Лаптєв А. В. Особливості консолідації, формування структури та властивостей порошкових матеріалів під дією ударного навантаження в широкому діапазоні температур

English version

Дисертація на здобуття ступеня доктора наук

Державний реєстраційний номер

0523U100202

Облікова картка дисертації

0523U100202.pdf

Здобувач

Спеціальність

  • 05.16.06 - Порошкова металургія та композиційні матеріали

11-10-2023

Спеціалізована вчена рада

Д 26 207 03

Інститут проблем матеріалознавства ім. І. М. Францевича Національної академії наук України

Анотація

Дисертацію присвячено вирішенню важливої науково-технічної проблеми отримання високощільних однофазних та гетерофазних порошкових матеріалів з дрібнозернистою структурою та підвищеними механічними та функціональними властивостями для роботи в умовах дії інтенсивних механічних та електричних навантажень при кімнатній та підвищеній температурах. Для вирішення зазначеної проблеми використано концепцію про активацію процесу схоплювання між частинками порошку при зниженій температурі за рахунок підведення механічної енергії. При цьому рівень механічної енергії або кінетичної енергії удару повинні забезпечити високий тиск (~1000 МПа), підвищену ступінь деформації частинок (~40%) та високу швидкість деформації (50-100 с-1). Розроблено відповідне обладнання та технологія ущільнення у вакуумі порошків під дією ударного навантаження. Показано, що утворення міцного зв'язку поміж однорідними металевими частинками при їх ударному ущільненні в жорсткій матриці, що триває кілька тисячних часток секунди, відбувається при температурі 0,5-0,55 Тпл, тиску 1200 МПа, пластичної деформації частинок 50-70 %. При більш високих, ніж 0,55, гомологічних температурах ударного ущільнення металевих порошків спостерігається інтенсивна рекристалізація у зразках, що проходить за час охолодження зразка, тобто за 10-30 с. Леговані порошки, наприклад, нержавіючої сталі Х17Н2, порошки ніхрому Х20Н80 та інтерметалідної сполуки Ni3Al можна ущільнити в жорсткій матриці до високощільного стану і забезпечити міцний зв'язок між частинками при гомологічних температурах відповідно 0,8, 0,85 та 0,9. Досліджено ударне ущільнення біметалічних композитів таких, як Ag-Ni, Cu-W, Cu-Cr, яке показало, що високощільні та міцні зразки можна отримати у твердій фазі із збереженням дрібнозернистої структури. Детальні дослідження ударного ущільнення проведені на традиційних композитах або твердих сплавах WC-Co, а також композитах, що містять карбід вольфраму та різні зв'язки – металеві (Ni, Cu) та інтерметалідну (Ni3Al). Встановлено, що при ударному ущільненні композитів WC-Co утворення міцного зв'язку поміж карбідом вольфраму та кобальтом відбувається при температурах 1150-1250 оС. Ущільнення композитів з об'ємним вмістом пластичної фази 25-40 % при температурі, коли з'являється рідка фаза, призводить до зменшення ступеня контакту карбідних частинок, збільшення ступеня зміцнення металевої зв'язки і в результаті до підвищення міцності зразків на вигин. Показано також, що ударне твердофазне ущільнення забезпечує отримання високоміцних композитів на основі карбіду вольфраму і зв'язок з міді (50 об. %) та інтерметаліду Ni3Al (55 об. %). Розглянуто механізм міцності на вигин композитів на основі карбіду вольфраму та металевих зв'язок. Запропоновано нове рівняння ущільнення порошків в жорсткій матриці у вигляді залежності тиску від відносної щільності з чотирма константами. Рівняння дозволяє описати процес ущільнення порошків у матриці до гранично можливої щільності з високою точністю.

Читати повністю

Публікації

Laptiev A., Pakiela Z., Tolochyn O., Brynk T. Microstructure and mechanical properties of WC–40Co composite obtained by impact sintering in solid state // J. Alloys Compounds, 2016.–Vol.687.–P.135–142. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2016.05.343

Anatolii Laptiev, Barbara Romelczyk, Oleksandr Tolochyn, Tomasz Brynk, Zbigniew Pakiela. Influence of the impact sintering temperature on the structure and properties of samples from the different iron powders // Advanced Powder Technology, 2017.–vol. 28.–P. 363-374. https://doi.org/10.1016/j.apt.2016.10.007

Tomasz Brynk, Barbara Romelczyk, Anatolii Laptiev, Oleksandr Tolochyn, Zbigniew Pakiela. Fatigue crack growth in Fe mini-samples consolidated by means of impact sintering // Key Engineering Materials, 2014. – Vols. 577–578. – Р. 245–248. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/kem.577-578.245

Brynk T., Laptiev A., Tolochyn O. Pakiela Z. The method of fracture toughness measurement of brittle materials by means of high-speed camera and DIC // Computational Materials Science, 2012 – vol. 64 – P. 221–224. https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2012.05.025

Laptev A. V., Ponomarev S.S., Ochkas L.F. Solid-Phase Consolidation of fine-grained WC-16%Co hardmetal. // Journal of Advanced Materials, 2001.–vol. 33, No 3.–P. 42-51.

