Регистрация / Вход
Прислать материал

14.587.21.0030

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.587.21.0030
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС"
Название доклада
Разработка композиционных материалов с наноразмерными упрочняющими частицами при выполнении проекта "Применение синхротронного излучения для исследования металломатричных нанокомпозитов с объемной долей упрочняющих наночастиц от 1 до 40%, полученных по различным технологическим режимам"
Докладчик
Попов Владимир Алексеевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Разработка композиционных материалов с наноразмерными упрочняющими частицами. Разработка методики применения синхротронного излучения для исследования композитов со структурными компонентами размером порядка 5 нм. Традиционные установки рентгенофазового анализа исследовать такие материалы не позволяют.
На данном этапе осуществления проекта задачами являются:
1) Разработать композиционных материал с упрочняющими наночастицами карбида титана с применением in situ синтеза при механическом легировании. В этом случае наночастицы не имеют контакта с атмосферой и на границе раздела "матрица-упрочняющая частица" загрязнений не образуется.
2) Разработать композиционные материалы с неагломерированными упрочняющими наноалмазными частицами.
Актуальность и новизна исследования
Снижение размера упрочняющих частиц приводит к повышению эксплуатационных характеристик. Однако при применении наночастиц сталкиваются с проблемой агломерации наночастиц, то есть с объединением первичных наночастиц в непрочные агрегаты больших размеров, а также с загрязнением поверхности раздела «матрица-упрочняющая частица». Разработка способов, устраняющих эти проблемы, является актуальной задачей. Кроме этого, существует: (а) Проблема идентификации наночастиц в металлической матрице - традиционные установки рентгенофазового анализа не позволяют идентифицировать такие объекты. Идентификация необходима для того, чтобы удостоверится, что в процессе технологической обработки не произошло какой-либо трансформации материала упрочняющих частиц или не произошло ли удаление наночастиц из материала. (б) Проблема определения структурных характеристик материала матрицы композита (областей когерентного рассеяния, микронапряжений и др.) в микрообластях: в зонах, прилегающих к поверхности гранул и в глубине гранул. Особенно это важно после термической обработки.
Применение разработанных методик позволит решить основную проблему: определить влияние состава композита и осуществленной технологической обработки на структуру и свойства композиционных материалов. На основе полученных данных будут сформулированы рекомендации для выбора составов и режимов технологической обработки композиционных материалов с неагломерированными наноалмазными упрочняющими частицами.
Только в последнее время стали появляться публикации о разработке композитов с упрочняющими частицами порядка 5 нм. Поэтому и появилась проблема идентификации таких частиц в металлической матрице.
Описание исследования

На первом этапе выполнения проекта проведены исследования по разработке композитов с неагломерированными упрочняющими частицами порядка 5 нм. В качестве упрочняющих частиц применены наноалмазы детонационного синтеза и наночастицы карбида титана, синтезированные in situ методом непосредственно в металлической матрице. Средний размер наноалмазных частиц равен 5 нм, средний размер наночастиц карбида титана равен 15-20 нм.

Основным способом получения композиционных гранул являлось механическое легирование (как для композитов с наноалмазными упрочняющими частицами, так и для композитов с упрочняющими частицами карбида титана).

Разработка композита с упрочняющими наночастицами карбида титана с применением in situ синтеза при механическом легировании.

Было исследовано 6 составов исходных смесей для получения композита с алюминиевой матрицей и один состав с медной матрицей (указаны массовые проценты): 15%Al; 30% Al; 42% Al; 50% Al; 58% Al;  70% Al; 30%Cu; остальное – смесь титана и наноалмазов.  Соотношение массы титана к массе наноалмазов к каждой навеске соответствовало соотношению атомных масс.

Исследование полученного композиционного материала осуществили рентгенофазовым анализом (РФА), сканирующей электронной микроскопией (СЭМ), просвечивающей электронной микроскопией (ПЭМ), диффкеренциальной сканирующей калориметрией (ДСК). Исследования структуры композитов проводили при помощи двухлучевого сканирующего электронного микроскопа Helios NanoLab 600i (разработка FEI), при этом вначале изготавливали сечение гранулы ионным пучком, а затем осуществляли изучение полученного сечение. Такая методика гарантировала получение достоверной информации об упрочняющих частицах внутри металлической матрицы. Количественную металлографию  осуществляли при помощи программного обеспечения AxioVision Release 4.5 software package. Исследование тепловых эффектов при нагревании образцов проводили на дифференциальном сканирующем калориметре "DSC 404 C Pegasus" фирмы "NETZSCH" (Германия).

