Дисертації (ФМТО)

Постійне посилання зібрання

https://ela.kpi.ua/handle/123456789/43859
У зібранні розміщено дисертації, які захищені працівниками кафедри.

Переглянути

Перегляд Дисертації (ФМТО) за Ключові слова "hardness"

Зараз показуємо 1 - 2 з 2
  • Ескіз
    ДокументВідкритий доступ
    Механічні та корозійні властивості композиційних покриттів, синтезованих ультразвуковою ударною обробкою сплавів на основі Ti, Cu, Al
    (КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2023) Могилко, Владислав Віталійович; Волошко, Світлана Михайлівна
    Могилко В.В. Механічні та корозійні властивості композиційних покриттів, синтезованих ультразвуковою ударною обробкою сплавів на основі Ti, Cu, Al. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 132 – Матеріалознавство (13 – Механічна інженерія). – Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського", Київ, 2023. Дисертація присвячується вирішенню актуальної науково-технічної задачі – покращенню механічних та корозійних властивостей поверхні сплавів на основі кольорових металів (Ti, Cu і Al) шляхом ультразвукового ударного синтезу високоміцних композиційних покриттів. Дисертаційна робота складається із 5 розділів, які стосуються: літературних даних щодо впливу методів інтенсивної деформації та модифікації поверхні на структурно-фазові перетворення і зміну властивостей кольорових сплавів (Розділ 1); опису об’єктів і методів дослідження (Розділ 2); впливу ультразвукової ударної обробки (УЗУО) з дрібнодисперсними порошками a-Si3N4, b-Si3N4, SiC та Al2O3 та термічної обробки (ТО) на структуру, фазовий склад і властивості поверхні титанового сплаву ВТ6 (Розділ 3) та латуні ЛС 59-1 (Розділ 4); змін структурнофазового стану та властивостей поверхні алюмінійового сплаву АМГ6 після електроіскрового легування (ЕІЛ) титаном з подальшою УЗУО (Розділ 5). УЗУО з порошками проведено на повітрі за квазі-гідростатичною схемою ударного навантаження задля суттєвого підвищення механічної енергії та формування деформаційних композитів шляхом механічного легування подрібненими армувальними частинками поверхневих шарів сплавів; в цьому випадку додатково застосовано високотемпературний відпал на повітрі для інтенсифікації окисних процесів та ущільнення синтезованих покриттів. Використано також підхід, який передбачає ЕІЛ титаном на повітрі задля синтезу оксидних та інтерметалідних сполук з подальшою УЗУО за контактно-зсувною схемою ударного навантаження, з метою низькотемпературного механічного наноструктурування сформованого покриття. При цьому дотримувались наступні режими обробки: - для УЗУО: частота ультразвукового генератора – 21 кГц, потужність – 0,6 кВт, тривалість обробки – 30–300 с, швидкість обертання ударної головки – 10 об/с, амплітуда коливань торця концентратору напружень – 15 мкм–25 мкм, кількість ударників – 1 або 7; - для ЕІЛ: тривалість, енергія та частота проходження електричних імпульсів близько 200 мкс, 1 Дж та 50 3 Гц, відповідно; - для ТО: повітряне середовище, температура відпалу – 550 та 650 25°С, тривалість – 5 годин, а за умов циклічного відпалу – 50 годин. Застосовано комплекс експериментальних методів дослідження структури та фазового складу синтезованих покриттів (рентгенофазовий аналіз, електронна мікроскопія), хімічного розподілу компонентів (мікро-рентгеноспектральний аналіз), механічних та корозійних властивостей (випробування на зношування, склерометрія, мікро- і наноіндентування, гравіметрія, потенціостатичний метод). Використання високоміцних дисперсних