Синтез и обработка материалов в условиях высокоэнергетических воздействий

Актуальность разработки высококачественных композиционных материалов, способных успешно функционировать в экстремальных условиях (высокие температуры, термоудар, воздействие агрессивных и абразивных сред), определяется возрастающей востребованностью промышленностью. Исследование изменений структуры и физических свойств металлических сплавов, вызванных деформацией и образованием полос локализованной деформации (предвестниками разрушения), позволит прогнозировать рабочие характеристики материалов. Изучение особенностей импульсного деформирования материалов дает возможность оценить роль температуры в формировании структурных изменений. Исследование эволюции напряженно-деформированного состояния слоистых металлических композитов неразрушающими методами контроля позволит выявить закономерности изменения уровня напряжений и распределения зон их концентрации в материале, что, в свою очередь, обеспечит повышение конструкционной прочности и долговечности оборудования. Разработка новых методов синтеза ультравысокотемпературных композитов является актуальной задачей. Важной частью метода является использование механически активированной смеси порошков металлов и неметаллов. При механическом активировании происходит значительное уменьшение масштаба гетерогенности. Для достижения этой цели более предпочтительной является механическая активация металлических порошков, так как они обладают более высокой пластичностью, чем тугоплавкие соединения. Полосы локальной деформации (ПЛД), возникающие в условиях высокоскоростного нагружения, являются предвестниками вязкого разрушения, поэтому понятен интерес к проблеме локализации. Особенностью исследований ПЛД является то, что изучение структуры проводится на сохраненных образцах, а это значит, что установить причину изменения структуры в процессе воздействия принципиально нельзя. Чтобы избежать неопределенности в обосновании данных, эксперименты проводились с одновременным исследованием сопутствующей волновой картины процесса. Причиной локализации деформации, по общепринятым представлениям, является потеря устойчивости пластического течения, которое возникает в результате перехода работы деформации в тепло и приводит к разупрочнению материала. Многочисленными экспериментами была показана общность ПЛД с откольными трещинами, которые возникают в зонах интерференции волн разгрузки, но напряжение в зонах образования ПЛД не превышает динамической прочности материала, и сплошность материала сохраняется. Причина локализации пластической деформации – высокоскоростное растяжение, а не тепловое разупрочнение, как следует из общепризнанной термомеханической модели локализации деформации. Откольная модель локализации деформации решила проблемы, которые не смогла выполнить термомеханическая модель. В современном машиностроении возрастает потребность в конструкционных материалах с высокой стойкостью к агрессивным средам для изготовления кристаллизаторов, вакуум-аппаратов, конденсаторов, реакторов, теплообменников, варочных котлов, вымывных резервуаров, реакционных колонн, автоклавов, рабочих органов сельскохозяйственных машин. Крупногабаритные биметаллы (площадью 8 – 26 м2), с основным слоем из конструкционных сталей и с плакирующим слоем из нержавеющих сталей и титана, произведенные методом сварки взрывом, находят широкое применение для изготовления такого вида оборудования. Специфика процесса сварки взрывом определяет некоторые особенности распределения остаточных напряжений в исходном после сварки состоянии. Их формирование связано с локальным термопластическим деформированием в зоне соударения и определяется механическими свойствами свариваемых материалов, их склонностью к упрочнению, теплопроводностью и др. В представленных исследованиях впервые для определения напряженно-деформированного состояния зоны соединения и объема в целом биметаллов типа сталь-+сталь и сталь+титан применен неразрушающий метод магнитной памяти. Комплекс исследований материалов с различающимися магнитными свойствами впервые позволил выявить закономерности влияния ударно-волновых нагрузок и технологических переделов (термообработки, пластических деформаций) на свойства намагниченности материала и распределения потенциально опасных зон концентрации напряжений в крупногабаритных биметаллах. Результаты проведенных исследований на биметаллах марки 09Г2С+08Х13 со стыковым сварным соединением в плакирующем слое позволили определить оптимальные параметры термообработки и предотвратить появление трещин в плакирующем слое при правке биметалла. Исследование особенностей образования соединения при получении многослойных материалов с сочетанием металлов и сплавов с резко различающимися свойствами (температура плавления, коэффициент линейного расширения, теплопроводности, теплоемкость, демпфирующая способность и т.