Главное

• 
• 

Подробности

Опубликовано 09.07.2025 13:57

в научных подразделениях дво ран

 

                   Материаловеды отвечают на вызовы времени

 

Среди задач, выполняемых учёными ДВО РАН, значимое место занимает трансформация научных результатов в действующие технологии, которые могут быть использованы в реальном секторе экономики для обеспечения технологического суверенитета нашей страны. Большое значение сегодня и на перспективу придаётся разработкам в сфере создания новых материалов. Это направление развивают в Институте материаловедения (ИМ) ДВО РАН, работая над технологиями создания материалов с заданными свойствами и эксплуатационными характеристиками.

В настоящее время институт включает лаборатории: порошковой металлургии; конструкционных и инструментальных материалов; физико­технических основ технологии материалов, работающие в рамках государственного задания по теме: «Создание и исследование новых металлических, керамических, интерметаллидных, композиционных материалов и наноструктурных покрытий с высокими физико­химическими и эксплуатационными свойствами».

 

 

Что нового?

По словам врио директора доктора технических наук Сергея Викторовича Николенко среди основных научных результатов двух последних лет можно отметить следующие. Впервые в результате переработки отходов твёрдого сплава карбидов вольфрама и титана с кобальтом методом электроэрозионного диспергирования (ЭЭД) получен ультрамелкозернистый сплав с повышенной твёрдостью и вязкостью.

Изделия из широко востребованной нержавеющей стали AISI304 сильно подвержены изнашиванию из­за низкой твёрдости. Впервые предложена методика электроискрового осаждения интерметаллидных Fe­Al покрытий, армированных карбидом вольфрама, на стали AISI304 с использованием нелокализованного электрода из гранул состава Fe₄₀Al₆₀ с порошком WC. Показано, что добавление карбида вольфрама к гранулам Fe₄₀Al₆₀ при электроискровой обработке стали AISI304 приводит к получению металлокерамических WC­FeAl покрытий, повышающих твёрдость поверхности стали и жаростойкость в 5 и 9,4 раза соответственно, снижающих коэффициент трения на 40 % и износ в 19 раз.

Для получения износостойких покрытий на стали 45 (катод) использовали метод электроискрового легирования (ЭИЛ) и комплексно­легированные (Cr, Si, Zr, Mo) сплавы NiAl (анод). Аноды выплавляли из оксидов и баддеелит-­циркониевого минерального концентрата. Микроструктура анодов состоит из легированных Cr зёрен NiAl и твёрдых растворов на основе Ni и Cr, расположенных по границам зёрен. Микроструктура покрытий представлена комплексно легированными столбчатыми кристаллитами NiAl и поперечными микротрещинами. Все полученные покрытия увеличивают абразивную износостойкость стали 45 от 1,1 до 5 раз. Установлена корреляция между хрупкостью покрытий и абразивной износостойкостью. Минимальный балл хрупкости и максимальную износостойкость имеют покрытия, сформированные комплексно легированными анодами, содержащими молибден.

Учёными изучена миграция интеркалированного кислорода в перовските YCrO₃. Показано, что наличие междоузельного атома кислорода приводит к изменению степени окисления двух соседних атомов хрома. При этом связывающая молекулярная орбиталь образуется за счёт перекрывания орбиталей атомов хрома и кислорода, являющихся мостиковыми лигандами. В основе окислительно­восстановительного процесса лежит разрыв связи между мостиковым междоузельным атомом кислорода и одним из атомов хрома в степени окисления 4+, с дальнейшим образованием новой химической связи с атомом хрома в степени окисления 3+. Движение атома кислорода вызывает повышение энергии уровня связывающей орбитали атома Cr3+, в направлении которого происходит миграция. Таким образом, описанный окислительно-­восстановительный процесс является лимитирующей стадией миграции междоузельного атома кислорода. Полученные результаты могут быть использованы при проектировании ионных провод­ников и катализаторов.

Материаловедами впервые получены металлокерамические покрытия Fe­TaC на нержавеющей стали AISI304. Покрытия получены методом электроискрового легирования с использованием нелокализованного электрода (НЭ), состоящего из железных гранул и порошка карбида тантала. Применение разработанных покрытий позволяет сократить износ изделий из стали AISI304 в десятки раз. Полученные результаты могут быть использованы в области теплоэнергетики, машиностроения и химической промышленности.

С использованием плазменной установки в процессе синтеза получены бориды вольфрама на подложке Al₂O₃ в виде покрытия толщиной до 400 мкм с высокой адгезионной прочностью. Бориды вольфрама состоят преимущественно из кристаллов дендритов. Частицы в основном сплавлены и образуют более крупные сферообразные структуры. Формирование кристаллов на подложке протекает в процессе резкого изменения градиента температур. Полученные результаты являются научной основой для разработки промышленных установок плазменного синтеза боридов тугоплавких металлов.

