Цвет в наноструктурированном покрытии из алюминиевого сплава
 Скачать 1.76 Mb.
|
|
РИСУНОК 5 | Типичные значения начальной магнитной проницаемости и индукции насыщения известных магнитомягких сплавов. РИСУНОК 6 | Изменение коэрцитивной силы в зависимости от размера зерна магнитного материала для различных типов сплавов 43 ËÒÒΉӂ‡ÌËfl Ë ‡Á‡·ÓÚÍË çÄçé W W W. N A N O R F. R U | ТОМ РОССИЙСКИЕ НА НОТЕ Х НО ЛОГИ И | ИССЛЕДОВАНИЯ и РАЗР А БОТ К Иже и эксплуатации конструкций с магнитными элементами, например магнитных экранов. К аморфным сплавам на основе железа в настоящее время обращен наибольший интерес исследователей, в частности к сплаву типа. Это связано стем, что сплав обладает одновременно как высокой магнитной проницаемостью, таки высокой индукцией насыщения рис. 5). Впервые данные об исследовании сплава системы и его уникальных магнитных свойствах были опубликованы в 1988 г. японским исследователем. Поре- зультатам проведенных исследований в настоящее время разработана модель, объясняющая возникновение высоких магнитных свойств в нанокристаллических материалах. Наиболее полные исследования связи структуры и магнитных свойств нанокристаллических сплавов провел. Им предложена модель, объясняющая высокие магнитные свойства нанокристаллических материалов. Эта модель в настоящее время является наиболее признанной и сводится к следующему если размер зерна магнитных включений в материале меньше критического приблизительно нм, то их можно считать однодоменными. Изменение намагниченности уже нельзя рассматривать как движение доменной стенки. В этом случае происходит когерентное вращение векторов намагниченности, что приводит к увеличению коэрцитивной силы. Однако при дальнейшем уменьшении размера зерна магнитных частиц происходит уменьшение коэрцитивной силы. Зерно такого размера называется суперпарамагнитным. Такой переход графически представлен на рис. 6. Пример структуры сплава, полученной методом атомно-силовой микроскопии, представлен на рис. 7 В нашем институте разработана (рис. 8) и запатентована конструкция магнитного экрана [15], отличающаяся от известных аналогов тем, что аморфные ленты (1) расположе- ТАБЛИЦА 3 | Модификации водоактивируемых ХИТ и их основные параметры РИСУНОК 7 | Наноструктура сплава системы после отжига, полученная методом атомно-силовой микроскопии. РИСУНОК 8 | Конструкция магнитного экрана. 1 — лента аморфного сплава 2 — эластичный материал для фиксации лент. РИСУНОК 9 | Сравнение различных типов экранов с экраном из ленты Vitrovac и требуемым уровнем экранирования 0,5 мкТл (выделено цветом экран из лент сплава системы Co-Fe-Ni-Si-B вис- ходном состоянии ∆ — экран из лент сплава системы Co-Fe-Ni-Si-B в нанокристаллическом состоянии композиционный экран из лент сплавов системы Co-Fe-Ni-Si-B ив нанокристаллическом состоянии • • — экран из лент сплава Vitrovac 6025 (Co-Fe-Ni-Si-B). 44 ËÒÒΉӂ‡ÌËfl Ë ИССЛЕДОВАНИЯ и РАЗРАБОТКИ РОССИЙСКИЕ НА НОТЕ Х НО ЛОГИ И | ТОМ U ны внахлест с перекрытием не менее толщины самой ленты и зафиксированы относительно друг друга с помощью эластичного материала (При наложении устройства на криволинейную поверхность изгиб осуществляется не только за счет лент (1), но и за счет эластичного покрытия (2), что обеспечивает защиту криволинейных поверхностей с меньшим радиусом, чем сплошной лист из того же материала одной и той же толщины, не нарушая при этом сплошность конструкции экрана и обеспечивая неизменным коэффициент экранирования как на плоских, таки на криволинейных участках поверхности. Это позволяет создавать конструкционные элементы магнитных экранов в виде плоских панелей и панелей сложных конструкций. Для разработанной конструкции были проведены исследования влияния термической обработки лент аморфных сплавов на эффективность экранирования магнитных полей. Видно рис. 9), что при переводе аморфной структуры в нанокристаллическую происходит увеличение эффективности экранирования. Следует отметить, что требуемый уровень экранирования мкТл) для композиционного экрана риса) обеспечивается в полях до 100 мкТл. Создан экспериментальный образец защитного жилета и проведены испытания в реальных условиях работы на сварочном аппарате средней мощности притоке дуги А [16]. Испытания показали, что внутри жилета уровни индукции магнитного поля уменьшаются враз и составляют мкТл. Таким образом, в области тела человека при использовании защитной одежды рис. 10) на основе аморфных сплавов с нанокристаллической структурой удается существенно снизить поле более чем враз и оптимизировать условия труда персонала. В настоящее