Формирование градиентных металлокерамических материалов с использованием электронно-лучевого облучения в форвакууме | Изв. вузов. Физика. 2019. № 7. DOI: 10.17223/00213411/62/7/25

Формирование градиентных металлокерамических материалов с использованием электронно-лучевого облучения в форвакууме

Представлены результаты использования электронного пучка, формируемого форвакуумным плазменным электронным источником, для спекания порошковых металлокерамических материалов. В качестве спекаемых материалов использовались смеси порошков титана и керамики на основе оксида алюминия либо оксида циркония. Спекание осуществлялось с использованием узкосфокусированного пучка, направленного непосредственно на поверхность металлокерамического порошка. Показано, что использование смеси тонкодисперсного порошка диоксида циркония либо оксида алюминия с титаном позволяет получить электронно-лучевым методом в форвакуумной области давлений металлокерамический образец с градиентом концентрации титана по объему образца.

Gradient ceramic-metal materials formation with electron beam treatment at the forevacuum.pdf Введение Современный темп развития технологий и повышение требований к деталям и механизмам требует совершенствования существующих материалов либо создания принципиально новых, обладающих улучшенными параметрами и сочетающими в себе требуемые свойства различных материалов. Потребность в таких материалах наиболее актуальна при создании износостойких, коррозионностойких покрытий для авиационной и космической техники, ядерных реакторов и др. [1-4]. Зачастую в качестве износостойкого материала с улучшенными свойствами выступает комбинация металлической основы с керамическим покрытием. Известно, что резкие изменения в составе материала и, следовательно, их физических свойств, приводят к существенным поверхностным и внутренним напряжениям [5]. Однако, если переход от одного материала к другому является плавным, то напряжения в объеме материала, за счет перераспределения между слоями различных материалов, значительно ослабляются. Данная концепция лежит в основе функциональных градиентных материалов [6], представляющих собой совокупность различных компонентов, таких, как керамика, металл, стекло и так далее, и металлической связки, содержание которой непрерывно изменяется в объёме материала [7]. Функциональные свойства таких материалов плавно или скачкообразно изменяются по объему [8-11]. В таких случаях функционально градиентные металлокерамические материалы могут иметь преимущества как керамики - высокую твердость, так и металла, то есть имеют большую ударную вязкость [12]. В настоящее время существуют несколько методов изготовления изделий из функциональных градиентных материалов. К таким методам относятся методы высокоэнергетического воздействия потоками энергии - селективное лазерное спекание и спекание электронным пучком, а также методы воздействия на объем материала, такие, как микроволновой нагрев, искровое плазменное спекание и т.д. [13-17]. Наибольшее распространение получили методы SPS и послойное лазерное спекание. Технологий создания металлокерамических градиентных материалов с использованием электронного пучка не так много, что, возможно, связано с необходимостью обеспечения стекания заряда с облучаемой керамической поверхности. Низкая электропроводность керамического порошка приводит к накоплению заряда на его поверхности, что может привести к снижению эффективности электронно-лучевого воздействия и, в конечном итоге, отклонению электронного пучка от места обработки. Решению указанной проблемы в какой-то мере может способствовать использование форвакуумного плазменного источника электронов. Рабочий диапазон давлений такого источника лежит в диапазоне 1-100 Па. Как было показано в работах [18, 19], вторичная плазма, образующаяся при распространении электронного пучка в таком диапазоне давлений, позволяет эффективно снимать заряд с облучаемой диэлектрической поверхности. Цель настоящей работы заключалась в исследовании возможности применения электронного пучка, генерируемого форвакуумным плазменным источником для получения градиентного материала на основе оксидной керамики и титана. Экспериментальная установка Для спекания металлокерамического порошка использовалась электронно-лучевая установка ЭЛУ-1, оснащенная форвакуумным плазменным источником электронов, системой электропитания и откачки. Схема установки представлена на рис. 1. Плазменный источник электронов 1 представляет собой цилиндрический полый катод из нержавеющей стали, плоский анод и экстрактор [20]. Тлеющий разряд зажигался между полым катодом и анодом. Из разрядной плазмы извлекаются электроны с помощью ускоряющей системы, состоящей из анода с перфорированным электродом и экстрактора. Перфорированный электрод в аноде выполнен в виде сменной решетки, изготовленной из танталовой пластинки толщиной 1 мм с эмиссионным отверстием диаметром 0.8 мм. Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 - плазменный источник сфокусированного электронного пучка; 2 - электронный пучок; 3 - система магнитной фокусировки и отклонения; 4 - спекаемая порошковая смесь; 5 - графитовый тигель; 6 - инфракрасный пирометр Источник электронов формировал узкосфокусированный пучок 2 с энергией 2-18 кэВ и током 15-45 мА. Фокусировка и отклонение электронного пучка осуществлялась магнитными катушками, расположенными непосредственно за экстрактором электронного источника. В процессе облучения использовалась растровая развертка электронного пучка по квадратной области размерами, превышающими размер спекаемого образца 4. Установка определенной частоты развертки задавала скорость прохода пучком всей облучаемой площади, а масштаб развертки - размер данной области. Стоит отметить, что использовать сканирующий луч значительно эффективнее, чем использовать широкий пучок с сечением, соизмеримым с площадью образца. Дело в том, что плотность мощности пучка имеет гауссово распределение, что не позволяет равномерно прогреть всю поверхность образца. В процессе работы необходимо учитывать тепловые особенности материала образцов и тот факт, что высокие температуры не позволяют использовать тигель из любого материала. Для экспериментов использовался тигель из графита 5. Для уменьшения отвода тепла тигель располагался на тонких держателях из вольфрамовой проволоки диаметром 1 мм. Данная конструкция накрывалась теплозащитным экраном с целью уменьшения рассеивания тепла в результате излучения. Для проведения спекания вакуумная камера откачивалась до давления 2-4 Па, затем продувалась гелием в течение 5 мин. Спекание осуществлялось в среде инертного газа (гелия) при давлении 30 Па. Процесс электронно-лучевого облучения тигля с порошком занимал 40-60 мин в зависимости от температуры, до которой требовалось прогреть материал. Скорость нагрева составляла 30 град/мин. Выдержка при постоянной температуре занимала 10 мин, после чего образец остужался за счет плавного снижения мощности пучка. Скорость остывания оставляла 50 град/мин. Время спекания было выбрано исходя из нашего опыта спекания прессованных таблеток из оксида алюминия и циркония [21-23]. Материалы и методы анализа В качестве основы для изготовления градиентной металлокерамики использовались порошки алюмооксидной керамики (Al2O3) и титана (Ti), как наиболее распространённые материалы аддитивного производства керамических изделий. Использовали два типа оксидных керамических порошков - один на основе оксида алюминия, другой на основе оксида циркония. Керамические порошки содержали частицы с размерами 1-10 мкм (рис. 2). Порошок титана имел неправильную (иррегулярную) форму и развитую поверхность частиц (рис. 3), что позволяло формовать заготовку при сравнительно низких давлениях прессования. Рис. 2. Изображение порошков оксида алюминия (а) и оксида циркония (б), используемых при спекании Рис. 3. Изображение порошка титана Для спекания были подготовлены два варианта порошковых смесей, содержащих разную массовую долю керамики и металла: 1) оксид алюминия 80 мас. % и титан 20 мас. %; 2) диоксид циркония 80 мас. % и титан 20 мас. %. Порошковые смеси располагались в пресс-форме и прессовались при давлении 5 МПа. Давление прессования выбиралось минимально необходимым для того, чтобы спрессованные образцы не распадались при ручных манипуляциях. Микроструктуру поверхности, поперечного шлифа и элементный состав спеченных образцов изучали на растровом электронном микроскопе Hitachi S3400N, оснащенном приставкой энергодисперсионного микроанализа Bruker X’Flash 5010. Температуру облучаемой поверхности регистрировали инфракрасным пирометром 6 (рис. 1) (RAYTEK 1MH) с диапазоном измерения температур 550-3000 °С. На рис. 4 показана