В настоящем сборнике печатаются научные труды по конструкционным, антифрикционным и фрикционным материалам. Результаты исследований обсуждались на VIII Республиканской конференции по порошковым материалам, которая проходила в г. Запорожье 12-15 октября 1982 г. Сборник посвящен вопросам получения порошков, порошковых материалов и изделий, вопросам получения порошков, порошковых материалов и изделий, вопросам формования, спекания порошковых деталей, процессам их термообработки, методам исследования и их свойствам. Сборник рассчитан на научных работников, инженеров, аспирантов и студентов, занимающихся разработкой порошковых материалов и изделий, их внедрением.

В книге обобщены закономерности горения в воздухе и энергетических конденсированных системах нанопорошков и грубодисперсных порошков металлов (Al, B, Zr, Ti, W, Mo, Cr, Fe) и их смесей с добавками. Экспериментально подтверждено и теоретически обосновано формирование нитридов как основных фаз продуктов сгорания металлов в воздухе. Обсуждаются вопросы физикохимии нитридообразования при горении, новые механизмы горения, стабилизация неравновесных продуктов, характеристики горения систем, содержащих нанопорошки металлов. Книга предназначена для исследователей в области физики горения металлов, материаловедения, химической технологии.

Приведены теоретические и практические данные по термической обработке порошковых конструкционных сталей, полученных методом спекания и горячей штамповки. Изложены новые сведения об упрочнении порошковых сталей, приведены термокинетические диаграммы и оптимальные режимы термической обработки порошковых сталей различных состава и пористости. Показано влияние структурного состояния сталей на их свойства. Предназначена для инженерно-технических работников металлургических машиностроительных предприятий и организаций, может быть полезна студентам вузов и техникумов.

Изучено поведение нанокристаллического порошка диоксида циркония при прессовании и спекании. Установлено, что даже при небольшом давлении прессования 50 МПА, происходит интенсивное разрушение структурных элементов порошка. Активное взаимодействие нанокристаллических частиц на стадии нагрева приводит к формированию пористого каркаса, устойчивого к дальнейшему уплотнению при изотермической выдержке в процессе спекания.

Представлены результаты исследования микроструктуры и механических характеристик ультрамелкозернистого титана ВТ1-0, полученного комбинированным методом многократного одноосного прессования (abc-прессования) и последующей прокатки при различных технологических режимах. Формирующаяся ультрамелкозернистая структура с характерным размером элементов 0.1-0.25 мкм обеспечивает максимальные прочностные характеристики титана, сопоставимые с характеристиками титановых сплавов. Технически чистый титан ВТ1-0 с объемно ультрамелкозернистой структурой может служить эффективной заменой титановых сплавов медицинского назначения как ВТ6, ВТ16.

Изложены методы рентгенографического анализа, используемые для исследования твердых сплавов, результаты исследований структурных изменений исходных продуктов, полуфабрикатов и спеченных сплавов на разных стадиях технологического процесса. Систематизированы данные по вопросам влияния на структуру и свойства сплавов технологических факторов: структуры исходных компонентов, температур, восстановления и карбидизации, продолжительности и способа размола и т. д. Приведены конкретные методики рентгенографического анализа. книга предназначена для рабочих и лаборантов, занимающихся технологией изготовления исследованиями твердых сплавов.

Изложены результаты исследований и теоретических разработок в области нанесения и использования защитных плазменных покрытий. рассмотрены механизм сцепления порошкового покрытия с подложкой, кинетика окисления напыляемых материалов. Изучено влияние абразивного износа на структуру и свойства плазменных покрытий. Дана оценка структуры порошковых покрытий и их исследований с помощью метода термодифференциального анализа. Описана возможность сварки биметалла титан-сталь с применением плазменных покрытий в качестве разделительного слоя. Книга рассчитана на научных и инженерно-технических работников, занимающихся разработкой, изучением износостойких плазменных покрытий и вопросами, связанными с порошковой металлургией.

На примере цинка показана возможность использования равноканального углового прессования (РКУП) для компактирования и измельчения структуры порошковых материалов. Установлено, что определяющими параметрами РКУП порошковых материалов являются температура и гидростатическое давление в зоне пластического сдвига. Получаемый материал имеет высокую плотность и твердость, обусловленные ультрамелкозернистой структурой, сформировавшейся путем интенсивной пластической деформации пороков цинка. Указанные характеристики существенно зависят также и от маршрута прессования.

