Помощь студентам в учебе
РАЗРАБОТКА СОСТАВОВ И ТЕХНОЛОГИИ СПАРК-ПЛАЗМЕННОГО СПЕКАНИЯ КЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ, КОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ МИКРО- И НАНОПОРОШКОВ В4С
|
ВВЕДЕНИЕ 4
1 СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ КЕРАМИКИ НА ОСНОВЕ
КАРБИДА БОРА 13
1.1 Карбид бора - перспективный конструкционный материал 13
1.2 Способы консолидации керамических материалов на основе В4С 26
1.2.1 Метод реакционного спекания 28
1.2.2 Метод жидкофазного спекания 30
1.2.3 Метод горячего прессования 34
1.2.4 Метод спарк-плазменного спекания 35
1.3 Постановка цели и задач исследований 41
2 ИССЛЕДУЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНОВ 44
2.1 Распределение частиц по размерам 47
2.2 Удельная поверхность 48
2.3 Рентгенофазовый анализ 49
2.4 Определение морфологии и элементного состава 51
2.5 Спекание керамических образцов из исследуемых порошков 52
2.6 Определение физико-механических характеристик керамических
образцов 56
2.7 Характеризация порошка карбида бора М5-П 59
2.8 Характеризация порошка карбида бора Уралинвест (М1) 64
2.9 Характеризация нанопорошка карбида бора производства Plasmachem .. 68
2.10 Характеризация порошковой смеси на основе карбида бора М5-П и
диспергированного М5-П 69
2.11 Характеризация порошковых смесей карбида бора из М1 и НП-Pl 75
2.12 Характеризация порошковых смесей из низкокачественного и отходного
промышленного сырья ПИХТ 82
2.13 Характеризация композиционной порошковой смеси АМГ6-В4С^ 90
2.14 Выводы по главе 95
3 ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КЕРАМИКИ В4С С
ПРИМЕНЕНИЕМ МЕТОДА СПС 98
3.1 Спекание керамики В4С методом СПС из исследуемых порошковых
составов 98
3.1.1 Керамические образцы из порошка М5-П 99
3.1.2 Керамические образцы из порошковой смеси М5-Птх 110
3.1.3 Керамические образцы В4С из порошковых смесей М1 и НП-Pl: В4С-
1%НП, В4С-5%НП, В4С-10%НП 115
3.1.4 Керамические образцы на основе низкокачественного и отходного
сырья ПИХТ 122
3.1.4.1 Моделирование оптимальной упаковки частиц порошков
ПИХТ 122
3.1.4.2 Спарк-плазменное спекание порошков ПИХТ-1(1), ПИХТ-2(2),
ПИХТ-3(3), ПИХТ-4(2) 130
3.1.5 Композиционная металлокерамика AMг-B4C-W 132
3.1.5.1 Оптимизация упаковки компонентов смеси порошков
композита 133
3.1.5.2 Исследование процессов консолидации композитного
материала 136
3.2 Механизмы релаксации остаточных напряжения в керамике В4С,
изготовленной методом СПС 144
3.3 Моделирование, конструирование и апробация коллекторных пресс-форм
для изготовления нецилиндрических изделий методом СПС 156
3.4 Выводы по главе 163
4 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 168
5 СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ 173
6 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 175
Приложение 1 194
1 СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ КЕРАМИКИ НА ОСНОВЕ
КАРБИДА БОРА 13
1.1 Карбид бора - перспективный конструкционный материал 13
1.2 Способы консолидации керамических материалов на основе В4С 26
1.2.1 Метод реакционного спекания 28
1.2.2 Метод жидкофазного спекания 30
1.2.3 Метод горячего прессования 34
1.2.4 Метод спарк-плазменного спекания 35
1.3 Постановка цели и задач исследований 41
2 ИССЛЕДУЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНОВ 44
2.1 Распределение частиц по размерам 47
2.2 Удельная поверхность 48
2.3 Рентгенофазовый анализ 49
2.4 Определение морфологии и элементного состава 51
2.5 Спекание керамических образцов из исследуемых порошков 52
2.6 Определение физико-механических характеристик керамических
образцов 56
2.7 Характеризация порошка карбида бора М5-П 59
2.8 Характеризация порошка карбида бора Уралинвест (М1) 64
2.9 Характеризация нанопорошка карбида бора производства Plasmachem .. 68
2.10 Характеризация порошковой смеси на основе карбида бора М5-П и
диспергированного М5-П 69
2.11 Характеризация порошковых смесей карбида бора из М1 и НП-Pl 75
2.12 Характеризация порошковых смесей из низкокачественного и отходного
промышленного сырья ПИХТ 82
2.13 Характеризация композиционной порошковой смеси АМГ6-В4С^ 90
2.14 Выводы по главе 95
3 ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КЕРАМИКИ В4С С
ПРИМЕНЕНИЕМ МЕТОДА СПС 98
3.1 Спекание керамики В4С методом СПС из исследуемых порошковых
составов 98
3.1.1 Керамические образцы из порошка М5-П 99
3.1.2 Керамические образцы из порошковой смеси М5-Птх 110
3.1.3 Керамические образцы В4С из порошковых смесей М1 и НП-Pl: В4С-
1%НП, В4С-5%НП, В4С-10%НП 115
3.1.4 Керамические образцы на основе низкокачественного и отходного
сырья ПИХТ 122
3.1.4.1 Моделирование оптимальной упаковки частиц порошков
ПИХТ 122
3.1.4.2 Спарк-плазменное спекание порошков ПИХТ-1(1), ПИХТ-2(2),
ПИХТ-3(3), ПИХТ-4(2) 130
3.1.5 Композиционная металлокерамика AMг-B4C-W 132
3.1.5.1 Оптимизация упаковки компонентов смеси порошков
композита 133
3.1.5.2 Исследование процессов консолидации композитного
материала 136
3.2 Механизмы релаксации остаточных напряжения в керамике В4С,
изготовленной методом СПС 144
3.3 Моделирование, конструирование и апробация коллекторных пресс-форм
для изготовления нецилиндрических изделий методом СПС 156
3.4 Выводы по главе 163
4 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 168
5 СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ 173
6 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 175
Приложение 1 194
Карбид бора - легкий, тугоплавкий, высокотвердый, химически инертный материал, обладающий также полупроводниковыми свойствами. Благодаря такому комплексу уникальных свойств, карбид бора востребован в высокотехнологичных отраслях промышленности: атомная энергетика (поглотитель нейтронов), машиностроение (компонент износостойких наплавочных смесей, тугоплавких материалов; абразивно-устойчивые сопла и резцы; шлифующий и абразивный материал и др.), электроника (полупроводник p-типа), оборонные отрасли (элементы бронезащиты).
