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

Основные результаты научных исследований // 2021

Разработана технология переработки твердого сплава, включающая электроэрозионное диспергирование (ЭЭД) отходов (Рис. 1а), сушку, измельчение, термообработку полученного порошка в атмосфере СО₂ и изготовление изделий из него. В результате ЭЭД среднезернистого сплава WC-10Co в масле получен порошок со средним средний диаметром зерен 0,17 мкм (Рис. 1б,в). В результате термообработки образуются сферические частицы содержащие пластинчатые зерна WC средний диаметрых составляет 0,58 мкм (Рис. 1 г,д). Спеченный из данного порошка субмикронный сплав WC-Co сохранил структуру (Рис. 1е), что обеспечило увеличение твердости с 1290HV 1520HV до и вязкости разрушения с 14,6 до 14,6 МПа·√м. В результате электроэрозионного диспергирования твердого сплава ВК15 в воде, последующего восполнения углерода в атмосфере CO и спекания полученного порошка в вакууме при 1390 ℃ был получен ультрамелкозернистый твердый сплав, обладающий высокой твердостью (1620 HV) и прочностью (1920 МПа). Из порошков, полученных электроэрозионным диспергированием твердых сплавов в воде и масле получен градиентный твердый сплав, сочетающий повышенную вязкость основы и высокую твердость слоя WC-8Co.

Рисунок 1. Микроструктура исходного сплава WC-10Co (а), микроструктура частица после ЭЭД (б,в), микроструктура частицы после термообработки (г,д), микроструктура сплава после спекания (е).

Публикации

1. Dvornik M. I., Mikhailenko E. A., Nikolenko S. V. Development of a method for producing submicron cemented carbide from a powder obtained by electrical discharge erosion of scrap in oil // Powder Technology. – 2021. – Т. 383. – С. 175-182.;
2. Dvornik M. I., Mikhailenko E. A. Production of WC–15Co Ultrafine-Grained Hard Alloy from Powder Obtained by the Electroerosive Dispersion of VK15 Alloy Wastes in Water // Russian Journal of Non-Ferrous Metals. – 2021. – Т. 62. – №. 1. – С. 97-106.;
3. Dvornik, M.I., Mikhaylenko, E.A. Production of gradient ultrafine-grained hard alloys from powders obtained from scrap VK15 alloy dispersed in water and scrap VK8 alloy dispersed in oil // Tsvetnye Metally, 2021, 2021(3), pp. 84–90.

Проведено исследование модификации аморфных электроискровых покрытий армирующими добавками. Добавление карбида вольфрама к смеси железных гранул с аморфизирующимся порошком при электроискровой обработке стали 45, приводит к получению металлокерамических покрытий. В микроструктуре покрытия наблюдались зерна WC, внедренные в матрицу, состоящую из аморфной фазы, вольфрама и железа (Рис. 2 а). Металлический вольфрам образуется в результате обезуглероживания карбида вольфрама при взаимодействии с расплавом железа. С ростом добавки WC от 0,6 до 1,2 об.% повышалась концентрация карбида вольфрама в покрытии (Рис. 2 б). С ростом добавки карбида вольфрама жаростойкость образцов монотонно снижалась (Рис. 2 в). Армирование аморфного покрытия карбидом вольфрама повышает его микротвердость с 743 до 1118 HV, снижает коэффициент трения до 30% и улучшает износостойкость в 3,6 раза (Рис. 2 г), но снижает жаростойкость.

Рисунок 2. а ‒ СЭМ изображение покрытия W1,2; б ‒ рентгеновские дифрактограммы покрытий; в ‒ жаростойкость образцов с покрытиями при температуре 700 ℃ по сравнению со сталью 45 и полностью аморфным покрытием; г ‒ зависимость коэффициента трения и интенсивности изнашивания от твердости покрытий.

Публикации

1. Бурков А.А., Кулик М.А. Упрочнение FeCrMoWCBSi аморфных электроискровых покрытий карбидом вольфрама // Письма о материалах. 2021. Т. 11. № 3 (43). С. 304-308;
2. А.А. Бурков, М. А. Кулик Армирование покрытий из металлического стекла частицами α-WC. Материалы XIX региональной научной конференции «Физика: фундаментальные и прикладные исследования, образование», Благовещенск, 2021.

