Исследование способа получения объемного композиционного материала с керамической матрицей на основе диборида титана методом “холодного” напыления

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

В работе приводятся экспериментальные результаты по получению объемных образцов материалов Ti-Al-B4C методом “холодного” газодинамического напыления из смеси монопорошков в системе раздельно работающих дозаторов, с последующей термической обработкой. Изучены и апробированы параметры, позволяющие разработать эффективные методы создания изделий аддитивным способом. Практически и теоретически показано, что металлические пластичные частицы в составе заготовки-прототипа, сформированной методом “холодного” газодинамического напыления, могут выступать прекурсорным компонентом для образования высокотемпературных боридов и карбидов титана, что после тепловой обработки приводит к упрочнению объемного композиционного материала при отсутствии значительной усадки, сохранении низкой пористости и сплошности структуры.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Е. Ю. Геращенкова

НИЦ “Курчатовский институт” – ЦНИИ КМ “Прометей”; Санкт-Петербургский государственный технологический институт

Автор, ответственный за переписку.
Email: bykova.ad@gmail.com
Россия, Санкт-Петербург; Санкт-Петербург

М. А. Марков

НИЦ “Курчатовский институт” – ЦНИИ КМ “Прометей”; Санкт-Петербургский государственный технологический институт

Email: bykova.ad@gmail.com
Россия, Санкт-Петербург; Санкт-Петербург

А. Д. Каштанов

НИЦ “Курчатовский институт” – ЦНИИ КМ “Прометей”

Email: bykova.ad@gmail.com
Россия, Санкт-Петербург

Д. А. Геращенков

НИЦ “Курчатовский институт” – ЦНИИ КМ “Прометей”

Email: bykova.ad@gmail.com
Россия, Санкт-Петербург

Р. Ю. Быстров

НИЦ “Курчатовский институт” – ЦНИИ КМ “Прометей”

Email: bykova.ad@gmail.com
Россия, Санкт-Петербург

Н. В. Яковлева

НИЦ “Курчатовский институт” – ЦНИИ КМ “Прометей”

Email: bykova.ad@gmail.com
Россия, Санкт-Петербург

Е. Н. Барковская

НИЦ “Курчатовский институт” – ЦНИИ КМ “Прометей”

Email: bykova.ad@gmail.com
Россия, Санкт-Петербург

А. Д. Быкова

НИЦ “Курчатовский институт” – ЦНИИ КМ “Прометей”

