Введение к работе
Актуальность проблемы.
Развитие современных отраслей машиностроения требует разработки новых материалов, эксплуатационные характеристики которых должны значительно превосходить свойства существующих аналогов. В этой связи повышенный интерес вызывают наноднеперсные (НД) и ультрадпеперспые (УД) металлы и сплавы. Их особые фнзнко-мехапическнх свойства обусловлены малым размером зерна, повышенной плотностью решеточных дислокации, а также неравновесной структурой границ зерен.
С точки зрения приложений особым интерес представляют псевдосплавы -материалы с ограниченной взаимной растворимостью. Псевдосплавы системы -Fe (ВНЖ) с повышенными механическими свойствами могут быть использованы при изготовлении силовых конструкций повышенной надежности, радиографического оборудования, контейнеров зашиты от ионизирующих излучений, электродов контактных сварочных машин, к устройствах для утилизации ядерных отходов и т.д. Псевдосплавы системы W-Cu (ВМ) используются как электроконтактные материалы широкого назначения.
В настоящее время единственным методом получения объемных изделий из ВНЖ и ВМ является жидкофазное спекание. Материалы, полученные таким образом, имеют, как правило, неоднородную структуру, большой размер зерна п как следствие, невысокий уровень механических свойств.
Для расширения спектра применения вольфрамовых псевдосплавов н улучшения п.\ эксплуатационных характеристик актуальной является задача повышения механических свойств материалов за счет формирования напо- и субмнкрокрнсталлическон структуры.
Работа направлена на разработку физико-химических основ комплекса технологии получения н наїїомодіїфитіровашія тугоплавких псевдоенланов - метода выеокоэнергетпческон мехапоактнвацин (МА) п электроимпульсного плазменного спекания (ЭИПС), позволяющих осуществлять эффективное управление диффузиоино-коптролируемыми процессами структурных и фазовых изменений при интенсивной пластической деформации, механическом легировании и высокоскоростном нагреве.
Метод выеокоэнергетпческон МЛ позволяет снизить оптимальную температуру
спекания п способствует созданию панодиснерсных структур с уникальными
свойствами благодаря формированию при интенсивной пластической деформации
неравновесного состояния межзеренных и межфазных границ, а также благодаря
созданию пересыщенных твердых растворов элементов, которые в обычных условиях
взаимно-нерастворимы. і
Метод ЭИПС сочетает в себе такие важные для активации спекания факторы, как высокая скорость нагрева, вакуум и давление. В результате спеченные материалы имеют меньший размер зерна, высокий уровень однородности структуры, плотность, близкую к теоретической и повышенные механические и эксплуатационные свойства.
Последовательное применение и оптимизация режимов МЛ и скоростного ЭИП-спеканпя позволит создавать материалы с комплексом уникально высоких характеристик.
Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка и исследование нанодпеперсных п ультрадисперсных псевдосплавов систем W-Ni-Fe и W-Cu, полученных методами высокоэпергетической МЛ, свободного спекания и ЭИП-спекання, с уникально высокими механическими и эксплуатационными свойствами, для применения в покои технике и обеспечения повышенном надежности и ресурса использующихся машин и агрегатов.
Достижение поставленном цели достигается решением следующих задач:
1. Экспериментальное исследование влияния режимов интенсивной
пластической деформации при МЛ па параметры структуры, уровень дисперсности и
фазовый состав вольфрамовых псевдосплавов различного химического состава,
получаемых методами обычного спекания и ЭИП-спекаипя.
-
Исследование влияния способа получения, уровня дисперсности п параметров структуры порошков на механические свойства материалов, полученных при свободном и ЭИП-спекашш ПД и УД вольфрамовых псевдосплавов.
-
Теоретическое и экспериментальное исследование эволюции структуры в мехаиоактпвнроваиных НД п УД вольфрамовых псевдосплавах при высокотемпературном (обычное свободное спекание) и высокоскоростном (ЭИП-спеканпе) нагреве.
4. Исследование механизмов деформации п разрушения НД вольфрамовых
псевдосплавов, полученных методом свободного п ЭИП-епскання.
5. Исследование влияния режимов МЛ и ЭИП-спекапня па механические
свойства НД вольфрамовых псевдосплавов.
Научная новизна работы:
-
Впервые проведены экспериментатьные исследования влияния температурно-скоростных режимов ЭИП-спекаипя на прочность механоактивированных НД исевдосплавов систем W-Cu и W-Ni-Fe.
