СОДЕРЖАНИЕ

Воздействие потоков энергии на материалы

В. В. Осипов, В. В. Платонов, В. В. Лисенков, Е. В. Тихонов

Получение нанопорошков тугоплавких оксидов с помощью CO2 и волоконного иттербиевого лазера ............................5

Рассмотрены основные особенности получения нанопорошков тугоплавких оксидов с помощью импульсно-периодического CO2 лазера со средней мощностью излучения ≈ 500 Вт (λ = 10,6 мкм) и непрерывного волоконного иттербиевого лазера с мощностью излучения до 700 Вт (λ = 1,07 мкм). В частности, исследовано влияние давления и состава буферного газа, мощности излучения на производительность получения наночастиц с помощью CO2 лазера и их размеры. Производительность синтеза нанопорошка в воздухе атмосферного давления в зависимости от теплофизических свойств материала меняется от 15 – 23 г/ч (YSZ) до 350 г/ч (WO3). Массовый выход нанопорошка обычно равен ≈ 30 масс. % от массы исходной мишени. Полученные наночастицы слабоагломерированы, имеют сферическую форму, а их средний размер равен 11 – 20 нм. Исследовано получение наночастиц из оксидов и фторидов с помощью непрерывного волоконного иттербиевого лазера мощностью 700 Вт и установлены важнейшие особенности его использования для получения нанопорошков: высокая прозрачность этих материалов (Y2O3, YSZ, Al2O3, TiO2, CaF2 и т.п. ) на λ = 1,07 мкм, рассеивание лазерного излучения в исходной пористой мишени, а также разбрызгивание множества капель расплава. Показано, что из-за рассеивания лазерное излучение в такой мишени концентрируется в некоторых её местах. Это позволяет достаточно эффективно испарять мишени из высокопрозрачных оксидов с коэффициентом преломления более 1,7 – 1,75. Найден импульсно-периодический режим получения нанопорошка Nd:Y2O3 волоконным лазером, при котором удалось снизить разбрызгивание капель и увеличить его массовый выход до ≈ 30 масс. %. Однако из-за двукратного снижения средней мощности излучения волоконного лазера при работе в таком режиме производительность получения нанопорошка оказалась только 15 г/ч, что меньше, чем в случае использования CO2 лазера.

Ключевые слова: лазерная абляция, газофазный метод, синтез наночастиц, CO2 лазер, волоконный иттербиевый лазер.

DOI: 10.30791/0015-3214-2021-5-5-21

А. В. Люшинский, В. Н. Петровский, В. Н. Ёлкин

Влияние предварительной лазерной обработки поверхностей образцов стали 12Х18Н10Т

на их диффузионную сварку.....................................................................................................................................................22

Рассмотрены особенности влияния режимов лазерной обработки поверхностей образцов из нержавеющей стали 12Х18Н10Т на формирование соединений диффузионной сваркой. Плотность энергии лазерного излучения составляла 2,1; 3,2 и 4,3 Дж/см², диаметр пятна 220 мкм. Сканирование луча осуществляли как в одном направлении, так и в двух взаимно перпендикулярных направлениях. В результате лазерной обработки на различных режимах на поверхности образцов образуются микронеровности различной высоты. Как показали исследования, величина этих микронеровностей является основным фактором, влияющим на прочность сварных соединений, что хорошо согласуется с данными ранее проведенных экспериментов. Предварительная лазерная обработка свариваемых поверхностей перед диффузионной сваркой приводит к возможности снижения температуры процесса диффузионного соединения.

Ключевые слова: диффузионная сварка, лазерная обработка, нержавеющая сталь, свариваемая поверхность, механическая прочность.

