Введение к работе
Актуальность проблемы
На всём протяжении развития материаловедения существовала проблема создания материалов с расширенным диапазоном рабочих температур, лучшими механическими и трибологическими характеристиками, так как они являются основным фактором, способствующим развитию науки и техники. Используемые сплавы исчерпали свои возможности в повышении рабочих температур. Композиционные материалы со слоистой структурой в настоящее время являются наиболее приемлемой альтернативой высокотемпературным металлическим сплавам. Основой таких материалов может являться карбосилицид титана Ti3SiC2, обладающий одновременно свойствами керамики и металла, т.е. комплексом полезных физико-механических, химических свойств, какой невозможно получить в обычных сплавах. Несмотря на то, что керамические материалы обладаю рядом уникальных свойств, их широкому распространению препятствуют некоторые ключевые моменты: низкая стойкость к повреждениям и плохая обрабатываемость. Карбосилицид титана, сохраняя большинство достоинств традиционной керамики, обладает свойством сдерживать распространение микротрещин и их разрастание до трещины критического размера, что позволяет использовать его в качестве матрицы композиционных материалов с высокой стойкостью к повреждениям.
Создание материалов с микрокристаллической структурой, обладающих высоконеравновесным состоянием, также позволит повысить их удельные характеристики. К настоящему времени разработано несколько методов получения микрокристаллических материалов. Большинство из них включает компактирование порошков, находящихся в высокодисперсном состоянии. Исходные порошки могут быть получены различными методами: газовой конденсацией в атмосфере инертного газа, плазмохимическим методом, аэрозольным и химическим синтезом, а также измельчением порошков в высокоэнергетических мельницах и др. Одними из наиболее эффективных методов получения микрокристаллических материалов является механосинтез (МС). Преимущество данного метода состоит в том, что он позволяет получить предельную степень измельчения кристаллитов, которые после обработки находятся в высоконеравновесном состоянии. Кроме того, имеется возможность изменять режимы МС (продолжительность, интенсивность, рабочую среду), получая новые материалы с неравновесной структурой.
В технике редко используются материалы на основе чистых химических элементов и соединений, поскольку введение легирующих элементов позволяет целенаправленно повышать определённые свойства материала. Создание материалов на основе карбосилицида титана с различными добавками, повышающими твёрдость, износостойкость, стойкость к окислению и, в то же время, сохраняя его уникальные свойства, позволит расширить область применения этого соединения.
Основная проблема при получении материалов на основе карбосилицида титана состоит в сложности компактирования синтезированных порошковых композиций. При получении компактных материалов приходится прибегать к высоким температурам и давлениям. Известно, что фаза Ti3SiC2 при высоких температурах, особенно в присутствии примесей, может разлагаться на карбид и силициды титана. Для получения композиционного материала с плотностью > 95 % от теоретической из равновесных порошков карбосилицида титана необходима температура 1600 оС и выше. Применение порошковых композиций на основе Ti3SiC2, находящихся в высоконеравновесном состоянии, позволит решить эту проблему, так как они обладают повышенной реакционной способностью.
Цель работы: разработка научных основ формирования композиционных материалов системы (Ti – Si – C) при высокоэнергетической обработке, получение композиционных материалов на основе карбосилицида титана с комплексом триботехнических и высокотемпературных свойств.
Задачи:
-
Исследование процессов механоактивации титановой губки в высокоэнергетической мельнице;
-
Исследование процессов механосинтеза карбида титана при высокоэнергетической активации порошковых смесей в планетарной мельнице;
-
Исследование процессов механосинтеза карбосилицида титана Ti3SiC2 при высокоэнергетической активации порошковых смесей на основе Ti, Si, C в планетарной мельнице;
-
Установление закономерностей влияния параметров высокоэнергетических процессов на состав, структуру и свойства композиционных материалов на основе Ti3SiC2;
-
Разработка и изготовление установки горячего прессования с параметрами, необходимыми для получения плотных керамических композиций;
-
Исследование влияния параметров термически активируемых процессов на состав, структуру и свойства композиционных материалов на основе Ti3SiC2;
-
Разработка технологии получения высокотемпературных материалов с микро- и нанокристаллической структурой, и практических рекомендаций для использования в машиностроении.
