Структурно-фазовые превращения в металлических материалах при термическом и деформационном воздействиях и разработка физико-химических основ технологий получения перспективных функциональных материалов и градиентных покрытий

Объектами исследования являются металлические бинарные и многокомпонентные расплавы на основе Al, Co, Fe, Ni, в том числе аморфизующиеся, объемно-аморфизующиеся и квазикристаллообразующие, металокомпозиты Nb-Si-Al(N), МАХ фазы Ti2Al(Si)N(C), отливки из железоуглеродистых сплавов, изготавливаемых методом литья по газифицируемым моделям с применением легирующих композиций, содержащих керамические составляющие (бориды, карбиды), взаимодействующих по механизму самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), быстроазакаленные ленты на основе Fe и Co, многослойные покрытия переходных металлов IV-V групп (Zr, Hf, Nb, Ta), алюмоматричные композиты с графеном, металломатричные композиты на осонове Fe-Cr-Mn-Mo-C-N. Целью проекта было изучение закономерностей и механизмов структурно-фазовых превращений при различных внешних воздействиях (температуры, легирования, деформации, скорости кристаллизации и т.д.) и определение структурных факторов, способствующих улучшению служебных свойств исследуемых материалов и созданию новых металлических и композитных материалов. Теоретически исследован процесс стеклования в условиях быстрой закалки расплава при наличии градиентного охлаждения и отвода тепла через холодную стенку. Предложена модель, объединяющая калибровочную теорию стекольного перехода, наличие топологически устойчивых дефектов в структуре формирующейся твердой фазы и теплоперенос в системе, которая способна воспроизводить конкуренцию между процессом кристаллизации и формированием аморфной структуры. Показано, что модель гиперболического фазового поля может быть сопоставлена с известной гиперболической задачей Стефана в пределах границы раздела. Показано, что для согласованного описания потока перераспределения примеси на границе фаз постоянного и переменного состава следует выбрать отклонение химического потенциала фазы переменного состава от своего равновесного значения, определяемого наклоном общей касательной к энергиям Гиббса взаимодействующих фаз. Показано, что на политермах вязкости расплавов Ni-Nb с содержанием 16, 20 и 25 ат.% Nb обнаружен излом, сопровождающийся резким изменением энергии активации вязкого течения, который, по-видимому, является следствием обратимого изменения структуры расплава (переход жидкость-жидкость) при изменении температуры. Установлено, что при комплексном легировании расплава Fe75B15Si10 танталом и ниобием существенное влияние на вязкость расплава и характер его кристаллизации оказывает Nb, что обусловлено различием в химическом ближнем окружении атомов примеси. Обнаружены долговременные релаксационные процессы перехода расплавов Al86Ni6Co2Nd6, Al86Ni4Co4Nd6, Al86Ni6Co2Sm6 и Al86Ni4Co4Sm6 в однородное состояние, обусловленные разрушением унаследованных при плавлении неравновесных атомных микрогруппировок с упорядочением типа химических соединений AlxRу, присутствующих в твердых сплавах. Дифракционные исследования жидкого Bi и Sn показали наличие дополнительного плеча первого пика на дифракционных кривых и структурном факторе и его исчезновение при нагреве выше 500 °С. Теоретическое и экспериментальное исследование систем Al-Cu-Co, Al-Zn в жидком и твердом состоянии показало, что границы различных фазовых областей диаграмм состояния исследованных систем коррелируют с экстремумами концентрационных зависимостей переохлаждения и вязкости. Показано, что в процессе контактного взаимодействия сплавов Zn–Al и АМг6 активная диффузия Zn обеспечивает формирование обширной зоны проплавления при термической обработке контактной зоны. Показано, что характер концентрационной зависимости переохлаждения расплавов Cr-Fe-C характеризуется максимумом при 17 ат.% С, который коррелирует с максимумом на изотермах вязкости. Установлено, что изменение температуры расплава Ni60Nb40 перед охлаждением приводит к немонотонному изменению величины переохлаждения, в условиях которого начинается его кристаллизация, и температурного интервала кристаллизации. Установлено, что при быстром охлаждении расплавов Al86Ni2Co6Gd6, Al86Ni4Co4Gd6, Al86Ni6Co4Gd2Tb2, Al86Ni6Go4Gd2Er2 под высоким давлением 7-10 ГПа наблюдается формирование метастабильных фаз. Изучение ближнего порядка показало наличие икосаэдрических кластеров в этих расплавах, образованию которых способствуют РЗМ. Повышение давления от 0 до 10 ГПа приводит к увеличению концентрации икосаэдров в 8 раз и формированию "перколяционного" кластера. Показано влияние термобарического воздействия и упрочняющей