Email: bykova.ad@gmail.com
Россия, Санкт-Петербург

Список литературы

  1. Зленко М.А., Попович А.А., Мутылина И.Н. Аддитивные технологии в машиностроении // Санкт-Петербург, Изд-во Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого. 2013. 223 с.
  2. Каблов Е.Н. Аддитивные технологии – доминанта национальной технологической инициативы // Интеллект и технологии. 2015. № 2(11). С. 52–55.
  3. Сироткин О.С. Современное состояние и перспективы развития аддитивных технологий // Авиационная промышленность. 2015. № 2. С. 22–25.
  4. Чумаков Д.М. Перспективы использования аддитивных технологий при создании авиационной и ракетно-космической техники // Труды МАИ. 2014. № 78. С. 31.
  5. Чемодуров А.Н. Применение аддитивных технологий в производстве изделий машиностроения // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2016. № 8-2. С. 210–217.
  6. Каблов Е.Н. Настоящее и будущее аддитивных технологий // Металлы Евразии. 2017. № 1. С. 2–6.
  7. Olakanmi E.O., Cochrane R.F., Dalgarno K.W. A review on selective laser sintering/melting (SLS/SLM) of aluminium alloy powders: Processing, microstructure, and properties // Progress in Materials Science. 2015. Vol. 74. P. 401–477.
  8. Gibson I., Shi D. Material properties and fabrication parameters in selective laser sintering process // Rapid Prototyping Journal. 1997. Vol. 3, № 4. P. 129–136.
  9. Kumar S. Selective laser sintering: a qualitative and objective approach // Journal of the Minerals Metals & Materials Society. 2003. Vol. 55, № 10. P. 43–47.
  10. Aguilar-Duque J. I., Hernandez-Arellano J. L., Avelar-Sosa L., Amaya-Parra G., Tamayo-Perez U.J. Additive manufacturing: Fused deposition modeling advances // Best Practices in Manufacturing Processes: Experiences from Latin America. 2018. P. 347–366.
  11. Sieminski P. Introduction to fused deposition modeling // Additive manufacturing. Handbooks in Advanced Manufacturing. 2021. P. 217–275.
  12. Косарев В.Ф., Алхимов А.П. Газодинамическое напыление. Новые технологии и оборудование // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). 2003. № 3(19). С. 28–30.
  13. Алхимов А.П., Клинков С.В., Косарев В.Ф., Фомин В.М. Холодное газодинамическое напыление: Теория и практика // Москва: ООО Издательская фирма “Физико-математическая литература”. 2010. 536 с.
  14. Tushinsky L.I., Alkhimov A.P., Kosarev V.F., Plokhov A.V., Mochalina N.S. Structure and properties of aluminum coatings obtained by the cold gas-dynamic spraying method // Thermophysics and Aeromechanics. 2006. Vol. 13, № 1. P. 125–129.
  15. Каширин А.И., Шкодкин А.В. Метод газодинамического напыления металлических покрытий: развитие и современное состояние // Упрочняющие технологии и покрытия. 2007. № 12(36). С. 22–33.
  16. Козлов И.А., Лещев К.А., Никифоров А.А., Демин С.А. Холодное газодинамическое напыление покрытий (обзор) // Труды ВИАМ. 2020. № 8(90). С. 77–93.
  17. Архипов В.Е., Дубравина А.А., Куксенова Л.И. Структура и свойства покрытий, нанесенных газодинамическим напылением // Упрочняющие технологии и покрытия. 2015. № 4(124). С. 18–24.
  18. Markov M.A., Krasikov A.V., Gerashchenkov D.A., Bykova A.D., Ordan’yan S. S., Fedoseev M.L. Formation of protective ceramic-metal coatings on steel surfaces by microarc oxidation with electro-chemical deposition of nickel // Refractories and Industrial Ceramics. 2018. Vol. 58, № 6. P. 634–639.
  19. Markov M.A., Kashtanov A.D., Krasikov A.V., Bykova A.D., Gerashchenkov D.A., Makarov A.M., Perevislov S.N. Corrosion-resistant ceramic coatings that are promising for use in liquid metal environments // Key Engineering Materials, Switzerland. 2019. Vol. 822. P. 752–759.
  20. Bykova A.D., Markov M.A., Krasikov A.V., Belyakov A.N., Makarov A.M. Study of the formation of functional ceramic coatings on // Journal of Physics: Conference Series. 2019. Vol. 1400. P. 055008.
  21. Makarov A.M., Gerashchenkov D.A., Aleksandrov S.E., Markov M.A., Gerashchenkova E.Y., Belyakov A.N., Bykova A.D. Study of the method of obtaining functional interest-metallic coatings based on Ni-Ti reinforced with WC nanoparticles // Key Engineering Materials, Switzerland. 2019. Vol. 822. P. 760–767.
  22. Assadi H., Kreye H., Gartner F., Klassen T. Cold spraying. A materials perspective // Acta Materialia. 2016. Vol. 116. P. 382–407.
  23. Papyrin A. Cold spray technology // Adv. Mater. Process. 2001. Vol. 159. P. 49–51.
  24. Arabgol Z., Assadi H., Schmidt T., Gartner F., Klassen T. Analysis of thermal history and residual stress in cold-sprayed coatings // Journal of Thermal Spray Technology. 2013. Vol. 23, № 1. P. 84–90.
  25. Li W., Yang K., Yin S., Yang X., Xu Y., Lupoi R. Solid-state additive manufacturing and repairing by cold spraying: A review // Journal of Materials Science & Technology. 2018. Vol. 34, № 3. P. 440–457.
  26. Ziemian C.W., Wright W.J., Cipoletti D.E. Influence of impact conditions on feedstock deposition behavior of cold-sprayed Fe-based metallic glass // Journal of Thermal Spray Technology. 2018. Vol. 27, № 5. P. 843–856.
  27. Karmakar R.A., Maji P., Ghosh S.K. Review on the nickel based metal matrix composite coating // Metals and Materials International. Korean Institute of Metals and Materials. 2021. Vol. 27. P. 2134–2145.
