Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Хабаровский Федеральный исследовательский центр Институт Материаловедения Дальневосточного отделения Российской академии наук

Основные результаты научных исследований // 2020

Установлены условия получения нанодисперсных порошков вольфрама WC (рисунок 1а) и кобальта Co (рисунок 1б) с максимальной площадью поверхности измельчением в планетарной мельнице. Максимальное значение площади поверхности частиц WC (2.2×10⁸ м²/м³) достигается на умеренном режиме работы планетарной шаровой мельницы (4.2 оборота в секунду), максимальное значение площади частиц кобальта (1.0×10⁸ м²/м³) - при минимальной частоте вращения мельницы (2.5 оборота в секунду) (рисунок 1в). В результате электроэрозионного диспергирования сплава WC-15Co в глицерине получены сферические ультрамелкозернистые частицы (рисунок 1в), состоящие из карбидов и кобальта (β-WC-W₂C-Co) (рисунок 1 г, д) и обладающие повышенной твердостью (23.7 ГПа). В результате спекания при 1390 ℃ порошка, полученного электроэрозионным диспергированием сплава ВК15 в воде и последующим восполнением углерода, был получен ультрамелкозернистый твердый сплав (рисунок 1е), обладающий высокой твердостью (1620 HV) и прочностью (1920 МПа) и приемлемой трещиностойкостью (13.2 МПа·√м).

Рисунок 1. Фотографии частиц WC (а) и Co (б) полученных измельчением, частицы полученные электроэрозионным диспергированием в глицерине (в), их микроструктура (г,д) и микроструктура ультрамелкозернистого твердого сплав WC-15Co, спеченного из диспергированного в воде порошка (е).

Публикации

1. Maksim Dvornik, Elena Mikhailenko. // Advanced Powder Technology 31. 2020 3937–3946;
2. Дворник М.И., Михайленко Е.А. // Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2020;(3):4-16.
3. Dvornik M. I., Mikhailenko E. A. // Solid State Phenomena 2020. Т. 312. С. 297-302.

Исследовано влияние режимов электроискрового легирования в гранулах на структуру и свойства формируемых покрытий. В основе метода лежит явление полярного переноса вещества от железных гранул в поверхностные слои стального катода, размещенного в центре камеры при подаче на них импульсного напряжения. Длительность импульсов изменяли в диапазоне от 20 мкс до 500 мкс. Предварительно в камеру подавали аморфизируемый порошок (W, Cr, Si, B, и C). Время эксперимента составляло 10 минут для всех образцов, а аргон подавали со скоростью 10 л/мин. Исследование образцов включало металлографию, ренгенофазовый анализ, растровую микроскопию, EDS, Raman. Структура образцов была однородной с содержанием доли аморфной фазы от 50 до 70 об.%. При повышении длительности импульсов толщина покрытий возрастала от 20 до 60 мкм. Микротвердость покрытий достигала 10 ГПа. Образцы отличались высокой жаростойкостью, которая превосходила сталь 45 в 15 раз. Исследования с использованием СЭМ образцов, испытанных в режиме термоциклирования длительностью 100 часов при температуре 700 ℃С показали, что оксидная пленка не формируется даже в местах трещин покрытия. Износостойкость образцов была в 10 раз выше, чем у стали 45, что объясняется высокой твердостью и особой природой металлических стекол.

Рисунок 2. а - превращение аморфизирующегося порошка после его перехода в покрытие; б - состав покрытий по данным EDS анализа; в - зависимость микротвердости от длительности разрядов; г - зависимость интенсивности изнашивания с ростом длительности разрядов.

Публикации

1. Бурков А.А. // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). 2019. Т. 21. № 4. С. 19-30;
2. Burkov A.A., Krutikova V.O. // Russian Journal of Non-Ferrous Metals. 2020. Т. 61. № 1. С. 132-141.
3. A. A. Burkov. // Journal of Friction and Wear, 2020, Vol. 41, No. 6, pp. 543–548.