Исследовано влияние концентрации алюминия и температуры спекания на механические свойства спеченных сплавов системы Cu-Al. Установлено, что основное влияние на прочностные свойства спеченных сплавов с заданной пористостью оказывают добавки алюминия, тогда как влияние температур спекания незначительно. Максимальный прирост прочности достигается при концентрации алюминия, превышающей предел его растворимости в твердом растворе на основе меди.

Систематизированы данные о коррозии сталей, никеля, титана, меди, алюминия и их сплавов. Показана взаимосвязь коррозионных повреждений с микроционной обработкой, а также внешними факторами, оказывающими влияние на коррозию. Даны рекомендации по предотвращению коррозионных повреждений и стандартные методы испытаний. приведены марки коррозионной стойких металлических материалов. Для инженерно-технических работников различных отраслей промышленности, занимающихся эксплуатацией и конструированием деталей и оборудования, подвергающегося коррозионному воздействию различных сред.

Обобщены материалы международной конференции (США, 1982 г.) по механизмам и закономерностям сверхпластической деформации, составу и способам подготовки структуры сверхпластичных сплавов на основе титана, алюминия, никеля и железа. Рассмотрены принципы и особенности обработки давлением и диффузионной сварки материалов в сверхпластичном состоянии. Описаны свойства сверхпластичных сплавов и области их применения. Большое внимание уделено практическим аспектам использования эффекта сверхпластичности. Для научных и инженерно-технических работников металлургической, машиностроительной, судостроительной, авиационной и других отраслей промышленности.

Методами потенциодинамической поляризации, импедансной спектроскопии и анализа кривых травления исследовано электрохимическое поведение крупнокристаллического и наноструктурированного титана в различных средах. Установлено, что в растворе Рингера-Локка при 37 гр.С скорость растворения наноструктурированного титана увеличивается по сравнению с крупнокристаллическим, что обусловлено более дефектной структурой слоя естественного оксида на поверхности наноструктурированного титана и меньшим поляризационным сопротивлением. Показано, при травлении в смеси плавиковой и серной кислот для наноструктурированного титана преимущественно наблюдается механизм локального разрушения, а для крупнокристаллического - общего равномерного стравливания, что существенно проявляется в интервале 40-75 гр.С.

Проведены сравнения структуры и свойств композиционных покрытий, полученных электростатическим напылением девяти порошковых смесей на основе полиэфирной порошковой краски (ПЭПК), эпоксидной порошковой краски (ЭПК), полиуретанового лака (ПУЛ) с дисперсными наполнителями в виде технического углерода (ТУ), коллоидно-графитового препарата и стали Х17Н2. Порошковые смеси подвергали предварительной совместной обработке в планетарной шаровой мельнице (ПШМ) с целью введения в состав покрытия максимального количества функционализирующих частиц. Разработанные покрытия помимо выполнения традиционных защитных (антикоррозионных) функций могут быть использованы для задач снятия статического электричества и экранирования электромагнитного излучения.

Методами оптической металлографии исследована зеренная структура упорядоченных сплавов Ni3Mn, Ni3Fe и интерметаллида Ni3Al, различающихся величиной энергии дефекта упаковки и энергии антифазных границ. Обнаружено, что в интерметаллиде Ni3Al с наибольшей энергией дефекта упаковки (215 эрг/см2) среднее число специальных границ а зернах, ограниченных границами общего типа, наименьшее и составляет 0,2, тогда как в упорядоченных сплавах Ni3Mn и Ni3Fe среднее число таких границ близко к 1. По тройным стыкам проведены оценки относительной энергии специальных границ. Обнаружено, что доля низкоэнергетических специальных границ (когерентных двойников) от общего числа специальных границ имеет максимальное значение (0,8) в сплавеNi3Mn, энергия дефекта упаковки и энергия антифазных границ которого имеет минимальное значение в ряду исследованных сплавов (57 и 75 эрг/см2 соответственно). При анализе результатов использованы представления о структуре специальных границ в упорядоченных сплавах, согласно которым в границах зерен возникают антифазные границы и энергия границ возрастает на величину, равную энергии антифазных границ, по сравнению с разупорядченным сплавом. В сплаве с более низкой энергией дефекта упаковки (Ni3Mn) возможно существование специальных границ без антифазных границ.

