Вплив мікроструктури та напружено-деформованого стану на фізико-механічні властивості композитів систем LaB6-MeB2-Cu(Al)

Скорочена інформація про документ
dc.contributor.advisorЛобода, Петро Іванович
dc.contributor.authorСоловйова, Тетяна Олександрівна
dc.date.accessioned2018-06-07T07:03:27Z
dc.date.available2018-06-07T07:03:27Z
dc.date.issued2018
dc.description.abstractenThe work is devoted to solving the actual scientific and technical problem - expansion of boride ceramic composites by creating macroheterogenic composites of polyfunctional applications. When creating composite materials with special properties (wear resistance, long durability, creep, electrical conductivity, etc.) the most promising are composites with high bond strength at the interfacial boundary. In order to create new metal-ceramic composite materials for the manufacture of contact welding electrodes and maintaining high electrical conductivity, the possibility of creating metal-ceramic composites with reinforcement of copper and aluminum matrices with a ceramic composite material LaB6-TiB2 is considered. Due to the high modulus of elasticity and melting temperature, ceramic composite materials representing a single crystalline matrix of one refractory compound (LaB6), reinforced with monocrystalline regular fibers of another refractory compound (MeB2, where Me-Ti, Zr, Hf), are capable of operating under thermomechanical loads up to temperatures 1600 °C. Manufacturing of reinforced ceramic materials can be realized by obtaining powders with eutectic structure. The powdered state of ceramic composites of LaB6-TiB2 systems have high strength and hardness values. The advantage is given to powders with a high specific surface of fibers, which is achieved by etching from the surface of the matrix layer. Etching of fibers, opening of pores and increase of a specific surface after etching - increases the strength of the metal-ceramic composite on the interphase boundary. The influence of microstructure, stress-strain state of phase components on the physical and mechanical properties of reinforced ceramic composite materials is analyzed. During the float zone melting (FZM) of powder green compact, the cooling rates are lower than 103 °C/s. In order to influence the concentration overcooling and obtaining a homogeneous chemical composition of the melt volume, the crystal was grown by FZM with application to a sample holder of a mechanical oscillations with frequency of 50 Hz. It was found that the overlay of mechanical vibrations on a crystal of eutectic alloy during FZM affects the concentration of components in the melt before the crystallization front and leads to a uniform distribution of the size of MeB2 fibers, an increase in their average diameter by ~ 20%, changes their morphology and causes the deviation of the matrix and fibers from the direction of growth given by the seed crystal. It was established that the overlay of mechanical vibrations amplifies the structural and crystallographic heterogeneity of the crystal of the eutectic composite and increases the amount of the diboride phase. Moreover, as the crystallization rate rises from 1 to 3 mm/min, the size distribution of the fibers narrows and the average diameter increases from 0.5-0.9 μm to 0.8-1.1 μm as a result of the decrease of local concentrations in each phase and change of the path of the diffusion fluxes of the atoms of the components at the solid-liquid interface. The shape of fibers of the diboride phase thus becomes more irregular and winding. According to the pole figures obtained by the X-ray method and the metallographic analysis, results have been obtained that prove that mechanical oscillations lead to the reorientation of the sub-grains and the deviation of the fibers from the axis of growth of the crystal. Reducing the size of fibers, and thus increasing the strength of the LaB6-MeB2 composite is achieved by increasing the cooling rate to 105-106 °C/s. It was established that under conditions of high-speed cooling from 102 to 105 ° С/s during crystallization from the melt of the eutectic alloy of the LaB6-11 % by weight of TiB2 with an excess of 1 wt% boron, the diameter of the fibers of the