ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ ……………………………………………………………………………………...6
1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР …………………………………………………………………..12
1.1 Композиты с металлическими матрицами (КММ): традиционные подходы к
созданию и новые тенденции …………………………………………………………………12
1.1.1 Принципы создания КММ, способы получения и микроструктурный дизайн.
Традиционные упрочняющие фазы в КММ ………………………………………………….12
1.1.2 Композиты с алюминиевой матрицей – материалы с высокой удельной
прочностью ……………………………………………………………………………………..14
1.1.3 Новые тенденции в создании КММ. Металлы и сплавы в роли упрочняющих
частиц. Упрочнение частицами с морфологией «ядро-оболочка» …………………………16
1.1.4 Металлические стекла как упрочняющие фазы в КММ. Способы получения,
микроструктура и свойства КММ, упрочненных металлическим стеклом ………………..21
1.1.5 Металлические стекла на основе железа - перспективная альтернатива для
упрочнения алюминия и его сплавов …………………………………………………………28
1.2 Получение КММ методами порошковой металлургии ……………………………….29
1.2.1 Подготовка порошковых смесей. Преимущества механической обработки
порошковых смесей в высокоэнергетических мельницах для микроструктурного дизайна
КММ …………………………………………………………………………………………….30
1.2.2 Электроискровое спекание (ЭИС) порошковых смесей как метод получения
КММ …………………………………………………………………………………………….34
1.2.3 Локальные эффекты при ЭИС ………………………………………………………37
1.2.4 Химические реакции при ЭИС. In situ синтез упрочняющих фаз при ЭИС ……..39
1.3 Диаграмма состояния Al-Fe. Свойства интерметаллидов системы Al-Fe ……………44
1.4 Аморфные и кристаллические сплавы системы Fe-Cr-Nb-B …………………………48
1.5 Цель и задачи исследования …………………………………………………………….50
2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ…………………………………………………………53
2.1 Исходные порошковые материалы……………………………………………………...53
2.2 Методики экспериментов………………………………………………………………..53
2.2.1 Подготовка порошковых смесей в низкоэнергетическом смесителе и
высокоэнергетической планетарной шаровой мельнице…………………………………….53
2.2.2 Эксперименты по определению влияния кристаллической структуры
упрочняющей фазы (металлическое стекло Fe66Cr10Nb5B19/кристаллический сплав
Fe62Cr10Nb12B16) на уплотнение при спекании с приложением внешнего давления……….54
3
2.2.3 ЭИС смесей Al-металлическое стекло Fe66Cr10Nb5B19 и печной отжиг композитов,
полученных ЭИС……………………………………………………………………………….56
2.2.4 Свободное спекание порошковых смесей Al – металлическое стекло
Fe66Cr10Nb5B19…………………………………………………………………………………...56
2.2.5 Горячее прессование смесей в условиях нагрева до температуры плавления
алюминия………………………………………………………………………………………..56
2.2.6 ЭИС смесей Al-Fe и Al-металлическое стекло Fe66Cr10Nb5B19 при различных
давлениях………………………………………………………………………………………..57
2.2.7 ЭИС смесей Al-металлическое стекло Fe66Cr10Nb5B19 и Al-кристаллический сплав
Fe66Cr10Nb5B19 для сравнительного анализа взаимодействия сплавов с алюминием……...57
2.2.8 Эксперименты, демонстрирующие эффект Киркендалла в системах Al-Fe и Al
металлическое стекло Fe66Cr10Nb5B19…………………………………………………………57
2.2.9 ЭИС порошковых смесей Al-металлическое стекло Fe66Cr10Nb5B19 для получения
образцов композиционных материалов для последующего исследования их свойств. Ковка
на установке ЭИС………………………………………………………………………………58
2.3 Исследование фазового состава, морфологии и микроструктуры порошков и
спеченных материалов…………………………………………………………………………59
2.3.1 Рентгенофазовый анализ порошков и спеченных образцов……………………….59
2.3.2 Мессбауэровкая спектроскопия порошков и спеченных образцов……………….59
2.3.3 Дифференциальный термический анализ порошков и спеченных образцов…….59
2.3.4 Термодинамический анализ равновесных продуктов в смеси состава Al-20 об.%
Fe66Cr10Nb5B19…………………………………………………………………………………...59
2.3.5 Подготовка металлографических шлифов порошков и спеченных образцов для
микроструктурных исследований……………………………………………………………..60
2.3.6 Микроструктурные исследования с использованием растровой электронной
микроскопии и микрорентгеноспектрального анализа (энергодисперсионной
спектроскопии)………………………………………………………………………………….60
2.3.7 Оптическая металлография, определение пористости спеченных образцов и
определение содержания фаз в композитах…………………………………………………..60
2.3.8 Подготовка фольг для микроструктурных исследований…………………………61
2.3.9 Просвечивающая электронная микроскопия……………………………………….61
2.4 Исследование механических свойств спеченных композиционных материалов…….61
