11.12.2023
Ученые ВолгГТУ предложили технологию создания слоистых металло-интерметаллидных композиционных материалов с применением сварки взрывом. Такие материалы, подобно природной ракушке, состоят из множества чередующихся, различных по свойствам тонких слоев и, по мнению авторов работы, могут в перспективе быть использованы в энергетических установках, криогенном и теплообменном оборудовании в качестве теплозащитных барьеров, износостойких покрытий, жаропрочных и жаростойких материалов. Результат исследования опубликованы в Metals.
Интерметаллиды – химические соединения, состоящие из двух или более металлов, которые занимают промежуточное место между металлами и керамиками. Они сохраняют свою структуру и прочность при высоких температурах, имеют относительно низкую плотность, обладают хорошими функциональными характеристиками. Единственным недостатком, ограничивающим применение этих материалов, является хрупкость.
Как рассказали специалисты Волгоградского государственного технического университета (ВолгГТУ), часто в одном материале требуется сочетать довольно разные свойства, например, высокую прочность и низкую плотность, износостойкость и тепло- и электропроводность. Традиционные материалы (металлические сплавы, полимеры, керамики) редко могут обеспечить комплекс свойств, поэтому создаются композиционные материалы, состоящие из матрицы и распределенного в ней упрочняющего компонента (интерметаллид).
По словам ученых, в слоистых металло-интерметаллидных композитах металлические слои обеспечивают пластичность материала при комнатной температуре, а интерметаллидные – высокие значения предела прочности и текучести при повышенных температурах, а также необходимые функциональные свойства, например, жаро- и износостойкость.
Материаловеды разных стран активно работают над созданием подобных композитов. На сегодняшний день для их получения предлагается использовать ионно-плазменное или магнетронное напыление, диффузионную сварку или прокатку пакета пластин с последующей термической обработкой или обработкой лазером.
Указанные технологии получения имеют ряд недостатков, связанных, главным образом, с их энергоемкостью, сложностью применяемого технологического оборудования (требуются уникальные гидро- и газостаты, вакуумное термическое оборудование), ограниченными возможностями при формообразовании и последующих технологических переделах.
Кроме того, эти методы ограничены низкими скоростями диффузии вследствие наличия диффузионного барьера на границах соединения из оксидов. Этого недостатка практически лишены слоистые материалы, получаемые сваркой взрывом вследствие очищающего воздействия кумулятивной струи из раскаленных сжатых газов, идущей перед перемещающейся точкой соединения металлов.
Технология получения таких материалов, включающая операции сварки взрывом, обработки давлением и высокотемпературной термообработки, открывает возможности формирования слоистых материалов и покрытий из практически любого сочетания металлов и сплавов, способных образовывать интерметаллидные соединения.
Предложенная технология, по словам ученых ВолГТУ, позволит значительно сократить расход дефицитных и дорогостоящих материалов и может быть освоена на базе существующих металлургических предприятий, где имеются обычные прокатные и термические участки.
"В ходе проведенных исследований нами установлены оптимальные режимы сварки взрывом, обеспечивающие прочную связь между слоями титанового и никелевого сплавов, а также последующей термообработки, необходимой для синтеза интерметаллидных слоев требуемой толщины и состава", — рассказал один из авторов исследования доцент кафедры материаловедения и композиционных материалов ВолгГТУ Артем Богданов.
Богданов пояснил, что выбор титанового и никелевого сплавов в качестве основы при создании слоистых металло-интерметаллидных композитов обусловлен их хорошей свариваемостью взрывом, близкими значениями сопротивления деформации, а также уникальными свойствами интерметаллидов при нормальных и повышенных температурах.
Исследование выполнено в рамках гранта РНФ № 21-79-10246 "Разработка научных основ формирования структуры и свойств, создаваемых с использованием энергии взрыва слоистых функционально-градиентных покрытий на основе легированных алюминидов никеля и хрома".
В дальнейшем специалисты ВолгГТУ планируют оценить функциональные свойства металло-интерметаллидных композитов, в первую очередь их жаропрочность и стойкость к окислению.
ВолГТУ – участник программы государственной поддержки университетов РФ "Приоритет-2030" национального проекта "Наука и университеты".