Научная новизна:
Впервые проведено изучение твердофазного синтеза Ti3SiC2 в планетарной мельнице, установлены кинетика и механизмы протекания твердофазных реакций в системе Ti – Si – C. Определены параметры механосинтеза, позволяющие получать порошки композиционных материалов на основе карбосилицида титана, обладающие определённым гранулометрическим и фазовым составом, имеющие микро- и нанокристаллическую структуру. Установлено, что горячее прессование МС композиции при определённых параметрах позволяет сохранить микрокристаллическую структуру материала. Исследована связь состава, структуры и свойств композиционных материалов на основе Ti3SiC2 с параметрами высокоэнергетической обработки и консолидации.
Практическая значимость:
Разработана методика получения плотного (относительная плотность до 98 %) композиционного материала на основе карбосилицида титана с добавками других керамических компонентов 10 – 50 % масс. Предложены практические рекомендации и технология получения износостойкого высокотемпературного материала на основе Ti3SiC2. Полученный материал может быть использован для изготовления изделий с высокой износостойкостью, прочностью при высокой температуре, эксплуатируемых в окислительных средах при циклическом нагреве и охлаждении.
Достоверность результатов и выводов подтверждается применением апробированных методик и современного оборудования, воспроизводимостью получаемых результатов и проверкой их независимыми методами исследований, а также их соответствием данным других исследователей.
Личный вклад автора:
Автор участвовал в постановке задач исследований, организации и проведении экспериментальных и исследовательских работ, интерпретации и обобщении полученных результатов. Автором была разработана и введена в эксплуатацию установка горячего прессования, получены образцы композиционных материалов и исследованы их свойства.
Положения, выносимые на защиту:
При механосинтезе карбида титана происходит переход от диффузионно-контролируемой реакции, к реакции, определяемой её порядком. Дальнейших изменений механизма реакции не наблюдается, изменяются лишь её кинетические параметры.
Образование карбосилицида и карбида титана при высокоэнергетической механообработке происходит лавинообразно.
Содержание карбосилицида титана при механосинтезе системы (Ti-SiC-C) увеличивается до определённого предела. При дальнейшем высокоэнергетическом воздействии наблюдается снижение количества Ti3SiC2.
Процесс механосинтеза исходных компонентов позволяет получать композиционные материалы с плотной, практически беспористой структурой при относительно низких температуре и давлении.
В результате применения методов механосинтеза и горячего прессования получены материалы на основе карбосилицида титана для использования при высоких температурах и агрессивных окислительных средах, характеризуемые высокой плотность, прочностью и износостойкостью.
Апробация работы:
Результаты работ были представлены на следующих конференциях: «Металлофизика, механика материалов и процессов деформирования», Самара, 28-30 июня 2004; Fourth International Congress “Mechanical Engineering Technologies’04”, Varna, Bulgaria, September 23-25, 2004; VIII International Conference on Sintering and II International Conference on Fundamental Bases of Mechanochemical Technologies “Mechanochemical synthesis and sintering”, Novosibirsk, Russia, June 14 - 18, 2004; V Всеросс. конф. “Керамика и композиционные материалы”, Сыктывкар, 20-27 июня 2004; II Международная научно-техническая конференция “Металлофизика, механика материалов и процессов деформирования. Металлдеформ-2004”, Самара, 28-30 июня 2004; 3 Международная конференция «Материалы и покрытия в экстремальных условиях: исследования, применение, экологически чистые технологии производства и утилизации изделий», Кацивели-Понизовка, Автономная республика Крым, Украина, 13-17 сентября 2004; Ninth Annual Conference of the Yugoslav Materials Research Society, Herceg Novi, Montenegro, September 10-14, 2007; Международная конференция «Современное материаловедение: достижения и проблемы», Украина, Киев, 2005; Международная молодежная научная конференция, посвященная 1000-летию города Казани «Туполевские чтения», Казань, 10-11 ноября 2005; Международная конференция «Новые перспективные материалы и технологии их получения (НПМ) – 2007», Волгоград, 2007.
Публикации:
По теме диссертации опубликовано 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, 12 тезисов докладов на конференциях.
Объём работы:
Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы, который содержит 71 наименование работ отечественных и зарубежных авторов, двух приложений.
