Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение

Теплоемкость представляет собой одно из важнейших физических свойств твердых тел, характеризующее изменение состояния вещества с температурой. Изучение теплоемкости является одним из основных методов исследования структурных и фазовых превращений в сплавах. Из температурной зависимости теплоемкости можно определить другие физические характеристики твердого тела: температуру и тип фазового превращения, температуру Дебая, энергию образования вакансий, коэффициент электронной теплоемкости и др. Экспериментальное измерение теплоемкости для разных интервалов температур - от предельно низких до высоких - является основным методом определения термодинамических свойств веществ. Теплоемкость цинкового сплава Zn55Al с цирконием определялась в режиме охлаждения по известной теплоемкости эталонного образца из меди. Для чего обработкой кривых скорости охлаждения образцов из цинкового сплава Zn55Al с цирконием и эталона получены полиномы, описывающие их скорости охлаждения. Далее по экспериментально найденным величинам скоростей охлаждения образцов из сплавов и эталона, при известных значениях их массы, были установлены полиномы температурной зависимости теплоемкости сплавов, которые описываются четырехчленным уравнением. С использованием интегралов от удельной теплоемкости были установлены модели температурной зависимости изменений энтальпии, энтропии и энергии Гиббса. Полученные зависимости показывают, что с ростом температуры теплоемкость, энтальпия и энтропия сплавов увеличиваются, а значения энергии Гиббса уменьшаются. При этом добавки циркония увеличивают теплоемкость, энтальпию и энтропию исходного сплава Zn55Al до температуры 350 К, далее добавка уменьшает теплоемкость. Величина энергии Гиббса при этом уменьшается.

Изучены характеристики процессов синтеза нанопорошков на основе кобальта (Co(OH)2, Co3O4, Co) химико-металлургическим методом. Нанопорошок Co(OH)2 получали методом химического осаждения из водных растворов нитрата кобальта Co(NO3)2 (10 мас. %) и щелочи NaOH (10 мас. %) в условиях непрерывного перемешивания, контроля температуры Т = 25°С и водородного показателя рН = 9. Промывали синтезированный осадок Co(OH)2 дистиллированной водой с помощью воронки Бюхнера до полной отмывки ионов растворенной соли с водородным показателем над осадком рН = 7. Нанопорошки Co3O4 и Co получены термическим разложением и водородным восстановлением гидроксида Co(OH)2 в трубчатой печи СНОЛ 0,2/1250. Исследование кристаллической структуры и фазового состава образцов порошков выполняли методом рентгенофазового анализа. Удельную поверхность S образцов измеряли методом БЭТ по низкотемпературной адсорбции азота. Средний размер частиц D рассчитали по данным измерения величины удельной поверхности. Размерные характеристики и морфологию частиц порошков изучали методом сканирующей электронной микроскопии. Установлено, что оптимальные температуры для проведения процессов термического разложения и водородного восстановления равны 180 и 280 °С соответственно, время выдержки процессов примерно в течение 2 ч. Полученные наночастицы Co(OH)2 и Co3O4 в основном обладают игольчатой формой, размером до десятков нанометров и длиной до 200-300 нм. Наночастицы Со главным образом имеют сферическую форму, размер - также до десятков нанометров, они находятся в спеченном состоянии, каждая из них соединена с несколькими соседними частицами перешейками.

Композиционные материалы титан-алюминий и титан-пеноалюминий находят все более широкое применение в промышленности. При жидкофазных способах в результате реакционной диффузии титана и алюминия на границе фаз композита формируется переходный интерметаллидный слой, толщина и состав которого определяются температурой фаз в процессе формирования композиционного материала, временем их высокотемпературного взаимодействия и их химическим составом. Механические и эксплуатационные свойства титана и композиционнного материала во многом будут определяться параметрами, составом и свойствами этого переходного слоя. Ввиду этого целью работы является исследование процессов взаимодействия титана с жидким алюминием и влияния этих процессов на его свойства в условиях формирования композиционных материалов. Для реализации поставленной цели проведены экспериментальные исследования процессов формирования интерметаллидного слоя на титане при жидкофазном алитировании титана. Температура алитирования в ходе экспериментов варьировалась в пределах 750-950 °С, а время алитирования - в пределах 3-60 с. Проведенные металлографические исследования и микрорентгеноспектральный анализ алитированных титановых образцов позволили установить влияние температуры и времени выдержки титановых образцов на толщину, химический и фазовый состав переходного интерметаллидного слоя. Проведенные механические испытания показали влияние температуры алюминиевого расплава при взаимодействии с титаном на прочностные свойства биметалла титан-алюминий.

