Frontier Materials & Technologies

Одним из наиболее эффективных способов повышения технологической пластичности современных суперсплавов – жаропрочных никелевых сплавов – является формирование в объемных полуфабрикатах ультрамелкозернистой (УМЗ) структуры, которая является необходимым условием для реализации эффекта структурной сверхпластичности в технологических процессах изготовления изделий из таких сплавов. Одним из наиболее перспективных методов получения УМЗ структуры является деформационно-термическая обработка (ДТО) по схеме всесторонней изотермической ковки. Показано, что ДТО сплава ЭК79 c постепенным снижением температуры обработки с 0,88 до 0,62 Тs (где Тs – температура растворения упрочняющей фазы) приводит к трансформации исходной мелкозернистой структуры типа микродуплекс в УМЗ структуру смешанного типа. Такая смешанная УМЗ микроструктура состоит из: 1) относительно крупных (наследственных от мелкозернистой структуры) частиц – зерен γ'-фазы размером 3,0±0,8 мкм; 2) зерен γ'-фазы и некогерентных частиц γ'-фазы размером 0,3–0,5 мкм; 3) упрочняющих когерентных внутризеренных частиц γ'-фазы размером 0,05–0,1 мкм, выделяющихся при охлаждении с температуры ДТО до комнатной температуры. Сплав ЭК79, имеющий такую микроструктуру, при испытаниях на одноосное сжатие демонстрирует низкотемпературную сверхпластичность в диапазоне температур 800–1000 °С. Установлено, что повышение температуры деформации до 1000 °С приводит к укрупнению зерен γ-фазы до микронного размера. Сохранение сверхпластических свойств при наличии в структуре сравнительно крупных некогерентных частиц – зерен второй фазы (γ'-фазы), по-видимому, связано с тем, что деформация локализована в УМЗ компоненте.

Биосовместимость делает сплавы магния привлекательными функциональными материалами с точки зрения их использования в качестве биорезорбируемых имплантатов. Однако технологии изготовления полуфабрикатов несут в себе возможное варьирование локальной скорости деформации и температуры в достаточно широком диапазоне, что сказывается на структуре и свойствах обрабатываемого материала. Цель исследования состоит в определении диапазона температур и стойкостей деформации, при которых не происходит отрицательного влияния на основные структурные характеристики обрабатываемого материала, на примере сплава медицинского назначения системы легирования Mg–Zn–Y. Проведены механические испытания биоразлагаемого магниевого сплава Mg–1Zn–2,9Y при различных температурах и скоростях деформации. Раскрыто влияние температур в диапазоне 20…400 °C на структуру и свойства сплава системы Mg–Zn–Y. Начиная с температуры 350 °C, процесс динамической рекристаллизации сопровождается не только полным восстановлением (возвратом) исходной микроструктуры, но и укрупнением размеров зерна, что может негативно сказаться на функциональных характеристиках материала. Выявлена высокая термостабильность биоразлагаемого магниевого сплава Mg–1Zn–2,9Y, что, вероятно, объясняется наличием в нем LPSO-фазы. Показано, что деформационный процесс сопровождается двойникованием. При скорости деформации 2∙10⁻² с⁻¹ во всем температурном диапазоне распределение зерен по размерам несколько сужается и смещается в сторону меньших диаметров. Использование полученных результатов в технологических процессах изготовления полуфабрикатов медицинского назначения поможет решить проблему нестабильности микроструктуры на стадии перехода от полуфабриката в изделие при последующих термомеханических обработках.

