Анотація:
МЕТА ДОСЛІДЖЕНЬ - оптимізация складів та режимів виготовлення в масштабі дослідно-промислового виробництва нових керамічних ультра-високотемпературних матеріалів та покриттів з них. Атестація матеріалів, що вивчаються, дослідження комплексу механічних, теплофізичних та службових властивостей (опір зносу, окисленню, корозії, та ін.).
ОБ’ЄКТИ ДОСЛІДЖЕНЬ – ультрависокотемпературна кераміка на основі тугоплавких боридів титану, цирконію, гафнію, карбіду бору та нітриду бору мають високу корозійну стійкість в агресивних середовищах і опор окисyенню при температурах в інтервалі 1500-2000 оС, високу міцність і жароміцність, твердість і трещиностійкість, високу характеристику поглинання іонізуючого випромінювання, опір впровадженню ударників
МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕНЬ – рентгенівська дифрактометрія, оптична та електронна мікроскопія, механічна поведінка матеріалів, в основному, вивчена за допомогою розвинутих нами методів індентування. Процеси зносу та ерозії, високотемпературного окиснення та корозії в розплавах оксидів (базальти, шлаки) вивчени за допомогою відповідного обладнання, яке є в наявності в ІПМ. . При виконання теми були використані установки вакуумного гарячого пресування з реєстрацією кінетики усадки і гарячого пресування без захисної атмосфери.
У рамках виконаної роботи отримані основні результати:
1. Розроблено режими синтезу порошков ZrB2 и MoSi2. Для проведення синтезу бориду цирконію було зроблено лабораторний реактор з індукційним нагрівом. Порошок бориду цирконію був синтезований в цьому реакторі. Була проведена реконструкція вакуумної печі для синтезу силіциду молібдену в присутності бориду цирконію. Було розроблено режими синтезу та вироблений композиційний порошок системи ZrB2-MoSi2. Експерименти по гарячому пресуванню композиційних порошків та їх використання для отримання покриттів показали відповідність якості цих порошків технічним вимогам на одержувані з них кераміку і покриття.
2. Досліджено структуру та механічні властивості кераміки ZrB2-15 % MoSi2 и ZrB2-15 % MoSi2 -5 % СrB2 Кераміка, отримана з добавками силіциду молібдену і борида хрому ((ZM-CB (ZrB2-15 % MoSi2 -5 % СrB2 ) має більш високу твердість та межу міцності при стисканн, тоді як кераміка ZrB2-15 % MoSi2 має як більш високі значення зернограничної міцності та міцності при згині, тае і тріщиностійкості. Виявлені відмінності механічних характеристик можуть бути пов'язані з підвищеним мікророзтріскуванням кераміки ZM-CB внаслідок зернограничних фазових взаємодій.
3. Методами рентгенівської тензометрії досліджено напружено-деформований стан УВТК. Для виділення функцій фізичного розширення дифракційних кривих розроблена програма рішення рівняння згортки з використанням методу регуляризації рішення по Тихонову.
4. Досліджено функції фізичного уширення для рентгенівських високутових відображень зразків гарячепресованого борида гафнію і випливаючі з них функції розподілу деформацій. Виміряна кристалографічна анізотропія значень макронапружень в приповерхневих аналізованих обсягах, середні мікронапруг і максимальні мікронапруги розтягування. Показано що рівень максимальних мікронапруг розтягування залежить від міцності в мікрооб'ємах матеріалу (для досліджуваних полікристалів від зернграничної міцності), яка визначає широкий набір механічних характеристик крихких матеріалів (міцності при стисненні і розтягуванні, тріщиностійкість, макротвердость).
5. Досліджено напружено-деформований стан двофазних композитів ZrB2 - SiC в залежності від умов спікання при гарячому пресуванні і подальшої повзучості за механізмом зернограничного прослизання. Виявлено, що при гарячому пресуванні рівень напружень в фазах ZrB2 і SiC через процеси релаксації по межах виявляється істотно меншим, ніж очікується згідно з температурами гарячого пресування (1800-2100 оС). Подальша релаксація напружень при повзучості призводить до зниження зернограничних напружень.