добавки нитрида бора на структуру и свойства высокоэнтропийных сплавов AlNiCoFeCr и AlNiCoFeCrCu. Показано, что термическая кристаллизация быстрозакаленных лент Fe77Ni1Si9B13. протекает в две стадии (изотропный рост имеющихся зародышей при снижающейся скорости зарождения кристаллов и замедленный анизотропный рост уже образовавшихся кристаллов), а при деформационном воздействии (2 ГПа, e от 7,5 до 8,9) при e = 8,7 наблюдается дополнительно изменение структурного состояния исходной аморфной фазы. Показано различие в характере и механизме протекания экзотермических реакций при получение СВС композитов на основе 3Ti-1.24Si-2C с разными формами углерода (сажа, фуллерит, графеновые нанопластины, многослойных углеродных нанотрубок (МУНТ)), а количественное содержание МАХ-фазы Ti3SiC2 определяется структурой используемых углеродных материалов. Установлено, что в литых сплавах, состава Nb-Хмас%Si-1мас% Al (Х=3,5), происходит образование двухфазных структур, состоящих из твердого раствора кремния и алюминия в ниобии (NbSS) и силицида ниобия Nb5(Si,Al)3, а повышение объемной доли NbSS приводит к снижению твердости и увеличению вязкости разрушения сплава с меньшим содержанием Si. Механоактивация порошка Al с добавлением графеновых нанопластин (0,5; 1; и 3вес.%) в течении 1; 5 и 10ч с использованием стеариновой кислоты и гептана для предотвращения холодной сварки показала, что в результате деформационных воздействий происходит изменение морфологии порошка Al от сферических частиц к хлопьям и слоистым агломератам. При этом после 1ч обработки графен сохраняет исходную слоистую структуру, а после 5 и 10ч распределяется в частицах Al порошка. Рассмотрен способ получения композиционных поверхностно-легированных отливок из серого чугуна СЧ25 методом литья по газифицируемым моделям с применением лигатур, содержащих хром и ферробор. В процессе формообразования отливок протекание СВС между компонентами лигатур, нанесённых на поверхность литейных форм, приводит к образованию в легированном слое боридов и карбоборидов, которые способствуют повышению твёрдости и износостойкости легированных поверхностей. Методом химического газофазного осаждения из металлорганических соединений (МОСVD) – ацетилацетонатов циркония и иттрия (Zr(C5H7O2)4 и Y(C5H7O2)3) получены защитные покрытия из диоксида циркония (ZrO2) и диоксида циркония стабилизированного оксидом иттрия (YSZ). Определены оптимальные параметры осаждения, описаны структура и свойства покрытий. Изучено влияние дополнительной импульсной лазерной обработки на структуру покрытий и их прочность сцепления с подложкой. Изучено химическое газофазное осаждение защитных покрытий на основе Zr, Ta и Nb на подложки их жаропрочных сплавов, Mo и Cu. Разработана новая технология осаждения защитных покрытий из чистого диоксида циркония исходя из системы ZrCl4-O2-Cd. Исследованы дефекты упаковки в Ta, полученном с помощью МОСVD в связи с защитными свойствами. Предложен механизм формирования метастабильных ГПУ фаз тантала на дефектах упаковки в α-Ta в плоскостях {112}. Показана возможность химического газофазного осаждения Nb путем восстановления пентагалогенидов ниобия (NbCl5, NbBr5, NbI5) кадмием или цинком. Показано, что армирующие включения в металломатричном композите на основе Fe – Cr – Mn – Mo, полученном методом СВС в варианте алюмобаротермии, имеют структуру ядро-оболочка: центральная часть состоит из оксидов магния (преимущественно) и алюминия, а периферийная – из нитрида алюминия, а их форма и распределение зависит от содержания неметаллической фазы в системе. Разработан ряд легирующих составов для получения в процессе лазерного модифицирования боридных составляющих титана в поверхностном слое на изделиях из титановых и железоуглеродистых сплавах. Выполнены исследования по нанесению покрытий на железоуглеродистые и титановые сплавы методом электроискрового легирования с применением вращающегося электрода. Исследована возможность интенсификации процесса нанесения диффузионных покрытий и снижения температурно-временных параметров обработки путем предварительного электроискрового легирования упрочняемой поверхности. Установлено влияние технологических режимов получения танталовых объемно-пористых анодов (температурно-временные режимы спекания, среда нагрева, отжиг и др.) на морфологическое распределение частиц Ta, содержание углерода, усадку, механические и электрофизические свойства. Получены модельные образцы с использованием различных пластификаторов - камфара, салициловая кислота, аммоний углекислый и дисэд. Предложен новый механизм разрушения аморфного оксида тантала Та2О5 на поверхности Та-анодов, основанный на высоких абсорбционных свойствах тантала.