Активное изучение карбида бора в мире ведется с 40х годов ХХ века [1], в СССР - с 1950-х годов [2; 3; 4]. Распространенным методом изготовления изделий из поликристаллического карбида бора является горячее прессование [5], которое реализуется в специальных сложных установках в вакууме, при высоких температурах и давлении подпрессовки (которое лимитируется пределом прочности графитовых пресс-форм при температурах спекания). Однако этот метод не позволяет спекать наноструктурную керамику, так как реализуется при высоких температурах (около 2000 °С) в течение длительного времени (часы), что приводит к существенному росту зёрен (более 10 микрон) и не позволяет реализовать потенциал субмикронного состояния зёренной структуры для достижения высоких эксплуатационных свойств керамики.
В последнее десятилетие активно развивается метод спарк-плазменного спекания (СПС) порошковых материалов (спекание в плазме искрового разряда) с высокой кинетикой процесса консолидации, что позволяет ограничить рост зерен и получать высокоплотные наноструктурные керамические материалы, если в качестве исходных применяются нанодисперсные порошки (НП) [6; 7; 8; 9]. Этот метод перспективен и для консолидации наноструктурной керамики из карбида бора [10], которая приобретает комплекс более высоких физико-механических свойств, чем крупнозернистая керамика (микротвердость совместно с трещино- стойкостью, прочностью). Поэтому в настоящее время исследования и разработки керамики и композитов на основе нанопорошков В4С являются актуальными [11; 12].
Только за последнее десятилетие опубликовано более 2000 работ по исследованиям карбида бора, в том числе с применением метода СПС - 904 (по данным базы данных Science Direct на сентябрь 2015 г.) [13]. Среди них достаточно много работ по СПС крупнодисперсных (микронных) порошков В4С (например, [14; 15; 16]), но не встречаются работы по исследованию спекания нанопорошков или влияния добавок нанодисперсных фракций В4С к микронным фракциям порошка- основы.
В Томском политехническом университете были разработаны теоретические основы интенсификации формирования структуры керамических материалов с применением нанодисперсных добавок для оксидных и силикатных материалов [17; 18]. Подобные подходы также используются в [19] и в других странах [20]. Нанодисперсные добавки даже в небольших количествах эффективно активируют процессы консолидации, способствуют формированию более совершенной микроструктуры, и в конечном итоге повышают свойства керамики. Кроме того, применение таких добавок делает технологию более экономичной, так как снижается потребление дорогостоящих нанодисперсных порошков [21]. Использование ряда недавно разработанных и успешно опробованных на оксидных материалах рациональных методов прессования [22] в сочетании с СПС также представляется перспективным путём реализации потенциала уникальных свойств карбида бора и требует развития в технологии керамических изделий различного назначения. К таковым относятся метод рациональной оптимизации содержания фракций различных порошков в смеси по критерию плотности упаковки и деформации, а также коллекторный способ прессования. Перечисленные подходы рассматриваются нами как наиболее перспективные для создания керамики из карбида бора с сочетанием повышенных физико-механических свойств (твердость, трещиностой- кость, прочность).
В этой связи весьма актуальными являются исследования и разработки в области технологии изготовления конкурентоспособных изделий из микро- и нанодисперсных порошков В4С методом СПС в сочетании с рациональными методами и приёмами прессования. Указанные выше подходы к разработке керамики и композитов из карбида бора отражают достигнутый уровень и степень разработанности проблемы.
Таким образом, в качестве объекта исследования выбраны: порошки карбида бора, порошковые смеси на его основе с различным содержанием добавки наноразмерной фракции, содержащий карбид бора композитный порошковый состав, а также консолидированные на их основе материалы.
Предметом исследования и разработки является технология консолидации спарк-плазменным спеканием в сочетании с различными рациональными приёмами прессования микро- и нанопорошков В4С для производства керамики и композитов с заданной микроструктурой и свойствами.
Исследования были выполнены в рамках проекта RFMEFI57614X0010 «Разработка технологии наноструктурированной керамики на основе карбида бора» ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы»; проекта «Создание промышленного производства изделий из функциональной и конструкционной нанокерамики для высокотехнологичных отраслей» по постановлению Правительства РФ №218; проекта «У.М.Н.И.К.» 2009-2011 гг.; проекта «Материалы для экстремальных условий» ВИУ_ИФВТ_85_2014 и была поддержана стипендией Президента России в 2013-2015 гг.
Целью работы являлось установление закономерностей процессов консолидации керамики и композитов из карбида бора методом спарк-плазменного спекания и разработка оптимальных технологических приёмов и режимов их изготовления для достижения высоких физико-механических свойств.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Определение существенных для разрабатываемой технологии особенностей фазового состава, дисперсности, морфологии микро- и нано- дисперсных порошков В4С различных производителей.
2. Модельное и экспериментальное определение влияния добавок субмикронных и наноразмерных фракций порошков В4С на свойства консолидированной керамики и композитов.
3. Моделирование и экспериментальное исследование процессов поверхностного разрушения керамики из карбида бора при локальном нагружении.
4. Количественная оценка влияния различных режимов СПС при консолидации порошков В4С на физико-механические характеристики спеченной керамики; экспериментальная оптимизация составов порошковых смесей, режимов СПС.
5. Аналитическое описание процесса СПС-консолидации металломатричного композита, содержащего порошок карбида бора, в условиях произвольно заданного изменения режимов СПС (давления и температуры).
6. Разработка и оценка перспектив технологии совместного использования метода СПС-консолидации и коллекторного способа прессования для изготовления изделий заданной формы из порошков В4С.
Научная новизна работы заключается в следующем.
1. Установлены закономерности влияния введения субмикронных и нано- дисперсных добавок в количестве до 10 мас.% в порошок-основу на служебные характеристики керамики, полученной методом СПС.
2. Показано, что разрушение поверхности керамики из стандартного порошка B4C с добавкой субмикронного порошка B4C при статическом локальном нагружении в процессе индентирования происходит с временной задержкой: вблизи отпечатка индентора наблюдается образование областей откольного разрушения в виде “лепестков” через 20 с после снятия нагрузки.
