книги / Материаловедение и технологии современных и перспективных материалов

Помимо никелида титана ЭПФ обнаружен во многих сплавах. Однако, как показали исследования, кроме никелида титана, практическое применение имеют только сплавы на основе меди, такие как тройные сплавы Сu-А1-Ni и Сu-Sn-А1. Эти сплавы привлекли внимание в связи с резким расширением сферы применения сплавов с ЭПФ и необходимостью обеспечения экономичности их производства. Стоимость сплавов на основе меди по данным японских фирм составляет не более 10 % от стоимости никелида титана. Основным недостатком сплавов на основе меди является их хрупкость. Сплав Тi-Ni может быть деформирован до разрушения приблизительно на 50 %. Разрушение происходит с образованием шейки и ямочным рельефом, т.е. наблюдается типично вязкое разрушение. Поликристаллические образцы из сплавов на основе меди являются очень хрупкими, после деформации на 2–3 % происходит интеркристаллитное разрушение. Чрезвычайная хрупкость сильно затрудняет обработку давлением сплавов с ЭПФ на основе меди при комнатной температуре. Кроме того, сплавы на основе меди могут менять температуру превращения и свойства в результате старения при температурах ниже эксплуатационных. Это ограничивает возможность их применения при высоких температурах. Сплавы на основе меди характеризуются более низким сопротивлением усталости.

Технологии получения суперсплавов. Суперсплавы подвергают термообработке: кобальтовые – диффузионному отжигу при температурах 1200 °С, а затем 750–800 °С для формирования вторичных дисперсных карбидов; никелевые сплавы – закалке и старению для дисперсионного твердения. Чем мельче выделения и расстояния между ними, тем выше сопротивление ползучести.

Механическое легирование. Механическое легирование (МЛ) является уникальным процессом производства соединений разнородных составляющих в форме порошка. Этот процесс заключается в смешивании элементов или основных составляющих сплавов (лигатур) в форме порошка, а также, при необходимости, с требуемой дисперсной фазой при использовании специальных высокоэнергетических шаровых мельниц – аттриторов с относительно высоким со-

271

держанием измельчающих шаров (рис. 6.24). Продуктом процесса является композиционный порошок, состоящий из однородной гомогенной смеси всех компонентов.

Механическое легирование позволяет получить соединения металла (сплава) и оксида или даже несмешивающиеся комбинации металла с металлом. Например, этот процесс используется для крупносерийного производства порошковых композиционных жаропрочных сплавов на основе никеля и железа, которые также содержат легирующие добавки для упрочнения твердого раствора, дисперсионного твердения и дисперсного упрочнения оксидами.

В основе механического легирования – повторяющееся межчастичное сваривание («холодная сварка») и расслаивание вблизи поверхностей шаров при их интенсивном сталкивании до тех пор, пока достигается стабильное состояние. Образование композиционных частиц из порошков, находящихся между соударяющимися стальными шарами, показано на рис. 6.25.

Рис. 6.25. Структура МЛ материала

Стадии МЛ (рис. 6.26): I – исходная.

II – сваривание.

272

III – образование равноосных частиц, во время которой резко уменьшается количество крупных пластинчатых частиц и образуются более равноосные частицы.

IV – произвольная ориентация участков сварки, при которой образуются округлые конгломераты из композиционных частиц, свариваемых друг с другом.

V – устойчивое состояние распределения частиц по размерам. VI – стадия, на которой внутренняя структура составных частиц

различается на субзеренном уровне (гомогенна).

Рис. 6.26. Стадии механического легирования

Методом МЛ получают:

•дисперсно-упрочненные жаропрочные сплавы на основе никеля (рис. 6.27), железа, меди и алюминия;

•сплавы Ti-Ni, Ti-Al;

•псевдосплавы Cu-W.

273

Рис. 6.27. Структура механически легированного дис- персно-упрочненного жаропрочного сплава на основе никеля (1 – оксиды никеля)

6.3. Функционально-градиентные материалы

Функционально-градиентные материалы (ФГМ) – композиционные или однофазные материалы, функциональные свойства которых систематически изменяются по объему или по одному из размерных параметров частицы, пленки или объемного образца.