Изучено влияние выглаживания поверхности электроискровых покрытий методом ультразвукового поверхностного пластического деформирования (УЗПД). Покрытия на бронзе (БрАЖ-9-4) и сталях (20Х13 и 30) сформированы с использованием металлов (Ni, Cu) и сплавов на основе фазы Ni₃Al. Установлено, что для обеспечения существенного снижения шероховатости поверхности (Ra, Rq, Rz, Rpk, Rk, Rvk) электроискровых покрытий необходима шестикратная обработка УЗПД. Структура покрытий состоит из столбчатых кристаллитов, преимущественно нормально ориентированных к поверхности. После обработки обнаружены кристаллиты с признаками пластической деформации, что позволяет существенно расширить область использования электроискровых интерметаллидных покрытий для поверхностей тел трения. Микроструктура покрытий, полученных сплавами на основе Ni₃Al, состоит из столбчатых кристаллитов системы Ni_x-Al_y-Fe_z, в составе которых концентрация компонентов катода (Fe, Cr при использовании стали 20Х13) увеличивается от поверхности покрытия к катоду, а концентрация компонентов анода (Ni, Al) напротив – уменьшается.

Рисунок 3. Микроструктура и состав кристаллитов в покрытии после обработки УЗПД и ионного травления: а – размер кристаллитов в покрытии; б – признаки пластического деформирования кристаллитов

Публикации

1. Khimukhin S.N., Eremina K.P., Ri H. // Materials Today: Proceedings. 2019. №19. P. 2413–2416;
2. Химухин С.Н. К.П. Ерёмина, Г.С. Дзюба. // Вестник БГТУ, 2020. №11 (96), С. 36-43.

Созданы новые легирующие керамические флюсы на основе минеральных концентратов без их технологической переработки, позволяющие осуществлять комплексное легирование низкоуглеродистой стали, при электрошлаковом переплаве (ЭШП), и получены комплекснолегированные сплавы с повышенными эксплуатационными характеристиками. Способом электрошлакового переплава низкоуглеродистой стали и флюса на основе минерального сырья в условиях управляющего воздействия на шлаковую ванну получены сплавы с содержанием вольфрама до 45 масс. %. Выявлена закономерность изменения интенсивности перехода вольфрама в переплавляемый металл в процессе электрошлакового переплава в условиях управляющего магнитогидродинамического воздействия на шлаковую ванну, позволяющая прогнозировать длительность ЭШП, достаточную для практически полного извлечения легирующих элементов из оксидной системы шлаковой ванны.

Установлено, что вольфрам, находящийся в составе шлаковой ванны, легирует феррит, а также, при его восстановлении кремнием, образует интерметаллид Fe₇W₆. Комплексное легирование цирконием и вольфрамом с использованием в качестве восстановителя углерода приводит к растворению этих элементов в основе сплавов с формированием легированных феррита и цементита, а также образованию карбидных фаз ZrC и Fe₃W₃C (рисунок 4).

Рисунок 4. Микроструктура комплекснолегированного сплава, полученного ЭШП в условиях управляемого магнитогидродинамического воздействия.

1. Кузьмичев Е.Н., Николенко С.В., Хе В.К. Власенко В.Д. Международная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы и пути развития промышленности: техника и технологии» 28 сентября 2020 г. – 1 октября 2020 г. Комсомольск-на-Амуре. КНАГТУ).

С использованием одностадийного внепечного жидкофазного самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (ВЖСВС) получены слитки металломатричных комплекснолегированных сплавов из оксидов на основе системы Ni-Al. Разработаны условия использования в составе шихты концентратов местного минерального сырья (бадделеит, шеелит) вместо оксидов редких металлов (Zr, W). Установлено, что формирование карбидов и боридов W в структуре слитков обеспечивается повышением термичности процесса ВЖСВС за счет добавок Cr₂O₃ и оптимальной концентрацией С, B₂О₃ в шихте. В полученных слитках структурные составляющие, содержащие W, формируются в виде отдельных локальных включений комплексного состава. В слитках с бадделеитом Zr входит в состав различных структурных составляющих (интерметаллиды, твердые растворы), исключая зерна основы, которые представлены фазами Al₃Ni₂ и Al₃Ni. Полученные сплавы использованы в качестве электродных материалов при формировании покрытий на стали 45 методом электроискрового легирования. Сплавы, содержащие Zr (0,5 - 3,5 масс.%), позволили сформировать покрытия, обеспечивающие повышение износостойкости. Максимальная износостойкость покрытий (Илс) достигается при использовании анодного материала Г'' – сплав NiO_(43%)-Al_(38%)TiO_2(15%)-Zr_(4%), содержащего 4,0 мас.% Zr и установки “ИМЭИЛ” с режимами: cкважность (t_ск) / длительность импульса разряда (tр): а) t_ск/t_р=50/40 обозначен как (ʹ) и 25/80 – как (ʺ) (рисунок 5-б).

