| 16. |
Аннотация |
В настоящее время в науке и промышленности наблюдается повышенный интерес в изучении, разработке и применения функциональных мультифазных сплавов и металлокерамических композитов с высокими эксплуатационными характеристиками, в том числе безоксидной металлокерамики. Одним из
наиболее перспективных и стремительно развивающихся направлений в современном материаловедении, в том числе в области функциональных мультифазных сплавов, являются высокоэнтропийные сплавы. С тех пор как концепция высокоэнтропийных сплавов (ВЭС) впервые была предложена J.W Yeh, она
претерпела значительные изменения, особенно в последние годы. Благодаря крайне высоким механическим и физико-химическим свойствам ВЭС. Многокомпонентные ВЭС образуют преимущественно однофазную структуру. Одним из наиболее интересных типов ВЭС являются системы с когерентными ОЦК и B2 фазами, микроструктура которых напоминает сплавы на основе Ni, но в отличие от никелевых сплавов неупорядоченная ОЦК фаза присутствует в виде кубических наноразмерных частиц. Подобная структура обеспечивает сочетание высокой прочности и пластичности при высоких температурах и характерна для Al-содержащих многокомпонентных систем. Однако помимо твердых растворов в тугоплавких ВЭС иногда наблюдаются оксиды и интерметаллидные соединения в виде фаз Лавеса, которые могут негативно сказываться на пластических свойствах материала. Например, в системах NbCrMoTaTiZr, CrNbTiZr и CrNbTiVZr фаза Лавеса образуется в матрице ОЦК из-за меньшего атомного радиуса Cr по сравнению с другими элементами сплава. Тем не менее, удалось получить сплав NbMoTaWVCr с чрезвычайно высоким пределом текучести 3416 МПа и хорошей пластичностью 5,3% при комнатной температуре. Объемные доли фазы Лавеса (Cr,V)2(Ta,Nb) и оксидной фазы Ta2VO6 в данном сплаве составили 7,7% и 6,2% соответственно. Значительный интерес представляет возможность использования ВЭС в аддитивных технологиях. Распространенные в настоящее время методы получения порошков для аддитивных
технологий не позволяют получать такие порошки. Одним из альтернативных путей получения таких порошков является механическое легирование с последующей плазменной сфероидизацией. В настоящее время в области получения ВЭС накоплен достаточный теоретический и практический материал. Тем не менее, мало внимания уделяется процессам физико-химическим основам получения порошков ВЭС, их последующему применению в аддитивных технологиях, взаимосвязи между структурой и физическими свойствами, влияния внешних воздействий на стабильность микроструктуры, фазового состава и механических свойств, разработке рекомендаций по перспективам практического применения. Среди перспективных керамических материалов стоит обратить внимание на высокоэнтропийные керамические материалы и металлокерамику на основе карбидов переходных металлов IV-VI групп известных как
самых тугоплавких и твердых из всех соединений. В связи с этим в современной технике материалы на базе карбидных соединений используют в производстве конструкционных и инструментальных материалов, способных работать при высокой температуре, в агрессивных средах и при больших нагрузках. Высокоэнтропийные керамические материалы и металлокерамика на основе карбидов переходных металлов IV-VI групп считаются перспективными материалами, благодаря высоким температурам плавления, высокой твердости, износо- и коррозионной стойкости, жаропрочности, стойкости к окислению. С
другой стороны, традиционные методы производства сопряжены с высокой трудоемкостью, стоимостью и геометрическими ограничениями готовых изделий. В связи с этим применение аддитивных технологий для изготовления изделий из высокоэнтропийных керамических материалов и металлокерамики на данный момент является актуальным для решения технологических задач в таких отраслях, как авиация, космос, металлообрабатывающей, нефтегазовой и горнодобывающей промышленности за счет уникальных, физико-химических и механических свойств. Современные темпы развития промышленности и
науки ставят задачи создания и совершенствования различных технологий, а также внедрения передовых цифровых способов производства изделий из карбидной металлокерамики. В настоящий момент наибольшее распространение среди технологий аддитивного производства металлических изделий в России
получили методы селективного лазерного плавления и прямого лазерного выращивания. Однако при изготовлении металлокерамических или керамических изделий с помощью данных технологии возникает ряд проблем, приводящих к образованию трещин и сложностям при достижении высокого уровня свойств. Другой проблемой является высокая сложность при получении традиционными методами изделий с заданным градиентным переходом от чистого металла или сплава к металлокерамике с высоким содержанием карбидной фазы. Использование аддитивных технологий имеет потенциал для решения данной
проблемы за счет применение подхода в виде послойного синтеза с переменным составом исходного материала. В то же время за рубежом разработка новых методов аддитивного производства не останавливалась, одним из трендов в разработках являлось снижение стоимости оборудования и повышение
производительности. Технология струйного нанесения связующего за счет отсутствия дорогих источников энергии (лазер, электронный луч) и высоких температур в процессе формирования геометрии изделий позволяет значительно снизить стоимость оборудования, значительно увеличить скорость получения
