В режиме послойного горения синтезированы и исследованы металломатричные композиты “карбид титана - связка из стали Р6М5”. Из продуктов синтеза получены композиционные порошки TiC + Р6М5, которые использовались для электронно-лучевой наплавки покрытий. Установлено, что наплавленное композиционное покрытие содержит разномасштабные упрочняющие элементы в виде гранул композиционного порошка и отдельных карбидных частиц в стальной матрице, которые отличаются дисперсностью и морфологией. Прослежена эволюция микроструктуры гранул композиционного порошка в процессе наплавки, заключающаяся в частичном растворении периферийной части гранул с высвобождением и переходом карбидных включений в расплав наплавочной ванны.

Исследован эффект модифицирования структуры высокохромистого белого чугуна добавкой дисперсного порошкового карбида титана при спекании и электронно-лучевой наплавке. Наиболее сильное измельчение структуры, сопровождаемое ростом твердости, наблюдается для чугуна доэвтектического состава. Наибольшую твердость имеют спеченные композиты карбид титана - высокохромистый чугун. Относительно меньшая твердость наплавленных композиционных покрытий аналогичного состава объясняется вакуумной очисткой наплавочной ванны от примесей внедрения.

Исследованы структура и свойства композиционных порошковых покрытий на основе карбида титана, нанесенных методом электронно-лучевой наплавки. Показано, что технология электронно-лучевой наплавки порошка на основе никеля и карбида титана позволяет получать высококачественные износостойкие покрытия, превосходящие по плотности и твердости покрытия, полученные напылением и оплавлением. Изменения объемной доли упрочняющей фазы и химического состава металлической матрицы позволяют контролировать твердость покрытия.

С применением самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) получены композиционные порошки «карбид титана – связка из высокохромистого чугуна или быстрорежущей стали Р6М5». Электронно-лучевые покрытия, наплавленные синтезированными порошками, исследованы методами металлографии и рентгеноструктурного анализа. Обсуждено влияние микроструктуры и фазового состава, а также объемного содержания и морфологии карбидной фазы в наплавленных покрытиях на их твердость и абразивную износостойкость.

Исследованы композиционные покрытия "карбид титана - сплав на основе железа", нанесенные методом электронно-лучевой наплавки. Структура наплавленных покрытий подобна структуре спеченных карбидосталей, причем стальная связка закаливается в процессе нанесения покрытия, что обеспечивает дополнительное повышение его твердости.

Методом остаточной прочности исследована термостойкость спеченных металлокерамических композиционных материалов на основе TiC. Обнаружена сильная зависимость термостойкости и коэффициента вариации остаточной прочности от химического состава металлической связки и объемной доли карбидной фазы в материале. Сделан вывод об определяющем значении для термостойкости композиционных материалов величины сжимающих напряжений в объеме материала, которая, в свою очередь, определяется разностью коэффициентов термического расширения карбидной и металлической фазы.

Исследованы механические и триботехнические свойства композиционных покрытий, полученных методом электронно-лучевой наплавки на основе азотсодержащей хромомарганцевой стали с карбонитридами титана. Проведенные испытания на растяжение образцов с покрытиями показали, что с увеличением объемной доли упрочняющей фазы материал покрытия эффективнее сопротивляется пластической деформации. Твердость (HRC) покрытий увеличивается с ростом содержания упрочняющей фазы. Испытания образцов с покрытиями на абразивную износостойкость и износ пары трения по схеме «вал – две плоские колодки» показали, что с увеличением в покрытиях доли карбонитридов титана улучшаются их триботехнические характеристики.??.

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.

Исследовано структурно-фазовое состояние и механические свойства композиционных материалов TiC-TiNi, легированных железом. Установлено, что при спекании каркаса карбида титана с железом и последующей пропитке никелидом титана атомы железа диффундируют в матрицу, образуя градиентную по химическому составу и свойствам В2 структуру с различными температурами мартенситного превращения, что проявляется в расширении и смещении в область низких температур гистерезиса мартенситных превращений при увеличении концентрации железа. Показано, что при комнатной температуре прочностные свойства композиционных материалов TiC-TiNI с радиентной матрицей возрастает при увеличении концентрации железа.

