Научные основы высокоэнергетических методов синтеза сверхвысокотемпературных композиционных и керамических материалов

Объектом исследования являются керамические материалы на основе твердых растворов высокотемпературных карбидов (TaC, HfC, ZrC, NbC, TiC), боридов (HfB2, TaB2, ZrB2, NbB2, TiB2), силицидов (MoSi2, TaSi2, ZrSi2) металлов, композиционных материалов с добавлением SiC, сочетающих высокую температуру плавления с высокими прочностными свойствами и износостойкостью. Проект направлен на разработку методов самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) и высоковольтной электроимпульсной консолидации (ВЭК) тугоплавких трудно деформируемых керамических материалов: карбидов тантала, карбида гафния, твердых сплавов и тяжелых сплавов на основе вольфрама Цель работы – создание методом СВС и электроимпульсных методов консолидации порошков сверхвысокотемпературных керамических материалов на основе твердых растворов высокотемпературных карбидов, боридов, силицидов металлов, композиционных материалов с добавлением карбида кремния, сочетающих сверхвысокую температуру плавления с высокими прочностными свойствами и износостойкостью в условиях агрессивных внешних воздействий. В процессе работы проводились экспериментальные исследования процессов СВС карбида тантала и карбида гафния. Для СВС порошка монокарбида тантала использовался порошок тантала мелкодисперсный марки ТаП МВ5Б, сажа П804 и энергетическая добавка. Синтезирован монокарбид тантала с низким содержанием полукарбида (Ta2C) и следами оксида (Ta2O5). Карбид гафния получен методом СВС из исходного порошка гафния марки ГФМ-1 и сажи П804, исследован фазовый состав и гранулометрический состав полученного порошка, а также гранулометрический состав исходного порошка Hf. В результате исследования была разработана экспериментальная методика измерения электрического сопротивления порошковых композиций от приложенной нагрузки в диапазоне нагрузок: 0,5 МПа – 500 МПа. По разработанной методике проведено измерение зависимостей электрического сопротивления от приложенной нагрузки при комнатной температуре следующих порошков и порошковых композиций: HfC, TaC, Ti (ПТК-1) Экспериментально показана возможность реализации процессов высоковольтной консолидации – порошков карбидов гафния и тантала, промышленного порошка твердого сплава ВК20 с сохранением исходной микроструктуры частиц порошков в консолидированных материалах. Метод ВЭК с помощью высоковольтного импульса тока реализует интенсивный объемный ввод энергии в консолидируемый порошковый материал с одновременным высокоскоростным механическим воздействием на основе падающего копра. Результаты проведенных исследований свидетельствуют, что метод ВЭК позволяет получать высокоплотные композитные материалы из трудно деформируемых тугоплавких порошков при более низких интегральных температурах и за более короткие времена (порядка миллисекунд) по сравнению с другими методами спекания/консолидации. Теоретически и экспериментально доказан волновой характер процесса уплотнения порошковых материалов при высоковольтной консолидации. Теоретический анализ процесса волнового уплотнения порошка на основе вязкопластической модели порошкового материала выявил качественно различные режимы кинетики закрытия межчастичных пор на фронте волны уплотнения. Установлены безразмерные параметры, значения которых определяют характер режимов уплотнения при высоковольтной консолидации. Изучена микроструктура консолидированных материалов, полученных при оптимальных значениях безразмерных параметров и при значениях, соответствующих кумулятивным режимам уплотнения порошкового материала. Выявлена специфика пористой структуры материалов консолидированных на кумулятивных режимах. Проведен теоретический анализ электротепловых процессов при ВЭК порошковых материалов на контактах между частицами порошка и в макромасштабе всего консолидированного образца. Установлен критерий, определяющий предельное значение плотности тока, превышение которого приводит к электрическому взрыву межчастичных контактов в консолидируемом материале. Степень внедрения: отработана методика и создана экспериментальная установка для проведения измерения электрического сопротивления порошковых композиций от приложенной нагрузки в диапазоне нагрузок: 0,5 МПа – 500 МПа. Отработаны технологические режимы получения порошков карбида тантала и карбида гафния СВС-методом из исходных порошков металлического тантала марки ТаП МВ5Б и гафния марки ГФМ-1 и сажи П804. Впервые разработан и создан экспериментальный измерительный комплекс для регистрации параметров высоковольтного импульса электрического тока и теплового излучения высокотемпературных керамических материалов в процессе ВЭК порошков.