Научный отчет этап 1 в целях исполнения научного исследования по теме "Разработка перспективных функциональных неорганических материалов и покрытий с участием ведущих ученых "

В данной работе объектами исследований являлись образцы новых композиционных материалов и покрытий, полученные методами самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), порошковой металлургии, импульсной электроэрозионной обработки, магнетронного распыления, плазменно-электролитического оксидирования.Целью настоящей работы являлось проведение комплекса фундаментальных и прикладных НИР, направленных на получение значимых научных результатов мирового уровня в области моделирования, создания, структурного анализа и испытания новых видов функциональных неорганических материалов и покрытий.В результате проведения работ по проекту на данном этапе:1. Впервые с помощью технологии силового СВС–компактирования получены новые керамические материалы на основе боридов и силицидов молибдена и хрома. Исследованы механизм и кинетика горения реакционных смесей Mo–Si–B и Cr–Al–Si–B. Показано, что движущей силой СВС в смесях Mo–Si–B, обогащенных кремнием, являются образование кремниевого расплава и растекание его по поверхности частиц Mo и B. Впервые установлен экстремальный характер зависимости скорости горения от начальной температуры для реакционных смесей Mo-Si-B, обедненных кремнием, обусловленного стадийностью протекания химических превращений в волне горения: первоначально на поверхности частиц молибдена образуется пленка Mo3Si, реакционная диффузия через которую лимитирует образование дисилицида молибдена MoSi2; далее происходит образование борида молибдена МоВ, контролируемое слабо активированным переносом летучих субокислов MoO3 и B2O2 через газовую фазу. Поэтому с ростом начальной температуры увеличивается пространственно-временное разделение реакций образования MoSi2 и MoB, что приводит к уширению зоны горения и снижению линейной скорости распространения фронта горения. Для реакционных смесей, обогащенных кремнием, помимо газофазного механизма, фаза MoB преимущественно образуется из расплава кремния после растворения в нем бора и молибдена. Доказан механизм и стадийность химических превращений в волне горения смесей Cr–Al–Si–B, состоящий в том, что первоначально образуется моноборид хрома CrB, а затем фазы Cr(Si,Al)2 и Cr5Si3. При этом рост концентрации Al приводит к увеличению доли эвтектики Al–12,2Si ат.% и 2-х кратному снижению эффективной энергии активации процесса горения с 290 до 110 кДж/моль.2. Проведены исследования влияния металлической связки на структуру и свойства СВС- керамического материала на основе двойного титано-ниобиевого карбида (Ti,Nb)C. Показано, что в процессе отжига происходит распад пересыщенных твердых растворов на основе карбида (Ti,Nb)C с выделением в связке наноразмерных фаз NbCo2, Ni3NbAl и Ni2NbAl. При малом содержании связки (5 %) дисперсной фазой является твердый раствор на основе β-(Ti,Nb). Выделения твердого раствора на основе (Cr,Al) обнаружены в сплаве с 20 % связки. Оптимальное количество связки, при котором достигается наилучшее сочетание твердости и прочности, составляет 20 %, а наименьшую скорость окисления 0.00016 г/(м2∙с) при 900 °С имеет сплав с 30 % связки.3. Впервые установлена возможность самопроизвольного плакирования алмазных кристаллов пленкой карбида вольфрама непосредственно в процессе спекания алмазосодержащих материалов с металлической связкой Cu-Fe-Co-Ni в присутствии плазмохимического нанопорошка WC, обогащенного примесным кислородом. Выявлено, что покрытие формируется по механизму газотранспортного переноса и хемосорбции летучего оксида вольфрама WO3 на локальных участках графитизации поверхности алмаза с последующим восстановлением и карбидизацией. Одновременное повышение физико-механических свойств связки и образование на поверхности алмаза защитного покрытия WC приводит к синергетическому эффекту – существенному росту эксплуатационных свойств алмазного инструмента.4. Исследована прессуемость и спекаемость разработанных механически активированных порошковых смесей Cu–Fe–Co–Ni, которые предназначены для производства алмазного инструмента. Лучшей прессуемостью в широком диапазоне давлений обладает смесь без легирующих добавок и приготовленная смешиванием в двухконусном смесителе. Обработка порошков в планетарной центробежной мельнице приводит к наклепу, в результате чего смесь становится менее пластичной и хуже уплотняется на стадии пластической деформации. Введение легирующих добавок WC, ZrO2 и h-BN оказывает положительное влияние на прессование только на стадии структурной деформации. Установлено, что при спекании в температурном интервале 750 – 900 ºС порошковая смесь Cu–Fe–Co–Ni без легирующих добавок, приготовленной в двухконусном смесителе, характеризуется наиболее интенсивной усадкой. В результате дисперсного упрочнения связки Cu–Fe–Co–Ni добавками WC, ZrO2, h-BN достигнуто увеличение твердости на 4–7 HRB и прочности на 80 200 МПа. Максимальный эффект установлен при легировании связки гексагональным нитридом бора.