3. Впервые установлены закономерности релаксации напряжений при локальном нагружении керамики В4С, когда разрушение керамики при индентиро- вании начинается с образования области сдвиговых напряжений, а при снятии
8 сжимающей нагрузки эта область трансформируется в область растягивающих напряжений, что приводит к разрушению типа отрыва и к образованию макродефектов в виде «лепестков»; конкретный характер областей разрушения зависит от плотности керамики, определяемой режимами её изготовления методом СПС.
4. Применительно к СПС развиты теоретические положения процессов уплотнения порошковых материалов, в частности, представлено корректное аналитическое описание процесса СПС-консолидации металломатричного композитного материала, содержащего порошок карбида бора, в условиях немонотонного изменения параметров воздействия (давления и температуры).
Практическая значимость работы.
1. Для промышленного производства бронезащитных плиток B4C методом СПС рекомендован состав из микронного порошка с добавкой 5 мас.% нанопорошка В4С, из которого спекается керамика с плотностью 100% и наибольшими значениями трещиностойкости (6,0 МПа-м1/2), микротвердости (38,1 ГПа). Оптимальными режимами СПС являются 1950оС/30 МПа/10 мин. (Акт ХК ОАО «НЭВЗ-Союз»).
2. Для стандартного порошка B4C оптимальной является добавка 10 мас.% субмикронного порошка B4C, обеспечивающая комплекс наибольших физикомеханических свойств: плотность 98,3%; трещиностойкость 9,5 МПа-м1/2; микротвердость 42,2 ГПа при оптимальных режимах СПС 1950 °С/90 МПа/10 мин.
3. Разработанные технология совместного использования метода СПС- консолидации и коллекторного способа прессования для производства изделий нецилиндрической геометрии (параллелепипедов, 6-гранных призм), которая обеспечивает спекание 100%-плотных изделий из смеси микронного порошка В4С с добавкой 5% нанопорошка В4С.
4. Установленные оптимальные режимы СПС для спекания алюмо- матричного композита (490°C / 39 МПа / 10 мин.) обеспечивают формирование 100%-плотного композита с наибольшими значениями микротвердости (4,2 ГПа) и упругого модуля (98,62 ГПа), что позволяет рекомендовать эти режимы для из-
готовления легкого и механически прочного радиационно-защитного композита заданного состава.
5. По критерию плотности упаковки и деформации различных фракций порошков смеси оптимизирован состав металломатричного композита АМг6/В4СЖ (74%AMT6+6%B4C+20%W), обеспечивающий без спекания наиболее плотную упаковку компонентов с координационным числом >4 и плотностью 67% в непрерывной матрице сплава. Экспериментальной верификацией установлено, что такой оптимальный состав композита после обычного статического прессования (800 МПа) без спекания достигает плотности 91,6%, а после прессования под ультразвуковым воздействием - плотности 95,1%.
Теоретическая значимость работы заключается в следующем.
1. Предложенное к использованию безразмерное уравнение логарифмического типа, включающее компоненты учёта компрессионной и термической составляющих воздействия с постоянными коэффициентами, с высокой достоверностью описывает СПС-процесс уплотнения материалов при повышении давления и нагреве, позволяет прогнозировать поведение материала при изменении условий консолидации и проводить оперативную оптимизацию режимов СПС.
2. Модельная оптимизация содержания добавок субмикронных и нанопорошков и схем их прессования, обеспечение максимальной равномерности распределения свойств по объёму прессуемого материала на протяжении всего процесса СПС-консолидации (от минимальной плотности до беспористого состояния) являются обязательными условиями достижения высоких физикомеханических характеристик керамики на основе карбида бора.
Методология диссертационного исследования включала:
1. анализ гранулометрического, фазового, элементного состава, морфологии исследуемых порошков (коммерческие порошки В4С производства Донецкого завода химреактивов, ЗАО НПФ Уралинвест, ООО «ПИХТ», ООО «ОКБ БОР», Plasmachem GmbH, а также порошковые смеси на их основе с различным содержанием добавок субмикронных и нано-фракций В4С; алюмо-матричный композитный порошковый состав АМгб-B.iC-W);
2. анализ процессов консолидации исследуемых порошков методом СПС;
3. компьютерное моделирование и экспериментальную верификацию структур упаковки частиц порошковых смесей, процессов их спекания методом СПС, процессов разрушения поверхности керамики B4C при локальном статическом нагружении индентированием;
4. оптимизацию составов смесей из исследуемых порошков и режимов СПС для достижения комплекса наибольших физико-механических свойств (плотность, микротвердость совместно с трещиностойкостью, прочностью);
5. конструирование и апробация коллекторных пресс-формы для изготовления методом СПС изделий из В4С нецилиндрической геометрии (параллелепипедов, 6-гранных призм);
6. анализ полученных данных.
В диссертационном исследовании использовался комплекс современных методов анализа структуры, морфологии порошковых материалов, физикомеханических свойств, фазового и элементного состава: сканирующая электронная микроскопия с энергодисперсионным элементным микроанализом; лазерный дифракционный анализ; БЭТ-анализ; рентгенофазовый анализ; нано- и микро- индентирование методом Виккерса; метод 3-точечного изгиба. Для компьютерного моделирования использовались: метод конечно-элементного моделирования распределения напряжений в зоне деформации; метод дискретно-элементного моделирования упаковки частиц полидисперсных порошков; метод наименьших квадратов на основе численной конечно-разностной обработки экспериментальных данных уплотнения порошкового материала для моделирования и аналитического описания процесса СПС консолидации. Спарк-плазменное спекание образцов проводилось на компьютеризованной установке с регистрацией и обработкой дилатометрических данных.
Достоверность результатов, представленных в диссертации, обусловлена применением комплекса современных методов экспериментальных и модельных исследований, привлечением общепринятых положений теории прессования, а также их непротиворечивого развития применительно к описанию исследуемых СПС-процессов консолидации порошков, обработкой статистически представительных наборов экспериментальных данных измеренных свойств исследуемых материалов. Все приборы и оборудование, использованные в исследованиях, были калиброваны.
Личный вклад автора заключается в следующем: выполнены исследования по оптимизации гранулометрического состава и режимов СПС исследуемых материалов; проведены обработка и анализ экспериментальных результатов по характеризации исследуемых порошков, микроструктуры и физико-механических свойств спеченных из них керамики и композитов, по закономерностям процессов спарк-плазменного спекания карбида бора; сконструированы и апробированы конструкции коллекторных пресс-форм для изготовления методом СПС изделий нецилиндрической геометрии, сделаны выводы, обобщающие полученные результаты.