Структура материала определяет свойства материала. Как правило, высокие эксплуатационные свойства имеют материалы с упорядоченной определенным образом ориентированной структурой.

Виды градиентных материалов:

1.Объемные материалы и покрытия, однородные по химическому составу, но с изменяющейся макро- и микроструктурой.

2.Объемные материалы с плавно меняющейся концентрацией компонентов, т.е. с отсутствием резкой границы раздела между областями с различными свойствами.

3.Объемные слоистые материалы и покрытия с переменным химическим и/или фазовым составом.

274

6.3.1. Объемные материалы и покрытия, однородные по химическому составу,

но с изменяющейся макро- и микроструктурой

Образец листа молибдена облучают заряженными частицами через фильтр из металлических проволочек (рис. 6.28). Варьируя число проволочных фильтров и их толщину, можно получить любое количество упрочняющих зон страгглинга как в приповерхностном слое, так и на заданной глубине образца. (Подавляющее большинство α- частиц имеет определенный пробег с некоторым разбросом в ту и другую сторону, а разброс пробега называется страгглинг. Страгглинг обусловлен, в основном, флуктуациями ионизационных потерь.) Изменяя энергию бомбардирующих частиц, можно в одном образце сформировать серию упрочняющих слоев с модифицированной структурой и измененными механическими свойствами.

Рис. 6.28. Схема облучения образцов молибдена α-частицами (Е = 50 МэВ) через поглощающие проволочные фильтры (а) и получение таким образом структурно-градиентного материала (б): 1 – поток α-частиц; 2 – проволочный фильтр; 3 – пластина молибдена; 4 – зоны молибдена под фильтром

На рис. 6.28 представлены результаты металлографических исследований предварительно деформированного молибдена, облученного α-частицами с энергией 50 МэВ при температуре 1073 К.

В узком слое, где происходит торможение частиц, размер зерен гораздо меньше, чем за пределами зоны страгглинга. Очевидно, что

275

облучение изменяет кинетику рекристаллизационных процессов в молибдене, вызывая структурную гетерогенность материала.

При получении ФГМ из стали облучение формирует в материале области с аномально высокими искажениями границ зерен феррита.

Структурно-неоднородные материалы были получены при облучении образцов низко- и среднеуглеродистых сталей Ст.20 и У7. Образцы после облучения альфа-частицами с энергией 50 МэВ отжигали при температуре 1173 К в течение 1 ч. На рис. 6.29 приведена выявленная термическим травлением структура стали У7 после облучения α-частицами с использованием фильтров и без них. Видно, что облучение формирует в материале области с аномально высокими искажениями границ зерен феррита. В образцах из стали Ст.20 после облучения α-частицами и последующего высокотемпературного отжига (1173 К, 1 ч) в зоне страгглинга, где присутствует гелий формируется высокодисперсная структура с размером зерна 20– 30 мкм, тогда как в областях, загороженных при облучении проволочными фильтрами, аустенитные зерна вырастают при отжиге до

300 мкм.

Рис. 6.29. Структура облученной стали У7 после термического отжига при 1173 К в течение 1 ч

276

Таким образом, облучение стали приводит к формированию структурно-неоднородного материала, в котором чередуются зоны с мелко- и крупнокристаллической структурой (рис. 6.30).

аб

Рис. 6.30. Структурная гетерогенность облученных α-частицами через поглощающие фильтры образцов стали после отжига: а – Ст.20; б – У7

При изучении структуры нержавеющей стали 12Х18Н9Т, аустенизированной при 1323 К и облученной через поглощающие проволочные фильтры, было установлено, что в облученных зонах при деформации растяжением происходит локальное образование мартенситной α'-фазы (рис. 6.31).