порошків Si3N4, Al2O3 та SiС під час ультразвукової ударної обробки сплавів ВТ6 та ЛС59-1 дозволило синтезувати композиційні покриття із підвищеною до 4–5 разів мікро- та інструментальною твердістю і корозійною стійкістю, товщина яких визначається механічними властивостями вихідного сплаву та тріщиностійкістю порошку. Синтезовані таким чином покриття мають градієнтну структуру: ущільнений шар подрібненого порошку; композиційний шар (матричний сплав армований частинками порошку); область деформаційного зміцнення з модифікованим фазовим складом. Ультразвукова ударна обробка з порошком b-Si3N4 гальмує високотемпературне окиснення поверхні сплаву ВТ6: втрата маси після 50 годин циклічного відпалу на повітрі за температури 650 °С зменшується вдвічі, порівняно із вихідним станом, завдяки механічному легуванню подрібненими частинками порошку до глибини 16 мкм, прискореному масопереносу та частковому спіканню компонентів синтезованого покриття. Такий результат обумовлюється тим, що bSi3N4 та Ti мають однаковий тип кристалічної ґратки з близькими параметрами (для Ti – a = 0,2951 нм, для b-Si3N4 – с = 0,2909 нм). Дана модифікація нітриду кремнію характеризується також досить високою стійкістю до теплових ударів, що забезпечує низький рівень термічних напружень під час циклічного відпалу. Комбінована дія ультразвукової ударної обробки поверхні сплаву ВТ6 з порошком Al2O3 та відпалу за температури 650 °C дозволила сформувати захисне композиційне покриття із покращеними властивостями порівняно із вихідним станом: збільшеною у 4 рази інструментальною твердістю (до 12,8 ГПа); зменшеним в 2,5 рази коефіцієнтом тертя та зменшеними в 20 разів втратами на зношування; покращеним у 1,5 рази та в 6,5 разів опором окисненню за підвищених температур і в середовищі 3,5% NaCl, відповідно. Градієнтна структура синтезованого покриття представлена у даному випадку щільною плівкою Al2O3/TiO2 на поверхні, композиційним шаром, що зміцнений частинками Al2O3, та областю деформаційного зміцнення. Швидкість окиснення вихідного та модифікованого УЗУО зразків ВТ6 описується параболічним законом з енергією активації 256 кДж/моль та 264 кДж/моль, відповідно. Довжина дифузійного шляху атомів кисню зменшується на порядок величини порівняно із вихідним сплавом (42 мкм проти 400 мкм, відповідно). На початкових стадіях окиснення можна виділити низку факторів, які впливають на його швидкість, серед яких – наявність міжфазних границь, що утворюються внаслідок механічного легування приповерхневих шарів сплаву ВТ6 численною кількістю наддрібних частинок Al2O3, а також великої кількості новоутворених меж зерен внаслідок пластичної деформації матричних компонентів сплаву під час УЗУО. УЗУО-синтез покриття з порошком Al2O3 дозволив збільшити твердість поверхні двофазної латуні ЛС59-1 до 5,3 ГПа, при цьому ефект зміцнення досягає 4 разів, порівняно із вихідним станом. Використання порошку SiC покращило ефект зміцнення до 5 разів, значення мікротвердості складають 5,65 ГПа та 6,7 ГПа для фракцій 28 мкм–40 мкм та 160 мкм–200 мкм, відповідно. Для випадку застосування порошку SiC більшої фракції зростає опір до окисного руйнування з утворенням фази ZnO (за даними рентгенофазових досліджень відсотковий вміст останньої зменшується з 23% до 10%). Зростання мікротвердості поверхні латуні ЛС59-1 після УЗУО з порошком SiC обумовлене комбінованим впливом процесів армування високоміцними карбідними частинками, диспергування зеренної структури матричних складових (до 70 нм та 50 нм для a-та b-фаз, відповідно) та