Вопросы материаловедения

Исследовано влияние расхода кальция при внепечной обработке и его содержания в готовом металле на качество листовой стали марки 10ХСНД, полученной из непрерывно-литых слябов. По результатам оценки макроструктуры слябов, полученных из непрерывно-литой заготовки, а также после проведенных испытаний готового металла по определению ударной вязкости, загрязненности неметаллическими включениями, температуры вязкохрупкого перехода сделаны выводы о влиянии расхода и содержания кальция в металле на его качество.

Исследовано влияние термической обработки на структуру и свойства нового свариваемого жаропрочного никелевого сплава на основе Ni–Fe–Co–Nb–Ti–Тa с низким термическим коэффициентом линейного расширения, предназначенного для изготовления деталей газотурбинных двигателей. Изучена стабильность интерметаллидной глобулярной фазы при закалке, особенности выделения пластинчатых частиц в процессе отжига после закалки. Показано, что сформированная при термической обработке структура с наноразмерными кубоидными и округлыми частицами γ'-фазы, а также с присутствием небольшого количества пластинчатых выделений η-фазы по границам зерен обеспечивает высокий уровень свойств с превосходством по длительной прочности в сравнении с железоникелевыми серийными сплавами аналогичного назначения. При равномерных выделениях γ'-фазы достигается более высокая прочность при кратковременных испытаниях. 

Исследованы закономерности формирования структуры паяного шва и галтели при диффузионной пайке тавровых соединений титанового сплава ВТ6С аморфным припоем системы Ti–Cu–Ni–Zr в зависимости от длительности процесса при заданной температуре. Показано, что приемлемые механические свойства соединений достигаются при определенных параметрах пайки, обеспечивающих достаточно полное диффузионное удаление из металла шва компонентов припоя и минимальный размер галтели. Дано обоснование предпочтительности пластинчатой структуры основного металла для диффузионно-паяных соединений титанового сплава. 

С целью выявления наиболее производительного технологического режима напыления титановых покрытий микроплазменным методом произведена их оптимизация. В качестве переменных параметров использовали значения силы тока электрической дуги, расходы плазмообразующего и транспортирующего газов. Материалом для напыления был принят порошок титана марки ПТОМ-1 различного фракционного состава: 20–32, 32–40 и 40–71 мкм. В результате серии экспериментов были выявлены наиболее оптимальные режимы напыления покрытий, критерием являлась совокупность ряда факторов: толщина покрытия не менее 200 мкм, исключение спекания напыляемого порошка в каналах плазмотрона, низкая пористость покрытия (не более 5%), плотное прилегание покрытия к подложке и отсутствие деламинации покрытия при механической обработке. Для покрытий, которые имеют наименьшие значения пористости (от 1,0 до 1,9 %), при достижении всех перечисленных выше показателей были исследованы морфология и микротвердость. 

Разработана математическая модель процесса кристаллизации гранул алюминиевых сплавов в условиях охлаждения в водной и водно-паровой среде. Практическая значимость математической модели заключается в прогнозировании средней величины дендритного параметра получаемых гранул в зависимости от метода гранулирования, особенностей процесса гранулирования и размера получаемых гранул. Средняя величина дендритного параметра позволяет прогнозировать дисперсность структуры гранул и, следовательно, механические свойства гранулированного материала. Математическая модель позволяет определять скорость движения капли расплава в водной среде и учитывает наличие эффекта паровой рубашки, т. е. паровой прослойки, возникающей между кристаллизующейся каплей и водной средой, которая значительно снижает интенсивность отвода тепла и скорость кристаллизации.

Применение математической модели было опробовано на примере получения гранул высоколегированных алюминиевых сплавов (сплавы Д1 и Д16 системы Al–Cu–Mg, сплавы В95 и В96Ц системы Al–Zn–Mg–Cu), получаемых методом центробежного разбрызгивания расплава из перфорированного вращающегося тигля и капельным методом при охлаждении в водной среде. Скорость охлаждения и скорость кристаллизации гранул определяли экспериментальным путем методом измерения дендритного параметра структуры материала. Математическая модель показала высокую степень сходимости результатов моделирования и реальных экспериментов гранулирования алюминиевых сплавов.