2.4.1 Измерение твердости по Виккерсу………………………………………………….61
2.4.2 Подготовка образцов композитов для механических испытаний на сжатие……..61
2.4.3 Механические испытания на сжатие………………………………………………..62
4
3 ФАЗОВЫЕ И МОРФОЛОГИЧЕСКИЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ ПРИ ЭЛЕКТРОИСКРОВОМ
СПЕКАНИИ ПОРОШКОВЫХ СМЕСЕЙ Al – Fe И Al – МЕТАЛЛИЧЕСКОЕ СТЕКЛО
Fe66Cr10Nb5B19……………….......................................................................................................63
3.1 Анализ исходных порошковых материалов…………………………………………….63
3.2 Взаимодействие алюминия и железа при ЭИС………………………………………70
3.2.1 Образование частиц с морфологией «ядро-оболочка»…………………………….70
3.2.2 Микроструктура композитов, полученных ЭИС смесей Al-Fe при различных
давлениях………………………………………………………………………………………..72
3.3 Взаимодействие алюминия и металлического стекла Fe66Cr10Nb5B19 при ЭИС,
горячем прессовании и печном отжиге……………………………………………………….73
3.3.1 Равновесный состав продуктов взаимодействия в системе Al-20 об. %
Fe66Cr10Nb5B19…………………………………………………………………………………...73
3.3.2 Морфология продуктов химического взаимодействия алюминия и
металлического стекла Fe66Cr10Nb5B19, образующихся в условиях ЭИС. Частицы «ядро
оболочка». Фазовый состав спеченных образцов…………………………………………….74
3.3.3 Морфология продуктов взаимодействия алюминия и металлического стекла
Fe66Cr10Nb5B19 в условиях нагрева до температуры плавления алюминия…………………83
3.3.4 Эволюция микроструктуры композитов Al-Fe66Cr10Nb5B19, полученных ЭИС, при
печном отжиге………………………………………………………..........................................84
3.3.5 Свободное спекание порошковых смесей Al – Fe66Cr10Nb5B19……………………87
3.3.6 Экспериментальное наблюдение эффекта Киркендалла в системах Al-Fe и Al
металлическое стекло Fe66Cr10Nb5B19…………………………………………………………88
3.3.7 Микроструктура композитов, полученных ЭИС смесей Al-металлическое стекло
Fe66Cr10Nb5B19 при различных давлениях…………………………………………………….89
3.4 Выводы по главе 3………………………………………………………………………..91
4. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ УПЛОТНЕНИЯ И МЕЖФАЗНЫХ
ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ В СМЕСЯХ Al - МЕТАЛЛИЧЕСКОЕ СТЕКЛО И Al -
КРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ СПЛАВ………………………………………………………………92
4.1 Влияние кристаллической структуры сплава на основе железа (металлическое
стекло/кристаллический сплав) на уплотнение смесей с алюминием при ЭИС/горячем
прессовании……………………………………………………………………………………..92
4.1.1 Микроструктура, фазовый состав и пористость спеченных образцов……………92
4.1.2 Анализ смещения пуансонов при ЭИС металлического стекла Fe66Cr10Nb5B19 и
кристаллического сплава Fe62Cr10Nb12B16…………………………………………………….98
4.1.3 Схема, описывающая образование композиционного материала, содержащего
металлическое стекло или кристаллический сплав…………………………………………100
4.2 Сравнительный анализ микроструктуры композитов, полученных ЭИС смесей
металлического стекла и кристаллического сплава Fe66Cr10Nb5B19 с алюминием……….101
4.3 Выводы по главе 4………………………………………………………………………104
5
КОМПОЗИТЫ,
ПОРОШКОВЫХ
ПОЛУЧЕННЫЕ ЭЛЕКТРОИСКРОВЫМ СПЕКАНИЕМ
СМЕСЕЙ
Al-Fe66Cr10Nb5B19:
МИКРОСТРУКТУРА
И
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА…………………………………………………………….105
5.1 Микроструктура и фазовый состав спеченных композитов, полученных из
порошковых смесей…………………………………………………………………………...105
5.2 Механические свойства спеченных композитов, полученных из порошковых
смесей…………………………………………………………………………………………..109
5.3 Выводы по главе 5………………………………………………………………………115
6
КОМПОЗИТЫ,
ПОЛУЧЕННЫЕ ЭЛЕКТРОИСКРОВЫМ СПЕКАНИЕМ
ПОРОШКОВЫХ СМЕСЕЙ Al-Fe66Cr10Nb5B19, ПОДВЕРГНУТЫХ МЕХАНИЧЕСКОЙ
ОБРАБОТКЕ
В
ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ
ШАРОВОЙ МЕЛЬНИЦЕ:
МИКРОСТРУКТУРА И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА………………………………...117
6.1 Микроструктура и фазовый состав спеченных композитов, полученных из
порошковых смесей, подвергнутых механической обработке в высокоэнергетической
шаровой мельнице…………………………………………………………………………….117
6.2 Механические свойства спеченных композитов, полученных из порошковых смесей,
подвергнутых механической обработке в высокоэнергетической шаровой мельнице…..123
6.3 Выводы по главе 6…………………………………………………………………...…125
ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………………………..126
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ…………………………….128
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ…………………………………………………………………….129
БЛАГОДАРНОСТИ…………………………………………………………………………...152