6. Нанесення на кераміку ZrB2-SiC захисних покриттів з SiC і SiO2-Er2O3 внаслідок заліковування приповерхневих дефектів дозволяє більш ніж в два рази збільшити міцність кераміки при випробуваннях на вигин (до 800-8075 МПа).Оксидне покриття SiO2-Er2O3 забезпечує дворазове зменшення швидкості окислення кераміки ZrB2-SiC з товщиною оксидних шарів, які утворюються при подальшому окисленні загалои 95 мкм в порівнянні з шарами 190 мкм на поверхні кераміки ZrB2-SiC при однакових режимах окислення.
7. У процесах термоерозіі процес виносу маси з поверхні УВТК систем ZrB2 + 15% MoSi2 і ZrB2 + 15% MoSi2 протікає циклічно у вигляді трьох послідовних стадій: 1 - формування щільного оксидного шару (товщиною до 150 мкм); 2 - руйнування (розтріскування і викришування) оксидного шару; 3 - винесення з поверхні оксидного шару до її повного очищення від його фрагментів. У сталому режимі виносу (коли під оксидним шаром сформувався перетворений проміжний шар) швидкість втрати маси на першій стадії мінімальна, на третій - максимальна, а в середню становить близько 0,3 мг / (с × см2).
8. Процес термоерозіі не торкається шарів кераміки, які перевищують по глибині 100-200 мкм і в цілому внутрішні обсяги кераміки за механічними властивостями досить однорідні з розкидом властивостей за обсягом кераміки в межах 15-20%, що вже обумовлено неоднорідностями поля температур при гарячому пресуванні.
9. Вивчені структурно-фазові перетворення на поверхні комбінованого лазерно-електроіскрового покриття на основі ZrB2 на титановому сплаві. Методом електроіскрового легування отримане багатошарове покриття на титановому сплаві ВТ3-1. Показано утворення міцного адгезійного зв‘язку між шарами покриття. У порівнянні з ЕІЛ-покриттям зі сплаву WC+3%Co в умовах фретинг-корозії на повітрі зносостійкість багатошарового ЕІЛ-покриття зростає на 40%, а після лазерного оплавлення – на 70 %. Отриманий результат обговорюється в рамках концепції трибоокислення. Вивчено склад і структуру отриманих на металевих сплавах методом високошвидкісного повітрянопаливного напилення покриттів на основі ZrB2 з добавками MoSi2, SiC і AlN. Встановлено можливість використання композиційних порошків із незначним вмістом NiCr-зв’язок (10 мас.%) завдяки інтенсивним адгезійним взаємодіям компонентів.
КЛЮЧОВІ СЛОВА: УЛЬТРАВИСОКОТЕМПЕРАТУРНА КЕРАМІКА, ДИБОРИД ЦИРКОНІЮ, ГАРЯЧЕ ПРЕСУВАННЯ, КІНЕТИЧНІ КРИВІ УЩІЛЬНЕННЯ, РЕНТГЕНІВСЬКИЙ ФАЗОВИЙ АНАЛІЗ І РЕНТГЕНІВСЬКА ТЕНЗОМЕТРІЯ, КОНТАКТНА ВЗАЄМОДІЯ, ДИФУЗІЙНІ ЗОНИ, ЕВТЕКТИКА, СТРУКТУРО- І ФАЗОУТВОРЕННЯ, ЗЕРНОГРАНИЧНА МІЦНІСТЬ, ВИСОКОТЕМПЕРАТУВИСОКОТЕМПЕРАТУРНА МІЦНІСТЬ, ПОКРИТТЯ, ФРЕТТІНГ-КОРОЗІЯ, ЗНОСОСТІЙКІСТЬ, ОКИСЛЕННЯ.