зависимость температуры поверхности образцов, изготовленных из порошков различного состава, от времени электронно-лучевого облучения при спекании. Кривые нагрева смесей керамики с металлом незначительно отличаются. Различие заключается лишь в температуре, до которой возможно нагреть порошковый материал при одном и том же уровне мощности электронного пучка (участок насыщения на рис. 4 при времени 30-40 мин). Так, для металлического порошка титана без примеси керамики достигаемая температура ниже, что связно с различием в теплофизических свойствах используемых материалов. За счет высокой теплопроводности титан лучше передает полученное от электронного пучка тепло держателю и прогревается меньше. Рис. 4. Зависимость температуры от времени облучения для различных порошковых смесей: 1 - оксид алюминия 80 мас. % и титан 20 мас. %; 2 - диоксид циркония 80 мас. % и титан 20 мас. %; 3 - порошок титана Экспериментальные результаты и их анализ В результате спекания смесей титана с алюмооксидной и циркониевой керамикой были получены образцы в виде дисков. Параметры спеченных образцов представлены в таблице. Примечательно, что в процессе облучения не было обнаружено какого-либо отклонения электронного пучка от поверхности облучаемой мишени, что свидетельствует о возможности электронно-лучевого облучения диэлектрических порошков в форвакуумной области давлений. Параметры металлокерамических образцов до и после электронно-лучевого спекания Образец Спекание Масса m, г Диаметр d, мм Высота h, мм Плотность, г/см3 Ti(20 %) + ZrO2(80 %) До 0.500 10.23 2.02 3.24 После 0.439 8.22 1.47 5.33 Ti(20 %) + Al2O3(80 %) (мелкий) До 0.500 10.25 3.52 1.63 После 0.427 8.6 2.76 2.52 После спекания габаритные размеры всех образцов уменьшались при соответствующем повышении плотности материала. Усадка спеченного образца является косвенным подтверждением произошедшего процесса. Исследование поперечного среза спеченных образцов на электронном микроскопе с микроанализатором представлено на рис. 5. Увеличение для образцов Ti (20 мас. %) + Al2O3 (80 мас. %) составляло 45. Увеличение для Ti (20 мас. %) + ZrO2 (80 мас. %) - 60. Как показали микрофотографии, образец, содержащий оксид циркония более однородный по сравнению с образцом, в составе которого присутствует оксид алюминия. Центральная область алюмооксидного образца подверглась большей усадке, что, по-видимому, связано с более низкой температурой спекания для данного типа керамики, а также различием в степени усадки при нагреве этих типов керамических порошков. Оба спеченных образца имеют пористую структуру. Распределение элементов по глубине спеченных образцов показало, что содержание кислорода, циркония, а также алюминия, для образцов с соответствующим составом, достаточно равномерно (рис. 6). Содержание титана, в то же время, изменяется по глубине (рис. 6, д, е). Наибольшее его содержание наблюдается в нижней части спеченных образцов. Рис. 5. Микрофотографии среза спеченных образцов: а - Ti (20 %) + ZrO2 (80 %); б - Ti (20 %) + Al2O3 (80 %) Рис. 6. Распределение элементов по глубине образцов спеченных образцов: а-в - Ti (20 %) + ZrO2 (80 %); г-е - Ti (20 %) + Al2O3 (80 %). Содержание элементов: а, г - кислород; б - цирконий; в, е - титан; д - алюминий Изменение концентрации титана по глубине образцов позволяет говорить о возможности использования электронного пучка, генерируемого форвакуумным плазменным электронным источником для создания градиентных металлокерамических материалов. Технология получения многослойных металлокерамических изделий требует дальнейшего совершенствования. Однако уже на данном этапе можно сделать вывод о применимости электронно-лучевого метода для изготовления градиентных материалов в форвакуумной области давлений. Заключение В работе представлены результаты использования электронно-лучевого облучения смесей металлокерамических порошков в форвакуумной области давлений в среде гелия. Показано, что в результате нагрева металлокерамического порошка, состоящего из мелкодисперсного оксида алюминия с титаном либо диоксида циркония с титаном, формируется градиентный материал с изменяющимся содержанием титана по глубине. Представленные результаты свидетельствуют о принципиальной возможности применения форвакуумного плазменного электронного источника для создания материалов с изменяющимся по объему составом.