время проводятся работы по существенному расширению областей практического применения разработанных экранов, в частности для создания магнитных экранов, обеспечивающих эффективную защиту от постоянных и переменных магнитных полей в виде рулонных материалов типа МАРК и МАР-1Ф рис. кабелей типа АВВГ риса также экранированных камер и комнат рис. 13) для защиты как биоло- РИСУНОК 10 | Общий вид защитного фартука. РИСУНОК 11 | Рулонный магнитный экран марки МАР-1К. РИСУНОК 12 | Экранированный силовой кабель типа АВВГ. РИСУНОК 13 | Размещение рулонного экрана на полу помещения для экранирования магнитного поля силовой подстанции гических объектов, таки высокоточных приборов от воздействий внешних магнитных полей В 2001—2006 гг. в рамках федеральных целевых программ Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития на- учно-технологического комплекса» и Национальная технологическая база в ЦНИИ КМ Прометей выполнены исследования по изучению влияния структуры равновесных и неравновесных материалов системы Ni-Al-РЗМ и Ti-Al-Nb на их каталитические свойства Показано, что по сравнению с традиционными кристаллическими материалами аналогичного химического состава эффективность использования материалов с мик- рои нанокристаллической структурой в качестве катализаторов ге- терофазных химических процессов приводит к увеличению каталитической активности в 2.5—4 раза. На основе этих материалов разработаны конструкции нескольких модификаций водоактивируемых химических источников тока (ХИТ) с использованием биполярных электродов из сплава Ni-Al-Се (табл. Выделение в аморфной матрице интерметаллических нанокристаллических фаз Ni 3 Al, и создание объемно-пористых структур (рис. 14), обладающих бимодальной мезо- и микропористостью, обеспечивают достижение величины удельной массовой энергии 250 Вт ч/кг. Использование водоактивируе- мых ХИТ наиболее эффективно в качестве датчиков течи, автономных источников энергии, элементов питания в средствах спасения на море и подводно-водолазного снаряжения. Разработана базовая технологическая схема, предусматривающая использование методов механо- синтеза, высокоскоростного нанесения в контролируемой инертной среде и термохимической активации поверхности. На основе этой базовой схемы разработана технология получения нанокомпозитов для термохимических реакторов двухстадийной паровой конверсии углеводородного сырья в водородное топливо. Конструктивно нанокомпозит (рис. 14 а) представляет собой многослойную систему, состоящую из несущей конструкции, слоя с развитой поверхностью с микро- и ме- зопористостью и наружного слоя с нанесенным активатором Ë ‡Á‡·ÓÚÍË çÄçé W W W. N A N O R F. R U | ТОМ РОССИЙСКИЕ НА НОТЕ Х НО ЛОГИ И | ИССЛЕДОВАНИЯ и РАЗРАБОТКИ bРИСУНОК 14 | Конструкция носителя на жаростойкой ленте (аи морфология поверхности нанострук- турированного слоя активатора с микро- и мезопористостью (б). а) б) РИСУНОК 15 | Конструкции термохимических реакторов с нанокатализатором: а — сетчатый б — трубчатый. а) б) ИССЛЕДОВАНИЯ и РАЗРАБОТКИ РОССИЙСКИЕ НА НОТЕ Х НО ЛОГИ И | ТОМ U 46 ËÒÒΉӂ‡ÌËfl Ë Функциональным элементом этого наноустройства рис. 14) является нано- структурированный наружный слой (рис. 14 б, обеспечивающий эффективность преобразования углеводородного в водород дои повышение энергоемкости топлива на На основе указанного наноуст- ройства разработаны несколько конструкций термохимического реактора рис. 15). Наиболее перспективным является их использование в энергетических установках транспортных систем и гиперзвуковых летательных аппаратах, работающих на водородном топливе Другим перспективным направлением использования нанокомпо- зитов являются создание конструкций накопителей водорода (гетте- ров). Одним из эффективных материа- лов-геттеров являются интерметаллиды системы «титан-алюминий». Дополнительное введение ниобия в систему Ti-Al приводит к повышению свойств адсорбции-десорбции водорода за счет образования нано- размерных фаз, имеющих менее плотную упаковку по сравнению с ГПУ-решеткой Ti 3 Al. Наиболее перспективной для водородопогло- щения является О-фаза на основе орторомбической решетки Нашим институтом совместно со специалистами института физики металлов УрО РАН проведены исследования по изучению поглощения водорода сплавами системы «титан-алюминий-ниобий» при температуре Си избыточном давлении водорода 4 атм. Испытаны сплавы трех составов Ti- 30Al-16Nb-1Zr-1Mo, Ti-13Al-37Nb, Ti-11Al-40Nb. Установлено, что с увеличением содержания ниобия с до 40% вес. происходит увеличение водородопоглощения с 0.47 до вес. водорода [21]. Полученные результаты позволяют говорить о перспективности использования системы Al-Ti-Nb с орторомбической структурой для использования в системах накопления и хранения водорода транспортных и энергетических установок åÄíÖêàÄãõ èêà êÄÇçéäÄçÄãúçéå ìÉãéÇéå Методы интенсивной пластической деформации (ИПД) привлекают особый научный и практический интерес, т.