Применение наноалмазов позволяет интенсифицировать протекание процессов механического легирования, так как очень большое количество твердых наночастиц размером 5 нм «надрезают и разрезают» металлические частицы. И это позволяет осуществить синтез наночастиц карбида титана непосредственно в процессе механического легирования.  Объемная фракция матричного материала значительно влияет на процессы синтеза. На первом этапе исследований осуществляли механическое легирование в течение 6 часов. При 15масс% алюминия повышается интенсивность синтеза карбида титана, который протекает с выделением значительного количества тепла. При малом содержании матричного материала интенсивность процессов синтеза чрезвычайно высока, что приводит, с одной стороны, к значительному разогреву технологического инструмента, а с другой стороны, к повышению размера синтезируемых частиц, так как агломераты наноалмазов еще практически не раздроблены. Обе тенденции нежелательны, так как разогрев технологического инструмента может привести к выходу из строя оборудования, а увеличение размера частиц ставит под вопрос применение наноалмазов в качестве прекурсоров, так как частицы больших размеров можно получить и при применении более дешевых материалов. Повышение содержания материала матрицы приводит  к снижению негативных явлений, но при содержании алюминия 30масс% разогрев барабанов еще значителен. При 42масс% алюминия в смеси компонентов композиционного материала, с одной стороны интенсивность синтеза карбида титана остается на высоком уровне, а, с другой стороны, негативные явления уже отсутствуют.  Дальнейшее увеличение содержания алюминия приводят к замедлению процессов синтеза.

Разработка композиционных материалов с неагломерированными упрочняющими наноалмазными частицами

Механическое легирование по обычным режимам не позволяет полностью раздробить агломераты наноалмазов в металлической матрице при их содержании более 10 5(объемных). Для полного раздробления агломератов необходимо осуществить  дополнительные технологические приемы:

1) Добавить в обрабатываемую смесь прочные микро- и нано-частицы,например, вольфрамовый порошок.

2) Применить в качестве мелющего инструмента квазицилиндрическое тело

3) Выбрать состав матицы, при котором в процессе механического легирования происходят фазовые превращения.

Результаты исследования

 

 

Исследования показали, что оптимальным содержанием алюминия для осуществления  “in situ” синтеза при механическом легировании является 42 масс%. Следует заметить, что при таком содержании алюминий в композиционных гранулах предотвращает, в основном, контакт синтезированных наночастиц карбида титана с атмосферой, что препятствую образованию загрязнений на границе раздела «упрочняющая частицы-матрица». Композиционные гранулы этого состава были подвергнуты более детальному изучению. Ионным пучком были изготовлены сечения нескольких гранул и при помощи сканирующего электронного микроскопа исследовали структуру композита. На Рис.1 представлены СЭМ изображение структуры композита.

Рис.1. Изображение структуры композита "Al+TiC" (СЭМ)

Упрочняющие частицы карбида титана являются наноразмерными и они равномерно распределены в металлической матрице. Средний размер наночастиц карбида титана колеблется в пределах 15-20 нм.

Дифференциальную сканирующую микроскопию применили для исследования температурной стабильности разработанного материала. Исследованию подвергали гранулы “as milling” . На Рис.2 представлены полученные ДСК кривые. Осуществили два нагрева (первый и повторный) одного и того же образца. На ДСК кривой, полученной при первом нагреве, присутствуют два эндотермических пика. Первый пик (630-670 оС) вызван расплавлением алюминиевой матрицы. Для объяснения возникновения второго пика возможно предложить следующую гипотезу. Так как на рентгеновских дифрактограммах присутствуют пики только от двух кристаллических фаз, то можно предположить, что в процессе механического легирования в системе Al-Ti-C появляется неустойчивая нестабильная аморфная фаза, предвестник формирования двойных карбидов и алюминидов титана. При нагреве эта нестабильная фаза распадается на алюминий (высвобождающийся алюминий расплавляется, что вызывает появление второго эндотермического пика), карбид титана, алюминид титана Al3Ti  и двойные карбиды Ti3AlC2, Ti2AlC.

                                         а)

 

                                            б)

Рис.2. Результаты ДСК исследований композита "Al+TiC": а) при первом нагреве; б) при повторном нагреве

 

При повторном нагреве второй пик практически исчезает. Химического взаимодействия между алюминиевой матрицей и карбидом титана не обнаружено. Основными компонентами композита остаются алюминий и карбид титана. Это означает, что данный композит можно применять в литейных технологиях без опасения протекания нежелательных химических реакций. Причем это применение возможно и в качестве “master alloy”, и как самостоятельного материала.

Проведенные исследования позволили предположить, что и в случае применения другого материала для матрицы, будут протекать аналогичные процессы. Был проведен эксперимент по разработке композита с медной матрицей при содержании меди 30масс%. Синтез карбида титана прошел полностью. Также было проведено ДСК исследование медных композитов. Результаты указывают на то, что температурных ограничений на применение такого композита вплоть до 900 оС нет

Разработка композиционных материалов с неагломерированными упрочняющими наноалмазными частицами

Рис.3 демонстрирует структуру композита, обработанного по обычным режимам и по разработанным технологическим схемам. Отчетливо видно, что разработанные способы позволяют получить неагломериванное состояние наноалмазных упрочняющих частиц.

а)

б)

Рис.3. Структура композита обработанного по обычным режимам (а) и по разработанным режимам (б)

 

Практическая значимость исследования
Разработанные композиты с упрочняющими наночастицами карбида титана можно применять в литейных технологиях без опасения протекания нежелательных химических реакций. Причем это применение возможно и в качестве “master alloy”, и как самостоятельного материала.
Постер

Popov-Poster.ppt