Методом ультразвуковой поверхностной пластической деформации (УЗПД) выглаживали покрытия, сформированные посредством электроискрового легирования (ЭИЛ) на стали 20Х13 и 30. В качестве материала для создания покрытий использовали литые сплавы, состоящие преимущественно из NiAl, Ni₃Al. Ионное травление позволило выявить микроструктуру покрытий, состоящую из столбчатых кристаллитов. Параметры шероховатости покрытий после УЗПД (рисунок 3, а) исследовали с использованием профилометра и атомно-силового микроскопа (рисунок 3, б). Однократная обработка электроискровых покрытий позволяет снизить параметры шероховатости в 8 - 10 раз. Минимальные параметры шероховатости поверхности электроискровых покрытий достигаются при 3-6 - кратной обработке. При увеличении кратности обработки (до 24) покрытие сохраняется, что объясняется высокой адгезией покрытия к основе и пластичностью кристаллитов при использовании УЗПД. Процесс выглаживания связан с двумя основными механизмами: срезанием верхней части кристаллитов или пластической деформацией.

Рисунок 3. Микроструктура покрытия: а - поверхность покрытия после УЗПД; б - трехмерная визуализация микроструктуры покрытия

Публикации

1. Khimukhin S.N., Eremina K.P. // Solid State Phenomena. – 2021. – Vol. 316. – P. 783-788.
2. S.N. Khimukhin, K.P. Eremina, S.V. Nikolenko // Materials Science Forum. - 2021. - Vol. 1037. – Р. 473-478.

Представлена модель измельчения наноструктурных порошков, учитывающая наличие предела роста площади поверхности частиц и зерен из-за роста прочности или ускорения коалесценции. С увеличением частоты вращения мельницы предельное значение площади поверхности частиц или зерен увеличивается, если причиной является рост их твердости. Предельное значение площади поверхности уменьшается с увеличением частоты вращения, если причиной является коалесценция частиц из-за увеличения температуры и давления в слое порошка. Скорость роста площади поверхности частиц и зерен увеличиваются пропорционально кубу частоты вращения мельницы. Ускорение коалесценции приводит к уменьшению площади частиц Co при высоких скоростях вращения планетарной шаровой мельницы (5,8 и 6,7 об/с) (Рис.4 а,б). Наблюдаемый рост площади поверхности частиц WC при частоте 2,5 об/с (рис.4 в,г,д) ограничен из-за их упрочнения, вызванного недостатком средней энергии удара мелющих тел. При увеличении частоты вращения мельницы до 6,7 об/с предельное значение площади поверхности частиц WC уменьшается за счет увеличения скорости коалесценции. Диаметр зерен WC при измельчении стремился к предельному значению (около 10 нм) менее которого существование кристаллов WC невозможно (Рис.4е).

Рисунок 4. Фотографии исходных (а, в) и полученных (б,г) порошков кобальта (а,б) и карбида вольфрама (в,г), зависимость площади поверхности частиц WC от времени измельчения (д), зависимости предельных значений площади поверхности частиц и зерен от частоты вращения мельницы (е).

Публикации

1. Buravlev I. Y. et al. // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. – 2021. – Т. 94. – С. 105385.;
2. Dvornik M., Mikhailenko E. // International Conference on Industrial Engineering. – Springer, Cham, 2021. – С. 1109-1115.

Выплавленные методом жидкофазного самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (ЖСВС) композиционные металломатричные сплавы были использованы для нанесения износостойких покрытий на стали 45 посредством электроискрового легирования (ЭИЛ). В качестве шихты при ЖСВС использовали оксиды NiО, Cr₂O₃ и рудный концентрат Алгоминского месторождения ДВ региона, содержащий преимущественно ZrО₂. Посредством алюмотермической реакции ЖСВС получены однородные слитки мелкозернистого строения (рисунок 5, а). Инструментальными методами анализа, установлено, что основой сплавов являются зерна интерметаллидов системы Ni-Al, легированные Cr. По границам зерен расположены низкотемпературные соединения Zr, Cr, Ni, Al (рисунок 5, б). Используя полученные сплавы, методом ЭИЛ были сформированы износостойкие покрытия на стали 45. Максимальной износостойкостью обладали покрытия, сформированные сплавами, содержащими Cr (мас.% 18) и Zr (мас.% 1,9).