Положения, выносимые на защиту:
1. Для изготовления высокоплотной керамики на основе карбида бора методом СПС, кроме оптимизации технологических режимов (температуры, давления, скорости и продолжительности процесса), требуется применение методов оптимизации количественного содержания добавок субмикронных и нанопорошков, а также применение рациональных схем их прессования.
2. СПС-процесс уплотнения материалов при нагреве и повышении давления с высокой достоверностью описывается безразмерным уравнением логарифмического типа, состоящим из компонент учёта компрессионной и термической составляющих воздействия на материал с постоянными коэффициентами.
3. СПС-консолидация с применением коллекторной схемы прессования обеспечивает достижение наибольших физико-механических характеристик керамики на основе карбида бора.
Апробация результатов диссертационного исследования проведена на 21 конференции различного уровня. Это 11 Всероссийских конференций (Современные техника и технологии-2007, Томск; Современные керамические материалы и их применение-2011, 2012, Новосибирск; Перспективы развития фундаментальных наук-2011, 2012, 2013, 2014, Томск; Байкальский материаловедческий форум- 2012, 2015, Улан-Удэ; V Всероссийская конференция по наноматериалам-2013, Звенигород; Школа-семинар «Современное материаловедение», 2014, Томск); 6 международных (Nanotechnology, energy, plasma, lasers - NEPL-2011, Йена; Ке- рамСиб-2011, 2012, Новосибирск, Москва; German-Russian Forum Nanotechnology- 2010, 2013, Томск; Средства индивидуальной бронезащиты-2013, Москва), 4 зарубежных (10th Symposium on Ceramic Materials and Components for Energy and Environmental Applications CMCEE-2012, Дрезден; 14th Conferences of the European Ceramic Society-2015, Толедо; Sintering-2014, Дрезден; Japan-Russia Workshop and 19th SPS Forum, 2014, Сендай).
Активное изучение карбида бора в мире ведется с 40х годов ХХ века [1], в СССР - с 1950-х годов [2; 3; 4]. Распространенным методом изготовления изделий из поликристаллического карбида бора является горячее прессование [5], которое реализуется в специальных сложных установках в вакууме, при высоких температурах и давлении подпрессовки (которое лимитируется пределом прочности графитовых пресс-форм при температурах спекания). Однако этот метод не позволяет спекать наноструктурную керамику, так как реализуется при высоких температурах (около 2000 °С) в течение длительного времени (часы), что приводит к существенному росту зёрен (более 10 микрон) и не позволяет реализовать потенциал субмикронного состояния зёренной структуры для достижения высоких эксплуатационных свойств керамики.
В последнее десятилетие активно развивается метод спарк-плазменного спекания (СПС) порошковых материалов (спекание в плазме искрового разряда) с высокой кинетикой процесса консолидации, что позволяет ограничить рост зерен и получать высокоплотные наноструктурные керамические материалы, если в качестве исходных применяются нанодисперсные порошки (НП) [6; 7; 8; 9]. Этот метод перспективен и для консолидации наноструктурной керамики из карбида бора [10], которая приобретает комплекс более высоких физико-механических свойств, чем крупнозернистая керамика (микротвердость совместно с трещино- стойкостью, прочностью). Поэтому в настоящее время исследования и разработки керамики и композитов на основе нанопорошков В4С являются актуальными [11; 12].
Только за последнее десятилетие опубликовано более 2000 работ по исследованиям карбида бора, в том числе с применением метода СПС - 904 (по данным базы данных Science Direct на сентябрь 2015 г.) [13]. Среди них достаточно много работ по СПС крупнодисперсных (микронных) порошков В4С (например, [14; 15; 16]), но не встречаются работы по исследованию спекания нанопорошков или влияния добавок нанодисперсных фракций В4С к микронным фракциям порошка- основы.
В Томском политехническом университете были разработаны теоретические основы интенсификации формирования структуры керамических материалов с применением нанодисперсных добавок для оксидных и силикатных материалов [17; 18]. Подобные подходы также используются в [19] и в других странах [20]. Нанодисперсные добавки даже в небольших количествах эффективно активируют процессы консолидации, способствуют формированию более совершенной микроструктуры, и в конечном итоге повышают свойства керамики. Кроме того, применение таких добавок делает технологию более экономичной, так как снижается потребление дорогостоящих нанодисперсных порошков [21]. Использование ряда недавно разработанных и успешно опробованных на оксидных материалах рациональных методов прессования [22] в сочетании с СПС также представляется перспективным путём реализации потенциала уникальных свойств карбида бора и требует развития в технологии керамических изделий различного назначения. К таковым относятся метод рациональной оптимизации содержания фракций различных порошков в смеси по критерию плотности упаковки и деформации, а также коллекторный способ прессования. Перечисленные подходы рассматриваются нами как наиболее перспективные для создания керамики из карбида бора с сочетанием повышенных физико-механических свойств (твердость, трещиностой- кость, прочность).
В этой связи весьма актуальными являются исследования и разработки в области технологии изготовления конкурентоспособных изделий из микро- и нанодисперсных порошков В4С методом СПС в сочетании с рациональными методами и приёмами прессования. Указанные выше подходы к разработке керамики и композитов из карбида бора отражают достигнутый уровень и степень разработанности проблемы.
Таким образом, в качестве объекта исследования выбраны: порошки карбида бора, порошковые смеси на его основе с различным содержанием добавки наноразмерной фракции, содержащий карбид бора композитный порошковый состав, а также консолидированные на их основе материалы.
Предметом исследования и разработки является технология консолидации спарк-плазменным спеканием в сочетании с различными рациональными приёмами прессования микро- и нанопорошков В4С для производства керамики и композитов с заданной микроструктурой и свойствами.
Исследования были выполнены в рамках проекта RFMEFI57614X0010 «Разработка технологии наноструктурированной керамики на основе карбида бора» ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы»; проекта «Создание промышленного производства изделий из функциональной и конструкционной нанокерамики для высокотехнологичных отраслей» по постановлению Правительства РФ №218; проекта «У.М.Н.И.К.» 2009-2011 гг.; проекта «Материалы для экстремальных условий» ВИУ_ИФВТ_85_2014 и была поддержана стипендией Президента России в 2013-2015 гг.