фазовим перетворенням b-a (із зменшенням втричі кількості b-фази); загальна товщина деформованого шару складає 500 мкм. Електроіскрове легування титаном сплаву АМг6 з подальшою ультразвуковою ударною обробкою забезпечило, порівняно із вихідним станом, зростання мікротвердості приповерхневих шарів до 3 разів та захисної ефективності від корозії (у сольовому розчині 3,5% NaCl) на 26% завдяки твердорозчинному (Ti-Al) та дисперсійному (інтерметалідні та оксидні фази Ti і Al) зміцненню, а також формуванню бімодальної структури з ультрадисперсними зернами. Інтенсивність зміцнення після ЕІЛ-УЗУО та УЗУО складає 33,2 МПа/мкм та 13,6 МПа/мкм, відповідно, тобто збільшується майже втричі. Причому саме деформаційний вплив УЗУО обумовлює утворення областей фрагментованої мікроструктури у поверхневих шарах сплаву АМг6, де кожен фрагмент характеризується високим значенням середньої густини дислокацій. Середня товщина модифікованого/синтезованого шару зі значним вмістом титану та кисню станoвить близько 11 мкм, а загальна глибина інтенсивного проникнення останнього досягає 32 мкм. Встановлені в роботі закономірності формування термічно- та механічноіндукованих градієнтних структурно-фазових станів у приповерхневих шарах промислових сплавів ВТ6, ЛС59-1, АМг6 під дією інтенсивної пластичної деформації відкривають перспективи створення інноваційних технологій інженерії металевої поверхні. Усі результати, що виносяться на захист є новими.
  • Ескіз
    ДокументВідкритий доступ
    Структурний стан та механічні властивості високоентропійних сплавів і боридів на основі 3d-перехідних металів з додаванням Al, Mo, W
    (КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2025) Науменко, Максим Павлович; Карпець, Мирослав Васильович
    Науменко М.П. Структурний стан та механічні властивості високоентропійних сплавів і боридів на основі 3d-перехідних металів з додаванням Al, Mo, W – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 132 – Матеріалознавство. – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ – 2025. Дисертаційна робота присвячена дослідженю структурного та фазового стану, механічних властивостей сплавів FeCoNiAlVMo, FeCoNiCrMoW, FeCoNiCrMnW, FeCoNiAlCrMnх(х=0,5;1), FeCoNiAlVMoB, FeCoNiCrMoWB, FeCoNiCrMnWB у вихідному стані та після окиснення, а також середньоентропійних диборидів на основі порошків HfB2, TiB2, ZrB2, NbB2,TaB2. Дисертаційна робота складається з чотирьох розділів, у яких викладено та обґрунтовано основні результати проведеного дослідження. У вступі дисертації представлено загальну характеристику дослідження: обґрунтовано його актуальність та визначено зв’язок із науковими напрямами. Сформульовано мету й основні завдання, окреслено об’єкт і предмет дослідження. Описано наукову новизну отриманих результатів, їхню практичну значущість, а також особистий внесок автора. Подано відомості про апробацію результатів, опубліковані наукові праці, а також структуру та загальний обсяг дисертації. У першому розділі проведено аналіз літературних джерел, присвячених основним характеристикам і властивостям багатокомпонентних систем із складом наближеним до еквімолярного, відомих як високоентропійні сплави (ВЕС). Описано основні методи їхнього синтезу та емпіричні параметри, що використовуються для прогнозування й утворення таких сплавів. ВЕСи являють собою системи, що містять 5 і більше компонентів із вмістом кожного близьким до еквімолярного. Проте, перші дослідження таких систем виявили їх відносно просту кристалічну структуру – переважно ОЦК або ГЦК. Це відрізняє їх від традиційних сплавів, де основу становить один чи два компоненти, а інші додаються як легуючі елементи у невеликих кількостях. Така унікальна композиція ВЕСів забезпечує специфічні властивості цих матеріалів. Формування особливого складу можливе лише за певних умов і комбінацій компонентів. Розглянуто структурні особливості ВЕС і проведено їх порівняння з кристалічними та аморфними металічними сплавами. Дослідження показують, що досягнення "ідеального" твердого розчину є майже неможливим, оскільки отримані структури часто демонструють неоднорідності, іноді навіть на макрорівні. Водночас у ближньому впорядкуванні формуються специфічні конфігурації, які не відповідають ідеальному твердому розчину, хоча це питання залишається недостатньо вивченим. У розділі також розглянуто основні критерії, що визначають формування структури ВЕСів – твердофазного розчину. На основі одержаних даних сформульовано мету та завдання даного дослідження. У другому розділі наведено інформацію про вихідні матеріали, методику отримання сплавів та методи дослідження, застосовані у дисертаційній роботі. Усі сплави, розглянуті в дослідженні, були виготовлені методом аргоннодугової плавки в печі МІФІ-9-3 у середовищі аргону. Вихідними матеріалами слугували метали високої чистоти (≈99,9%). Процес охолодження розплаву після плавлення відбувався зі швидкістю приблизно 80–300 К/с. Контроль хімічного складу здійснювали шляхом аналізу втрати маси під час плавки та рентгенофлуоресцентного аналізу за допомогою приладу «EXPERT 3L». Рентгеноструктурні дослідження проводили з використанням рентгенівських дифрактометрів ДРОН УМ-1 та Ultima IV у монохроматичному Cu-Kα випромінюванні (λ = 0,15418 нм) із фокусуванням за методом Брегга-Брентано. В якості монохроматора застосовували графітовий монокристал, встановлений на дифрагованому пучку. Обробку отриманих даних виконували за допомогою програми PowderCell 2.4 для повнопрофільного аналізу рентгенівських спектрів, враховуючи текстурні особливості фаз сплавів відповідно до моделі March-Dollase. Фізико-механічні характеристики матеріалу визначали методом мікроіндентування за допомогою установки «Мікрон-гамма» при навантаженні до 2,0 Н алмазною пірамідкою Берковича (кут заточки – 65º). Процес навантаження та розвантаження тривав 30 секунд у автоматичному режимі з фіксацією діаграми навантаження, витримки та розвантаження в координатах F-h. Вимірювання індентованої мікротвердості (HIT), приведеного модуля Юнга (Er), коефіцієнтів пружності (εes) і повзучості (σes) виконували по стандарту ISO 14577-1:2002(Е). Мікроструктурні дослідження здійснювали методами растрової електронної мікроскопії із використанням Superprobe-733, РЕМ-106І та TESCAN VEGA 3. У третьому розділі представлено результати дослідження сплавів високоентропійних матеріалів після аргонно-дугового переплаву. Проведений аналіз валентної електронної концентрації (VEC) для різних складів ВЕС, який дозволяє передбачити їхню кристалічну структуру. Загалом, для VEC > 7,5 ел/ат характерним є формування гранецентрованої кубічної (ГЦК) структури, що забезпечує високу пластичність та стабільність твердої фази. Класичним прикладом є еквіатомний сплав Кантора FeCoNiMnCr (VEC = 8 ел/ат), в якому формується однофазний твердий розчин з ГЦК-структурою. У сплавах зі значеннями VEC у діапазоні 6,8–7,5 ел/ат можлива поява суміші фаз (ГЦК + ОЦК), що спостерігається, наприклад, у FeCoNiCrMoWB (VEC = 6,9). За VEC < 6,8 переважає об’ємноцентрована