к. они позволяют формировать ультрамелкозернис- тые структуры в объемных заготовках наиболее употребительных конструкционных металлов и сплавов, повышая в 2—3 раза их прочностные свойства при удовлетворительном уровне пластичности Кроме того, благодаря предельно малому (сотни нанометров) размеру кристаллических структурных элементов подобные материалы приобретают способность к сверх- пластическому деформированию при относительно низких температурах и/или с относительно высокими скоростями, что создает хорошие предпосылки для разработки новых высокоэффективных промышленных технологий формоизменения Особенно перспективным представляется применение нанотехно- логий к заготовкам легких и корро- зионно-стойких конструкционных сплавов на основе алюминия и титана, традиционно применяемых в аэрокосмической промышленности, судостроении и медицине. Равноканальное угловое прессование (РКУП) остается наиболее популярным методом ИПД обработки металлических прутков, т.к. позволяет при формировании наноструктуры сохранять основные размеры заготовки. Этот метод заключается в продавливании заготовки через два пересекающихся под углом канала, при этом в местах пересечения каналов реализуется деформация простого сдвига без изменения размеров поперечного сечения заготовки, что создает возможность ее повторной де- формации. В ЦНИИ КМ Прометей выполнены работы по получению с помощью РКУП регламентированной УМЗ структуры в морских деформируемых высокопрочных свариваемых алюминиевых сплавах и 1575 (система Al-Mg и Al-Mg- Sc) для обеспечения более высокого уровня прочности и пластичности полуфабрикатов, в т. ч. массивных, из этих сплавов и получения изделий сложной формы РИСУНОК 16 | Структура сплава 1561. а) б) 47 ËÒÒΉӂ‡ÌËfl Ë ‡Á‡·ÓÚÍË çÄçé W W W. N A N O R F. R U | ТОМ РОССИЙСКИЕ НА НОТЕ Х НО ЛОГИ И | ИССЛЕДОВАНИЯ и РАЗРАБОТКИ Для проведения исследовательских работ были спроектированы и изготовлены обогреваемые пресс- формы для РКУП цветных металлов с сечением каналов х мм и углом их пересечения 90° и Быстрый рост предела прочности и текучести достигается запер- вый проход РКУП, однако возникшая при этом ячеистая структура образована несовершенными малоугловыми границами. Для формирования ультрамелкозернистой структуры с более устойчивыми большеугловыми границами необходимо многократно повторять обработку. С целью снижения трудоемкости этого процесса в ЦНИИ КМ Прометей совместно с ОАО «ВИЛС» было проведено опытно- промышленное освоение РКУП прутков ( ∅ 85 мм) алюминиевого сплава 1561 через 3 пересекающихся канала (вместо традиционных двух. Такая схема позволяет в 2 раза увеличить эффективную деформацию за один проход, что снижает время (количество проходов) и трудоемкость обработки. Механические свойства такого материала сравнивали с результатами испытаний материала, полученного РКУП через 2 канала табл. Как видно, РКУП в трехканальной матрице позволяет получать более высокие значения прочности сплава при одинаковом количестве проходов по сравнению с прессованием в двухканальной матрице. На рис. 16 представлена структура сплава 1561 дои после РКУП. Стабильность структуры сплава, полученного РКУП, оценивали по результатам механических испытаний образцов, прошедших отжиг в интервале температур Св течение 30, 60 и 120 мин, которые показали, что заметное снижение свойств происходит после нагрева образцов свыше С. При повышении температуры нагрева до 400°С темп снижения механических свойств замедляется. Увеличение продолжительности нагрева в выбранном диапазоне температур практически не влияет на свойства образцов. Таким образом, в результате РКУП литых заготовок алюминиевого сплавав них формируется УМЗ-структура, которая обеспечивает высокий уровень прочности и пластичности. В ЦНИИ КМ Прометей разработан метод равноканальной угловой вытяжки (РКУВ), применимый к металлическим листам рис а). Этот метод опробован на тонких мм) листах технически чистого алюминия при комнатной температуре. Стандартные диаграммы растяжения образцов, вырезанных из листа в направлении прокатки до обработки, а также после двух и четырех проходов РКУВ, показаны на рис б. Соответствующие карты кристаллографической ориентации, полученные с помощью дифракции электронов