Рисунок 5. NURBS - кривые износа ЛС (ΣИлс) после ЭИЛ стали 45 АМКМ А, Б, В, Г с режимами: а) Аʹ, Бʹ, Вʹ, Гʹ (50/40); б) Аʺ, Бʺ, Вʺ, Гʺ (25/80), где: “А” – Al_(41%)-Ni_(41%)-TiO_2(18%); “Б” – NiO_(43%)-Al_(38%)TiO_2(15%)-Zr_(4%); “В” – Al-Cr-Ni-Zr; “Г” – Al-Ti-Cr-Ni-Zr.

Публикации

1. Nikolenko S., Konevtsov L., Makienko V., Kim E. // Advances in intelligent systems and computing 2020. V. 1115. AISC. P. 291-299;
2. Khimukhin S. N., Deev V. B., Ri E. Kh., Kim E. D. // Non-ferrous Metals. 2020. №1 S. 31-35.

Сложные оксиды со структурой перовскита ABO3 (A = La, Sr, Ce, Dy, Y, и B = Fe, Mn, Ni, Co, Cu) благодаря своим каталитическим свойствам могут быть использованы в качестве многофункциональных катализаторов нейтрализации дизельных газов. Их каталитические свойства во многом определяются активностью и подвижностью кислорода и кислородных комплексов на поверхности. На примере YFeO₃, методами компьютерного моделирования исследованы изменения в атомной и электронной структуре при образовании кислородных вакансий на различных поверхностях данного перовскита. Рассчитаны энергии формирования вакансий в зависимости от их концентрации и типа поверхности: рассмотрены (001), (010) и (100) поверхности. Установлено, что имеется тенденция к уменьшению энергии формирования вакансии при увеличении площади поверхности, что соответствует уменьшению концентрации вакансий. Наименьшее значение 0.81 эВ получено для поверхности (100), это примерно в 4 раза меньше энергии формирования объемной вакансии. Анализ электронной структуры показал частичное снятие локализации 3d-состояний Fe при формировании поверхностей, формирование кислородной вакансии за счет образования Fe-Fe связи усиливает этот эффект.

Рисунок 6. Атомы поверхностного слоя YFeO₃(100) до (a) и после (b) формирования кислородной вакансии: темным цветом показаны атомы Fe, серым – Y, белым – O, удаляемый атом O обозначен крестиком; соответствующие полные и парциальные (для 3d состояний Fe и 2p состояний O) плотности электронных состояний.

Публикации

1. A.A. Gnidenko, P.G. Chigrin, E.A. Kirichenkо // Solid State Phenomena. 2020. Vol. 312, P. 355-360.

Понимание границы раздела между металлом и карбидом в инструментальных сплавах на основе TiC и WC – важный шаг на пути к улучшению контроля, как над процессом спекания, так и над характеристиками получаемых материалов. Методами теории функционала плотности и псевдопотенциала исследована адгезия монослоя кобальта с поверхностью TiC(001). Показана необходимость поворота монослоя кобальта относительно подложки для получения достоверных результатов. Рассмотрены две стабильные атомные конфигурации для системы 4TiC/5Co, рассчитаны энергии связи, приходящиеся на один атом кобальта (рисунок 7).

Рисунок 7. Конфигурации 4TiC/5C в двух проекциях. Слева направо: конфигурация I до и после релаксации, конфигурация II до и после релаксации

Публикации

1. Гниденко А.А. Квантово-механическое моделирование поведения монослоев кобальта на поверхности TiC. // Высокие технологии и инновации в науке: сборник избранных статей Международной научной конференции (Санкт-Петербург, Ноябрь 2020). – СПб.: ГНИИ «Нацразвитие», 2020. – C. 242-247.