кубічна (ОЦК) фаза, що характерно для сплаву FeCoNiAlMnCrB (VEC = 6,7 ел/ат). Легування сплаву Кантора алюмінієм зменшує VEC до 7,2 ел/ат і у сплаві FeCoNiAlMnCr фіксується однофазний твердий розчин з ОЦК структурою, упорядкованою за типом B2. Легування W однофазного ГЦК сплаву Кантора FeCoNiCrMn, приводить до зміни фазового складу із формуванням суміші твердих розчинів на основі ГЦК та ОЦК граток, а також виділення інтерметаліду типу μ-фази (Fe7W6). Додавання бору сприяє відхиленню від правила визначення складу за VEC і відбувається утворення трьох боридних фаз – FeW2B2 та WB з тетрагональною і орторомбічною структурами та (Cr,Fe)23B6 з кубічною граткою і структурою типу Cr23С6. При додатковому введенні у сплав бору відбувається значне подрібнення дендритів, що свідчить про його модифікуючу дію. При охолодженні сплаву FeCoNiCrMnWB первинно кристалізується більш високотемпературна фаза з високим вмістом вольфраму – в даному випадку це борид WB (світлі дендрити), у вигляді облямівки формується FeW2B2 і останнім у міждендритному просторі кристалізується борид (Cr,Fe)23B6. При заміні марганцю на молібден, у сплаві FeCoNiCrMoW спостерігається значне збільшення долі ОЦК з 16 до 45 % ваг, а μ-фази з 23 до 40 % ваг. При подальшому введенні до сплаву бору, у порівнянні із FeCoNiCrMn, спостерігається збільшення кількості боридних фаз з трьох до п'яти, які мають різний тип кристалічної структури – (MoW)B, MeB2, Fe2B, Ni3B та Ni21Mo2B6. З метою порівняння впливу ентропійного фактора на одержання боридів іншими методами, проведено дослідження структури та фазового складу високоентропійних боридів, отриманих за температури 2000 оС методом гарячого пресування (ГП) вихідних порошків диборидів. Однофазні дибориди (TiB2, ZrB2, HfB2, NbB2, TaB2) використовували для отримання різних твердих розчинів. Консолідацію середньоентропійних твердих розчинів (Ti, Zr, Hf)B2, (Zr, Hf, Nb)B2, (Zr, Hf, Ta)B2 , (Zr, Hf, Nb, Ta)B2 проводили гарячим пресуванням (ГП) в атмосфері CO/CO2. Відповідно до даних дифрактометрії, отримані матеріали (Zr,Hf,Ta)B2 та (Zr,Hf,Nb)B2 є багатофазними. Додаткова фаза має близький період ґратки до чистого HfB2 (a= 0.3141 нм ; c=0.3470 нм). Виміряний період ґратки твердого розчину у даних системах мав відмінне значення від теоретичного значення. В даному випадку основними параметрами, які впливають на формування твердого розчину є енергія формування та швидкість кристалізації різних фаз. Для ZrB2 та HfB2 енергія формування має подібне значення ~ 320 кДж/моль, а енергія формування для NbB2 чи ТаB2 складає 260 кДж/моль, і 210 кДж/моль, відповідно. Така суттєва різниця в енергіях формування зумовлює різну швидкість утворення твердого розчину під час гарячого пресування та кристалізації і перешкоджає реалізації однофазного твердого розчину. В той же час, у сплаві (Zr, Hf, Nb, Ta)B2, де кількість металевих компонентів збільшено до 4, зареєстровано практично однофазний твердий розчин зі структурою типу MeB2. Таким чином, збільшення конфігураційної ентропії сплаву сприяє формуванню однофазного твердого розчину на основі диборидів металів. У четвертому розділі наведено результати дослідження фазового та структурного стану високоентропійних матеріалів після окиснення. Під час тривалого високотемпературного окиснення при 900°С протягом 50 годин на поверхні сплавів AlCrMn0,5FeCoNi та AlCrMnFeCoNi формуються суцільні багатофазні оксидні плівки, які містять оксиди Mn3O4, FeMnO3, шпінель NiMn2O4 та Al2O3. При цьому в матриці сплавів відбувається