-
Впервые исследовано влияние режимов МЛ на кинетику процесса свободного спекания и ЭИП-спеканпя, а также особенности эволюции структуры в НД и УД порошковых нсевдосплавах систем W-Cu н W-Ni-Fe при интенсивной пластической деформации, высокотемпературной и высокоскоростной термической обработке.
-
Проведены исследования влияния технологических режимов спекания и параметров исходной структуры порошков на механические свойства НД и УД вольфрамовых псевдосплавов.
-
Впервые разработаны качественные модели, объясняющие немонотонный характер зависимости плотности от температуры спекания НД и УД вольфрамовых псевдосплавов и влияние эффекта механического легирования при механоактивацип на оптимальную температуру спекания.
Достоверность и надежность представленных результатов подтверждается их воспроизводимостью при стандартных условиях эксперимента, ясной физической трактовкой и соответствием е ранее опубликованными данными.
Практическая ценность работы:
). Разработаны физико-химические основы нового метода создания ианодисперсных вольфрамовых псевдосплавов с уппкатыю высокими механическими свойствами.
2. Определены режимы свободного спекания псевдосплавов W-Cu и W-Ni-Fe, полученных методами низко- и высокоэпергетической МЛ. обеспечивающие
формирование в массивных образцах однородной высокоплотной УД структуры с повышенными механическими свойствами.
3. Показана принципиальная возможность использования технологии ЭИП-
спекания НД и УД порошков для формирования высокоплотной структуры в
тугоплавких псевдосплавах различного химического и фазового состава.
4. Определены оптимальные режимы ЭИП-спекания, обеспечивающие
формирование в псевдосплавах систем W-Ni-Fe и W-Cu высокоплотной однородной
структуры с уникальными фнзико-механпческнмп свойствами.
5. Разработаны рекомендации по использованию разработанных псевдосплавов в
промышленности.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Зависимость плотности механоактивированных НД и УД вольфрамовых
псевдосплавов от температуры спекания имеет немонотонный характер с максимумом,
соответствующим оптимальной температуре спекания. Уменьшение среднего размера
частиц W и увеличение концентрации атомов W в у-фазе приводит к уменьшению
оптимальной температуры спекания.
2. Зависимость механических свойств нанодисперсных вольфрамовых
псевдосплавов от температуры ЭИП-спекания имеет двухстадийный характер,
аналогичный характеру зависимости плотности от температуры спекания.
Повышенная склонность к хрупкому разрушению при низких температурах спекания
обусловлена повышенной остаточной пористостью, снижение механических свойств
при высоких температурах спекания связано с развитием процессов рекристаллизации.
-
Формирование высокопрочного состояния в псевдосплавах с рекордными значениями механических свойств обусловлено возможностью сохранения НД структуры, формируемой при механоактивации н последующем высокоскоростном ЭИП-спекании.
-
В процессе интенсивной пластической деформации при механическом легировании порошков вольфрамовых псевдосплавов имеет место формирование неравновесного твердого раствора W в ГЦК-решетке у-фазы на основе Ni и Fe. Увеличение интенсивности процесса МА приводит к повышению концентрации атомов W в решетке у-фазы.
Апробация работы. Основные результаты диссертации были представлены на следующих конференциях: III и IV Международная конференция «Современные методы и технологии создания и обработки .материалов» (Минск, 2008, 2009); V Международная конференция «Фазовые превращения и прочность кристаллов», памяти академика Г.В. Курдюмова (г. Черноголовка, Московская обл., 2008); XXVII научные чтения им. Н.В. Белова (Н. Новгород, 2008); «XIV Нижегородская сессия молодых ученых. Технические науки» (Татинец, Нижегородская обл., 2009); 7-я и 8-я Всероссийская молодежная научная школа «Материалы нано-, микро- и оптоэлектроники: физические свойства и применение» (Саранск, 2008-2009); IV Международная школа «Физическое материаловедение» (Тольятти, 2009); III конференция «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов» (Москва, 2009); Всероссийская научно-техническая конференция «Ультрадисперсные порошки, наноструктуры, материалы (5-е «Ставеровские чтения»)» (Красноярск, 2009); 48-я Международная конференция «Актуальные проблемы прочности» (Тольятти, 2009).
Публикации. По теме работы опубликовано 18 работ, включая 3 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК, а также подана заявка на изобретение.
Структура и объем диссертации. Работа состоит irj введения, 7 глав и заключения. Она изложена на 199 страницах и содержит 86 рисунков, 32 таблицы и список литературы пз 122 наименовании.
