КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

---

Номер 22-23-00953

НазваниеРазработка научных и технологических основ формирования соединений кристаллических и аморфных материалов методом магнитно-импульсной сварки

РуководительЛазуренко Дарья Викторовна, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Новосибирский государственный технический университет", Новосибирская обл

Период выполнения при поддержке РНФ

2022 г. - 2023 г.

Конкурс№64 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-603 - Фундаментальные основы создания новых металлических, керамических и композиционных материалов

Ключевые словааморфные сплавы; спинингование; высокоскоростное соударение; титан; никель; структурообразование; электронная микроскопия; дифракция рентгеновского синхротронного излучения

Код ГРНТИ31.15.19

СтатусУспешно завершен

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Аморфные металлические сплавы (АМС) известны как материалы, обладающие уникальными механическими характеристиками: высокими показателями предела прочности и сопротивления усталости, высокой ударной вязкостью, износостойкостью и коррозионной стойкостью, а величина упругой деформации АМС на порядок выше, чем у кристаллических материалов. Однако такие материалы характеризуются рядом недостатков, например отсутствием пластичности и низкой термической стабильностью. Кроме того, производство аморфных материалов является трудоемкой задачей и характеризуется ограничениями, связанными с высокими скоростями закалки, обеспечивающими получение аморфного состояния. Эта особенность не позволяет производить аморфные материалы больших размеров, и чаще всего их получают в виде мелкодисперсных порошков или тонких лент. По этой причине АМС не нашли широкого применения в качестве конструкционных материалов. Основным подходом к использованию аморфных сплавов в промышленном производстве является формирование на их основе композиционных материалов. Получение композитов с аморфной структурой сопряжено с рядом проблем, среди которых основной является выбор технологического процесса их формирования. Обладая повышенной твердостью и жесткостью, аморфные материалы крайне плохо соединяются в твердом состоянии, а нагрев разрушает аморфную структуру материала. Более перспективным представляется получение композитов с кристаллической матрицей и аморфным упрочнением. Соединение высокопрочного аморфного сплава с пластичным кристаллическим материалом позволяет получить композит, сочетающий в себе повышенные прочностные характеристики и высокую статическую и динамическую вязкость разрушения. На сегодняшний день известен ряд технологий, позволяющих соединить аморфные материалы с кристаллическими, среди которых можно выделить, например, сварку трением, искровое плазменное спекание, горячее прессование, селективное лазерное спекание. Однако эти технологии имеют свои недостатки, главные из которых – повышенные температуры обработки, вызывающие кристаллизацию аморфной фазы, и ограничения на габариты получаемого образца. Альтернативной технологией получения композиций на основе металлических и аморфных сплавов является сварка соударением, разновидностями которой являются сварка взрывом и магнитно-импульсная сварка. Использование этих методов соединения за счет малого времени воздействия на материалы позволяет избежать кристаллизации упрочняющей аморфной фазы и, соответственно, сохранить их высокие механические характеристики. Данные технологии основаны на высокоскоростном косом соударении металлических пластин, ускоряемых в процессе детонации взрывчатого вещества и расширения продуктов детонации, придающих импульс метаемым пластинам, или за счет передачи импульса пластинам путем воздействия сильного магнитного поля. Впереди точки контакта свариваемых пластин возникает дискретная обратная струя, обеспечивающая удаление верхних слоев заготовок вместе с оксидами и другими типами загрязнений. Высокоскоростное соударение возникших при этом ювенильно чистых поверхностей, сопровождающееся интенсивной деформацией и локальным нагревом взаимодействующих заготовок, приводит к формированию прочного соединения на межатомном уровне. Несмотря на то, что сварка взрывом и магнитно-импульсная сварка являются по своей сути аналогичными процессами, последняя обладает рядом преимуществ, главным среди которых является возможность ее широкого применения в промышленном производстве, поскольку данный метод не требует использования взрывчатых веществ и взрывных полигонов. В то время, как сварка взрывом является широко изученным процессом, формирование соединений методом магнитно-импульсной сварки рассматривается в литературе крайне редко и ограничивается в основном вопросами формирования цилиндрических заготовок. Таким образом, исследование процессов структурообразования композитов при соударении плоских тел при реализации магнитно-импульсной сварки является актуальной научной задачей. С практической точки зрения важным является вопрос подбора режимов соединения, которые позволят получить прочные сварные швы между соединяемыми заготовками и при этом не вызовут кристаллизации аморфных слоев в локальных зонах сварных швов. Таким образом, целью данного исследования является получение композитов на основе кристаллических и аморфных сплавов и выявление закономерностей формирования сварных швов между аморфными и кристаллическими заготовками плоской формы. В рамках выполнения работы планируется получить и исследовать соединения титановых пластин с аморфными лентами различных составов, произведенных методом быстрой закалки. Полученные результаты внесут вклад в решение актуальной проблемы соединения двух различных по свойствам материалов – объемных металлических стекол и классических кристаллических материалов. Сведения об особенностях взаимодействия этих материалов при магнитно-импульсной сварке позволят прогнозировать свойства композитов и подбирать оптимальные режимы их получения.