Рисунок 5. Микроструктура полученных слитков и точки исследования элементного состава в структурных составляющих: а – вид микроструктуры слитка; б – строение межзеренных границ.

Публикации

1. Khimukhin S. N., Kim E. D., Khosen Ri / Key Engineering Materials. 2021. Т. 887 KEM. С. 73-78.

Исследовано создание металломатричных композиционных материалов на основе малоуглеродистой стали с добавками минеральных концентратов (вольфрам и цирконий) электрошлаковым переплавом с управляемыми магнито-гидродинамическими (МГД) процессами.
Полученные композиционные материалы состоят из легированной стали, карбидов и интерметаллидов тугоплавких металлов (W и Zr). Инструментальными методами установлено, что микроструктура сплавов представляет собой перлитную матрицу с включениями карбидов WC, Fe₃C, ZrC (Рис. 6, 7) и интерметаллидов AlFe₃, Fe₄ZrSi₂. Микротвёрдость перлита составила HV0,005 112…194, карбидов – HV0,005 988…1506. Анализ полученных образцов показал, что количество вольфрама, перешедшего из шлака в металл, достигает 60…62 мас. % при частоте МГД поля электрошлаковой ванны 15 Гц, а при частоте в 5 Гц, количество перешедшего вольфрама снижалось до 10…12 мас. %. Количество циркония в полученном сплаве составляет 2,5…4,2 мас. % при частоте МГД поля 15 Гц. При частоте в 5 Гц, количество перешедшего циркония снижалось до 1,2…1,4 мас. %.

Рисунок 6. Распределение карбидов вольфрама в структуре сплава.	Рисунок 7. Распределение карбидов циркония в структуре сплава.

Публикации

1. Е.Н. Кузьмичев, С.В. Николенко, Е.А. Дроздов // Международной научной конференции «Современные материалы и передовые производственные технологии (СМППТ-2021)», 21 – 23 сентября 2021.
2. Kuzmichev E.N., Nikolenko S.V., Khe V.K., Vlasenko V.D. // Lecture Notes in Networks and Systems. 2021. Т. 200. С. 475-485; E. N. Kuzmichev, P. V. Igumnov, V. K. Khe and A. E. Skiruta // Materials Science Forum Submitted: 2021. Vol. 1037, pp 264-272.
3. Е.Н. Кузьмичев, С.В. Николенко, В.Д. Власенко, Е.А. Дроздов // Ученые записки Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета. 2021. № 3 (51). С. 42-47.

Рисунок 8. ДСК кривые процесса окисления углерода в присутствии перовскитов: 1 – YFeO3-δ; 2 – Y0,9Li0,1FeO3-δ; 3 – Y0,9Mg0,1FeO3-δ; 4 – YFe0,9Cu0,1O3-δ

Проведен кинетический анализ кривых каталитического горения сажистого углерода в присутствии фаз YFeO_3-δ и YFe_0.9Cu_0.1O_3-δ (Рис.8, кривые 1 и 4, соответственно) с использованием пакета «NETZSCH Thermokinetics». Определены кинетические параметры исследуемых процессов. Окисление углерода в присутствии YFeO_3-δ может быть описан уравнением трехмерной диффузии с энергией активации Ea = 161 кДж/моль и предэкспоненциальным множителем A= 1,7·10⁶ с^-1. Изоморфное замещение 10% ионов железа на ионы меди снижает энергию активации процесса горения углерода до 126 кДж/моль со значением предэкспоненциального множителя A= 2,6·10⁷ с^-1, что объясняет сужение температурного интервала горения с 300 до 120К и снижению температуры максимума процесса с 829 до 786 К для YFeO_3-δ и YFe_0.9Cu_0.1O_3-δ, соответственно.

Публикации

1. Чигрин П.Г., Кириченко Е.А., Гниденко А.А. // Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке 2021 Т.1 С. 48-52;
2. Kirichenko E. A., Chigrin P.G., Gnidenko A. A. // Solid State Phenomena 2021 Vol. 316, Р. 105-109.

