Надтонка міцність

Композиційні матеріали й нові способи їхнього одержання, розроблені вітчизняними вченими, відкривають великі можливості для високотехнологічного виробництва.

Група київських дослідників одержала Премію Президента України для молодих учених у 2010 році — «За інноваційні технології цілеспрямованого управління структурою та властивостями евтектичних сплавів».

Серед розробників — Юрій Богомол, доцент кафедри високотемпературних матеріалів і порошкової металургії інженерно-фізичного факультету Національного технічного університету «Київський політехнічний інститут».

Юрій Богомол— Юрію Івановичу, насамперед, нагадайте читачам «УТГ», що таке евтектичні сплави.

— Відомо, що різні матеріали взаємодіють різним способом. Вони можуть розчинятися один в одному або не розчинятися взагалі. Можуть утворювати хімічні сполуки. У металознавстві це описується діаграмами станів — залежно від температури, кількості компонентів. Отож, помічено, що в разі змішування їх у певному співвідношенні температура плавлення суміші різко знижується. Приміром, для одного чистого компонента вона становить 3100 – 3200 °С, іншого – 2800 °С, а цей показник для їхньої суміші становить 2400 °С. Якщо дати загальне визначення, то евтектика (від грецьк. eutektos — легко плавиться) — це тонка суміш кристалів, які одночасно закристалізувалися з розплаву за температури, нижче температури плавлення окремих компонентів.

Це явище дозволяє використовувати деякі тугоплавкі матеріали для створення композитів із новими властивостями. Звичні для техніки матеріали вже вичерпують свій потенціал, вони не можуть задовольняти сучасні вимоги, які дедалі зростають. Але ж треба збільшувати швидкості, температурний режим, міцність. Тому все частіше застосовуються композити — полімерні, металеві, керамічні. Ми у своїх дослідженнях займаємося керамічними композиційними матеріалами — боридами, карбідами, нітридами. Усі вони досить перспективні для використання за високих температур. Перехід до композитів неминучий, бо «чиста» кераміка за всіх своїх плюсів має великий недолік — вона крихка, що не дозволяє широко використовувати її напряму. Тому завдання створювачів композиційних матеріалів — зробити кераміку міцною. Один із методів такого зміцнення — безтигельна зонна плавка — досліджується в нашій лабораторії.

Порошковий LaB6 (гексаборид лантану) ми змішували з діборидом одного з перехідних металів. Виявилося, що за особливих умов нагрівання двох компонентів евтектичний сплав не просто кристалізується. У ньому утворюються кристалічні структури з діборидів, що нагадують тонкі волокна. Вони неначе армують матеріал, немов металевий каркас у залізобетоні. Це робить композит набагато міцнішим, ніж кожен із вихідних компонентів. Теорія підказує, що зменшення розмірів волокон веде до збільшення міцності матеріалу в цілому. За рахунок такої технології ми одержуємо значний приріст властивостей.

— Яких саме?

— Насамперед, це механічна міцність. Приміром, якщо гексаборид лантану, використовуваний в електроніці, має міцність близько 100 мегапаскалів, то армований такими мікроволокнами — 1000 — 1500 мегапаскалів. Це рівень доброї сталі. Ще один плюс таких керамічних сплавів — вони зберігають міцність до дуже високих температур — 1600 °С, у той час як сталь плавиться вже за 1539 °С . Позитивна якість кераміки ще в тому, що в неї відсутня повзучість. Сталь же за досить високих температур починає втрачати форму, відбувається пластична деформація, коротшає термін її служби. Звичайно, ще багато проблем треба вирішити, провести безліч випробувань, але напрямок досліджень зрозумілий.

— Яке практичне застосування ваших розробок?

— Отримані композити ми використовуємо й у емісійній електроніці — для катодних вузлів, і як конструкційний матеріал для електронно-променевих приладів. Катодний вузол може складатися з декількох частин, і деякі з них ми робимо не з металів, а з кераміки. Традиційні матеріали тут — вольфрам і молібден. Але температура, за якої починається емісія електронів, у них набагато вище. По-друге, у них істотно менше термін служби. І, по-третє, повзучість: емітувальні елементи втрачають форму, промінь втрачає фокусування, його «водить» через деформацію металу, а в точних приладах це неприпустимо — потрібні гострі тонкі пучки електронів. Заміна на кераміку відразу дає позитивний ефект. Знижується затрачувана потужність, поліпшуються емісійні характеристики (якість пучка електронів), збільшується термін служби.

— Наскільки промисловість України потребує таких матеріалів?

— У нашій країні чимало великих заводів, де застосовується електронно-променеве зварювання металу. У Києві, приміром, це завод ім. Антонова, декілька виробництв Інституту електрозварювання ім. Патона. Майже скрізь, де зварюють великі деталі, є такі установки. Електронний промінь — дуже ефективний­ інструмент. Ним можна плавити, спікати, зварювати метал, пропалювати в ньому отвори. Від доброго катода залежить і якість зварювання, і його швидкість. Тут можуть знайти застосування нові матеріали. Управління структурою та властивостями евтектичних сплавів дозволяє ефективно їх використовувати для виготовлення зносостійких деталей, інструментів, а також електронно-променевих і газорозрядних пристроїв електронної техніки.

Інша, не менш важлива сфера використання евтектичних сплавів — матеріали для виготовлення конструкцій із певними властивостями. Одна з багатообіцяльних ідей — робити із цих сплавів лопаті газових турбін.

— Напевно, такий матеріал дуже дорогий, адже його доводиться одержувати особливим чином — шляхом спікання порошку за складною технологією…

— Ця технологія, звичайно, вимагає спеціального обладнання, але в процесі промислового виробництва вона спроститься й стане дешевшою. До того ж зараз ми ведемо досліди із зонного спікання порошку нижче температури плавлення. За технологією порошкової металургії  виконати це буде простіше.

— Назвіть, будь ласка, ваших колег із цієї роботи.

— Насамперед, це наш науковий керівник — декан інженерно-фізичного факультету Петро Іванович Лобода. Він розробник технології вирощування монокристалів і композитів тугоплавких сполук методом безтигельної зонної плавки з неспечених порошкових пресовок. Поясню: в усьому світі для виробництва монокристалів використовують спечені  або плавлені заготівки. Для тугоплавких матеріалів це досить складна процедура, і Петро Іванович показав, як обійти цю стадію для одержання якісного композита.

А з молодих учених назву Максима Сисоєва — він займається переважно покриттями з боридних матеріалів, поверхневим зміцненням деталей, знов-таки за допомогою електронного променя. Разом із нами Премію Президента одержали двоє вчених із Національної металургійної академії України — кандидати технічних наук Ольга Носко й Тетяна Аюпова. Але в них дещо інші теми робіт.

— Яке місце займають ваші розробки серед аналогічних у світовій практиці?

Ідея про те, що лопаті газових турбін можна робити з композиційних матеріалів, досить популярна у світі. Газотурбінні двигуни працюють за дуже високих температур, і можливості різних сталей тут уже вичерпані. Правда, для заміни сталі поки частіше застосовується оксидна кераміка. Вона витримує більші температури, але в неї гірші міцнісні властивості, ніж у гексабориду лантану, армованого волокнами за нашою методикою. Щодо цього наші розробки досить перспективні.

You may also like...