д.) является важным этапом перед производстве промышленных изделий. Сочетания слоёв латунь Л63+ инвар 36Н образуют особый класс материалов – термобиметаллы. Термобиметаллы широко используются в качестве измерительных, компенсационных, регулирующих или защитных устройств в машиностроении, приборостроении, авиакосмическом производстве и др. Термобиметаллы в основном производят в виде биметаллических полос посредством процесса прокатки. Сварка взрывом благодаря быстротечности и твердофазности процесса расширяет возможности получения качественных многослойных соединений из материалов подобного типа. Исследование влияния условий ударно-волновой обработки на свойства и эксплуатационные характеристики композитов из трудно свариваемых сплавов является перспективным с точки зрения расширения номенклатуры биметаллических материалов и более глубокого понимания процессов формирования соединения с учетом изучения термодинамических параметров в зазоре между пластинами при сварке взрывом. Создание биметаллических переходников сталь/алюминиево-магниевый сплав АМг6 для приварки надстроек и других конструкций судна/вагона к корпусу обусловлено потребностями судо- и вагоностроительной промышленности. Следует отметить, что прочность соединения слоев в переходнике будет определять прочность всей конструкции. В настоящее время указанные переходники можно получать сваркой взрывом и прокаткой. При этом соединение алюминиевого сплава со сталью осуществляют через промежуточный слой из чистого алюминия АД1. Исследования по определению оптимальных режимов сварки взрывом, при которых можно получить наиболее качественное соединение (по прочностным характеристикам, структуре околошовной зоны) позволят решить ряд проблем в области сварки взрывом АМг6 с другими металлами и сплавами, а также осознать необходимость дальнейшего увеличения прочностных свойств биметаллических переходников. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС), основанный на экзотермических реакциях двух и более компонентов, является перспективным методом получения материалов из порошков тугоплавких соединений, работающих в экстремальных условиях. Новые возможности при одностадийном получении порошков тугоплавких соединений и изделий из них открываются при использовании совместного действия сдвигового деформирования и давления в процессе самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Это сочетание реализуется в методе СВС-экструзии. Данный метод позволяет получать длинномерные компактные изделия с остаточной пористостью не более 5% в одну технологическую стадию за десятки секунд. Этот метод является наукоемким и открывает принципиально новый подход в организации технологического процесса получения длинномерных изделий из хрупких и трудно деформируемых порошков тугоплавких неорганических соединений. Для качественного и количественного анализа неизотермического течения сжимаемых материалов в различных зонах оборудования СВС-процессов были разработаны тепловые и реодинамические модели. Экспериментальные и теоретические исследования процесса СВС-экструзии, основанного на воздействии высокотемпературного сдвигового деформирования на продукты синтеза, находящиеся в горячем состоянии, будут способствовать развитию и созданию новых передовых технологических методов СВС для получения композиционных и металлокерамических материалов и изделий. Развитие современных технологий металлообработки аэрокосмической и атомной отраслей промышленности требует создания новых материалов, способных сохранять высокие физико-механические характеристики и работоспособность при экстремально высоких температурах. Для решения этих задач перспективно использование тугоплавких карбидов и диборидов титана и циркония, обладающих уникальным комплексом физико-механических свойств. Основными из них являются: высокая температура плавления, твердость, тепло- и электропроводность, износо- и коррозионная стойкость. Объектом исследования является получение ультратугоплавких керамик и керамических композитов на основе боридов и карбидов переходных металлов. Получение этих материалов традиционными методами порошковой металлургии затруднено высокими затратами электроэнергии, многостадийностью, сложностью технологического оборудования и низкой производительностью. Перспективным способом получения керамических композитов