Разработка технологических параметров метода свободного СВС-сжатия и получение опытных образцов металлокерамических мишеней для ионно-вакуумного напыления

Материал научно-технического отчета изложен на 89 страницах и содержит 30 рисунков, 18 таблиц. В структуру отчета входят содержание, введение, 8 основных разделов, заключение, приложения.Ключевые слова: керамика, диборид титана, моноборид титана, композиционные материалы, температура горения, самораспространяющийся высокотемпературный синтез, упрочнение.Целью данной НИОКР было разработать метод свободного СВС-сжатия для получения мишеней для магнетронного напыления с целью повышения срока службы и улучшения функциональных характеристик изделий авиационной техники.В ходе выполнения НИОКР для получения мишеней были подобраны оптимальные составы на основе боридов титана: TiB-xмасс.%Ti и TiB2-xмасс.%Ti. Максимальная расчетная адиабатическая температура была достигнута у состава TiB2-20масс.%Ti, и составила 3057 К. При содержании в материале большей доли металлической связки возникает дефицит бора. Доля точек кристаллизации частиц TiB2 в объеме синтезированного материала экстремально снижается, при этом не происходит распад на TiB и Ti. Это в свою очередь приводит к скачкообразному снижению температуры горения. Результаты измерения температуры горения составов в камере пресс-формы показывают, что реальная температура горения ниже адиабатической на 300-400 К. Это происходит из-за теплопотерь о стенки пресс-формы, и должно быть учтено при проведении экспериментов по получению мишеней методом свободного СВС-сжатия. Были проведены исследования с целью определения реологических характеристик поведения шихтовых смесей. Из серии экспериментов найдены необходимые диапазоны давлений плунжера пресса, обеспечивающие оптимальную относительную плотность шихтовых заготовок, а, следовательно, и максимальную температуру горения.Методом свободного СВС-сжатия были получены мишени из материалов на основе TiB-xTi. При получении варьировались давление прессования (10-80 МПа), время задержки (0-20 с), скорость перемещения плунжера пресса (60-90 мм/с). Установлено, что с увеличением времени задержки синтезированный материал на основе боридов титана теряет свои пластичные свойства, что приводит к накоплению внутренних напряжений при приложении давления, а также к высокой пористости продукта. Для каждого состава было экспериментально определено оптимальное время задержки, давление прессования и скорость перемещения плунжера пресса. Установлено, что для получения материалов с минимальными остаточными напряжениями, необходимо невысокое давление прессования (менее 100 МПа), скорость не более 60 мм/с. Таким образом, для получения мишеней с минимальной пористостью методом свободного СВС-сжатия необходим гидравлический пресс усилием 120 кН, что в 166 раз меньше усилия используемого ранее пресса в 20 МН при СВС-прессовании крупногабаритных изделий.Установлено, что наилучшим образом поддаются формованию материалы с титановой матрицей в количестве 20-40 масс.%. При содержании менее 20 масс.% свободного титана материал обладает низкой способностью к формованию, что делает затруднительным получение компактного материала из указанного состава. При содержании более 40 масс.% свободного титана экзотермичность состава сильно снижается, что накладывает дополнительные сложности в изготовлении компактного материала. В данном случае необходимо прибегать к дополнительным технологическим операциям, чтобы повысить температуру горения состава. Поэтому в данной работе были изучены особенности строения материалов на основе TiB-xTi, где x = 20-40 масс.% Ti.Также в работе изучен комплекс физико-механических свойств полученных мишеней (микротвердость, трещиностойкость, пористость, предел прочности на изгиб, электропроводность. Показано, что разрушение композиционного материала происходит по межфазной границе «вискеров TiB - титан».Полученные в ходе выполнения НИОКР научно-практические результаты готовы к практическому внедрению.Областью применения полученных результатов являются предприятия и НИИ, непосредственно занимающиеся нанесением функциональных покрытий методами ионно-вакуумного напыления.Себестоимость одной цилиндрической мишени (диаметр 50-70 мм, высота 20-30 мм) составила порядка 15000 рублей, при этом есть потенциал ее дальнейшего снижения за счет увеличения оптового объема закупок исходного порошкового материала. Тем не менее, уже сейчас себестоимость мишеней из материалов на основе боридов титана меньше на 50-80% по сравнению с аналогами конкурентов.В качестве развития объекта исследования необходимо провести исследование, разработку и испытания методики нанесения защитных покрытий ионно-вакуумным методом СВС-мишенями и получение опытных образцов лопаток газотурбинных двигателей с защитным покрытием.В ходе выполнения НИОКР подана заявка на патент № 2020138561 от 24.11.2020, «Способ получения мишеней из твердосплавных материалов» Константинов А.С.Запланированный объем работ по НИОКР выполнен полностью