Laptev A.V., Ponomarev S.S., Ochkas L.F. Structural Features and Properties of Alloy 84% WC ― 16% Co, Obtained by Hot Pressing in the Solid and Liquid Phases. Part 1. Effect of the Temperature at which the Specimens are Prepared on Their Density and Structure. // Powder Metallurgy and Metal Ceramics, 2000.–vol. 39.–P. 607–617. https://doi.org/10.1023/A:1011388400293

Laptev A.V., Ponomarev S.S., Ochkas L.F. Structural Features and Properties of Alloy 84% WC ― 16% Co, Obtained by Hot Pressing in the Solid and Liquid Phases. Part 2. Influence of the Temperature at which the Specimens are Made on Their Physicomechanical Properties. // Powder Metallurgy and Metal Ceramics, 2001.–vol. 40.–P. 77–83. https://doi.org/10.1023/A:1011368124481

Laptev A.V. Potential of the High-Energy Hot Compaction in a Vacuum for Creating Materials with an Ultrafine Structure and High Strength. Powder Metallurgy and Metal Ceramics, 2001.-v. 40.-P. 103–111. https://doi.org/10.1023/A:1011963019060

Koval'chenko M.S., Laptev A.V. Dynamics of WC – Co Hard Alloy Compaction with Hot Pulsed Pressing. Powder Metallurgy and Metal Ceramics, 2004.–vol. 43.– P. 117–126). https://doi.org/10.1023/B:PMMC.0000035698.34943.c6

Laptev A.V. Theory and technology of sintering, thermal and chemicothermal treatment. Densification of WC–Co alloys in solid-phase sintering (review). //Powder Metall. Met. Ceram., 2007.-v.46.- P.317–324. https://doi.org/10.1007/s11106-007-0051-3

Laptev A.V. Structure and properties of WC-Co alloys in solid-phase sintering. I. Geometrical evolution. // Powder Metallurgy and Metal Ceramics, 2007.-vol. 46.-P. 415–422. https://doi.org/10.1007/s11106-007-0065-x

Laptev A.V. Structure and properties of WC-Co alloys in solid-phase sintering. II. Mechanical properties of samples. // Powder Metallurgy and Metal Ceramics, 2007.-vol. 46.– P. 517–524. https://doi.org/10.1007/s11106-007-0080-y

Лаптев А. В., Толочин А. И., Ковыляев В. В., Вербило Д. Г., Кондряков Е. А. Ударное спекание порошка жаропрочной нержавеющей стали Х17Н2. I. Плотность и структура образцов // Металлофизика и новейшие технологии, 2012.- Т. 34, №2.–С. 195–208.

Лаптев А.В., Толочин А.И., Ковыляев В.В., Вербило Д.Г., Кондряков Е.А. Ударное спекание порошка жаропрочной нержавеющей стали Х17Н2. II. Механические свойства образцов и оценка коэффициентов диффузии при изотермической выдержке и ударном уплотнении // Металлофизика и новейшие технологии, 2012. - Т.34, №4.–С. 521–540.

Лаптев А. В., Крячко Л. А., Толочин А. И., Вербило Д. Г., Головкова М.Е. Сравнение структуры и механических свойств обычного и ультрамелкозернистого композитов Ag–30Ni, полученных методом ударного спекания // Металлофизика и новейшие технологии, 2012.- Т.34, №10. - С. 1001–1018.

Толочин А. И., Лаптев А. В., Окунь И. Ю., Евич Я. И. Ударное уплотнение порошка вольфрама в широком диапазоне температур. I. Плотность и структура // Металлофизика и новейшие технологии, 2014. – Т. 36, №1. – С. 17–29.

Толочин А. И., Лаптев А. В., Окунь И. Ю., Евич Я. И. Ударное уплотнение порошка вольфрама в широком диапазоне температур. II. Механические свойства // Металлофизика и новейшие технологии, 2014. – Т. 36, №2. – С. 217–228.

Radchenko P.Y., Get’man O.I., Panichkina V.V., Skorokhod V. V., Podrezov Yu. N., Verbilo D. G., Laptev A. V., and Tolochin A. I. The Structure and Properties of Powder Copper Hardened by Fine Tungsten Particles. // Powder Metallurgy Metal Ceramics, 2014.-vol. 53. - P. 404–410. https://doi.org/10.1007/s11106-014-9631-1

Laptev A.V., Tolochin A.I., Verbilo D.G. and Okun’ I. Yu. Structure and Properties of Kh20N80 Alloy Powders Produced by Impact Sintering at Different Temperatures. // Powder Metallurgy and Metal Ceramics, 2015.–vol. 54.– P. 416–427. https://doi.org/10.1007/s11106-015-9731-6