Впервые методом пиролиза полимерно-солевых композиций синтезированы перовскиты общей формулы YFe_xB_1‑xO₃ (где B=Li, Mg, Cu; x=0.1). Выбор катионов был осуществлен в соответствии с критерием Гольдшмидта. Согласно данным РФА, введение в структуру катионов лития приводит к смещению основных линий рентгеновских спектров в область больших углов, что связано со сжатием кристаллической решетки из за малого радиуса катиона-допанта. Следует отметить, что РФА спектры допированных перовскитов полностью соответствуют исходному YFeO₃. Основываясь на значении кислородной нестехиометрии методом квантово-механического моделирования показано, что при высоких концентрациях кислородных вакансий отсутствует разница в типе образующихся дефектов кристаллической решетки. Горение углерода в присутствии полученных перовскитов проходит одноэтапно и при использовании в качестве катионов-допантов Li и Mg начинается от 486 и 445 ℃ с температурой максимума 599 и 600 ℃, соответственно. Введение в структуру перовскита ионов меди достигает максимального эффекта и имеет температуру начала процесса 504 ℃ каталитического окисления углерода с температурой максимума при 513 ℃. Сравнение полученных данных с интервалом горения недопированного YFeO₃ (начало процесса 320 ℃ с температурой максимума 556 ℃) показывает перспективность использования состава YFe_xCu_1-xO₃ в качестве активного компонента каталитических конвертеров дизельных двигателей.

Рисунок 8. I) Кристаллическая структура перовскита (О1 и О2 -разные типы атомов кислорода), II) Фазовый состав продуктов пиролиза полимерно-солевых гелей соответствующих составам: а) YFeO₃ б) YFe_0.9Li_0.1O₃ в) YFe_0.9Mg_0.1O₃ г) YFe_0.9Cu_0.1O₃ ( ▼ - YFeO₃, * - Fe₂O₃, ● - Cu Fe₂O₄).

Публикации

1. A.A. Gnidenko, P.G. Chigrin, E.A. Kirichenko // Solid State Phenomena. 2020. Vol. 312, P 355-360.

Создана экспериментальная очистная установка с вращающимися цилиндрическими носителями фотокаталитического материала, предназначенная для фотоокисления водных растворов органических загрязнителей под действием света сходного с солнечным диапазоном спектра. Исследован способ нанесения фотокаталитически активного материала на основе твердого раствора висмутата стронция на выбранный силикатный носитель. Показано что, наилучшими прочностными и фотокаталитическими характеристиками обладает силикатный носитель с двухслойным покрытием, отожженный при 500ºС. Анализ данных РФА и СЭМ показывает наличие сплошного покрытия, состоящего из фазы висмутата стронция со стехиометрией близкой к Sr:Bi-1:5. Для создания фотокаталитически активных покрытий был использован метод пропитки силикатного носителя biopur forte 10%-м раствором комплексов нитратов стронция и висмута с сорбитом в этаноле. Были исследованы: предел прочности на сжатие, морфология поверхности, фазовый состав, сорбционные и фотокаталитические свойства покрытий, нанесенных от 1 до 4 раз на силикатный biopur forte после изотермического отжига при 500 и 700 ℃С (Рисунок 9).

Рисунок 9. РФА поверхности образцов carrier «F» в зависимости кратности нанесения покрытия и температуры отжига: а) 500 ℃, б) 700 ℃.

Публикации

1. E.A. Kirichenko, O.I. Kaminsky, A.V. Zaytsev, K.S. et al. // Optics and Spectroscopy. 2020. Т. 128. № 3. С. 315-322;
2. A.V. Zaitsev, E.A. Kirichenko, O.I. Kaminsky, K.S. Makarevich // Journal of Water Process Engineering. 2020. Т. 37. С. 101468;
3. Патент на изобретение RU 2714808 C1, 19.02.2020. Заявка № 2019114440 от 08.05.2019. Автоматизированная установка для исследования фотокаталитической активности порошковых композиций Каминский О.И., Зайцев А.В., Макаревич К.С.