Целью работы являлось установление закономерностей процессов консолидации керамики и композитов из карбида бора методом спарк-плазменного спекания и разработка оптимальных технологических приёмов и режимов их изготовления для достижения высоких физико-механических свойств.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Определение существенных для разрабатываемой технологии особенностей фазового состава, дисперсности, морфологии микро- и нано- дисперсных порошков В4С различных производителей.
2. Модельное и экспериментальное определение влияния добавок субмикронных и наноразмерных фракций порошков В4С на свойства консолидированной керамики и композитов.
3. Моделирование и экспериментальное исследование процессов поверхностного разрушения керамики из карбида бора при локальном нагружении.
4. Количественная оценка влияния различных режимов СПС при консолидации порошков В4С на физико-механические характеристики спеченной керамики; экспериментальная оптимизация составов порошковых смесей, режимов СПС.
5. Аналитическое описание процесса СПС-консолидации металломатричного композита, содержащего порошок карбида бора, в условиях произвольно заданного изменения режимов СПС (давления и температуры).
6. Разработка и оценка перспектив технологии совместного использования метода СПС-консолидации и коллекторного способа прессования для изготовления изделий заданной формы из порошков В4С.
Научная новизна работы заключается в следующем.
1. Установлены закономерности влияния введения субмикронных и нано- дисперсных добавок в количестве до 10 мас.% в порошок-основу на служебные характеристики керамики, полученной методом СПС.
2. Показано, что разрушение поверхности керамики из стандартного порошка B4C с добавкой субмикронного порошка B4C при статическом локальном нагружении в процессе индентирования происходит с временной задержкой: вблизи отпечатка индентора наблюдается образование областей откольного разрушения в виде “лепестков” через 20 с после снятия нагрузки.
3. Впервые установлены закономерности релаксации напряжений при локальном нагружении керамики В4С, когда разрушение керамики при индентиро- вании начинается с образования области сдвиговых напряжений, а при снятии
8 сжимающей нагрузки эта область трансформируется в область растягивающих напряжений, что приводит к разрушению типа отрыва и к образованию макродефектов в виде «лепестков»; конкретный характер областей разрушения зависит от плотности керамики, определяемой режимами её изготовления методом СПС.
4. Применительно к СПС развиты теоретические положения процессов уплотнения порошковых материалов, в частности, представлено корректное аналитическое описание процесса СПС-консолидации металломатричного композитного материала, содержащего порошок карбида бора, в условиях немонотонного изменения параметров воздействия (давления и температуры).
Практическая значимость работы.
1. Для промышленного производства бронезащитных плиток B4C методом СПС рекомендован состав из микронного порошка с добавкой 5 мас.% нанопорошка В4С, из которого спекается керамика с плотностью 100% и наибольшими значениями трещиностойкости (6,0 МПа-м1/2), микротвердости (38,1 ГПа). Оптимальными режимами СПС являются 1950оС/30 МПа/10 мин. (Акт ХК ОАО «НЭВЗ-Союз»).
2. Для стандартного порошка B4C оптимальной является добавка 10 мас.% субмикронного порошка B4C, обеспечивающая комплекс наибольших физикомеханических свойств: плотность 98,3%; трещиностойкость 9,5 МПа-м1/2; микротвердость 42,2 ГПа при оптимальных режимах СПС 1950 °С/90 МПа/10 мин.
3. Разработанные технология совместного использования метода СПС- консолидации и коллекторного способа прессования для производства изделий нецилиндрической геометрии (параллелепипедов, 6-гранных призм), которая обеспечивает спекание 100%-плотных изделий из смеси микронного порошка В4С с добавкой 5% нанопорошка В4С.
4. Установленные оптимальные режимы СПС для спекания алюмо- матричного композита (490°C / 39 МПа / 10 мин.) обеспечивают формирование 100%-плотного композита с наибольшими значениями микротвердости (4,2 ГПа) и упругого модуля (98,62 ГПа), что позволяет рекомендовать эти режимы для из-
готовления легкого и механически прочного радиационно-защитного композита заданного состава.
5. По критерию плотности упаковки и деформации различных фракций порошков смеси оптимизирован состав металломатричного композита АМг6/В4СЖ (74%AMT6+6%B4C+20%W), обеспечивающий без спекания наиболее плотную упаковку компонентов с координационным числом >4 и плотностью 67% в непрерывной матрице сплава. Экспериментальной верификацией установлено, что такой оптимальный состав композита после обычного статического прессования (800 МПа) без спекания достигает плотности 91,6%, а после прессования под ультразвуковым воздействием - плотности 95,1%.
Теоретическая значимость работы заключается в следующем.
1. Предложенное к использованию безразмерное уравнение логарифмического типа, включающее компоненты учёта компрессионной и термической составляющих воздействия с постоянными коэффициентами, с высокой достоверностью описывает СПС-процесс уплотнения материалов при повышении давления и нагреве, позволяет прогнозировать поведение материала при изменении условий консолидации и проводить оперативную оптимизацию режимов СПС.
2. Модельная оптимизация содержания добавок субмикронных и нанопорошков и схем их прессования, обеспечение максимальной равномерности распределения свойств по объёму прессуемого материала на протяжении всего процесса СПС-консолидации (от минимальной плотности до беспористого состояния) являются обязательными условиями достижения высоких физикомеханических характеристик керамики на основе карбида бора.
Методология диссертационного исследования включала:
1. анализ гранулометрического, фазового, элементного состава, морфологии исследуемых порошков (коммерческие порошки В4С производства Донецкого завода химреактивов, ЗАО НПФ Уралинвест, ООО «ПИХТ», ООО «ОКБ БОР», Plasmachem GmbH, а также порошковые смеси на их основе с различным содержанием добавок субмикронных и нано-фракций В4С; алюмо-матричный композитный порошковый состав АМгб-B.iC-W);
2. анализ процессов консолидации исследуемых порошков методом СПС;
3. компьютерное моделирование и экспериментальную верификацию структур упаковки частиц порошковых смесей, процессов их спекания методом СПС, процессов разрушения поверхности керамики B4C при локальном статическом нагружении индентированием;
4. оптимизацию составов смесей из исследуемых порошков и режимов СПС для достижения комплекса наибольших физико-механических свойств (плотность, микротвердость совместно с трещиностойкостью, прочностью);
5. конструирование и апробация коллекторных пресс-формы для изготовления методом СПС изделий из В4С нецилиндрической геометрии (параллелепипедов, 6-гранных призм);
6. анализ полученных данных.