reinforcing phase TiB2 decreases 4-5 times and their number increases by 2-2.5 times. Crystallization on a copper plate of a crystal LaB6-14% by weight TiB2 with 2% by weight of excess boron allows obtaining the TiB2 fibers with an average diameter of ~0.15 μm and their most regular arrangement. Due to the fine-grained and homogeneous microstructure, the maximum realization of the advantages of the reinforced structure at the level of the individual particle is achieved. The highest microhardness and fracture toughness have LaB6-11% by weight TiB2 powdered composites of compared with LaB6- 14% by weight of TiB2 and LaB6-10% by weight of TiB2 composites. The high dispersion of the TiB2 phase contributes to reducing the size of the defects, and the presence of a large number of interphase surfaces prevents the straightforward development of cracks during fracture. Tests on compression of powder particles of reinforced composite showed that their strength is an order of magnitude higher than the strength directionally crystallized samples and increases with the decreasing in the diameter of powder particles. It is shown that the annealing at 1200 °С, 1400 °С and 1600 °C reduces the amount of thermal stresses which are formed while cooling from the temperature of crystallization due to thermal gradients along and normally to the direction of movement of the melting zone. At annealing, the phase composition is approaching stoichiometric, the thermal residual macrostresses are changed, the substructure in the matrix phase is improved, the nature of the fracture and crack propagation during the infusion is changes. It is shown that the thermal expansion of LaB6-MeB2 composites depends on the nature of the phase components and the internal residual thermo-mechanical stresses that arise at the boundary of the matrix-fiber during cooling from the melting temperature. Moreover, the more differ coefficients of thermal expansion of the matrix and fibers, the at higher temperatures the thermal characteristics of the matrix phase and the composite are aligned. The results of the internal friction experiment and the modification of the elastic modulus show that the heating leads to the relaxation of residual stresses in the phase components of the composite, which is due to the crystallographic improvement of the matrix phase of the composites and the loss of excess density of nonthermal vacancies, which are factors of accelerating the formation of cracks. Studies on the production of powder composites were also performed by centrifugal plasma spraying. With this method at a cooling rate of 105-106 °C/s a spherical isotropically-reinforced powder composite was obtained, with a 3 times smaller size of the reinforcing component (MeB2), in 2-3 times reduced residual stresses, with a stoichiometric phase composition, more perfect substructure at the macrolevel and significantly higher strength than the composites obtained by directional crystallization. Several methods for obtaining metal-matrix composites are considered in this work: compression (uniaxial and isostatic) and sintering of a mixture of LaB6-TiB2 - Cu (Al) powders, impregnation of a porous frame of a mixture of powders with copper or aluminum. The powders of LaB6-TiB2 ceramic composite were used in two states: spherical powder formed by centrifugal sputtering, and with special etching of the surface layer of the matrix phase (LaB6), which results in the formation of bare fibers (TiB2) on the spherical surface of the powders. The influence of various states of ceramic composite powders on the density at pressing and formation of intermediate layers on the boundary of a metal matrix - composite matrix has been investigated. The formation of a transition zone, characterized by a smooth change in the mechanical properties of the material during the transition from ceramic inclusions to the metal bond, can significantly improve mechanical properties of metal-ceramic composites. The presence of defects and inclusions on the interphase boundaries can lead to an increase in internal stresses on the boundary of metal-matrix composite section, which may lead to a decrease in the mechanical properties of metal-matrix