DOI: 10.30791/0015-3214-2021-5-22-29

Плазмохимические способы получения и обработки материалов

А. А. Николаев, А. В. Николаев, Д. Е. Кирпичёв

Исследование сепарации оксидов титана и кремния при плазменно-дуговом плавлении

кварц-лейкоксенового концентрата....................................................................................................................................... 30

Исследовано разделение оксидов титана и кремния при плазменно-дуговом плавлении кварц-лейкоксенового концентрата Ярегского месторождения. Плавление осуществляли в лабораторной печи в графитовом тигле при мощности дуги 16 – 40 кВт. В процессе плавления происходило разделение расплава на два слоя: верхний слой состоял в основном из SiO2, нижний — из оксидов титана. Исследовали микроструктуру полученного слитка. В расплаве SiO2 образовывались твердые фрагменты оксидов титана размером около 100 мкм, которые оседали на дно тигля. Фрагменты включали TiO2, Ti8O15, Ti6O11, Fe3TiO3O10, Ti3O5. Скорость осаждения фрагментов и удельный расход энергии на сепарацию оксидов титана при плавке кварц-лейкоксена в лабораторной плазменной печи составляли соответственно V ≈ 10^–4 м/с и W ≈ 100 ГДж/т. Рассмотрена возможность промышленного масштабирования процесса в предположении гравитационной природы сепарации. Расчётные удельные энергозатраты при вместимости печи 20 т составляют примерно 5 ГДж/т концентрата.

Ключевые слова: плазма, дуга, расплав, кварц-лейкоксен, оксид, фаза, сепарация

DOI: 10.30791/0015-3214-2021-5-30-36

Композиционные материалы

Н. М. Русин, А. Л. Скоренцев

Влияние кремния на свойства спечённых сплавов системы (Al – Si) – Sn..........................................................................37

Исследованы особенности структуры, механические и трибологические свойства при сухом трении композитов системы (Al – хSi) – 40Sn, полученных жидкофазным спеканием смесей оловянного порошка марки ПО 2 с порошками сплавов Al – Si доэвтектического, эвтектического и заэвтектического состава. Установлено, что основными элементами структуры спечённых композитов являются зёрна Al матрицы с прослойками олова на границах. Их размеры и степень связанности определяются характером взаимодействия твёрдых частиц силумина и жидкого олова, которое не только растекается по объёму спекаемой прессовки, но и активирует процессы перекристаллизации алюминиевых порошков за счёт растворения их атомов в жидкой фазе с последующим осаждением на поверхности крупных частиц. Растворение ослабляет каркас из алюминиевых порошков, и они становятся способными под действием капиллярных сил перегруппировываться в более плотную конфигурацию. Установлено, что часть пор при этом оставалась, и их объёмная доля была тем выше, чем выше была концентрация кремния в порошках силумина. Поэтому для повышения механических свойств спечённые композиты следует подвергать доуплотнению с целью устранения их остаточной пористости, что одновременно, как было обнаружено, приводит к существенному повышению их износостойкости при сухом трении. Анализ особенностей структуры композитов (Al – хSi) – 40Sn под поверхностью трения показал, что если расположенные в оловянных прослойках частицы кремния способны затруднить инициированный силами трения относительный сдвиг соседних зёрен матрицы, то это приводит к увеличению толщины вовлечённого в деформацию поверхностного слоя и, таким образом, способствует повышению износостойкости исследуемых композитов при сухом трении. Наилучшую износостойкость демонстрировал образец с эвтектической матрицей (Al – 12Si) – 40Sn.

Ключевые слова: гибридные композиционные материалы, жидкофазное спекание, прочность и пластичность, износостойкость, сухое трение, горячее прессование.

DOI: 10.30791/0015-3214-2021-5-37-48

Новые методы обработки и получения материалов с заданными свойствами

В. Т. Бурцев, Е. Б. Чабина

Взаимодействие бора и гафния с кислородом в никелевом расплаве при РAr = 0,1 МПа

и анализ неметаллических включений.....................................................................................................................................49