В работе приведены результаты исследования структуры и трибологических свойств композиционных покрытий «диборид титана – металлическая связка», полученных методами электронно-лучевой наплавки, газопламенным напылением и напылением с последующим оплавлением электронным лучом. Показано, что покрытия, полученные электронно-лучевой наплавкой, обладают более высокими значениями износостойкости при абразивном изнашивании и износе в парах трения.

Предложена модель формирования неравновесного поверхностного слоя в процессе электронно-лучевой модификации композиционного материала. Учитываются особенности процессов переноса в матрице и во включениях, а также характер границ раздела между ними. Приведены примеры численного исследования модели для случая идеального контакта между частицами и матрицей. Показан различный характер формирования диффузионных зон в окрестности частиц, расположенных на разном расстоянии от внешней поверхности.

Разработаны технологические параметры получения методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) карбонитридов титана и металлокерамических композиционных порошков на их основе с матрицей из высокоазотистой стали Х20ФГ20 (N=0,9 масс%). Установлены оптимальные режимы синтеза. Проведено исследование качественных характеристик материалов (гранулометрический состав порошка, содержание газов, структура). На основе синтезируемых композиционных порошков системы "TiCN-X20АГ20" методом электронно-лучевой наплавки получены покрытия, исследованы их структура и свойства.

Проведено исследование морфологии частиц, удельной поверхности и тонкой кристаллической структуры порошков диоксида циркония и карбида титана, подвергнутых механической активации в шаровой мельнице, и свойств керамических композиционных материалов на их основе. Установлено, что максимальную плотность образцов после спекания позволяет получить не совместная, а раздельная механическая обработка порошков Zr02(Y203) и TiC. При этом добавка 15 % TiC позволяет получить минимальную пористость около 1 % и максимальную твердость 12,5 ГПа. В приграничной области между матрицей и упрочнителем происходит диффузионное взаимодействие с образованием сложного оксикарбида.

Методами рентгеноструктурного анализа, оптической и растровой электронной микроскопии исследованы продукты самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) в реакционных порошковых смесях титана и углерода (сажи), содержащих избыток титана с целью получения из продуктов синтеза композиционных порошков "карбид титана - титановая связка". На основе результатов исследования фазового и элементного состава СВС порошков, синтезированных в аргоне, установлено образование карбида титана нестехиометрического состава, что привело к уменьшению содержания титановой связки в композиционных порошках по сравнению с расчетными значениями. Результаты исследования зависимостей морфологии и структуры карбидной фазы в композиционных порошках от содержания титана в реакционных смесях обсуждены в совокупности с результатами определения термокинетических характеристик послойного горения.

Выполнены сравнительные исследования покрытий из быстрорежущей стали и керметного порошка на ее основе с содержанием 50 об.% упрочняющей карбидной фазы TiC. Покрытия формировали Ar-N2 плазмой с местной защитой из порошков с размерами частиц от 25 до 55 мкм. Показано, что содержание фазы TiC в покрытии сохраняется, однако период решетки этой фазы снижается с 0,43212 нм для порошка до 0,43035 нм в покрытии из-за изменения содержания углерода, кислорода и азота, В результате плазменного напыления порошка 50 об. % TiC - Р6М5 среднее содержание углерода в покрытии уменьшается с 7,83 до 6,74 масс. %. Содержание кислорода в керметном покрытии увеличивается до 2,8 масс. % по сравнению с 0,8 масс. % в исходном порошке. Содержание азота также увеличивается с 0,05 до 0,89 масс. %. Микротвердость частиц исходных порошков быстрорежущей стали составляет 8,91 ГПа, а картмета 50 об. % TiC - Р6М5 — 9,5 ГПа. Значение микротвердости керметного покрытия, 11,0 ГПа, соответствует расчетному значению, полученному по правилу смесей, при микротвердости покрытия из стали Р6М5 6,64 ГПа.