composites. The optimal conditions for obtaining metal matrix composites are established. It has been shown that impregnation of a porous frame from a mixture of LaB6-TiB2-Al-B powders with molten aluminum can produce materials with porosity less than 10%. The plasticity of this metal-ceramic material raises with the increasing of Al-B mixture content and at the content of 6 - 9 vol. % relative deformation is 70%. The methods of fractographic analysis have shown that high ductility of metal-ceramic material and the ability to reduce the size more than 3 times in the direction of compression and increase in the perpendicular direction are resulting from the plasticity of the metal matrix and the simultaneous destruction of the surface layers of powder particles of reinforced ceramic material, which are interphase to a metal matrix. That makes such materials promising for the use of stamping technologies in the manufacture of parts. Application of LaB6-TiB2 powdered ceramic composite as a strengthening phase allowed to increase the strength of metal matrices (Cu, Al) in 2-2.5 times and to maintain plasticity at the metal level. When using a powder composite with bared TiB2 fibers, due to the reinforcement of the grain boundaries at the interface of the composite-metal matrix, the strength increases by more than 2 times. The electric resistance of the Cu-LaB6-TiB2 metal-matrix composites is at the copper level.uk
dc.description.abstractukРобота присвячена вирішенню актуальної науково-технічної задачі – розширення застосування боридних керамічних композитів шляхом створення макрогетерогенних композитів поліфункціонального застосування. При створенні композиційних матеріалів зі спеціальними властивостями (зносостійкість, тривала міцність, повзучість, електропровідність та ін. матеріали) найбільш перспективними є композити з високою міцністю зчеплення на міжфазній границі. З метою створення нових металокерамічних композиційних матеріалів для виготовлення електродів контактного зварювання та збереження високої електропровідності в роботі розглядаються можливість створення металокерамічних композитів із армуванням мідної та алюмінієвої матриць керамічним композиційним матеріалом LaB6-TiB2. Завдяки високому модулю пружності та температурі плавлення керамічні композиційні матеріали що представляють собою монокристалічну матрицю однієї тугоплавкої сполуки (LaB6), армовану монокристалічними регулярно розташованими волокнами іншої тугоплавкої сполуки ( MeB2, де Me–Ti, Zr, Hf), здатні працювати в умовах термомеханічних навантажень до температур 1600°С. Виготовлення армованих керамічних матеріалів може реалізовуватися шляхом одержання порошків з евтектичною структурою. Отримані у порошковому стані керамічні композити системи LaB6-TiB2 мають високі значення міцності та твердості. Перевага надається порошкам з високою питомою поверхнею волокон, що досягається шляхом витравлювання з поверхні шару матриці. Оголення волокон, відкриття пор та збільшення питомої поверхні після травлення - підвищує міцність на міжфазній границі метал-керамічний композит. У роботі проаналізовано вплив мікроструктури, напружено-деформованого стану фазових складових на фізико-механічні властивості армованих керамічних композиційних матеріалів. Під час безтигельної зонної плавки (БЗП) порошкових заготовок реалізуються швидкості охолодження менші за 103 °С/с. З метою впливу на концентраційне переохолодження і отримання однорідного за хімічним складом об'єму розплаву, кристал вирощували БЗП з прикладанням до тримача зразка механічних коливань частотою 50 Гц. З'ясовано, що накладання механічних коливань на кристал евтектичного сплаву під час безтигельної зонної плавки впливає на концентрацію компонентів в розплаві перед фронтом кристалізації і призводить до рівномірного розподілу за розміром волокон МеB2, збільшення їх середнього діаметру на ~20%, змінює їх морфологію та викликає відхилення матриці і волокон від напрямку росту, заданого кристалом-затравкою. Встановлено, що накладання механічних коливань підсилює структурну та кристалографічну неоднорідність кристалу евтектичного композиту і зменшує кількість нерівноважних фази. Причому, по мірі зростання швидкості кристалізації від 1 до 3 мм/ хв., розподіл за розмірами волокон звужується, а середній діаметр зростає від 0,5-0,9 мкм до 0,8-1,1 мкм внаслідок зменшення перепадів локальних концентрацій в кожній фазі і зміни шляху дифузійних потоків атомів компонентів на границі розділу тверде тіло-рідина. Форма волокон диборидної фази при цьому стає більш неправильною і звивистою. За полюсними фігурами, отриманими рентгенівським методом та металографічним аналізом отримано результати, які доводять, що механічні коливання призводять до розорієнтації субзерен і відхилення волокон від вісі росту кристалу. Зменшення розміру волокон, і відповідно підвищення міцності композиту LaB6-MeB2 досягається за рахунок підвищення швидкості охолодження до 105-106 °С/с. Встановлено, що в умовах швидкісного охолодження від 102 до 105 °С/с під час кристалізації з розплаву евтектичного сплаву системи LaB6-11 мас. % TiB2 із надлишком 1 мас.% бору діаметр волокон армуючої фази TiB2 зменшується у 4-5 разів і їх кількість збільшується у 2-2,5 рази. Кристалізація на мідній пластині кристалу LaB6-14 мас.%TiB2 з 2 мас.% надлишку бору дозволяє отримати волокна TiB2 з середнім діаметром ~0,15 мкм і найбільш регулярним їх розташуванням. Завдяки дрібнозернистій і однорідній мікроструктурі досягається максимальна реалізація переваги армованої структури на рівні окремо взятої частинки. Найбільш високі мікротвердість та тріщиностійкість мають порошкові композити складу LaB6- 11 мас% TiB2 у порівнянні із композитами LaB6- 14 мас% TiB2 та LaB6- 10 мас% TiB2. Висока дисперсність фази TiB2 сприяє зменшенню розмірів дефектів, а наявність великої кількості міжфазних поверхонь перешкоджає прямолінійному розвитку магістральних тріщин під час руйнування. Випробуваннями на стиснення частинок порошку армованого композиту показано, що їх міцність на порядок вища за міцність спрямовано закристалізованих в умовах БЗП і збільшується по мірі зменшення діаметру частинок порошку. У роботі показано, що відпал при 1200°С, 1400°С та 1600°С зменшує величину залишкових напружень, які формуються при охолодженні від температури кристалізації внаслідок виникнення термічних градієнтів вздовж і нормально до напрямку пересування зони плавлення та різниці в величині коефіцієнтів термічного розширення фазових складових армованих композиційних матеріалів систем LaB6- TiB2, LaB6-ZrB2 та LaB6-HfB2. При відпалах хімічний склад наближається до стехіометричного, знімаються термічні залишкові макронапруження, вдосконалюється субструктура в матричній фазі, що змінює характер руйнування та поширення тріщини при індентуванні. Показано, що теплове розширення композитів LaB6-MeB2 залежить від природи фазових складових та внутрішніх залишкових термомеханічних напружень, які виникають на границі розділу матриця-волокно під час охолодження від температури плавлення. Чим більше відрізняються коефіцієнти термічного розширення матриці і волокон, тим при вищих температурах вирівнюються теплові характеристики матричної фази і композиту і зменшуються залишкові мікронапруження в композиті. Так, для композиту LaB6-TiB2 спостерігаємо найвищу температуру перетину дилатометричної кривої з матрицею порівняно із LaB6-ZrB2, LaB6-HfB2, в яких коефіцієнт термічного розширення ZrB2 та HfB2 наближений до LaB6). Результати експерименту із внутрішнього тертя та зміни модуля пружності показують, що нагрівання призводить до релаксації залишкових напружень у фазових складових композиту, що відбувається внаслідок кристалографічного вдосконалення матричної фази композитів та втрати надлишкової щільність нетермічних вакансій, які є факторами прискорення утворення тріщин. Дослідження по отриманню порошкових композитів були виконані також методом відцентрованого плазмового розпилення. Цим методом при швидкості охолодження до 105-106 °С/с було отримано сферичної форми ізотропно-армований порошковий композит з меншим в 3 рази розміром армуючої складової (МеB2), в 2-3 рази зниженими залишковими макронапруженнями, з стехіометричним фазовим складом, більш досконалою субструкторою на макрорівні та вищою на порядок міцністю, ніж композити, отримані спрямованою кристалізацією. В роботі розглядаються декілька методів отримання металоматричних композитів: пресування (одновісне та ізостатичне) та спікання суміші