Рассмотрен метод изготовления высокопрочного конструкционного углепластика из таупрега на основе полифениленсульфида марки PPS-214 (Fortron, Германия) и высокопрочного углеродного волокна AS4 (Hexcel, США) с помощью перспективной технологии переработки таупрегов ATL (Automated Tape Laying) с лазерным нагревом. Проведена адаптация технологии под изучаемый материал, изготовлены лабораторные макеты в виде плит, проведены физико-механические испытания лабораторных образцов. Качество распределения связующего и наличие дефектов оценено с помощью растровой электронной микроскопии. Исследовано влияние схем армирования, прессования и вакуумной термической обработки на повышение механических свойств исследуемого углепластика. Установлено, что образцы, прошедшие вакуумную термообработку, обладают более высоким уровнем механических свойств благодаря увеличению адгезии лент таупрега друг к другу и удалению образующихся при выкладке несплошностей. Значение предела прочности при межслойном сдвиге образцов, изготовленных с применением параллельно-диагональной схемы, увеличивается на 108% при изгибе – на 370% и на 65% при сжатии.

Путем переработки таупрегов методом ATL с лазерным нагревом и последующей термической обработки изделий можно получать высокопрочные конструкционные материалы с повышенными физико-механическими свойствами, а также высокой повторяемостью и равномерным распределением свойств по всей площади изделий даже с применением сложных схем армирования. 

Предложен метод расчета усталостного повреждения при циклическом нагружении, в котором нагружение в полуциклах не является простым, т. е. компоненты напряжений в полуцикле не изменяются пропорционально одному параметру. Кроме того, предложенный метод учитывает ситуацию, когда скорость деформирования в полуцикле влияет на степень повреждения материала (например, в случае деформирования материала в условиях реализации ползучести или воздействия коррозионной среды) и может изменяться в различных полуциклах нагружения. 

Приведены результаты потенциодинамического и термогравиметрического исследования анодного поведения и окисления сплава Zn22Al, легированного скандием, в различных средах. Установлены анодные, кинетические и энергетические характеристики сплавов в изотермических условиях. Легирование сплава Zn22Al скандием в количестве от 0,1 до 1,0 мас. % способствует повышению его анодной устойчивости к окислению. Скорость окисления и коррозии легированных (0,01–0,1%) скандием сплавов в 1,5–3 раза меньше, чем сплава Zn22Al. Продукты окисления сплавов состоят из смеси защитных пленок ZnO, Sc2O3, ZnAl2O4 и Al2O3·Sc2O3. 

Рассмотрены стали и сплавы различного структурного класса с позиции обеспечения требуемого уровня служебных характеристик, необходимых для безопасной эксплуатации и изготовления парогенератора реакторной установки с натриевым теплоносителем. На основании проведенного анализа установлено, что оптимальным конструкционным материалом для парогенератора реакторной установки большой мощности с натриевым теплоносителем является нержавеющая сталь мартенситного класса с содержанием хрома 12 мас.%. 

Рассмотрены явления образования центров окрашивания за счет собственных и примесных дефектов в кристаллах флюорита, активированных редкоземельными ионами Pr3+, Nd3+, Yb3+, при воздействии γ- и УФ-излучений. На примере CaF2, активированных ионами Yb3+ и Pr3+, показано воздействие фотодинамического процесса на фотохимическую устойчивость к образованию центров окрашивания Yb-содержащего кристалла и влияние нагрева на восстановление первоначальной окраски Pr-содержащего кристалла после γ-облучения в результате изменения электронного состояния ионов празеодима. Исследованы и объяснены особенности образования ионов в R2+-состоянии в кристаллах CaF2 : R3+(R3+ = Pr, Nd, Yb) после γ-облучения и даны количественные оценки конверсионных процессов R3+→R2+.