обратного рассеяния (рис. 18), иллюстрируют постепенную фрагментацию кристаллической структуры материала входе РКУВ. Наряду с упрочнением листовых заготовок, данный метод может быть одновременно использован для управления кристаллографической текстурой, как это видно из полюсных фигур, полученных в исходном (рекристаллизованном) состоянии и после двух и четырех проходов РКУВ рис. 19 а—в). Так, в исходном состоянии имеет место типичная текстура рекристаллизации с выраженной «кубической» ТАБЛИЦА 4 | Механические свойства сплавав литом состоянии и после РКУП в двух- и трехканальной пресс-формах РИСУНОК 17 | (а) Принципиальная схема РКУВ обработки(а) и (б) диаграммы испытаний на растяжение плоских образцов до обработки и после двух и четырех проходов РКУВ. а) б) ИССЛЕДОВАНИЯ и РАЗРАБОТКИ РОССИЙСКИЕ НА НОТЕ Х НО ЛОГИ И | ТОМ U 48 ËÒÒΉӂ‡ÌËfl Ë составляющей риса, что весьма неблагоприятно для штамповки листов из-за соответствующей анизотропии. Однако применение РКУВ рис. 18 б, в) позволяет в значительной степени рассеять (хаоти- зировать) исходное текстурное состояние Основным недостатком известных газотермических методов нанесения покрытий является высокая температура переносимых частиц, как правило, существенно превышающая температуру плавления наносимого материала. При напылении наноструктури- рованных покрытий высокотемпературными газотермическими методами происходит, как правило, необратимая деградация исходной наноструктуры и химического состава напыляемого материала. Поэтому особый интерес вызывает поиск альтернативных технологий, направленных на резкое сокращение времени пребывания частицы напыляемого материала в газодинамическом потоке и значительное снижение статической температуры переносимых частиц РИСУНОК 18 | Карты внутризеренных разориентировок, определенные методом EBSD в продольном сечении алюминиевого листа в исходном состоянии (а, а также после двух (б) и четырех (в) проходов РКУВ. РИСУНОК 19 | Полюсные фигуры {111} до обработки листа (аи после двух (б) и четырех (в) проходов РКУВ. а) б) в) а) б) в) РИСУНОК 20 | Внешний вид частицы порошка алюминиевого сплава диаметр мкм, армированного наночастицами корунда, после дезинтегратор- но-активаторной обработки. РИСУНОК 21 | Зависимость микротвердости (аи пористости бот содержания корунда в наноструктурированном покрытии Одним из таких методов является технология сверхзвукового холодного газодинамического напыления (ХГДН), основанного на эффекте образования прочного покрытия при набегании гетерофаз- ного сверхзвукового потока на подложку С помощью уникальной диагностической аппаратуры контроля температурно-скоростных параметров процесса, разработанной совместно сучеными СПбГУ для исследования механизма формирования наноструктурированных покрытий, установлено, что температура частиц в гетерофазном потоке не превышает С при скоростях переноса от 400—550 мс. Это позволяет, во-первых, сохранять наноструктуру исходного дисперсионного материала и, во-вторых, обеспечить высокие адгезионные и когезионные свойства покрытия для получения износо- и коррозионно- стойких покрытий. В качестве исходного дисперсионного материала в этом процессе используются порошки сплавов на основе алюминия систем Al-Sn-Zn и Al-Zn-Si и железа Fe-Cr-Al [37] фракции от до 50 мкм, армированные частицами корунда рис. Армирование поверхности частиц достигается в результате совместной дезинтеграторно-активатор- ной обработки дисперсных частиц выбранных сплавов и наночастиц корунда при ускорениях в рабочей зоне дезинтегратора до 450 Из полученных таким образом композиционных нанопорошков [29, 30] с помощью метода ХГДН, при скоростях гетерофазного потока мс, наносятся наност- руктурированные покрытия с регулируемой микротвердостью и пористостью, в зависимости отколи- чества вводимого нанокорунда (рис. 21) [36, 37, Следует особо отметить, что при использовании специальной системы автономных дозаторов, с помощью метода ХГДН могут быть получены функционально-градиент- ные покрытия с изменением, поза- данному закону, по толщине покрытия химического и фракционного состава [37,40]. Как показали результаты испытаний, проводимых совместно с японской фирмой Тойо- та, получаемые, практически беспо- ристые, наноструктурированные покрытия рис. 22, 23) обеспечивают повышение износостойкости пар трения в 1.6—2.5 раза Ë ‡Á‡·ÓÚÍË çÄçé W W W. N A N O R F. R U | ТОМ РОССИЙСКИЕ НА НОТЕ Х НО ЛОГИ И | ИССЛЕДОВАНИЯ и РАЗРАБОТКИ bРИСУНОК 22 | Изображение поперечного сечения покрытия системы Al-Sn-Zn с различной концентрацией корунда (фракция корунда <1 мкм). а) б) |