Аннотация
Введение 3
1. Литературный обзор 6
1.1 Получение исходных порошков AlMgBu и TiBi 6
1.1.1 Механическое легирование 7
1.1.2 Самораспространяющийся высокотемпературный синтез 8
1.2 Получение компактных образцов на основе AlMgBu и TiB? 8
1.2.1 Искровое плазменное спекание 9
1.2.2 Горячее прессование 13
1.2.3 Реактивное спекание 15
1.2.4 Холодное прессование и горячее прессование 16
2 Объекты и методы исследования 17
2.1 Исходные материалы 17
2.2 Методы исследования 1 8
3 Результаты исследования 32
3.1 Рентгеноструктурный анализ 32
3.2 Сканирующая электронная микроскопия 33
3.3 Плотность и пористость 34
3.4 Трехточечный изгиб и микротвердость 37
Заключение 40
Список использованных источников и литературы 42
Борид алюминия-магния AlMgBu - икосаэдрический борид интерметаллического соединения магния и алюминия, впервые полученный в 1970 году [1]. Последующие исследования в основном были направлены на изучение кристаллической структуры. В 2000 году было обнаружено, что материал обладает очень высоким показателем твердости, достигающим 32-35 ГПа [2]. Интерес также вызывает возможность создания сверхтвердых самосмазывающихся поверхностей при помощи технологии импульсного лазерного напыления, что было продемонстрировано в 2003 году [3]. Возможность нанесения материала на деталь таким способом может быть использована для создания двигателей самолетов. На турбинные компрессоры и некоторые другие детали наносятся вещества на основе карбида вольфрама и кобальта для увеличения долговечности всего механизма путем уменьшения трения. Научный интерес также вызывает сложная структура соединения борида алюминия-магния, несвойственная другим сверхтвердым материалам.
Структура AlMgBu основана на четырех икосаэдрах Ви, расположенных в объемно-центрированной орторомбический элементарной ячейке, содержащей 64 атома [4]. Дополнительные 8 атомов бора и до восьми атомов металла сосредоточены в областях между икосаэдрами бора. Своей сложной структурой AlMgBu непохож на другие сверхтвердые материалы. Для сверхтвердых материалов характерны высокая симметрия и маленький размер кристаллической решетки [5]. Согласно обширному кристаллографическому исследованию [6], параметры кристаллической решетки AlMgBu составляют а = 0.5848 нм, b = 1.0312 нм, с = 0.8112 нм. Это же исследование показывает, что кристаллическая решетка имеет дефекты вакансионного типа. Вакансии составляют 20-25% от всех мест для металлических атомов. В связи с этим, химическая формула борида
алюминия-магния близка к Alo.75Mgo.78Bи [7]. Исследование [8] показывает схожие параметры кристаллической решетки - а = 0.5852 нм, b = 1.0261 нм, с = 0.8082 нм.
Борид алюминия-магния обладает широким спектром положительных свойств.
Соединение AlMgBu обладает высокой твердостью, электропроводимостью, высокой температурой плавления, устойчивостью к истиранию и низкой плотностью [9]. Высокая твердость может позволить бориду алюминия-магния заменить более дорогие сверхтвердые материалы, участвующие в процессах бурения, разрезания, измельчения и полировки. Низкая плотность означает, что масса детали, выполненной из AlMgBl4, будет значительно ниже, чем детали, выполненной из более плотного материала. Этот параметр критически важен для авиастроения и ракетостроения.
Коэффициент трения при комнатной температуре, как и при температуре 300 °C, оказался очень низким - 0.04-0.05. Такой низкий коэффициент объясняется формированием смазочного поверхностного уровня борной кислоты Н3ВО3 [10].
Индекс упругой деформации соответствует значению 0.14 [11]. Ожидается, что пленочные покрытия из AlMgBu обладают высокой износостойкостью [12, 13, 14].
AlMgBi4 может находиться в соединении с другими твердыми веществами, как AIN, TiC, TiB2. Были проведены исследования [15], показавшие, что наибольшее положительное воздействие на свойства AlMgBu оказывает TiB2. При добавлении TiB2 получающийся композит обладает показателем твердости в 46 ГПа [16]. На данный момент известно лишь два сверхтвердых материала, имеющих показатель твердости выше, чем у AlMgBu-TiB? - алмаз (80-92 ГПа) и кубический нитрид бора BN (44-49 ГПа) [17, 18].
Сплавы на основе титана могут быть использованы в самых разных областях человеческой деятельности. Такие материалы обладают высокими коррозионной устойчивостью, пределом выносливости, сопротивлением разрушению и отношением прочности к массе, что делает их привлекательными для использования в машиностроении и медицине, а также химической индустрии [19, 20].
Диборид титана, как и многие остальные соединения на основе титана, имеет высокую твердость, электро- и теплопроводность, а также устойчив ко многим коррозионным воздействиям в разных средах [4, 14].
При синтезе AlMgBи возникают шпинельные фазы - в основном это AbMgO4, а также РезОд, FeB [8]. Особые проблемы вызывает AFMgOj. Эта фаза обладает относительно низкой твердостью (~12 ГПа), что оказывает негативное влияние на твердость всего материала. Способа полностью избавиться от появляющейся шпинельной фазы A12MgO4 обнаружено не было. Остальные шпинельные фазы обычно образуются в малом количестве и не оказывают значительное влияние на показатель твердости образца. Шпинели на основе железа, такие, как РезО4 или FeB, образуются только в случае, когда измельчение исходных порошков проводится в мельницах, содержащих железо. При измельчении в планетарных мельницах данные шпинели не образуются или образуются в количествах, недостаточных для обнаружения методами рентгеноструктурного анализа.
Целью работы являлось выявление зависимости механических свойств, плотности и пористости от температуры, при которой проводилось горячее прессование, и от содержания в образце диборида титана.
В качестве исходных материалов использовались порошки AlMgBu и TiB2, синтезированные при помощи метода СВС. Для получения соединения AlMgBu была использована смесь порошков интерметаллида Al^Mgp и аморфного бора в соотношении 2:14.
Проведены исследования методами рентгеноструктурного анализа, сканирующей электронной микроскопии, определены предел прочности при трехточечном изгибе, твердость по Виккерсу, плотность и пористость образцов с разными температурами горячего прессования.
Анализ результатов механических испытаний показал, что при температуре горячего прессования 1500 °C достигается наибольшее значение прочности при трехточечном изгибе и микротвердости по Виккерсу. Так, при температуре горячего прессования 1500 °C значения прочности и микротвердости составляют 314 МПа и 806 Hv. При исследовании плотности и пористости было выявлено, что образцы, полученные при 1500 °C, характеризуются значениями пористости порядка 6 %.
Использование TiB2 привело к значительному увеличению микротвердости по Виккерсу, несмотря на увеличение пористости. Добавление 50 масс. % TiB2 привело к увеличению твердости в 2,5 раза при плотности 89% от теоретической.
Материалы на основе AlMgBu и AlMgBu-TiB2 обладают широким спектром возможных применений и могут применяться в авиакосмической, горнодобывающей, микроэлектронной промышленности, машиностроении и других областях. Возможно применение в отраслях, где важна минимизация истирания деталей.