Работа посвящена изучению влияния поверхностного и объемного модифицирования структуры титана ВТ1-0 на его триботехнические свойства. Определены оптимальные режимы обработки титана пучком электронов (длительность импульса пучка электронов 50 мкс, количество импульсов 3, плотность энергии пучка электронов 25 Дж/см2 для крупнозернистого и 20 Дж/см2 для ультрамелкозернистого титана), приводящие к снижению изнашивания материала при трении в несколько раз. Исследована морфология поверхности трения, обнаружены вторичные структуры в виде островков, а также бороздчатая структура со следами схватывания. Предполагается, что в процессе трения происходит самоорганизация устойчивых вторичных структур, обеспечивающих кратное повышение износостойкости технически чистого титана ВТ1-0.

Представлены исследования по изучению химического и фазового состава, структуры и механических свойств поверхностных слоев титана, модифицированных в условиях имплантации ионами алюминия. Использованы образцы титана с различным размером зерна (от нанокристаллического до поликристаллического состояния). Было установлено, что ионная имплантация в высокой интенсивности режим позволяет образования мелкодисперсных (размер зерна менее 100 нм) интерметаллических фаз Ti3Al и TiAl оксиды и карбиды титана, а также твердый раствор алюминия в титане с переменным по глубине составом. Установлено, что в поликристаллическом титане (ср. размер зерна 17 и 38 мкм) после имплантации ионами алюминия вторичные фазы Ti3Al, TiAl, TiO2, TiC образуется в объеме зерен титановой матрицы. показано, что наноструктурные частицы TiO2 фазы расположены преимущественно на дислокациях в объеме зерна титановой матрицы. Показано, что в мелкозернистом титане Ti3Al фаза преимущественно формируется в имплантированном слое вдоль границы титанового зерна. Установлено, что TiAl3 фаза наблюдается только в титане в субмикро- (ср. размер зерна 0,3 мкм) и микроструктурном (ср. размер зерна 1,5 мкм) состояниях. Показано, что улучшение механических свойств титана связано с образованием градиентной структуры ионно-легированного поверхностных слоев.

Изучен процесс формирования структуры покрытия при электронно-лучевой наплавке. В качестве наплавочного материала использовали порошковые смеси Cu-Cr и Р6М5 + TiC. Показано, что за счет образования сильно перегретой области в зоне действия электронного луча происходит плавление либо растворение в жидкой ванне всех компонентов порошковой смеси присадочного материала. Быстрая кристаллизация расплава обеспечивает образование сильно пересыщенного твердого раствора. Старение наплавленных покрытий приводит к образованию мультимодального распределения частиц упрочняющей фазы в объеме наплавленного слоя.??.

Изучено влияние высокодисперсной фракции в смеси с грубодисперсным порошком на структуру, фазовый состав и механические свойства керамики на основе ZrO2. Показано, что зависимости объема порового пространства и среднего размера пор в керамиках от доли высокодисперсной фракции в порошках немонотонны. С увеличением доли высокодисперсной фракции в смеси с грубодисперсным порошком в получаемой керамике сокращается количество сообщающихся пор и возрастает количество изолированных пор. При одинаковом объеме порового пространства в керамике, полученной из грубодисперсного порошка ZrO2, пористость представлена по большей мере сообщающимися поровыми кластерами , в керамике, полученной из высокодисперсного порошка ZrO2, преобладали изолированные поры.

Исследовано влияние низкотемпературных отжигов на структуру и свойства порошка ZrO2-Y2O3, полученного методом обратного химического осаждения. Показано, что увеличение температуры отжига приводит к уменьшению среднего размера частиц, изначально представляющих собой пористые агломераты с большой удельной поверхностью, до монолитных полидоменных частиц, размеры которых соизмеримы с размерами кристаллитов. Рост зерна в системе ZrO2-Y2O3 при отжиге определяется поверхностной диффузией.