В диссертационном исследовании использовался комплекс современных методов анализа структуры, морфологии порошковых материалов, физикомеханических свойств, фазового и элементного состава: сканирующая электронная микроскопия с энергодисперсионным элементным микроанализом; лазерный дифракционный анализ; БЭТ-анализ; рентгенофазовый анализ; нано- и микро- индентирование методом Виккерса; метод 3-точечного изгиба. Для компьютерного моделирования использовались: метод конечно-элементного моделирования распределения напряжений в зоне деформации; метод дискретно-элементного моделирования упаковки частиц полидисперсных порошков; метод наименьших квадратов на основе численной конечно-разностной обработки экспериментальных данных уплотнения порошкового материала для моделирования и аналитического описания процесса СПС консолидации. Спарк-плазменное спекание образцов проводилось на компьютеризованной установке с регистрацией и обработкой дилатометрических данных.
Достоверность результатов, представленных в диссертации, обусловлена применением комплекса современных методов экспериментальных и модельных исследований, привлечением общепринятых положений теории прессования, а также их непротиворечивого развития применительно к описанию исследуемых СПС-процессов консолидации порошков, обработкой статистически представительных наборов экспериментальных данных измеренных свойств исследуемых материалов. Все приборы и оборудование, использованные в исследованиях, были калиброваны.
Личный вклад автора заключается в следующем: выполнены исследования по оптимизации гранулометрического состава и режимов СПС исследуемых материалов; проведены обработка и анализ экспериментальных результатов по характеризации исследуемых порошков, микроструктуры и физико-механических свойств спеченных из них керамики и композитов, по закономерностям процессов спарк-плазменного спекания карбида бора; сконструированы и апробированы конструкции коллекторных пресс-форм для изготовления методом СПС изделий нецилиндрической геометрии, сделаны выводы, обобщающие полученные результаты.
Положения, выносимые на защиту:
1. Для изготовления высокоплотной керамики на основе карбида бора методом СПС, кроме оптимизации технологических режимов (температуры, давления, скорости и продолжительности процесса), требуется применение методов оптимизации количественного содержания добавок субмикронных и нанопорошков, а также применение рациональных схем их прессования.
2. СПС-процесс уплотнения материалов при нагреве и повышении давления с высокой достоверностью описывается безразмерным уравнением логарифмического типа, состоящим из компонент учёта компрессионной и термической составляющих воздействия на материал с постоянными коэффициентами.
3. СПС-консолидация с применением коллекторной схемы прессования обеспечивает достижение наибольших физико-механических характеристик керамики на основе карбида бора.
Апробация результатов диссертационного исследования проведена на 21 конференции различного уровня. Это 11 Всероссийских конференций (Современные техника и технологии-2007, Томск; Современные керамические материалы и их применение-2011, 2012, Новосибирск; Перспективы развития фундаментальных наук-2011, 2012, 2013, 2014, Томск; Байкальский материаловедческий форум- 2012, 2015, Улан-Удэ; V Всероссийская конференция по наноматериалам-2013, Звенигород; Школа-семинар «Современное материаловедение», 2014, Томск); 6 международных (Nanotechnology, energy, plasma, lasers - NEPL-2011, Йена; Ке- рамСиб-2011, 2012, Новосибирск, Москва; German-Russian Forum Nanotechnology- 2010, 2013, Томск; Средства индивидуальной бронезащиты-2013, Москва), 4 зарубежных (10th Symposium on Ceramic Materials and Components for Energy and Environmental Applications CMCEE-2012, Дрезден; 14th Conferences of the European Ceramic Society-2015, Толедо; Sintering-2014, Дрезден; Japan-Russia Workshop and 19th SPS Forum, 2014, Сендай).
В ходе диссертационной работы выполнен комплекс обзорных, аналитических, теоретических и экспериментальных исследований: проведены выбор и всесторонняя характеризация порошковых материалов на основе карбида бора, а также их смесей; изучены процессы производства из них керамики и композитов с привлечением передового метода консолидации (СПС) и рациональных приёмов прессования.
Экспериментально и аналитически показано, что среди существующих способов получения высококачественной керамики на основе карбида бора метод СПС является наиболее перспективным, характеризуется минимальными временными затратами для достижения максимального результата в решении проблемы высокой плотности при сохранении мелкозернистой структуры и достаточной чистоты синтезируемого материала.
Выявленные проблемы СПС-консолидации материалов на основе карбида бора нашли своё решение путем совершенствования метода СПС при его использовании в сочетании с другими перспективными приёмами и способами рационализации процесса уплотнения порошков жёстких и тугоплавких материалов.
Один из таких приёмов - введение добавок субмикронных и нанопорошков в порошок-основу - при использовании комплексных (модельных и экспериментальных) подходов к оптимизации их содержания позволяет обеспечить рациональное заполнение пространства полидисперсными частицами материала, активировать процессы спекания более крупных частиц, что приводит к получению более совершенной и плотной зёренной структуры с высокой прочностью межзёренных границ. Дискретно-элементное моделирование различных порошковых составов на основе экспериментальных данных, полученных для реальных порошков, позволило выявить оптимальное содержание частиц различных фракций для максимально плотной их упаковки.
Другой приём, впервые использованный в сочетании с СПС - коллекторный способ прессования - при модельной оптимизации схемы перемещения формообразующих поверхностей пресс-формы позволяет минимизировать недостатки метода СПС, унаследованные от традиционно используемой в нём одноосной схемы прессования. Это дает возможность уменьшить затраты на изготовление оснастки, повысить ресурс её службы и обеспечить высокую равномерность распределения плотности при производстве изделий сложной формы.
Предложенные и использованные в работе теоретические подходы к описанию процесса высокотемпературной консолидации материалов позволяют прогнозировать их конечные свойства при немонотонном и произвольно задаваемом изменении режимов СПС.
Комплексные исследования процессов формирования зон локальных поверхностных деформаций образцов керамики В4С, проведённые прямым сопоставлением результатов конечно-элементного моделирования полей механических напряжений с изображениями зон микроиндентирования этого материала (полученными сканирующей электронной микроскопией) позволили выявить причины и последовательность возникновения трещин различных типов, направления и контуры фронта их распространения и выхода на поверхность, максимальные размеры областей откольных разрушений.
Применение указанных приёмов и подходов, а также оптимизация режимов СПС (температура, давление, скорость и продолжительность процесса) позволили изготовить из различных порошков карбида бора керамические образцы с высокими физико-механическими свойствами. Были получены 100%- плотные керамические изделия из карбида бора с характеристиками, не уступающими мировым промышленным аналогам, а предложенные приёмы и способы были успешно внедрены в промышленное производство.