Laptev A.V., Tolochin A.I., Kovalchenko M.S., Evich Ya. I. and Okun’ I. Yu. Structure and Properties of Ni3Al Intermetallic Under Vacuum Impact Sintering. // Powder Metall. Met. Ceram., 2016.-v. 54.-P.554–567. https://doi.org/10.1007/s11106-016-9749-4

Laptiev A. Some Trends in Improving WC–Co Hardmetals. I. Hybrid and Coarse-Grained Hardmetals. // Powder Metallurgy and Metal Ceramics, 2019.-v. 58.-P. 42–57. https://doi.org/10.1007/s11106-019-00046-3

Laptiev A. Some Trends in Improving WC–Co Hardmetals. II. Functionally Graded Hardmetals. // Powder Metallurgy and Metal Ceramics, 2019.-v. 58.- P. 170–183. https://doi.org/10.1007/s11106-019-00061-4

Лаптев А.В., Толочин А.И., Карпец М.В., Мысливченко А.Н., Окунь И.Ю., Евич Я.И. Влияние температуры ударного спекания на плотность, структуру и свойства композита Ni3Al – 45 об. % WC. // НАУКОВІ НОТАТКИ, Луцьк, 2019. Вип. № 66.– С. 195-207.

Хоменко Е. В., Лаптев А. В., Толочин А. И., Минакова Р. В., Ковальченко М. С. Структура и свойства композитов Cu – Cr различного состава, полученных твердофазным прессованием в вакууме. // Электрические контакты и электроды. Сб. трудов ИПМ НАНУ.– Киев, 2008 г. – С. 110–115.

Лаптев А. В., Толочин А. И., Крячко Л. А., Вербило Д. Г., Окунь И. Ю. Свойства ультрамелкозернистого композита Cu–64WC, полученного вакуумным горячим прессованием // Электрические контакты и электроды. Сб. трудов ИПМ НАНУ. Киев, 2010. – С. 198–206.

Толочин А. И., Хоменко Е. В., Лаптев А. В., Анализ прочности и пластичности композитов Cu–35Cr и Cu–65Cr, полученных прессованием в твердой фазе // "Электрические контакты и электроды". Сб. трудов ИПМ НАНУ. Киев, 2010.– С. 189–197.

Лаптев А. В., Толочин А. И., Хоменко Е. В. Влияние температуры ударного прессования в вакууме на плотность, структуру и свойства порошковой меди // Электрические контакты и электроды. Труды ИПМ НАНУ. – Киев, 2012. – С. 117–124.

Подрезов Ю. М., Лаптєв А. В., Толочин О. І., Євич Я. І. Контактоутворення при імпульсному пресуванні в порошкових двокомпонентних системах Cu–Ni та Ag–Ni // Электронная микроскопия и прочность материалов. Вып. 18. Труды ИПМ НАНУ. Серия «Физическое материаловедение, структура и свойства материалов». – Киев, 2012. – С. 139–149.

Толочин А. И., Лаптев А. В., Хоменко Е. В. Влияние температуры ударного прессования в вакууме на физико-механические свойства композитов Cu–Cr // Электрические контакты и электроды. Труды ИПМ НАНУ. Серия ’’Композиционные слоистые и градиентные материалы и покрытия». – Киев, 2014. – С. 65–74.

Крячко Л. А., Лаптев А. В., Толочин А. И., Бега Н. Д., Евич Я. И., Головкова М. Е., Лебедь А. В. Структура и свойства композита W–50 об.% Cu, полученного с применением порошка вольфрама, активированного размолом в шаровой мельнице // Электрические контакты и электроды. Труды ИПМ НАНУ. Серия ’’Композиционные слоистые и градиентные материалы и покрытия.».– Киев, 2014. – С. 75–89.

Ковальченко М.С., Лаптев А.В., Юрчук Н.А., Свердел В.В. Анализ физико-механических свойств твердого сплава на основе карбида вольфрама, полученного спеканием и горячим прессованием в вакууме. // Сб. Карбиды и материалы на их основе, Киев, ИПМ, 1991.– С. 110-117.

Читати повністю

Схожі дисертації

0423U100180

Іванченко Сергій Едуардович

Реологічні властивості та структуроутворення суспензій на основі нанопорошку BaTiO3 при формуванні діелектричних шарів методом плівкового лиття

0421U103584

Дере'янко Олександр Васильович

Особливості сплавоутворення при консолідації порошкових матеріалів на основі абразив-металевих систем під дією електричного струму.

0421U103521

Гребенок Тетяна Петрівна

Формування структури та властивостей твердих сплавів на основі карбіду титану з добавками інших карбідів.

0421U102555

Демиденко Олександр Анатолійович

Закономірності формування структури та властивостей порошкових композиційних матеріалів на основі заліза та самофлюсивних сплавів багатофункціонального призначення

0421U102598

Іваницький Станіслав Георгійович

Наукові засади та розрахункові методи отримання базальтових неперервних волокон з підвищеними характеристиками міцності