Зайцева А.А, Костиков В.И., Логинов П.А., Еремеева Ж.В., Рупасов С.И.

Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»

Влияние наночастиц Al₂O₃ на прочностные характеристики композиционного материала на основе Ni

Интересным и перспективным направлением использования наноматериалов является введение нанопорошков к обычным металлическим порошкам для получения композиционных материалов с новыми улучшенными физико-механическими свойствами.

Данная научная работа направлена на исследование упрочнения никелевой матрицы наночастицами Al₂O₃ и получения композиционных материалов (КМ) с прочностью, превосходящей прочность чистого никеля. Задача работы - установить, применима ли для никеля теория о легировании пластической матрицы малым количеством наноразмерных частиц, согласно которой эффект повышения прочностных свойств может превосходить соответствующий эффект при обычном упрочнении. Ограничение по концентрации связано и с тем, чтобы избежать возможного повышения температуры спекания при введении твердых частиц субмикронного размера, что нежелательно вследствие снижения прочности материала. Были приготовлены составы с различным содержанием нано-Al₂O₃ (0,01%, 0,03%, 0,05%, 0,07%, 0,1%). При этом в качестве материала матрицы использовался порошок никеля электролитического марки ПНЭ-1 со средним размером частиц 45 мкм. Смешивание исходных компонентов проводили в планетарной шаровой мельнице при соотношении шаров к материалу 10:1, таким образом обеспечивается механическое легирование и равномерное распределение упрочняющей фазы в объеме порошка. После смешивания порошковая смесь приобрела связанное состояние, произошло сваривание отдельных частиц, заметное невооруженным глазом. Металлический блеск порошковой смеси стал менее интенсивным, о чем свидетельствует более темный серый цвет смеси. Вероятнее всего, сваривание частиц происходит за счет того, что наноразмерные частицы, вследствие хорошо развитой поверхности и большого количества границ выступают в роли твердофазного связующего для соединения вместе крупнозернистых зерен. В идеальном случае матричный материал после смешивания образует близкую к плотной упаковку, с размещением частиц Al₂O₃ в тетраэдрических пустотах.

В работе была определена насыпная плотность и текучесть полученных порошковых смесей, а также изучалась прессуемость порошковых смесей. На насыпную плотность, а следовательно также и прессуемость, плотность, прочность и однородность прессовок большое влияние оказывает форма частиц порошков. При этом прессуемость определяется состоянием поверхности частиц и способностью частиц к наклепу на контактных участках. Результат определение насыпной плотности показал, что с добавлением наночастиц насыпная плотность уменьшается незначительно, поэтому практически не оказывает влияния на ухудшение процесса прессования. Основное влияние наночастиц на прессуемость должно проявляться в изменении поверхностных свойств.

Спрессованные при разном давлении с различным содержанием нано-Al₂O₃ заготовки подвергались спеканию в вакууме при T=900°C при разном времени выдержки (30, 60, 90, 120 мин). На стадии спекания происходит процесс окончательного упрочнения заготовки.

В результате экспериментальных зависимостей установлено, что оптимальное время спекания КМ составляет 90 мин, когда успевают реализоваться все процессы, происходящие на стадии спекания.

В ходе работы методом гидростатического взвешивания была определена плотность изделий и получены кривые прессования. При этом плотность прессованного изделия монотонно возрастает с увеличением давления прессования. Максимальная плотность КМ достигается при давлении прессования 5 т/см². С увеличением содержания нано-Al₂O₃ плотность спеченного композита уменьшается.

Исследование процессов, протекающих на стадии усадки, позволило оценить влияние нанодобавок на процессы уплотнения, проходящие при спекании КМ. Усадка на всем протяжении времени выдержки незначительна и зависит от процентного содержания упрочняющих наночастиц. Более активная усадка наблюдается на начальной стадии спекания при содержании нано-Al₂O₃ от 0,01% до 0,04% и близка с поведением прессовок из порошков, не содержащих упрочняющих частиц. При содержании наночастиц Al₂O₃ от 0,05% до 0,1% наблюдается практически безусадочный механизм (усадка немного более 1 %). Кроме того, при содержании 0,07 и 0,1 % нано-Al₂O₃ на всех стадиях спекания усадка ведет себя стабильно, не наблюдается высокой скорости усадки. Это свидетельствует о том, что на начальной стадии не происходит перестройка зерен. Замедленность усадки на начальной стадии спекания затрудняет получение высокоплотных спеченных заготовок. С увеличением времени выдержки усадка увеличивается незначительно. При этом с увеличением давления усадка приобретает более закономерный порядок.

Результаты испытания на изгиб (табл. 1) свидетельствует о том, что при малых добавках наночастиц наблюдается разупрочнение, при добавках больше 0,05% наблюдается эффект упрочнения без потери пластичности, о чем свидетельствует увеличение площадки текучести на диаграмме испытания.

Таблица 1.

Механические свойства КМ на основе Ni, упрочненного нано-Al₂O₃

Массовая доля Al2O3, %	σизгиб, МПа	Eизгиб, ГПа
0,01	229	54,8
0,03	149	52,4
0,05	180	46,3
0,07	200	46,2
0,1	220	46,1