заготовки, обеспечивает легкое масштабирование технологии для изготовления крупных деталей, но в тоже время данный класс технологий требует обязательной постобработки (спекания или пропитки), в рамках которой формируются конечная геометрия и свойства материала и изделий. В качестве исходных материалов возможно использование как керамических порошковых материалов, так и смеси порошков металл-керамика. Использование метода струйного нанесения связующего с последующей инфильтрацией позволит изготавливать карбидные металлокерамические композиты с высокой плотностью и механическими свойствами. При этом возможно применение различных сплавов в качестве связки для карбидной матрицы, что позволит варьировать характеристики материала в зависимости от требуемых свойств. Предлагается исследовать альтернативный метод аддитивного производства для изготовления металлокерамических композит – селективное лазерное плавление с высокотемпературным подогревом подложки. Использование этой технологии позволит снизить количество дополнительных стадий обработки материала, а высокие скорости кристаллизации и управление параметрами лазерного
сканирования потенциально позволят модифицировать структуру и свойства материала. Задачи 2023 год 1. Анализ современного состояния вопроса по получению перспективных функциональных мультифазных сплавов и металлокерамических композитов с высокими эксплуатационными характеристиками для
применения в аэрокосмической, энергетической и других наукоемких отраслях, в том числе в интересах развития Арктической зоны РФ. 2. Анализ потенциальных систем высокоэнтропийных сплавов, карбидов и боридов на их основе с использованием программных пакетов для моделирования
термодинамических процессов и построения фазовых диаграмм (FACTsage и ThermoCalc); расчет параметров, влияющих на процессы фазообразования в исследуемых сплавах: энтальпия и энтропия смешения, влияние размера атомов (параметров решетки), влияние концентрации валентных электронов,
общее влияние энтропии, энтальпии смешения и температур плавления. Выбор научно-обоснованных систем на основе следующих металлов Ti, V, Zr, Nb, Hf, Ta, W, Mo, Cr, углерода (C) и бора (В). 3. Установление физико-химических закономерностей механического легирования металлических
высокоэнтропийных сплавов с высокими эксплуатационными характеристиками для применения в аэрокосмической, энергетической и других наукоемких отраслях, в том числе в интересах развития Арктической зоны РФ. 4. Установление физико-химических закономерностей механохимического и
высокотемпературного синтеза карбидов/боридов высокоэнтропийных сплавов с использованием в качестве исходных компонентов механически легированного высокоэнтропийного сплава и углерода/бора. 5. Изучение механизмов формирования и свойств высокоэнтропийных сплавов и карбидов/боридов на их
основе. 6. Разработка и подбор технологических режимов технологии струйного нанесения связующего в зависимости от физико-технологических характеристик порошковых керамических материалов. 7. Исследование влияния технологических параметров процесса струйного нанесения связующего на физикотехнологические свойства заготовок. 8. Исследование процесса спекания металлокерамических и керамических заготовок, изготовленных струйным нанесением связующего, при спекании с использованием различных температурно-временных режимов. 9. Изучение закономерностей и формирование
зависимостей изменения плотности и геометрических размеров ввиду усадки после спекания металлокерамических заготовок, изготовленных методом струйного нанесения связующего. 2024 год 1. Установление физико-химических закономерностей плазменной сфероидизации высокоэнтропийных сплавов и
карбидов/боридов на их основе. 2. Исследование влияния технологических параметров компактирования порошков высокоэнтропийных сплавов и карбидов/боридов на их основе методами аддитивного производства на физико-технологические свойства заготовок. 3. Исследование механических свойств
компактных образцов высокоэнтропийных сплавов и карбидов/боридов на их основе. 4. Исследование функциональных свойств (трибологических, коррозионостойких, стойкости в высокотемпературном газовом потоке и т.д.) компактных образцов образцов высокоэнтропийных сплавов и карбидов/боридов на их
основе. 5. Исследование процесса консолидации керамических заготовок при спекании с использованием различных температурно-временных режимов при атмосфере инертных газов или вакуума с целью установления режимов, обеспечивающих формирование максимально плотной керамики и/или пористых
образцов с сетью сквозных каналов. 6. Разработка и выбор режимов селективного лазерного плавления в зависимости от физико-технологических характеристик и состава порошковых материалов. 7. Изучение процесса инфильтрации металлическим расплавом керамических пористых образцов с сетью
сквозных каналов для формирования металлокерамического композита. 8. Изучение процесса инфильтрации металлическим расплавом керамических образцов из максимально плотной керамики по геометрии, представляющие оболочку, заполненную ячеистыми конструкциями. 9. Проведение исследований
структурно-фазового состояния синтезированных металлокерамических композиционных образцов. 10. Проведение исследований механических характеристик синтезированных металлокерамических композиционных образцов. 2025 год 1. Исследование влияния внешних воздействий на стабильность микроструктуры, фазового состава и свойств компактных образцов высокоэнтропийных сплавов и карбидов/боридов на их основе. 2. Установление взаимосвязи между структурой и свойствами компактных образцов высокоэнтропийных сплавов и карбидов/боридов на их основе. 3. Исследование процесса минимизации остаточной пористости керамометаллических образцов методом горячего изостатического прессования. 4. Разработка и выбор технологий режимов термической обработки керамоматричных материалов, изготовленными методами аддитивного производства. 5. Разработка рекомендаций по
перспективам практического применения новых и перспективных функциональных мультифазных сплавов и металлокерамических композитов с высокими эксплуатационными в аэрокосмической, энергетической и других наукоемких отраслях, в том числе в интересах развития Арктической зоны РФ. |