Основные выводы
1. Для спекания высококачественной керамики В4С методом СПС допустимо применение порошков с содержанием примесных элементов (свободный бор, углерод, H3BO3, CaB4O7) в количестве до 17%. В процессе СПС они удаляются испарением или вступают во взаимодействие с образованием основной фазы В4С (до 99%). Наиболее предпочтительными являются порошки полидис- персного состава, смеси микронных и субмикронных (нано) порошков.
2. Оптимальный состав смеси формируется на основании моделирования количественного содержания фракций порошков конкретных производителей с учетом экспериментально определенного гранулометрического состава:
• для порошка В4С М1 оптимальной является добавка 5% нанофракции НП-Pl; керамика из такой смеси спекается методом СПС при меньшем давлении подпрессовки (30 МПа) и имеет наилучший комплекс физикомеханических свойств (плотность 100%, трещиностойкость 6,0 МПа-м1/2, микротвердость 38,1 ГПа);
• для металломатричного композита ЛМг6/В4С^ оптимальным является состав 74%ЛМг6 + 6%B4C + 20% W, в котором при смоделированной деформации 25% формируется связная матрица ЛМг6 со средним координационным числом более 4 и плотностью каркаса 0,67. Экспериментально измеренная плотность такой смеси после холодного прессования давлением 800 МПа составила более 95%, что на 10% превышает лучшие показатели для известной смеси этого композита (65%ЛМг6+15%B4C+20%W). СПС консолидация композита 65%ЛМг6+15%B4C+20%W при 490°C / 39 МПа / 10 мин. обеспечивает формирование 100%-плотного композита с наибольшими значениями микротвердости (4,2 ГПа) и упругого модуля (98,62 ГПа).
3. Смоделированное распределение напряжений в керамике В4С при статическом локальном нагружении в процессе индентирования хорошо коррелирует с экспериментальной картиной разрушения. Разрушение начинается с образования области сдвиговых напряжений; при снятии сжимающей нагрузки эта область трансформируется в область растягивающих напряжений, которые при достижении критической величины приводят к отрыву материала между радиальными трещинами, исходящими из углов отпечатка. Образование таких “лепестков” на поверхности керамики растянуто по времени и наблюдается в течение 20 с после снятия нагрузки. Содержание нанодобавки влияет на размер области откольного разрушения керамики В4С: увеличение содержания нанодобавки с 1 до 10 мас.% НП-Pl снижает размер области разрушения на 34%.
4. Оптимальными режимами СПС для спекания керамики В4С из порошка М5-П являются 1950 °С / 90 МПа, при которых плотность достигает 98,4%, микротвердость - 36,50 ГПа, трещиностойкость - 5,62 МПа-м1/2. Добавление в этот порошок 10 мас.% субмикронного порошка М5-П повышает микротвердость на 16%, трещиностойкость на 69%. Наилучший комплекс физикомеханических свойств керамики из такой смеси достигается при режимах СПС 2050 °С / 90 МПа: плотность - 98%, микротвердость - 47,9 ГПа, трещиностойкость - 15,0 МПа-м1/2. Для порошка ПИХТ-1(1) увеличение давления подпрессовки на 13 МПа приводит к повышению плотности на 11-12% при температурах СПС 1900, 1950 °С и на 3,4% при температуре 2050 °С.
5. Модель степенной ползучести позволяет с приемлемой достоверностью описать процессы спекания исследуемого композита до беспористого состояния только при плавно изменяемых режимах СПС. Процесс уплотнения композита с произвольно задаваемыми и быстрыми изменениями режимов с высокой достоверностью описывает безразмерное логарифмическое уравнение прессования, дополненное компонентой учёта деформации за счёт температурного воздействия.
6. Технология совместного использования метода СПС-консолидации и коллекторного способа прессования позволила изготовить 100% плотные изделия из карбида бора: бронеэлементов в форме шестигранных призм и параллелепипедов. Конечноэлементное моделирование коллекторной схемы прессования целесообразно использовать для оптимизации графитовой пресс-формы, позволяющей изготавливать методом СПС изделия повышенной сложности.
Полученные в ходе исследований и экспериментов результаты позволяют указать возможные перспективы дальнейшей разработки темы. В частности, использованные и показавшие свою состоятельность подходы к теоретическому описанию СПС-процесса, а также технология его совмещения с рациональными приёмами прессования после их модельной оптимизации, должны быть применены для повышения эффективности процессов изготовления материалов из других перспективных порошковых составов, консолидация которых до бес- пористого состояния до сих пор представляет проблему (карбиды, нитриды, сложные оксиды и т.п.). Также представляется перспективным применение выработанных подходов к изучению влияния СПС (как процесса, осуществляемого в определенном пространственном направлении) на кристаллографическую ориентацию зёрен и дефектообразование в структурно-чувствительных материалах, например, в прозрачной керамике на основе шпинели и диоксида циркония.
Результаты исследований перспективны для создания материалов, востребованных в современных высокотехнологичных отраслях: атомной технике, оборонных отраслях, автомобилестроении.
Экспериментально и аналитически показано, что среди существующих способов получения высококачественной керамики на основе карбида бора метод СПС является наиболее перспективным, характеризуется минимальными временными затратами для достижения максимального результата в решении проблемы высокой плотности при сохранении мелкозернистой структуры и достаточной чистоты синтезируемого материала.
Выявленные проблемы СПС-консолидации материалов на основе карбида бора нашли своё решение путем совершенствования метода СПС при его использовании в сочетании с другими перспективными приёмами и способами рационализации процесса уплотнения порошков жёстких и тугоплавких материалов.
Один из таких приёмов - введение добавок субмикронных и нанопорошков в порошок-основу - при использовании комплексных (модельных и экспериментальных) подходов к оптимизации их содержания позволяет обеспечить рациональное заполнение пространства полидисперсными частицами материала, активировать процессы спекания более крупных частиц, что приводит к получению более совершенной и плотной зёренной структуры с высокой прочностью межзёренных границ. Дискретно-элементное моделирование различных порошковых составов на основе экспериментальных данных, полученных для реальных порошков, позволило выявить оптимальное содержание частиц различных фракций для максимально плотной их упаковки.