Изучено деформационное поведение при растяжении субмикрокристаллического титанового сплава Ti–6Al–4V с различным содержанием водорода при температурах 293, 923 и 973 K. Установлено, что легирование водородом в количестве 0.08...0.33 мас. % повышает устойчивость сплава к локализации деформации на макроуровне при комнатной температуре и понижает при температурах 923 и 973 K. Обсуждаются возможные причины снижения устойчивости сплава к локализации деформации на макроуровне в присутствии водорода.

Исследовано изменение структурно-фазового состояния, нанотвердости и износостойкости, распределения элементов в поверхностном слое градиентных нанокомпозитных покрытий TiN при имплантации пучками ионов Al + B и вакуумном отжиге в интервале температур от комнатной до 1373 K. Обнаружено повышение износостойкости покрытий в 4 раза и нанотвердости в 1.4 раза. Наблюдаемые эффекты могут быть связаны с выделением и растворением тонкодисперсных боридных фаз, изменением среднего размера и преимущественной ориентации зерен основной фазы.

Исследованы структурные характеристики и трибомеханические свойства покрытий на основе системы Ti-Al-N, полученных в условиях магнетронного напыления без и с сопровождением ионной бомбардировкой, а также путем послойного напыления с ионнолучевой обработкой каждого слоя. Установлен характер влияния температуры осаждения и способа ионной обработки на микро- и нанотвердость, модуль упругости и износостойкость покрытий. На основании анализа фазового и химического состава покрытий и определения уровня внутренних упругих напряжений, параметра решетки, среднего размера и кристаллографической ориентировки зерен основной фазы Ti1-хAlхN обсуждаются возможные механизмы наблюдаемого изменения свойств покрытий.

Методами оже-спектроскопии электронов, электронной микроскопии, рентгеноструктурного анализа, измерения микротвердости исследованы особенности взаимосвязи состава, тонкой структуры с изменением прочностных свойств наноструктурных и нанокомпозитных покрытий Ti-Al-Si-N с высоким содержанием кислорода и углерода. Показано, что в данных покрытиях может быть сформирована фаза на основе TiN с нанокристаллической или двухуровневой зеренной структурой, распределенная в рентгеноаморфной фазе, объемна доля которой составляет 20-5-%. Характер зеренной структуры можно целенаправленно изменять легированием покрытий алюминием и кремнием. Установлено, что независимо от структурного состояния и состава покрытий в них наблюдается высокая термическая стабильность сверхтвердости и микроструктуры. Снижение твердости наблюдается в результате дислокационного возврата, релаксации напряжений и развития начальных стадий рекристаллизации. Высказано предположение, что высокие прочностные свойства покрытий обусловлены наличием дислокационной субструктуры и высоким сопротивлением сдвигу рентгеноаморфных фаз по границам нанокристаллитов.

Представлены результаты комплексного исследования микроструктуры и механических свойств поверхностных слоев титана в различных структурных состояниях (субмикрокристаллическое, микрокристаллическое и крупнозернистое), модифицированного в условиях имплантации ионами алюминия. Повышение физико-механических свойств титановых материалов основано на формировании модифицированного поверхностного слоя, состоящего из реструктурированной исходной мишени и формируемого твердого раствора. Уменьшение размера зерна исходного материала приводит к внедрению компонентов на большие глубины вследствие диффузии, что, в свою очередь, оказывает положительное влияние на свойства имплантированных материалов.

Исследован элементный состав и структурно-фазовое состояние поверхностных слоев никеля и титана, легированных в режиме высокоинтенсивной имплантации ионов алюминия на ионно-плазменном, вакуумно-дуговом источнике "Радуга-5". Установлено, что происходит формирование ионно-легированных слоев толщиной до 1000 нм (Ni) и 2000 нм (Ti) в процессе ионной имплантации. Показано, что поверхностные модифицированные слои содержат наноразмерные (средний диаметр 20-70 нм) интерметаллидные фазы Me3Al, MeAl (Me=Ni, Ti) и твердые растворы переменного по глубине состава, соответствующие равновесным диаграммам состояния систем Ni-Al и Ti-Al. Обнаружено, что увеличение дозы облучения титановых мишеней ионами алюминия приводит к росту толщины ионно-легированного слоя и среднего размера зрен интерметаллидных фаз. Установлена обща закономерность в локализации фаз, сформированных в процессе имплантации, по глубине легированных слоев металлов. Поверхностные слои содержат несколько многофазных зон, количество фаз в которых уменьшается по мере удаления о облучаемой поверхности. Область, содержащая интерметаллиды Me3Al, MeAl и наиболее близко расположенная к поверхности, способствует улучшению физико-механических свойств материалов.