является СВС-прессование и ЭТВ-прессование. Взаимодействие реагентов протекает в режимах горения или теплового взрыва после инициирования реакции тепловым импульсом. Высокая температура горения обеспечивает полное превращение исходных реагентов в конечный продукт. Достоинством способа являются высокое качество целевого продукта, высокая производительность, простота технологической оснастки, низкий расход электроэнергии. В отчете представлены основные экспериментальные и теоретические результаты, полученные при выполнении темы «Синтез и обработка материалов в условиях высокоэнергетических воздействий» в 2021 г. Целью работы является разработка научно-технологических основ процессов получения новых металлических, керамических и композиционных материалов, содержащих тугоплавкие керамики, интерметаллиды, износостойкие, коррозионностойкие и трудно свариваемые сплавы в условиях высокоэнергетических воздействий: самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС), СВС-компактирование, ударно-волновые методы, СВС-экструзия, механическая активация, электротепловой взрыв (ЭТВ) под давлением. В процессе работы создана система уравнений для расчета плоских одномерных ударно-волновых процессов в реагирующих конденсированных средах. Экспериментально, (исследованиями микроструктуры образцов после ударно-волнового нагружения) выявлено образование обертонов, что является подтверждением возникновения стоячей волны при ударных нагрузках. Рассмотрены физико-химические процессы, которые сопровождают локализацию пластической деформации. Исследовано влияние на эволюцию остаточных внутренних напряжений технологического цикла производства (сварки взрывом, термической обработки и холодной правки) при производстве биметалла марки 09Г2С+08Х13 со стыковым сварным соединением в плакирующем слое. На основании результатов исследований неразрушающим методом контроля магнитной памяти металла определен оптимальный режим термообработки, который позволил исключить образование трещин в плакирующем слое при механической правке биметалла. Разработана методика обнаружения акустическим неразрушающим эхо-методом участков повышенной концентрации интерметаллидов и карбидов титана на границе соединения крупногабаритных биметаллических плит сталь+титан, полученных сваркой взрывом. Установлено, что увеличение количества и размера структурных неоднородностей приводит к возрастанию амплитуды отраженного эхо-сигнала от границы соединения и снижению показателей прочности на отрыв плакирующего слоя. Экспериментально показана возможность реализации технологии сварки взрывом для получения биметаллических листов со слоем из сплава АМг6 без использования промежуточных слоёв из алюминия АД1. Определены оптимальные параметры сварки взрывом композиций АМг6+08Х18Н10Т и АМг6+ВТ1-0, а также термобиметаллов из сплавов Л63+36Н. Изучены керамические материалы на основе TiB-Fe, модифицированные нитридными нанодобавками. Экспериментально исследовано нанесение защитных покрытий материалами на основе железа с керамическими упрочняющими частицами методом электродуговой наплавки. Созданы защитные покрытия с использованием присадочных СВС-электродов TiB2-Co2B в различной газовой атмосфере. Изучены микроструктура, фазовый состав и твердость полученных покрытий. Изучены закономерности получения методом СВС-прессования плотных образцов карбида титана с использованием стехиометрической механически активированной (МА) в шаровой мельнице смеси порошков титана и сажи. Показано, что МА реакционной смеси порошков титана и сажи приводит к увеличению скорости и температуры горения, что позволило получить образцы карбида титана с максимальной относительной плотностью 95 % и мелкозернистой микроструктурой. Методом электротеплового взрыва под давлением получены ультратугоплавкие керамики на основе системы TiC–ZrC. Исследовано влияние состава и режимов высокоэнергетического смешивания реакционной смеси, содержащей порошки титана, циркония и сажи, на формирование фазового состава и микроструктуры конечного продукта. Показано, что использование предварительно активированной реакционной смеси порошков металлов и неметаллов позволяет получить однофазные твердые растворы карбидов тантала и гафния с остаточной пористостью менее 10 %. Изучено влияние мольного соотношения титана и бора на закономерности генерации термо-ЭДС при горении смеси порошков титана и бора под давлением. Предложена математическая модель, описывающая режимы ЭТВ безгазовой системы, помещенной в кольцевой слой проводящего продукта, с учетом изменения в ходе химической реакции теплоэлектрических характеристик образца.