порошків LaB6-TiB2-Cu (Al), просочування пористого каркасу суміші порошків міддю або алюмінієм. Порошки керамічного композиту LaB6-TiB2 використовувалися в двох станах: порошки сферичної форми, яка утворюється відцентрованим розпиленням, та із спеціальним травленням поверхневого шару матричної фази (LaB6), що призводить до утворення оголених волокон (TiB2) на сферичній поверхні порошків. Досліджено вплив різного стану порошків керамічного композиту на щільність при пресуванні та формування проміжних шарів на границі розділу металева матриці – композит. Утворення перехідної зони, яка характеризується плавною зміною механічних властивостей матеріалу при переході від керамічних включень до металевої зв‟язки дозволяє суттєво підвищити механічні властивості металоматричних композитів. Наявність на міжфазних границях дефектів і включень можуть призводити до зростання внутрішніх напружень на границі розділу металева матриця – композит, що можуть призвести до зниження механічних властивостей металоматричних композитів. Встановлено оптимальні умови отримання металоматричних композитів. Показано, що просочуванням пористого каркасу із суміші порошків LaB6-TiB2-Al-B розплавленим алюмінієм можна отримати матеріали з пористістю меншою за 10%. Пластичність цього металокерамічного матеріалу зростає по мірі збільшення вмісту суміші Al-B і при вмісті 6 – 9 об. % відносна деформація становить 70 %. Методами фрактографічного аналізу встановлено, що висока пластичність металокерамічного матеріалу, здатність зменшувати розміри більше ніж в 3 рази в напрямку стиснення і збільшувати в перпендикулярному напрямку, обумовлена пластичністю металевої матриці та одночасним руйнуванням поверхневих шарів частинок порошку армованого керамічного матеріалу, які зв‟язані з металевою матрицею, що робить такі матеріали перспективними для застосування технологій штамповки під час виготовлення деталей. Застосування отриманого порошкового керамічного композиту LaB6-TiB2 в якості зміцнюючої фази дозволило підвищити міцність металевих матриць (Cu, Al) у 2-2,5 рази і зберегти пластичність на рівні металів. При використанні порошкового композиту з витравленою матричною фазою LaB6, за рахунок армування границь зерен на межі розділу керамічний композит-металева матриця, міцність зростає більш ніж у 2 рази. Електроопір металоматричних композитів Cu-LaB6-TiB2 знаходиться на рівні міді.uk
dc.format.page195 с.uk
dc.identifier.citationСоловйова, Т.О. Вплив мікроструктури та напружено-деформованого стану на фізико-механічні властивості композитів систем LaB6-MeB2-Cu(Al). : дис. ... канд. техн. наук : 05.16.06 – порошкова металургія та композиційні матеріали / Соловйова Тетяна Олександрівна. – Київ, 2018. – 195 с.uk
dc.identifier.urihttps://ela.kpi.ua/handle/123456789/23303
dc.language.isoukuk
dc.publisher.placeКиївuk
dc.subjectоб'ємніuk
dc.subjectпорошкові евтектичні керамічні композитиuk
dc.subjectзалишкові напруженняuk
dc.subjectкоефіцієнт термічного розширенняuk
dc.subjectгексаборид лантануuk
dc.subjectфазовий складuk
dc.subjectмікроструктураuk
dc.subjectсубструктураuk
dc.subjectорієнтаціяuk
dc.subjectміцністьuk
dc.subjectтріщиностійкістьuk
dc.subjectмідьuk
dc.subjectалюмінійuk
dc.subjectелектроопірuk
dc.subjectbulkuk
dc.subjectpowder eutectic ceramic compositesuk
dc.subjectresidual stressesuk
dc.subjectcoefficient of thermal expansionuk
dc.subjectlanthanum hexaborideuk
dc.subjectphase compositionuk
dc.subjectmicrostructureuk
dc.subjectsubstructureuk
dc.subjectorientationuk
dc.subjectstrengthuk
dc.subjectstrengthuk
dc.subjectcopperuk
dc.subjectaluminumuk
dc.subjectelectric resistanceuk
dc.subject.udc621.762:669.018.45](047.31)uk
dc.titleВплив мікроструктури та напружено-деформованого стану на фізико-механічні властивості композитів систем LaB6-MeB2-Cu(Al)uk
dc.typeThesis Doctoraluk

Файли

Контейнер файлів
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз
Назва:
Soloviova_diss.pdf
Розмір:
13.59 MB
Формат:
Adobe Portable Document Format
Опис:
Завантажити
Ліцензійна угода
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
Назва:
license.txt
Розмір:
7.74 KB
Формат:
Item-specific license agreed upon to submission
Опис:
Завантажити

Зібрання

Дисертації (ВМПМ ІФФ)
Дисертації (вільний доступ)