Методами ОЭС, ПЭМ и рентгеновского фазового анализа исследован элементный состав, морфология и структурно-фазовое состояние поверхностного слоя титана, имплантированного ионами алюминия. Установлено, что в имплантированном слое толщиной 2.6 мкм со структурой твердого раствора алюминия в титане образуются мелкодисперсные (-70 нм) фазы интерметаллидов Ti3Al и TiAl, которые могут объединяться в конгломераты размером до 584 нм, а также соединения состава TiAl3. Модифицированный поверхностный слой ионо-имплантированного титана характеризуется повышенными физико-механическими свойствами.

Исследованы мезоскопические масштабные уровни пластической деформации поверхностных слоев поликристаллов свинца, его сплавов с малорастворимыми элементами, алюминия и титана при знакопеременном изгибе. Обнаружены новые механизмы пластического течения на мезоуровне: расслоение материала в зонах стесненной деформации на ламели и их взаимное смещение (свинец и его сплавы), самосогласованное гофрирование поверхностного слоя в иерархии мезомасштабных уровней деформации (алюминий), аномально большие вертикальные смещения мезоблоков поверхностного слоя с формированием двухуровневой клеточной структуры (титан с наводороженным поверхностным слоем). На основе многоуровневого подхода делается заключение, что механизмы деформации поверхностных слоев твердых тел на мезоуровне при знакопеременном изгибе определяются самосогласованием поворотных мод деформации в поверхностных слоях и «шахматным» распределением нормальных и касательных напряжений на границе раздела «поверхностный слой – подложка».

Методом электронной микроскопии, рентгеноструктурного анализа, измерения микро- и нанотвердости исследованы особенности взаимосвязи тонкой субструктуры с изменением прочностных свойств однофазных (TiN) и нанокомпозитных покрытий (TiN/Cu, AlN/Cu, Ti–Si–B–N) вблизи поверхности сопряжения с подложкой и на поверхности покрытия. Показано, что в покрытиях TiN, TiN/Cu, Ti–Si–B–N обнаруживается двухуровневая зеренная структура с фрагментацией зерен размером 0.1...0.3 мкм на субзерна размером 0.15...0.25 нм с малоугловыми (delta)(phi) = 4x10(3) ч и релаксация внутренних напряжений, измеренных по кривизне-кручению решетки. В покрытиях Ti–Si–B–N с примесями кислорода и углерода наблюдаются стабильные значения H(mu) ~ 55...60 ГПа в структурных состояниях, отвечающих двухуровневой зеренной структуре легированного кремнием нитрида титана и аморфных зернограничных фаз. В покрытиях AlN/Cu при однородном распределении нанозерен нитрида алюминия (d 20...25 нм) низкие значения твердости H(mu).

Исследованы состав, структура, микротвердость и износостойкость покрытий на основе TiCxNy и Ti1–xAlxN, осаждаемых с помощью магнетрона постоянного тока в условиях высоких мощностей разряда и низких давлений рабочей газовой смеси. Обнаружено значительное повышение микротвердости и износостойкости покрытий TiCxNy с увеличением отношения парциальных давлений ацетилена к азоту, а покрытий Ti1–xAlxN при увеличении температуры осаждения, которое связывается с изменениями состава и структурных характеристик покрытий.

Методами металлографии, рентгеноструктурного и микрорентгеноспектрального анализа исследованы индуцированные стационарной вакуумной дугой структурные превращения в поверхностном слое Al-Ti катодов, изготовленных по разным технологиям (литье, спекание и горячее прессование порошковых смесей).

Исследовано влияние режимов микродугового оксидирования (времени процесса, длительности импульса тока, анодного напряжения) и состава электролита на величину пористости анодно-оксидных покрытий, полученных на сплавах алюминия Д-16АТ и титана ВТ1-00. Установлено, что, варьируя величиной анодного напряжения, длительностью импульса тока, временем процесса и составом электролите, можно получать покрытия с различной пористостью, большими или малыми порами, в зависимости от необходимых физико-механических свойств покрытия. Определены оптимальные режимы формирования качественных функциональных керамических покрытий.