Представлены результаты исследования температуры концевого фрезерования низколегированной стали в зависимости от режимов резания и типа кристаллической структуры. Эксперимент проводился на универсальном фрезерном станке PROMA FHV-50PD. Обработку заготовок осуществляли твердосплавной фрезой 12-12D-30C-75L-4F HRC55. В ходе обработки охлаждение не использовалось. Полученные данные подвергались статистическому анализу с целью выявления зависимости температуры концевого фрезерования низколегированной стали от режимов обработки и кристаллической структуры стали. При создании математической модели температуры резания проводился бутстреп-анализ для определения значимости параметров режимов обработки. Выбор математической модели производился с использованием информационного критерия Акаике. Обнаружено, что математические модели зависимости температуры от режимов обработки для обоих типов кристаллической структуры включают глубину резания во второй степени. При этом для стали в ультрамелкозернистом состоянии статистически значима не только глубина резания, но и подача. Влияния скорости резания на температуру в исследуемом диапазоне режимов обработки обнаружить не удалось. Таким образом, при обработке фрезерованием данной группы материалов преобладающее влияние на температурный режим оказывает силовая составляющая, в первую очередь определяемая глубиной резания. Уровень температуры резания при обработке стали в ультрамелкозернистом состоянии в целом выше, чем при обработке стали в крупнозернистом состоянии, что должно быть связано с повышенными физико-механическими свойствами стали с ультрамелкозернистой кристаллической структурой.

Покрытие на основе однофазного среднеэнтропийного сплава CrFeNi с гранецентрированной кубической (ГЦК) структурой обладает хорошей пластичностью, относительно высокими антикоррозионными свойствами, низкой стоимостью, но недостаточной прочностью для его широкого применения. Предполагается, что добавление упрочняющих частиц в виде карбидов и боридов вольфрама в эквиатомное CrFeNi-покрытие приведет к повышению его механических свойств. В работе изучено влияние добавок карбида и борида вольфрама на структуру и микротвердость эквиатомного CrFeNi-покрытия. Формирование покрытий осуществлялось путем послойного короткоимпульсного лазерного оплавления предварительно нанесенного порошка на многофункциональной лазерной установке, оснащенной твердотельным лазером с ламповой накачкой на основе кристалла Nd:YAG. Изменение фазового состава при добавлении упрочняющих частиц выявлялось с помощью методов рентгеновского дифракционного анализа и просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ). Оба метода подтвердили выделение в наплавленных покрытиях карбида хрома Cr₂₃C₆. Фотографии, полученные при помощи ПЭМ, указывают на то, что выделяемая фаза распределена по границам зерен g-твердого раствора. Установлено, что добавление 6 мас. % WC и 3 мас. % WB повышает уровень микротвердости CrFeNi-покрытия на 26 % (с 340±6 до 430±12 HV 0,025) вследствие наличия в структуре частиц Cr₂₃C₆, WC и возможных микроискажений кристаллической решетки g-фазы в результате легирования атомами вольфрама, высвободившимися при растворении боридов и карбидов вольфрама в процессе высокотемпературного короткоимпульсного лазерного нагрева.

Дисперсно-упрочненные композиционные материалы относятся к группе перспективных конструкционных материалов, отличающихся разнообразным сочетанием свойств. В работе рассмотрены примеры создания и термической обработки композиционных материалов на основе алюминиевых сплавов, упрочненных дисперсной фазой карбида титана, для которой характерны высокая твердость, модуль упругости и хорошая смачиваемость расплавом. В настоящее время наиболее доступным, недорогим и эффективным способом получения этих материалов является самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС). Обоснована целесообразность и показан собственный успешный опыт формирования в составе промышленных сплавов АМг2 и АМг6 дисперсной фазы карбида титана с размером частиц от 130 нм в количестве до 10 мас. % методом СВС, что позволяет увеличить твердость сплавов. Проведение после синтеза дополнительного нагрева образцов АМг2–10%TiC и АМг6–10%TiC также способствует последующему повышению твердости. Представленный в статье комплекс исследований физических, механических и эксплуатационных характеристик выполнен с целью сравнения свойств матричных сплавов в нагартованном состоянии и образцов композиционных материалов до и после нагрева. Результаты испытаний показали, что проведение термической обработки способствует снижению пористости композитов и значительному повышению их твердости и микротвердости. Наблюдается также незначительное снижение прочности на сжатие при существенном повышении износостойкости. Установлено, что композиционные материалы характеризуются высокой коррозионной стойкостью к углекислотной и сероводородной коррозии, соответствующей уровню матричных сплавов. Полученные результаты позволяют рекомендовать разработанные материалы для изготовления деталей шатунно-поршневой группы, подшипников и других износостойких деталей узлов трения.