Исследованы триботехнические характеристики композиционных покрытий, полученых методом электронно-лучевой наплавки на основе азотсодержащей хромомарганцевой стали с карбонитридами титана. Показано, что с ростом содержания карбонитридов титана в матрице Х20АГ20 абразивная износостойкость возрастает. При испытании по схеме "вал - две плоские колодки" при комнатной температуре исследуемые покрытия с увеличением в них доли карбонитридов титана показывают более высокую износостойкость. Дополнительная термическая обработка покрытий улучшает их триботехнические характеристики и увеличивает диапазон допустимых скоростей скольжения и удельных нагрузок.

В книге обобщены экспериментальные результаты по влиянию наноразмерных алмазосодержащих добавок на процессы структурообразования и свойства материалов и покрытий, формируемых различными технологическими методами. Приведены сведения об общих закономерностях влияния размерного фактора на некоторые механические и физические свойства материалов, рассмотрены основные методы получения и подготовки наноразмерных алмазосодержащих материалов. Подробно рассмотрены особенности получения консолидированных нанокомпозиционных материалов триботехнического и инструментального назначения, формируемых методами электроимпульсного спекания и термобарического синтеза с их модифицированием наноразмерными алмазосодержащими добавками. Приведены данные о формировании модифицированных наноразмерными алмазосодержащими добавками поверхностных слоев с использованием методов электрохимического осаждения, газотермического напыления, микроплазменной обработки, трибомеханического модифицирования. Рассмотрены вопросы создания макрогетерогенных материалов с бронзовой матрицей, обладающей эффектом наноструктурирования поверхностного слоя в процессе трибовзаимодействия. Изложены принципы создания пластичных смазочных материалов с наноразмерными твердыми компонентами. Предназначена для научных, инженерно-технических работников, аспирантов и студентов, занимающихся вопросами материаловедения, инженерии поверхности, повышения долговечности быстроизнашиваемых деталей машин.

Теоретически и экспериментально изучен характер структурно-фазовых превращений в поверхностном слое инструментальной металлокерамики "карбид титана-никель-хромовая связка" при электронном облучении. Математически проанализировано термическое влияние электронного облучения на структуру приповерхностного слоя композиционного материала дисперсного строения, проведены количественные оценки глубины зоны структурно-фазовых превращений. Экспериментально исследованы микроструктура и концентрационный профиль распределения титана в металлическом связующем после импульсного электронного облучения.

Изучено влияние состава материала, давления прессования и температуры спекания на фазовый состав, плотность, прочность и электрическое сопротивление пористых проницаемых элементов систем TiC-Al2O3, и TiC-ZrO2 TiC-TiO2.

В работе изучено влияние состава материала, давления прессования, температуры и времени спекания на фазовый состав, плотность, прочность и электрическое сопротивление пористых проницаемых элементов систем TiC –Al2O3, TiC –ZrO2 и TiC –TiO2. Показано, что величина открытой пористости для систем TiC –Al2O3 и TiC –TiO2 изменяется в интервале 75...85 % от общего объема пор, предел прочности достигает значений 25...35 МПа, а удельное электрическое сопротивление равно (1...10) x 10–4 Ом x м.??.

На примере металлокерамического сплава карбида титана (TiC) с никельхромовым (Ni-Cr) связующим впервые выполнен сравнительный анализ влияния различных высокоэнергетических воздействий на дисперсность внутренней структуры и фазовый состав синтезированной металлокерамики 70vol.%TiC + 30vol.%(Ni-Cr)-сплав (самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС) под давлением, предварительная механическая активация (МА) металлических компонентов исходной порошковой смеси титан-углерод-никельхромовая связка; последующая МА порошковой смеси в целом; интенсивная пластическая деформация продукта синтеза). Показано, что в условиях интенсивной пластической деформации с экструзией продукта высокотемпературного синтеза формируется металлокерамическая структура, содержащая частицы карбидной фазы стехиометрического состава наномасштабной размерности.

Трение микрогетерогенных композитов на основе TiC проведено при нагрузке выше 100 МПа в смазочной среде. Скольжение металлических электроконтактных материалов осуществлено при плотности тока выше 100 А/см2 без смазки. Показано, что при высоких нагрузках давлением или электрическим током износ поверхности трения увеличивается при увеличении количества легирующих атомов или числа фаз в первичной структуре материала.