Другой приём, впервые использованный в сочетании с СПС - коллекторный способ прессования - при модельной оптимизации схемы перемещения формообразующих поверхностей пресс-формы позволяет минимизировать недостатки метода СПС, унаследованные от традиционно используемой в нём одноосной схемы прессования. Это дает возможность уменьшить затраты на изготовление оснастки, повысить ресурс её службы и обеспечить высокую равномерность распределения плотности при производстве изделий сложной формы.
Предложенные и использованные в работе теоретические подходы к описанию процесса высокотемпературной консолидации материалов позволяют прогнозировать их конечные свойства при немонотонном и произвольно задаваемом изменении режимов СПС.
Комплексные исследования процессов формирования зон локальных поверхностных деформаций образцов керамики В4С, проведённые прямым сопоставлением результатов конечно-элементного моделирования полей механических напряжений с изображениями зон микроиндентирования этого материала (полученными сканирующей электронной микроскопией) позволили выявить причины и последовательность возникновения трещин различных типов, направления и контуры фронта их распространения и выхода на поверхность, максимальные размеры областей откольных разрушений.
Применение указанных приёмов и подходов, а также оптимизация режимов СПС (температура, давление, скорость и продолжительность процесса) позволили изготовить из различных порошков карбида бора керамические образцы с высокими физико-механическими свойствами. Были получены 100%- плотные керамические изделия из карбида бора с характеристиками, не уступающими мировым промышленным аналогам, а предложенные приёмы и способы были успешно внедрены в промышленное производство.
Основные выводы
1. Для спекания высококачественной керамики В4С методом СПС допустимо применение порошков с содержанием примесных элементов (свободный бор, углерод, H3BO3, CaB4O7) в количестве до 17%. В процессе СПС они удаляются испарением или вступают во взаимодействие с образованием основной фазы В4С (до 99%). Наиболее предпочтительными являются порошки полидис- персного состава, смеси микронных и субмикронных (нано) порошков.
2. Оптимальный состав смеси формируется на основании моделирования количественного содержания фракций порошков конкретных производителей с учетом экспериментально определенного гранулометрического состава:
• для порошка В4С М1 оптимальной является добавка 5% нанофракции НП-Pl; керамика из такой смеси спекается методом СПС при меньшем давлении подпрессовки (30 МПа) и имеет наилучший комплекс физикомеханических свойств (плотность 100%, трещиностойкость 6,0 МПа-м1/2, микротвердость 38,1 ГПа);
• для металломатричного композита ЛМг6/В4С^ оптимальным является состав 74%ЛМг6 + 6%B4C + 20% W, в котором при смоделированной деформации 25% формируется связная матрица ЛМг6 со средним координационным числом более 4 и плотностью каркаса 0,67. Экспериментально измеренная плотность такой смеси после холодного прессования давлением 800 МПа составила более 95%, что на 10% превышает лучшие показатели для известной смеси этого композита (65%ЛМг6+15%B4C+20%W). СПС консолидация композита 65%ЛМг6+15%B4C+20%W при 490°C / 39 МПа / 10 мин. обеспечивает формирование 100%-плотного композита с наибольшими значениями микротвердости (4,2 ГПа) и упругого модуля (98,62 ГПа).
3. Смоделированное распределение напряжений в керамике В4С при статическом локальном нагружении в процессе индентирования хорошо коррелирует с экспериментальной картиной разрушения. Разрушение начинается с образования области сдвиговых напряжений; при снятии сжимающей нагрузки эта область трансформируется в область растягивающих напряжений, которые при достижении критической величины приводят к отрыву материала между радиальными трещинами, исходящими из углов отпечатка. Образование таких “лепестков” на поверхности керамики растянуто по времени и наблюдается в течение 20 с после снятия нагрузки. Содержание нанодобавки влияет на размер области откольного разрушения керамики В4С: увеличение содержания нанодобавки с 1 до 10 мас.% НП-Pl снижает размер области разрушения на 34%.
4. Оптимальными режимами СПС для спекания керамики В4С из порошка М5-П являются 1950 °С / 90 МПа, при которых плотность достигает 98,4%, микротвердость - 36,50 ГПа, трещиностойкость - 5,62 МПа-м1/2. Добавление в этот порошок 10 мас.% субмикронного порошка М5-П повышает микротвердость на 16%, трещиностойкость на 69%. Наилучший комплекс физикомеханических свойств керамики из такой смеси достигается при режимах СПС 2050 °С / 90 МПа: плотность - 98%, микротвердость - 47,9 ГПа, трещиностойкость - 15,0 МПа-м1/2. Для порошка ПИХТ-1(1) увеличение давления подпрессовки на 13 МПа приводит к повышению плотности на 11-12% при температурах СПС 1900, 1950 °С и на 3,4% при температуре 2050 °С.
5. Модель степенной ползучести позволяет с приемлемой достоверностью описать процессы спекания исследуемого композита до беспористого состояния только при плавно изменяемых режимах СПС. Процесс уплотнения композита с произвольно задаваемыми и быстрыми изменениями режимов с высокой достоверностью описывает безразмерное логарифмическое уравнение прессования, дополненное компонентой учёта деформации за счёт температурного воздействия.
6. Технология совместного использования метода СПС-консолидации и коллекторного способа прессования позволила изготовить 100% плотные изделия из карбида бора: бронеэлементов в форме шестигранных призм и параллелепипедов. Конечноэлементное моделирование коллекторной схемы прессования целесообразно использовать для оптимизации графитовой пресс-формы, позволяющей изготавливать методом СПС изделия повышенной сложности.
Полученные в ходе исследований и экспериментов результаты позволяют указать возможные перспективы дальнейшей разработки темы. В частности, использованные и показавшие свою состоятельность подходы к теоретическому описанию СПС-процесса, а также технология его совмещения с рациональными приёмами прессования после их модельной оптимизации, должны быть применены для повышения эффективности процессов изготовления материалов из других перспективных порошковых составов, консолидация которых до бес- пористого состояния до сих пор представляет проблему (карбиды, нитриды, сложные оксиды и т.п.). Также представляется перспективным применение выработанных подходов к изучению влияния СПС (как процесса, осуществляемого в определенном пространственном направлении) на кристаллографическую ориентацию зёрен и дефектообразование в структурно-чувствительных материалах, например, в прозрачной керамике на основе шпинели и диоксида циркония.
Результаты исследований перспективны для создания материалов, востребованных в современных высокотехнологичных отраслях: атомной технике, оборонных отраслях, автомобилестроении.