Обеспечено дальнейшее повышение жаро-­ и износостойких свойств покрытий, полученных методом ЭИЛ, и интерметаллидными сплавами системы Ni­Al, ограниченное наличием поперечных микротрещин. Для уменьшения влияния микротрещин формировали двухслойные покрытия на стали (катод), состоящие из нижнего слоя (Ni или Cu) и верхнего – сплавы системы Ni­Al. Показано, что нижний слой исполняет роль демпфера, препятствуя проникновению микротрещин из верхних слоёв покрытия к поверхности катода.

Формирующиеся в двухслойных покрытиях структуры являются градиентными, состоящими из столбчатых кристаллитов, концентрация компонентов в которых постепенно и закономерно изменяется по высоте покрытия. Механизм структурообразования в двухслойных покрытиях не изменяется при использовании для верхнего слоя сложнолегированных (Cr, Si, Mo, Zr) интерметаллидных сплавов. Полученные результаты позволяют определить перспективы использования метода ЭИЛ для формирования новых градиентных интерметаллидных покрытий в области машиностроения.

 

Вниманию инноваторов!

Ряд научных разработок Института материаловедения характеризуется высоким инновационным потенциалом. Так, например, разработана экспериментальная установка плазмохимического синтеза, включающая реакционную камеру, концентратор-­плазмотрон, генератор СВЧ-­поля. Исследованы вопросы позиционирования плазмотрона на волноводной камере и формирование СВЧ-­потока плазмы в зоне конфузора с последующим выходом потока в концентратор. При обработке на установке смеси, состоящей из вольфрамсодержащего концентрата с добавками борсодержащих компонентов, получены бориды вольфрама. Установлено, что увеличение в продуктах реакции боридов вольфрама ограничивается взаимодействием бора с химическими элементами, входящими в состав концентрата.

Показана возможность получения металлического вольфрама, структура которого представлена частицами в виде глобул и дендритов. Проведённым анализом полученных результатов обоснована перспектива использования плазменных технологий для синтеза тугоплавких соединений на основе бора и вольфрама из шеелитового концентрата. Возможная сфера применения: использование плазмохимического синтеза для получения карбидов и боридов тугоплавких соединений из вольфрам/ титан / цирконий содержащего минерального сырья.

Методом пиролиза полимер­солевых композиций синтезирован ортохромит иттрия. Параметры интервала горения сажи указывают на возможность использования данного состава в качестве эффективного катализатора. Полученные значения кислородной нестехиометрии и ширины запрещённой зоны легли в основу моделирования дефектной структуры YCrO₃. Изучено наличие меж­узельного кислорода и кислородных вакансий в YCrO₃ при кислородной нестехиометрии, близкой к экспериментальному значению. Полученные результаты позволяют предполагать, что механизм окисления сажи будет включать стадию, связанную с миграцией межузельного кислорода.

Способ электроэрозионного нанесения интерметаллического покрытия на деталь (катод) с использованием смеси электродов-­гранул (анод) предусматривает, что смесь помещают в контейнер (токопровод), изготовленный из того же металла, что и деталь. Вращение контейнера обеспечивает перемешивание смеси электродов-­гранул и прерывание электрического контакта для образования электроискровых разрядов между деталью, электродами-­гранулами и контейнером, при пропускании электрических импульсов тока. Это обеспечивает образование интерметаллических соединений на поверхностях электродов­-гранул и осаждение интерметаллического пок­­­рытия с поверхностей электродов-­гранул (анод) на деталь (катод). Способ нанесения покрытия на деталь защищён патентом.

Разработан способ получения нанопорошка боридов вольфрама, включающий в себя этапы приготовления первичной порошковой смеси, восстановление вольфрама из его триоксида и синтез с бором в термической плазме. Процесс синтеза осуществляется при помощи подачи и распыления первичной смеси порошка в зону термической плазмы, генерируемой плазменной установкой. В результате высокотемпературного воздействия происходит диспергирование частиц первичного порошка до однокомпонентных химических элементов и восстановление вольфрама. Синтез восстановленного вольфрама и бора, находящихся в момент плазменного воздействия в атомарном состоянии, осуществляется после прохождения критической термонагруженной зоны до точки начала реакции при охлаждении парокотельной и атомарной фазы и последующем осаждении на стенках реакционной камеры и кристаллизации. Способ получения нанопорошка боридов вольфрама защищён патентом.

Руководство ИМ ДВО РАН надеется, что результаты фундаментальных исследований учёных института будут реализованы на практике, а кадровый состав подразделений пополнится и ещё успешнее будет выполнять новые задачи, достойно отвечая на вызовы непростого времени.

Александр КУЛИКОВ

Фотографии из архива ИМ ДВО РАН