С помощью теории функционала электронной плотности и метода псевдопотенциалов исследовано движение кислорода в YFeO₃ через кислородные вакансии как в объеме, так и на его поверхности. Перемещение кислорода через вакансии двух типов (O1 и O2) позволило выделить два пути с величинами барьеров 1.02 и 1.14 эВ. На примере поверхности (100) показано безбарьерное формирование кислородного комплекса при взаимодействии поверхностной кислородной вакансии с молекулой кислорода. Рассмотрено перемещение кислорода с поверхности (100) в приповерхностные кислородные вакансии, т. к. данный процесс может являться лимитирующей стадией при формировании кислородных комплексов на поверхности YFeO₃. На рисунке 9 стрелочками указаны рассмотренные пути и изменение полной энергии в зависимости от координаты реакции. Определены два наиболее вероятных пути, с величиной барьера около 1 эВ, связанные с движением атома кислорода вглубь кристалла через кислородные вакансии, из поверхностного положения O2-типа, в большей степени связанной с атомом иттрия.

Рисунок 9. Структура поверхности YFeO₃(100): возможные пути перемещения поверхностного кислорода в приповерхностные вакансии и соответствующие энергетические барьеры.

Публикации

1. E.A. Kirichenko, P.G. Chigrin, A.A. Gnidenko. // Solid State Phenomena. 2021, Vol. 316, pp. 105-109.
2. Гниденко А.А., Чигрин П.Г., Кириченко Е.А. // В сборнике: Информационные технологии и высокопроизводительные вычисления. Материалы VI Международной научно-практической конференции. Редколлегия: Р.В. Намм (отв. редактор) [и др.]. Хабаровск, 2021. С. 85-90.

Введение легирующих примесей в структуру Sr₂Bi₂O₅ проявляется в виде увеличения поглощения в несобственной области. Легирование Ce (Рис. 10 а) и La (Рис. 10 с) приводит к увеличению поглощения в несобственной области с ростом концентрации легирующей примеси. Изменение количества Y в структуре Sr₂Bi₂O₅ проявляется нелинейно: содержание 0,00002 атомов Y на элементарную ячейку характеризуется резким увеличением поглощения в несобственной области (Рис. 10 b). Показано, что легирование Ce не влияет на E_g во всем диапазоне концентраций; введение Y сопровождается постепенным уменьшением E_g с 3,21 до 3,18 эВ; внедрение ионов La в концентрациях более 0,002 сопровождается уменьшением E_g до 3,05 эВ.

Фотокаталитическое разложение метиленового синего (МС) на Sr₂Bi₂O₅ зависит от типа легирующей примеси и от ее количества. Введение Y в Sr₂Bi₂O₅ (в диапазоне концентраций 0,00002 – 0,002) не влияет на его фотокаталитическую активность, однако, для образца с замещением 0,02 атома на элементарную ячейку наблюдается ее снижение. Для Ce область оптимальных концентраций легирующей примеси составляет от 0,00002 до 0,002 для лантана несколько шире – от 0,00002 до 0,02 (рис.10). При нанесении на SiO₂ висмутатов стронция формируется фотокатализатор, содержащий помимо смеси висмутатов силикаты Bi и Sr.

Рисунок 10. Кривые разложения (сплошные линии) МС в присутствие чистого висмутата стронция и Sr₂Bi₂O₅ легированного Ce (a), Y (b) и La (c), а также определенные по ним скорость разложения (d). Пунктирная линия на (a) – кривая разложения МС без фотокатализатора, пунктирная линия на (d) – скорость разложения МС в присутствие чистого висмутата стронция, полупрозрачная область вокруг нее - доверительный интервал.

Публикации

1. Макаревич К.С., Каминский О.И., Зайцев А.В., Кириченко Е.А., Крутикова В.О. В сборнике: Регионы нового освоения: современное состояние природных комплексов и их охрана. Материалы Международной научной конференции. 2021 С 173-177;
2. Zaitsev A.V., Makarevich K.S., Kaminsky O.I., Kirichenko E.A., Krutikova V.O. // Materials Letters. 2021. Т. 291. С. 129601.