Раскисление сложнолегированных сплавов на основе никеля при плавке в вакууме реализуют в присутствии алюминия сильными раскислителями — бором и гафнием, что требует дополнительных знаний об активности растворенного кислорода. Для этого ее исследовали в модельных расплавах Ni – O – (B/Hf, 0,001 – 0,1 масс. % каждого) и Ni – O – Al (5 %) – (B/Hf, 0,001 – 0,1 масс. %) при 1560 °С и РAr = 0,1 МПа методом мгновенного фиксирования ЭДС с использованием сертифицированных датчиков. Показали, что а[O] при введении В в расплав без алюминия в 1,3 раза меньше, чем при введении Hf, а для расплавов с алюминием а[O] уменьшилась в 1,6 раза по сравнению с Hf. Исследование морфологии и состава НВ металла систем Ni – O – (B/Hf) показало, что включения расположены по границам зерен, имеют различные сложные конфигурации и размеры от 2 до 100 мкм. Они состоят из фаз, содержащих Ni, Fe, Zr, S, O, а также Hf, Pb, Bi, Si, Mg при раскислении гафнием и повышенное содержание Zr при раскислении В.

Ключевые слова: расплавы никель-кислород, бор, гафний, метод ЭДС, раскисление, морфология, состав неметаллических включений.

DOI: 10.30791/0015-3214-2021-5-49-59

В. Н. Василец, А. П. Панкина, Е. А. Немец, В. Ю. Белов, В. И. Севастьянов

Структурные и морфологические изменения композиций поли(оксибирутирата-ко-оксивалерата)

с поликапролактоном при ускоренной окислительной деградации..................................................................................... 60

Структурные и морфологические изменения в процессе ускоренной окислительной деградации в реактиве Фентона пленочных образцов из поли(оксибирутирата-ко-оксивалерата) (П(ОБ-ОВ)) и поли ε-капролактона (ПКЛ) исследованы методами ИК-спектроскопии, ДСК и сканирующей электронной микроскопии. Показано, что в исходной смеси наблюдается фазовое разделение компонент П(ОБ-ОВ) и ПКЛ. Плавление различных фаз П(ОБ-ОВ) наблюдается при температурах 147 °С и 157 °С, а ПКЛ плавится при температуре 61 °С. Степень кристалличности П(ОБ-ОВ) и ПКЛ в смеси составляет 67 % и 50 % соответственно. Установлено, что при инкубации образцов композита в растворе Фентона от 2 до 12 недель преобладает деградация П(ОБ-ОВ). Путём изменения соотношения компонентов можно существенным образом изменять скорость окислительной деградации, молекулярный вес и степень кристалличности полимерного композиционного материала П(ОБ-ОВ):ПКЛ.

Ключевые слова: поли(оксибутирата-ко-оксивалерат), поли ε-капролактон, реактив Фентона, окислительная деградация, Фурье ИК-спектроскопия, дифференциальнаясканирующая калориметрия, сканирующая электронная микроскопия.

DOI: 10.30791/0015-3214-2021-5-60-69

Т. К. Нурубейли

Особенности анализа вод, почв и донных отложений в масс-спектрометрии

с индуктивно-связанной плазмой............................................................................................................................................ 70

Обсуждены возможности и ограничения метода масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (МС-ИСП) на примере элементного анализа природных и питьевых вод, почв и донных отложений. Показано, что использование метода МС-ИСП в анализе различных объектов позволяет проводить определение большинства элементов с чрезвычайно низкими пределами обнаружения. Выявлено, что причиной проявления матричных эффектов является положительный объёмный заряд, образующийся между интерфейсом и экстрактором, состав которого определяется составом однозарядных ионов аргона. Увеличение концентраций ионов в этой области служит появлению матричного элемента, что способствует рассеянию ионов из области между интерфейсом и экстрактором. Установлено, что чем тяжелее ионы матричного элемента, тем в большей степени увеличивается плотность объемного заряда и происходит рассеяние. Серьезное ограничение метода связано с интерференциями, обусловленными присутствием в плазме некоторого количества двух и более зарядных ионов. Эти ионы, имеющие примерно такую же массу, что изотопы определяемого элемента, образуются в результате различных плазмохимических реакций и мешают его определению.

Ключевые слова: масс спектрометрия с индуктивно связанной плазмой, спектральные и неспектральные матричные эффекты, рекомбинация ионов, концентрация электронов.

DOI: 10.30791/0015-3214-2021-5-70-78