cпінодальний розпад впорядкованої ОЦК (B2) структури на суміш двох твердих розчинів, що мають ОЦК і ГЦК кристалічні структури та μ-фазу з тетрагональною граткою. У сплаві AlCrMnFeCoNi домінуючою фазою є ОЦК (51 % ваг), а у сплаві AlCrMn0,5FeCoNi – ГЦК твердий розчин (44 % ваг.). Вміст μ-фази залежить від концентрації марганцю і становить 29 % ваг в еквіатомному сплаві та 18 % ваг у сплаві AlCrMn0,5FeCoNi. Під час окиснення сплаву Кантора FeCoNiMnCr при 1000°С протягом 1 години на його поверхні спостерігається формування тонкої плівки із двох оксидів за участю марганцю Mn3O4 та MnFeO3. При введенні до сплаву Кантора вольфраму (FeCoNiMnCrW), на його поверхні після окиснення в аналогічних умовах, спостерігається нерівномірне формування оксидного шару, оскільки до складу сплаву входять елементи з більш високою стійкістю, такі як Ni, Со та Cr, а також елементи з низькою стійкістю – такі як, Mn та W. Окиснення вольфраму відбувається з утворенням оксиду WO3, який при високих температурах (понад 1000°С) має здатність до випаровування. Під час окиснення на поверхні сплаву FeCoNiMnCrWB формується пориста окалина, в структурі якої спостерігаються утворення кількох типів оксидів – світлих дрібно зернистих голкоподібних та дещо оплавлених зерен різного розміру. Оплавлені зерна кристалів оксиду свідчить про часткове спікання окалини. Утворення високоентропійного оксиду із структурою Mn(MеО4) свідчить про те, що до його складу входить більшість компонентів сплаву, при цьому відбувається значне збільшення всіх трьох параметрів гратки у порівнянні із оксидом Mn(WO4), формування якого встановлено в окалині сплаву без бору FeCoNiMnCrW. Це може бути пов'язано як зі збільшенням в ньому кількості вольфраму, так і можливого втілення атомів бору в гратку де вони займають міжвузельні позиції. Під час окиснення сплаву FeCoNiCrMoW при 1000°С протягом 1 години відбувається формування суцільної, рихлої багатофазної окалини, яка частково осипається з поверхні зразка і в якій місцями спостерігається утворення тріщин та пор. Х-променевим аналізом встановлено, що окалина містить 4 типи оксидів – ізоструктурні CoWO4 та CoMoO4, які мають моноклінну кристалічну структуру, а також Cr2WO6 з тетрагональною і CrWO4 з ромбічною граткою. На поверхні сплаву FeCoNiCrMoWB під час окиснення при 1000°С протягом 3 годин формується товста пориста окалина (до 1400 мкм), яка частково осипається з поверхні зразка. Вона має складну багатофазну будову – в її структурі спостерігаються великі видовжені округлі кристали (за формою близькі до цилідричної), з яких відбувається ріст дрібних голчастих оксидів. Між великими кристалами місцями помітно оплавлені ділянки окалини, що може бути пов’язано з утворенням оксиду МоО3, який має низьку температуру плавлення (795°С). Проте на дифракційній картині окалини сплаву FeCoNiCrMoWB чітко спостерігаються дифракційні піки, які відповідають оксиду NiMoO₄ та оксиборату типу (Co₁.₅Me₀.₅)(BO₃)O, а присутності МоО3 не виявлено. Утворення молібдату NiMoO₄ позитивно впливає на зниження швидкості окиснення, оскільки він володіє захисними властивостями. При окисненні сплавів FeCoNiAlVMo та FeCoNiAlVMoB спостерігається різниця у формуванні фазового складу, що пояснюється як різницею у тривалості процесу, так і у фазовому складі сплавів. Так, на поверхні сплаву FeCoNiAlVMo формується окалина на основі молібдату NiMoO4 та оксиду V3O5, а на сплаві FeCoNiAlVMoB окрім NiMoO4 та V3O5 спостерігається присутність низькоплавкого оксиду V2O5, який приводить до його окиснення.