Ожидаемые результаты
В процессе выполнение проекта будут получены трехслойные плоские заготовки, состоящие из титановых пластин и ленты из аморфного сплава между ними. Для выявления закономерностей формирования прочного соединения между металлическими стеклами и кристаллическими пластинами будут использованы аморфные сплавы различных составов. Результатом работы будут являтся данные о механизме формирования и особенностях структурно-фазового состояния соединений аморфных и кристаллических пластин, полученных методом магнитно-импульсной сварки. Одним из наиболее важных аспектов при соединении кристаллических структрукур и металлических стекол является сохранение аморфного состояния металлического стекла. В связи с этим важным является определение структуры аморфной ленты по всей толщине в сформированном магнитно-импульсной сваркой композите. Как показывает анализ литературных данных и результаты предудыщих исследований, при сварке соударением может происходит перемешивание материала свариваемых пластин в локальных участках сварных швов. Однако высокая скорость теплоотвода может обеспечить сохранение аморфного состояния даже в этих зонах. В связи с этим особое внимание будет уделяться исследованию приграничных зон разнородных пластин. Таким образом, для изучения структурно-фазового состояния аморфного слоя и приграничных зон кристаллических пластин будут применяться современные метды структурного анализа: 1. Анализ методом оптической и растровой электронной микроскопии, а также микрорентгеноспектрального анализа позволит изучить структуру и элементный состав композиционных материалов и локальных участков сварных швов – зон перемешивания. 2. Дифракция рентгеновского синхротронного излучения позволит оценить, протекали ли процессы кристаллизации при формировании слоистого композиционного материала методом магнитно-импульсной сварки и определить фазовый состав сформированных кристаллических фаз. 3. Методом дифракции обратно рассеянных электронов (electron back scattered diffraction (EBSD)) будет определена степень кристаллизации аморфной ленты по всей ее толщине и зон перемешивания, сформированных в приграничных участка, что в свою очередь даст информацию о механизме эволюции структурно-фазового состояния в процессе формирования композита. EBSD картирование позволит качественно определить наличие микронапряжений в композиционном материале после магнитно-импульсной сварки. 4. Анализ тонкой структуры промежуточного слоя с помощью просвечивающей микроскопии (transmission electron microscopy (TEM)) позволит с высокой точностью выявить состав вихревых зон и оценить вероятность формирования в них кристаллических фаз. 5. Исследование микротвердости отдельных слоев композитных материалов покажет склонность различных фаз к пластической деформации и поможет предсказать механические характеристики композита. 6. Прочностные испытания методом растяжения позволят определить степень упрочнения титана, которая обеспечивается введением в его структуру аморфной фазы. Полученные данные позволят прогнозировать свойства композитных материалов с аморфной армирующей составляющей, подбирать наиболее перспективные пары аморфный/кристаллический материал. Результаты исследований значительно расширят знания о характере физико-химического взаимодействия объемных металлических стекол с традиционными кристаллическими материалами в условиях динамического взаимодействия и стабильность металлических стекол при высокоскоростном нагружении.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---