  28. Champagne V., Helfritch D. The unique abilities of cold spray deposition // International Materials Reviews. 2016. Vol. 61, № 7. P. 437–455.
  29. Орыщенко A.C., Геращенков Д.А. Результаты исследования профиля единичных треков покрытий, полученных методом ХГДН из порошков на основе алюминия и никеля // Вопросы материаловедения. 2022. № 2(110). С. 58–70.
  30. Chekuryaev A.G., Sychov M.M., Myakin S.V. Analysis of the structure of composite systems by means of fractal characteristics using the BaTiO3–Fullerenol–CEPVA system as an example // Physics of the Solid State. 2021. Vol. 63. P. 789–795.
  31. Markov M.A., Gerashchenkov D.A., Kravchenko I.N., Kuznetsov Y.A., Bykova A.D., Belyakov A.N., Toygambaev S.K. Study of the method to obtain aluminum coatings modified by aluminum oxide // Journal of Machinery Manufacture and Reliability. 2023. Vol. 52, № 1. P. 69–78.
  32. Gerashchenkov D.A., Sobolev M.Y., Markov M.A., Gerashchenkova E.Y., Bykova A.D., Krasikov A.V., Makarov A.M. Tribolical study of cermet coatings Al–Sn–Zn–Al2O3 for friction couples // Journal of Friction and Wear. 2018. Vol. 39, № 6. P. 522–527.
  33. Kuznetsov Y.A., Kravchenko I.N., Gerashchenkov D.A., Markov M.A., Davydov V.V., Mozhayko A.A., Dudkin V.I., Bykova A.D. The use of cold spraying and micro-arc oxidation techniques for the repairing and wear resistance improvement of motor electric bearing shields // Energies. 2022. № 15(3). P. 912.
  34. Bykova A.D., Farmakovsky B.V., Markov M.A., Belyakov A.N., Makarov A.M., Gerashchenkov D.A., Perevislov S.N. Technological aspects of obtaining functional coatings based on silver by the method of cold gas-dynamic spraying // Key Engineering Materials, Switzerland. 2019. Vol. 822. P. 774–780.
  35. Gerashchenkov D.A., Makarov A.M., Bystrov R.Y., Bobkova T.O., Belyakov A.N., Bykova A.D., Markov M.A., Farmakovsky B.V. Technological aspects of obtaining functional gradient coatings to protect machinery from wear // Key Engineering Materials, Switzerland. 2019. Vol. 822. P. 768–773.
  36. Геращенков Д.А., Геращенкова Е.Ю., Можайко А.А., Макаров А.М., Беляков А.Н., Быстров Р.Ю. Исследование состава и свойств интерметаллидного слоя Al-Ti и Ni-Ti, полученного на титановом сплаве при лазерной обработке // Вопросы материаловедения. 2022. № 2(110). С. 28–35.
  37. Геращенков Д.А. Применение технологии холодного газодинамического напыления как аддитивного способа для получения материалов на основе алюминида никеля и алюминида титана // Вопросы материаловедения. 2021. № 3(107). С. 118–127.
  38. Plotnick R.E., Gardner R.H., O'Neill R.V. Lacunarity indices as measures of landscape texture // Landscape Ecol. 1993. V. 8. P. 201–211.
  39. Gefen Y., Meir Y., Aharony A. Geometric implementation of hypercubic lattices with noninteger dimensionality by use of low lacunarity fractal lattices // Physical Review Letters. 1983. Vol. 50. P. 145–148.
  40. Barin I., Platzki G. Thermochemical data of pure substances // Weinheim: VCh. 1989. Vol. 304, № 334. P. 1117.
  41. Markov M.A., Previslov S.N., Krasikov A.V., Gerashchenkov D.A., Bykova A.D., Fedoseev M.L. Study of the microarc oxidation of aluminum modified with silicon carbide particles // Russian Journal of Applied Chemistry. 2018. Vol. 91, № 4. P. 543–549.
  42. Shevchenko V.Y., Perevislov S.N., Ugolkov V.L. Physicochemical interaction processes in the carbon (diamond)–silicon system // Glass Physics and Chemistry. 2021. Vol. 47, № 3. P. 197–208.
  43. Shevchenko V.Y., Perevislov S.N. Reaction–diffusion mechanism of synthesis in the diamond–silicon carbide system // Russian Journal of Inorganic Chemistry. 2021. Vol. 66. P. 1107–1114.
  44. Markov M.A., Krasikov A.V., Kravchenko I.N., Erofeev M.N., Bykova A.D., Belyakov A.N. Development of novel ceramic construction materials based on silicon carbide for products of complex geometry // Journal of Machinery Manufacture and Reliability. 2021. Vol. 50, № 2. P. 158–163.
  45. Belyakov A.N., Markov M.A., Kravchenko I.N., Kashtanov A.D., Dyuskina D.A., Bykova A.D., Chekuryaev A.G. Contemporary materials and their application in the construction of special engineering high-temperature objects // Refractories and Industrial Ceramics. 2024. Vol. 64, № 3. P. 256–264.
  46. Belyakov A.N., Markov M.A., Dyuskina D.A., Bykova A.D., Chekuryaev A.N., Kashtanov A.D. A comparative study of methods for obtaining silicon carbide ceramic materials // Refractories and Industrial Ceramics. 2023. Vol. 64, № 3. P. 299–310.
  47. Belyakov A.N., Markov M.A., Chekuryaev A.N., Bykova A.D., Duskina D.A., Perevislov S.N. Investigation of the reaction-sintered B4C–SiC materials produced by hot slip casting // Glass Physics and Chemistry. 2023. Vol. 49, № 3. P. 306–313.
  48. Lysenkov A.S., Kim K.A., Titov D.D., Frolova M.G., Kargin Y.F., Petrakova N.V., Leonov A.V., Perevislov S.N., Tomkovich M.V., Melnikova I.S. Composite material Si3N4/SiC with calcium aluminate additive // Journal of Physics: Conference Series. IOP Publishing, 2018. Vol. 1134, № 1. P. 012036.
  49. Rumyantsev I.A., Perevislov S.N. Lightweight composite cermets obtained by titanium-plating // Refractories and Industrial Ceramics. 2017. Vol. 58. P. 405–409.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Исходные порошки: а – Ti; б – Al; в – B4C; г – гранулометрический состав.