Покрытия Zr1- х Al х N сформированы импульсным магнетронным распылением в диапазоне технологических параметров: давление газовой смеси Р = 0,25…1,0 Па и содержание азота в газовой смеси N2 = 5…40 %. Фазовый и элементный состав, а также трибологические, термостойкие, трещиностойкие и адгезионные свойства исследованы для Р = 0,75 Па и N2 = 5…15 %. При другом сочетании параметров формируется рентгеноаморфное покрытие. В исследуемом диапазоне формируются трехфазные покрытия Zr1- х Al х N на основе фаз c -Zr3AlN, w -Zr3AlN, δ-Zr3N4. Фазы h -ZrN0,28 и w -AlN являются дополнительными. В зависимости от содержания азота в газовой смеси покрытие Zr1- х Al х N формируется в трех различных состояниях. Стехиометрическое трехфазное покрытие Zr1- х Al х N (20 ат. % Al, 20 ат. % Ti, 60 ат. % N) на основе c -Zr3AlN-, w -Zr3AlN-, δ-Zr3N4-фаз, формируемое при N2 = 15 %, обладает минимальной трещиностойкостью. Максимальная трещиностойкость K тр = S отсл/ S по = 0,1, микротвердость Н = 24 ГПа, адгезионная прочность и способность к упругому восстановлению, а также минимальная сила трения F тр = 4,1 Н и коэффициент трения µ = 0,06 соответствуют наноструктурированному покрытию Zr1- х Al х N с максимальным содержанием в нем w -Zr3AlN-фазы ( = 27,56 %) и Al (55,44 ат.%), минимальными термическими напряжениями и дефектностью поверхности. В случае осаждения рентгеноаморфного трехфазного покрытия Zr1- х Al х N его микротвердость резко уменьшается при значительном ухудшении трибологических свойств. Уменьшение доли термически стабильной фазы w -Zr3AlN в покрытии Zr1- х Al х N в большей степени влияет на ухудшение его трибологических, термостойких, трещиностойких и адгезионных свойств.

Рассмотрено исследование влияния режимов обработки на такие показатели качества поверхностного слоя деталей из алюминиевых сплавов, как шероховатость поверхности и остаточные напряжения. При проведении экспериментальных исследований использовались эластичные полимерно-абразивные круги компании 3М марок FS-WL, DB-WL, CF-FB. В результате проведения экспериментальных исследований установлено, что поперечная шероховатость по параметру Ra увеличивается с ростом деформации круга. Это объясняется тем, что с увеличением деформации растет вертикальная составляющая силы, а следовательно, увеличивается глубина внедрения единичных зерен в обрабатываемый материал. С увеличением скорости резания поперечная шероховатость по параметру Ra также растет. Это объясняется тем, что с увеличением скорости растет центробежная составляющая силы удара абразивного зерна по обрабатываемой поверхности. В ходе проведения статистической обработки экспериментальных данных доказано, что от продольной подачи поперечная шероховатость не зависит. Дисперсионным анализом результатов экспериментов доказано, что продольная шероховатость по параметру Ra для всех использованных эластичных полимерно-абразивных кругов не зависит от заданных режимов обработки. В результате проведенных исследований получена эмпирическая зависимость, которая позволяет прогнозировать ожидаемую шероховатость при проектировании технологического процесса изготовления детали. Проведены исследования процесса формирования остаточных напряжений в поверхностном слое деталей из алюминиевого сплава В95ПчТ2 при обработке эластичными полимерно-абразивными кругами. В результате установлено, что при обработке эластичными полимерно-абразивными кругами образцов, полученных цилиндрическим и торцевым фрезерованием, остаточные напряжения оказываются полностью переформированы. С учетом того, что данный процесс обработки происходит на очень тонком разупрочненном поверхностном слое, доказано, что в обрабатываемом материале возникают сжимающие остаточные напряжения на малой глубине залегания, что положительно влияет на эксплуатационные свойства деталей. Проведен анализ состояния поверхностного слоя при помощи металлографической и электронной микроскопии. На основании данных исследований сделан вывод о том, что случаи потемнения обрабатываемой детали из алюминиевого сплава не могут препятствовать внедрению зачистки поверхностей полимерно-абразивными инструментами в авиационной промышленности, поскольку все присутствующие на поверхности частицы легко удаляются при подготовке к анодированию.