НАНОПОРОШКИ В МИКРО- И МАКРОМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ

Разработан новый технологический способ повышения качества металлов и сплавов с помощью наноразмерных порошковых модификаторов (НМ). Сущность способа заключается в целенапрвленном активном воздействии на жидкие металлы и сплавы в стадии их кристаллизации. Для этого в расплав вводится специальная добавка – активированный нанодисперсный порошок тугоплавких соединений. В результате этого в расплаве формируется гетерогенная система в виде суспензии с частицами размером 0,05 – 0,1 мкм, равномерно распределенных по объему расплава, хорошо им смачиваемые и служащими центрами кристаллизации, в результате чего повышаются дисперсность структуры, прочностные и служебные характеристики металла.

Применение наномодификаторов в микрометаллургических процессах (лазерной сварке сплавов)


Влияние НМ на структуру сварных швов при лазерной сварке металлов. 


Титановый сплав ВТ1-0

el01.jpg  el02.jpg
а                               б

Морфология и структура сварного шва:

 а – без добавления НМ, б – с добавлением НМ

Улучшается качество соединения (морфология и структура шва), существенно возрастают его механические характеристики (прочность на разрыв, предел текучести, относительное удлинение).
el3.jpg el4.jpg el5.jpg

Механические характеристики сварного соединения сплава ВТ1-0 без добавок НМ и с добавками НМ 

el06.jpg
1
el07.jpg
2
Образцы модифицированных сварных соединений сплава ВТ1-0 после испытаний на разрыв.
Разрушение образца происходит по основному металлу.
Сталь 20
el08.jpg  el09.jpg
a                                 б

Микроструктура в сварном шве: а  – без НМ;  б - с TiN

Измельчается структура шва, меняется ее морфология,

повышаются прочностные и пластические свойства шва.
Сталь 12ХН10Т
el10.jpg
а
el11.jpg
б

Фотографии образцов после испытаний на разрыв:

а - с НМ (разрыв по основному металлу),

б – без НМ (разрыв в зоне теплового влияния)

Разнородные металлы. Сварка нержавеющей стали с титаном

el12.jpg
Четырехслойная вставка (сверху вниз: cталь, медь, ниобий,  титан)
el13.jpg
Фотография сварных образцов с композитной вставкой до – и после испытаний на разрыв

Непосредственная сварка нержавеющей стали с титаном невозможна вследствие образования хрупких интерметаллидов. Применение промежуточных вставок из меди или композитного материала, позволяет получить прочное сварное соединение, Так, при использовании промежуточной композитной вставки, полученной сваркой взрывом четырех пластин: cталь – медь –ниобий- титан достигнута прочность соединения близкая к прочностным характеристикам основного металла: σв = 475,5 МПа; στ = 302,0 МПа, δ = 5,4 %.


Применение НМ в макрометаллургических процессах (производство слитков, отливок, заготовок)

Влияние на качество непрерывнолитой заготовки из стали 8ГС2


Структура в осевой области поперечного сечения слитка.
а - без добавления НМ; б - с добавлением НМ

Устранилась грубая дендритная структура феррита, что обусловило повышение механических характеристик литой стали: предела текучести на 10%; прочности на растяжение на 5,5%; относительного удлинения на 14,0%; относительного сужения на 19,8%. Уменьшились химическая неоднородность и пористость слитка


Влияние НМ на свойства никелевых сплавов

el16.jpg 
а            б
Микро- и макроструктура турбинных лопаток, выполненных из жаростойкого сплава ЖС–6У.
а – без добавления НМ; б – с добавлением НМ
el17.jpg 
Макроструктура никелевого сплава. 
1-6- с добавлением НМ; 7 - без добавления НМ

Влияние НМ на свойства медных сплавов


Структура образцов при литье в кокиль:
а - без добавления НМ; б - с добавлением НМ


Фотография наконечника фурмы, с фрагментом сопла.

Существенно изменяется морфология и дисперсность кристаллической структуры: столбчатая (а) кристаллическая структура становится равноосной и мелкодисперсной (б). Соответственно этому повышаются механические и эксплуатационные свойства металла. Применение наномодификаторов в новой технологии получения литых медных наконечников для фурм кислородных конвертеров позволило увеличить их эксплуатационную стойкость в 3 - 4 раза по сравнению с аналогами, полученными методом ковки.


Влияние НМ на свойства чугуна

el20.jpg 
а                       б

Морфология включений графита в отливках

 из серого чугуна: 

а – немодифицированного, 

б – модифицированного НМ TiN+SiC.


Увеличение прочности на 30 %, пластичности в 1,5–2 раза.


Разработка запатентована в России.

Заведующий лабораторией, к.ф.-м.н. Краус Е.И.,  тел.: (383) 330-81-50, e-mail: kraus@itam.nsc.ru