Скачать (550KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Изготовление образца объемного материала: а – образец в процессе выращивания методом ХГДН; б – механическая обработка образца, удаление неровностей по диаметру цилиндра; в – вид образца после механической обработки.

Скачать (118KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Технологические операции (а–г) по аддитивному выращиванию методом ХГДН на примере цилиндрического образца.

Скачать (112KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Схема раздельно работающих дозаторов.

Скачать (69KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Результаты энергодисперсионного анализа, распределение участка структуры материала на примере состава 3 по элементам.

Скачать (491KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Значения энергии Гиббса для реакций: 4B + C → B4C (1), Ti + C → TiC (2), Ti + 2B → TiB2 (3).

Скачать (114KB)
Метаданные
8. Рис. 7. ДСК-кривые и первой производной для образца Ti-Al-B4C на примере состава 1: а – первый цикл нагрев-охлаждение; б – второй цикл нагрев-охлаждение.

Скачать (303KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Фазовый состав термообработанного материала на примере состава 1 с минимальным содержанием карбида бора.

Скачать (344KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Исследование фазовых равновесий в трехкомпонентной системе для соотношения компонентов: а – состав 1; б – состав 2; в – состав 3.

Скачать (330KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Томография термообработанного материала на примере состава 3 (среда гелий, 1000 °C, выдержка 15 мин, охлаждение с печью).

Скачать (289KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025