Разрушение образца произошло на границе области максимального образования мартенситной фазы с необлученным участком, не содержащим мартенсит, т.е. облучение привело к локализации разрушения в зоне, где фазовая гетерогенность материала была максимальной. Поведение такого материала при деформации растяжением можно ассоциировать с поведением композита, содержащего упрочняющие волокна, у которого разрушение инициируется и развивается в области контакта волокна с матрицей. Размерный уровень модифицированных облучением областей может варьировать от слоев миллиметровой толщины до нанослоев толщиной порядка не-

277

скольких ангстрем. Электронно-микроскопические исследования стали, облученной через поглощающие фильтры и отожженной при высокой температуре с охлаждением в жидком азоте, показали присутствие зародышей мартенситной α'-фазы на границах раздела необлученных и облученных участков (см. рис. 6.31), играющих роль концентратов внутренних напряжений.

Рис. 6.31. Распределение ферромагнитной фазы (верхняя кривая), образующейся в процессе деформации растяжением облученного образца из стали 12Х18Н9Т

Установлено, что зарождению α'-фазы в нержавеющей стали предшествует образование ячеистой дислокационной структуры

ипересечение лент дефектов упаковки. Представленные данные свидетельствуют о возможности получения на атомном уровне структурно-градиентных материалов с уникальными физическими

имеханическими характеристиками. Размерный уровень модифицированных облучением областей может варьировать от слоев миллиметровой толщины до слоев толщиной порядка нескольких ангстрем.

278

6.3.2. Объемные материалы с плавно меняющейся концентрацией компонентов

Для улучшения эксплуатационных характеристик материалов активной зоны на основе циркония может проводиться их ионноплазменная обработка ионами металлов. Преимуществом данной технологии является то, что почти любой материал может быть имплантирован ионами, и его поверхностные слои могут обогащаться контролируемым количеством других элементов (рис. 6.32).

Рис. 6.32. Профили распределения ионов алюминия в образцах циркония

Ионная имплантация не связана с термодинамическими ограничениями, определяющими вид равновесной диаграммы состояния сплавов, что позволяет создавать в поверхностном слое сплавы, которые невозможно получить металлургическими методами. На практике путем имплантации можно получать на обрабатываемой поверхности максимальную концентрацию вводимой примеси до 50 ат.%.

Имплантация поверхности образцов из сплава на основе циркония ионами алюминия осуществлялась на модернизованной серийной установке «Булат-6». Установка оснащена электродуговым источником сепарированной металлической плазмы с алюминиевым

279

катодом и системой доускорения ионов, которая включала в себя электрически изолированный от вакуумной камеры подложкодержатель с образцами и высоковольтный металлокерамический токоввод.

При подаче на подложкодержатель с образцами высокого отрицательного потенциала поверхность образцов бомбардировалась ионами алюминия, которые экстрагировались из плазмы электродугового источника и ускорялись в тонком дебаевском слое, окружающем подложкодержатель с образцами. В такой системе процессы генерации плазмы и ионной бомбардировки разделены, что позволяло управлять энергией ионов.

6.3.3.Объемные слоистые материалы и покрытия

спеременным химическим и/или фазовым составом на основе легированных сталей

Этот класс композитов характеризуется тем, что фазы или компоненты расположены послойно. Они состоят из компонентов, имеющих два размера, которые значительно превышают третий. В слоистых композитах не имеет смысла делить компоненты на матрицу и арматуру. На субмикроструктурированном уровне слоистые КМ могут быть реализованы при осаждении из паровой фазы, а на микроструктурированном уровне – в слоистых эвтектических структурах, полученных направленной кристаллизацией. На макроскопическом уровне слоистые КМ могут быть реализованы в парах ме- талл–металл, полимер–полимер, металл–полимер. Они представляют собой слои разнородных материалов толщиной от 1000 мкм с различной природой границы раздела. Однако независимо от природы взаимодействия компонентов на границе раздела связь между слоями должна быть достаточна для исключения необратимого перемещения одного слоя относительно другого при взаимодействии механической нагрузки и температуры.

Слоистые композиционные материалы – это важнейший класс композитов, обладающих широким спектром и уникальным сочетанием таких ценных свойств, как высокая прочность, коррозионная стойкость, электро- и теплопроводность, жаропрочность, износо-

280