symposium «Advanced Materials and Process» (Xi'an, China, 1993), 3rd European Congress on Thermal Plasma Processes (Aachen, Germany, 1994), 4-й Международной конферен-
цпп «Компьютерное конструирование перспективных материалов и технологии» (Томск, 1995), International Conference Stliength Materials (Tokyo, Japan, 1994), 3rd Russian-Chinese Symposium «Advanced Materials and Processes» (Kaluga, Russia, 1995), 14 th. International Thermal Spray Conference (Kobe, Japan, 1995), XIY Международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов» (Самара, 1995), IY Международной конференции «Прочность и пластичность материалов в условиях внешних энергетических воздействии» (Новокузнецк, 1995), International Conference «Matematical Methods in Phisics, Mechanics and Mesomechanics of Fracture» (Tomsk, Russia, 1996), Всероссийской научно-технической конференции «Экспериментальные методы в физике структурно-неоднородных сред» (Барнаул, 1996), Международной конференции «Мнкромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений» (Тамбов, 1996).
Структура и объем диссертации: диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов. Она содержит 370 страниц, в том числе 161 рисунок, 11 таблиц и библиографически/! список из 232 наименований.