Опис:
СКОРОЧЕНИЙ ЗМІСТ ВИСНОВКІВ РЕЦЕНЗЕНТІВ.
Робота присвячена одному з найприоритетніших напрямків матеріалознавства, а саме – встановленню взаємозв,язку технологічних параметрів отримання, складу та мікроструктури нових матеріалів та покриттів на основі боридів та нітридів з їх функціональними властивостями в екстремальних умовах експлуатації сучасних пристроїв енергетики. Актуальність цієї проблеми визначається необхідністю розширення наших знань щодо прогнозування створення нових ультрависокотемпературної композиційної кераміки (УВТК) і покриттів з неї, які б задовільняли зростаючим жорстким технічним вимогам енергетики.
Рзроблено режими синтезу та вироблено композиційний порошок системи ZrB2-MoSi2. Досліджено структуру та механічні властивості кераміки ZrB2-15 % MoSi2 та ZrB2-15 % MoSi2 -5 % СrB2. Виявлені відмінності механічних характеристик можливо пов'язані з підвищеним мікророзтріскуванням кераміки ZM-CB внаслідок зернограничних фазових взаємодій. Методами рентгенівської тензометрії досліджено напружено-деформований стан УВТК. Для виділення функцій фізичного розширення дифракційних кривих розроблена програма рішення рівняння згортки з використанням методу регуляризації рішення по Тихонову. Досліджено функції фізичного уширення для рентгенівських високутових відображень зразків гарячепресованого борида гафнію і випливаючі з них функції розподілу деформацій. Показано що рівень максимальних мікронапруг розтягування залежить від міцності в мікрооб'ємах матеріалу, яка визначає широкий набір механічних характеристик крихких матеріалів (міцності при стисненні і розтягуванні, тріщиностійкість, макротвердость). Досліджено напружено-деформований стан двофазних композитів ZrB2 - SiC в залежності від умов спікання при гарячому пресуванні і подальшої повзучості за механізмом зернограничного прослизання. Нанесення на кераміку ZrB2-SiC захисних покриттів з SiC і SiO2-Er2O3 внаслідок заліковування при поверхневих дефектів дозволяє більш ніж в два рази збільшити міцність кераміки при випробуваннях на вигін (до 800…875 МПа) та в два рази зменшити швидкість окислення кераміки ZrB2-SiC. Вперше методом електроіскрового легування (ЕІЛ) отримане багатошарове покриття на титановому сплаві ВТ3-1. Вивчені структурно-фазові перетворення на поверхні комбінованого лазерного електроіскрового покриття на основі ZrB2 на титановому сплаві. Показано утворення міцного адгезійного зв’язку між шарами покриття. У порівняння з традиційним ЕІЛ-покриттям зі сплаву WC+3%Co в умовах фретинг-корозії на повітрі зносостійкість багатошарового ЕІЛ-покриття зростає на 40%, а після лазерного оплавлення – на 70%. Отриманий результат обговорюється в рамках концепції трибоокислення.
Представлена робота виконана на високому науковому рівні із застосуванням сучасних експериментальних методів дослідження та фізико-хімічних уявлень про механізми формування фізико-механічних властивостей і високотемпературного окислення ультра високотемпературних керамічних матеріалів. Отримані результати вносять вагомий внесок в розробку перспективних композиційних матеріалів високотемпературного призначення.
ПРОПОЗИЦІЇ ПРО ПОДАЛЬШЕ ВИКОРИСТАННЯ РЕЗУЛЬТАТІВ РОБОТИ.
Виконані дослідження є базовими для розробки нових ультрависокотемпературних матеріалів які спікаються при знижених температурах (1600-1800оС). Конкретними галузями застосування нової кераміки є енергетика- теплова та ядерна, аерокосмічна промисловість, двигунобудування, металургія, виробництво базальтових волокон Ультрависокотемпературна кераміка може бути використана не тільки у вигляді тривимірних виробів, але і бути основою для теплозахисних покриттів на жароміцних металевих матеріалах і сплавах.