Проведено исследование возможностей сохраняющей поперечный размер прессуемого образца накопительной экструзии в качестве метода интенсивной пластической деформации на примере алюминиевых порошковых материалов. Выяснено, что выбранный метод многократной экструзии вполне приемлем как для уплотнения порошковых материалов, так и для их интенсивной деформации.

Анализируются концентрационные профили ионов алюминия в поликристаллическом титане, имплантированного полиэнергетическим пучком вакуумно-дугового источника через осаждаемую на поверхность мишени газо-металлическую пленку.

Исследованы свойства оксигидроксидов алюминия (ОГА), полученных окислением электровзрывного ультрадисперсного (нано-) порошка алюминия водой (55 оС) с последующим прокаливанием исходного образца в температурном интервале 100-1150 оС. Такие материалы нашли применение в качестве высокоэффективных адсорбентов для тонкой комплексной очистки воды. С использование методов рентгеноструктурного, термического анализа и порометрии определены основные структурные характеристики образцов. Установлено, что исходный ОГА содержит две модификации - псевдобемит и байерит. В зависимости от условий термообработки наблюдаются следующие фазовые переходы: байерит -n-Al2O3 -Q-Al2O3 - a-Al2O3 и псевдобемит -y-All2o3 - b-Al2O3 - Q-Al2O3 - a-Al2O3. Оксигидроксиды, полученные при относительно низких температурах прокаливания, характеризуются высокой удельной поверхностью и наличием микропористой структуры. Повышение температуры прокаливания приводит к исчезновению микропор и увеличению объема и размера мезопор.

Исследованы процессы прямого взаимодействия электровзрывных ультрадисперсных порошков алюминия с водой и свойства образующихся оксидно-гидроксидных фаз в зависимости от условий их последуцющего прокаливания. На основе результатов рентгенофазового, термогравиметрического анализа и электронной микроскопии рассмотрен механизм формирования ультрадисперсных оксидно-гидроксидных фаз алюминия. Приведены сведения о некоторых возможных областях применения полученных продуктов.

Исследованы процессы горения смесей ультрадисперсного электровзрывного порошка алюминия с водой, загущенной 3 %-й добавкой полиакриламида. Реакция в режиме горения сопровождается образованием перегретого вспенивающегося слоя в гелеобразной воде. Обнаружена неполнота сгорания алюминия в стехиометрической смеси, объясняемая выкипанием воды из реакционной зоны. Термопарными измерениями и расчетом по составу продуктов сгорания определены максимальные температуры горения в различных условиях. Показана возможность получения ультрадисперсного или монолитного корунда в качестве продукта реакции.

Приведены результаты экспериментальных исследований взаимодействия наноразмерных порошков титана (Ti), алюминия (Al), никеля (Ni), железа (Fe), цинка (Zn) и меди (Cu) в энергетических конденсированных системах (ЭКС), содержащих раствор тетразольного полимера в нитроэфирах. Показаны основные структурные изменения в таких ЭКС во время изготовления и реализации. Отмечено, что структурные преобразования связаны с электрохимическими реакциями в композитах. Обсуждается вероятность образования интерметалличесих соединений в энергетических системах, содержащих наноалюминий и другие нанометаллы, а также влияние интерметаллидов на горение и детонацию.

В данной работе приведено описание метода точных МТ-орбиталей (ТМТО) и проведено исследование его применимости для моделирования термодинамических и механических свойств чистых компонентов сплавов на основе Ti и Zr. Проведены расчёты полных энергий Ti, Zr, Nb, V, Mo и Аl в гранецентрированной кубической (ГЦК), объёмноцентрированной кубической (ОЦК) и гексагональной плотноупакованной (ГПУ) структурах. Рассчитаны теоретические значения параметров решётки, упругие постоянные и уравнения состояния. Во всех случаях расчёты методом ТМТО предсказывают правильную структуру основного состояния. Для стабильных структур проведено сравнение полученных результатов с экспериментом и с расчётами полнопотенциальными методами.