Ключевые слова

gradient ceramic materials, cermets, electron beam sintering, градиентные керамические материалы, металлокерамика, электронно-лучевое спекание

Авторы

ФИООрганизацияДополнительноE-mail
Бакеев Илья ЮрьевичТомский государственный университет систем управления и радиоэлектроникимл. науч. сотр.bakeeviyu@mail.ru
Окс Ефим МихайловичТомский государственный университет систем управления и радиоэлектроники; Институт сильноточной электроники СО РАНд.т.н., профессор, зав. каф. физики ТУСУРа, зав. лаб. плазменных источников ИСЭ СО РАНoks@fet.tusur.ru
Зенин Алексей АлександровичТомский государственный университет систем управления и радиоэлектроникик.т.н., ст. науч. сотр.zenin1988@gmail.com
Климов Александр СергеевичТомский государственный университет систем управления и радиоэлектроникид.т.н., ст. науч. сотр.klimov@main.tusur.ru
Всего: 4

Ссылки

Burdovitsin V., Zenin A., Klimov A., et al. // Adv. Mater. Res. - 2014. - V. 872. - P. 150-156.
Казаков А.В., Климов А.С., Зенин А.А. // Доклады ТУСУРа. - 2012. - № 2-2 (26). - С. 186-189.
Двилис Э.С., Бурдовицин В.А., Хасанов А.О. и др. // Фундаментальные исследования. - 2016. - № 10-2. - С. 270-279.
Klimov A., Bakeev I., Oks E., and Zenin A. // Laser and Particle Beams. - 2019. - V. 37. - Iss. 2. - P. 203-208.
Burdovitsin V., Klimov A., Medovnik A., and Oks E. // Plasma Sources Sci. Technol. - 2010. - V. 19 (5). - P. 055003.
Burdovitsin V., Klimov A., and Oks E. // Tech. Phys. Lett. - 2009. - V. 35. - P. 511-513.
Yan W., Ge W., Smith J., et al. // Acta Mater. - 2016. - V. 115. - P. 403-412.
Wang J. // J. Am. Ceram. Soc. - 2006. - V. 89. - P. 1977-1984.
Qiao Z. et al. // Int. J. Refractory Metals and Hard Mater. - 2013. - V. 38. - P. 7-14.
Teber A. et al. // Int. J. Refractory Metals and Hard Mater. - 2012. - V. 30. - P. 64-70.
Yuan H. et al. // Int. J. Refractory Metals and Hard Mater. - 2012. - V. 34. - P. 13-417.
Marković S.J. // J. Eur. Ceram. Soc. - 2009. - V. 29. - P. 2309-2316.
Marin L. // Int. J. Solids Structures. - 2005. - V. 42 (15). - P. 4338-4351.
Liu T., Wang Q., Gao A., et al. // Scripta Mater. - 2007. - V. 57(11). - P. 992-995.
Kieback B., Neubrand A., and Riedel H. // Mater. Sci. Eng. A. - 2003. - V. 362. - P. 81-105.
Shanmugavel P., Bhaskar G.B., Chandrasekaran M., et al. // Eur. J. Sci. Res. - 2012. - V. 68. - No. 3. - P. 412-439.
Mortensen A. // Int. Mater. Rev. - 1995. - V. 6. - P. 239-265.
Naebe M. and Shirvanimoghaddam K. // Appl. Mater. Today. - 2016. - V. 5. - P. 223-245.
Boch P. and Nièpce J.C. // Ceramic Materials: Processes, Properties, and Applications. - John Wiley & Sons, 2010. - P. 573.
Каблов Е.Н. // Авиац. материалы и технологии. - 2015. - № 1 (34). - С. 3-33.
Чайникова А.С., Орлова Л.А., Попович Н.В. и др. // Авиационные материалы и технологии. - 2014. - № S6. - С. 52-58.
Cherradi N., Kawasaki A., and Gasik M. // Composites Eng. - 1994. - V. 4 (8). - P. 883-894.
Каблов Е.Н. // Металлы Евразии. - 2012. - № 3. - С. 10-15.
 Формирование градиентных металлокерамических материалов с использованием электронно-лучевого облучения в форвакууме | Изв. вузов. Физика. 2019. № 7. DOI: 10.17223/00213411/62/7/25

Формирование градиентных металлокерамических материалов с использованием электронно-лучевого облучения в форвакууме | Изв. вузов. Физика. 2019. № 7. DOI: 10.17223/00213411/62/7/25