Проведены исследования элементного и фазового состава, макро- и микроструктуры, твердости и абразивной износостойкости покрытий, полученных плазменным напылением порошком быстрорежущей стали Р6М5 и СВС порошком TiC+50 об.% Р6М5. Рассмотрено структурное состояние примесей кислорода и азота и их влияние на свойства покрытий. Установлено, что металломатричная структура композиционного порошка сохраняется в неизменном виде в напыленном покрытии, что обеспечивает повышение твердости и износостойкости композиционного покрытия в 2,0 и 7,6 раз соответственно по сравнению с покрытием, напыленным стальным порошком.

Методом электронной микроскопии в тонких фольгах исследована кривизна-кручение кристаллической решетки в нанокомпозитных покрытиях на основе TiN с различной микроструктурой. Впервые обнаружены высокая кривизна-кручение решетки до 300° мкм-1 и внутренние упругие напряжения в нанокристаллических кристаллах TiN размером менее 20 нм. Выполнено сравнение упругонапряженных состояний в покрытиях с нанокристаллической и двухуровневой зеренной структурой. Высказаны предположения о природе структурных дефектов, обуславливающих наличие кривизны-кручения решетки в покрытиях с различной микроструктурой. Обсужден вопрос о природе сверхтвердости в этих покрытиях.

В справочнике приведены методы расчета физико-механических характеристик композиционных материалов и определения состава, структуры и свойств армированных композиционных материалов, экспериментальные данные по взаимодействию в бинарных системах металл - металл и металл - тугоплавкое соединение, основные решения уравнений диффузии для наиболее характерных случает высокотемпературного взаимодействия в композиционных материалах, упрочненных пластинчатыми, цилиндрическим и сферическими включениями. Систематизированы информация о термодинамических свойствах тугоплавких соединений, сведения о технологии изготовления, механических, физических и химических свойствах волокон (из стекла, бора, карбида кремния, борсика, углерода, керамики, органических соединений, металлов), нитевидных кристаллов и матричных материалов (металлических и полимерных), а также сведения о применении армированных, эвтектических, дисперсно-упрочненных композиционных материалов и псевдосплавов. Для технологов, конструкторов и научных работников, занимающихся созданием, изучением и применением композиционных материалов, а также для преподавателей, аспирантов и студентов вузов и факультетов материаловедческого профиля.

Представлены результаты рентгенофазового анализа и механических испытаний на сжатие горячепрессованных композитов Ai-Al43 при двух содержаниях углерода, вводимого в исходную порошковую смесь. Показано, что образующийся при горячем прессовании карбид алюминия приводит к увеличению предела текучести и эффективного модуля упругости тем больше, чем выше его содержание в композите.

Проведено исследование закономерностей ударного разрушения на разных масштабных уровнях образцов эпоксидных композиционных материалов, армированных дисперсным наполнителем (микрочастицами карбида кремния) в различной концентрации. Показано, что высокая степень структурной неоднородности эпоксидных композиционных материалов на различных структурных уровнях является одним из факторов, определяющих их физико-механические свойства. При динамическом деформировании в материале действует развитая иерархия структурных уровней деформации, которая обуславливает самосогласованное деформирование и разрушение всего объема материала при ведущей роли поворотных мод деформации. По этой причине развитие микротрещин (микроскол) обусловлено малой величиной сдвиговой деформации, дополнительно ограниченной наличием частиц упрочняющей фазы. При старте магистральной трещины определяющим является микроуровень, в то время как продвижение фронта трещины определяется макромеханизмами разрушения.

Систематизированы сведения о способах нанесения газотермических порошковых покрытий, применяемом оборудовании, исходных порошках, свойствах получаемых покрытий. Приведены данные о прочности сцепления, пористости, механических, теплофизических, электрофизических и коррозионных свойствах покрытий. Указаны области применения газотермических порошковых покрытий с примерами практической эффективности. Для широкого круга научных работников, конструкторов и технологов, занимающихся вопросами защиты и упрочнения поверхности деталей и конструкций, а также специалистов в области материаловедения.