Научная статья на тему 'Применение мах-фазных материалов для создания покрытий с высокими эксплуатационными свойствами'

Применение мах-фазных материалов для создания покрытий с высокими эксплуатационными свойствами Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

CC BY
408
84
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
СИСТЕМЫ TI-AL-C / TI-AL-N И TI-SI-C / МАХ-ФАЗЫ / ЖАРОСТОЙКОСТЬ / АВИАЦИОННОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ / ТИТАН

Аннотация научной статьи по химическим технологиям, автор научной работы — Исмагилова Л.А.

Рассматриваются свойства, системы МАХ-фаз на примере создания покрытий. Приведен сравнительный анализ физико-механических свойств и связь структура свойства для материалов систем Ti-Al-C, Ti-Al-N и Ti-Si-C.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по химическим технологиям , автор научной работы — Исмагилова Л.А.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Применение мах-фазных материалов для создания покрытий с высокими эксплуатационными свойствами»

МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №12/2017 ISSN 2410-6070

Таблица 4

Технико - экономические показатели

Показатель J&E Hall HSS3221-3Ex2RWB Thermax 2B 3L C

Размер капиталовложений, млн.р. 14,639 25,131

Затраты на электрическую энергию, млн.р./год 6,622 1,159

Приведенная затраты, р./кг пара - 0,54

Приведенная затраты, тыс.р./кВт 6,534 1,084

Очевидно, что затраты на электроэнергию, потребляемую АБХМ, гораздо ниже, чем у чиллера (примерно в 25 раз). Учитывая это, можно сделать вывод о том, что после замены парокомпрессионной установки можно экономить в год 5,463 млн. р.,при этом утилизируя сбросовый пар. Приведенные затраты в количестве 0,54 р./кг пара означают, что при утилизации 1 кг пара приносит экономический эффект равный 0,54 р.

АБХМ имеют также ряд конструктивных преимуществ, не относящихся к области эффективного использования топливно-энергетических ресурсов:

• Экологическая безопасность за счет отказа от использования хладагентов на основе CFC (хлорфторуглерода) и HCFC (гидрохлорфторуглерода).

• Пониженный шум при работе оборудования, отсутствие вибраций.

• Отсутствие высокого давления в системе.

• Отсутствие массивных движущихся частей.

• Высокая надежность установок.

• Низкая стоимость обслуживания [2]. Список использованной литературы:

1. Осколков, С.В. Утилизация пара противодавления турбины в летний период на ЦЭС ОАО «ММК» с использованием адсорбционной холодильной машины / С.В. Осколков, К.В. Устимов // Энергетики и металлурги настоящему и будущему России, 2015. - С. 22-24. [Электронный ресурс]. - URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=25119506 (дата обращения 14.12.2017).

2. Шилкин, Н. В. Абсорбционные холодильные машины // АВОК. - 2008. - №1. - С. 32-54.П

3. Характеристика АБХМ на паре [Электронный ресурс]. - URL: http://abxm-thermax.ru/abxm/abxm-na-pare/ (дата обращения 15.12.2017).

4. Характеристики чиллеров J&E Hall серии HSS3221 [Электронный ресурс]. - URL: http://www.frigodesign.ru/projecting/chillers/HSS/ (дата обращения 15.12.2017).

5. ПОСТАНОВЛ НИЕ от 11 декабря 2015 г. Об установлении тарифов на тепловую энергию (мощность) на коллекторах источника тепловой энергии, поставляемую обществом с ограниченной ответственностью "Башкирская генерирующая компания" потребителям Республики Башкортостан. [Электронный ресурс]. -URL: http://sorvin.ru/=9e1 (дата обращения 15.12.2017).

© Имамова Л. М., Р. М. Саитов, 2017

УДК 621.9, 623.7

Л.А.Исмагилова

Студентка 1 курса магистратуры УГАТУ

г. Уфа, РФ

e-mail: liana.ismagilova 14@gmail. com

ПРИМЕНЕНИЕ МАХ-ФАЗНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ПОКРЫТИЙ С ВЫСОКИМИ

ЭКСПЛУАТАЦИОННЫМИ СВОЙСТВАМИ

Аннотация

Рассматриваются свойства, системы МАХ-фаз на примере создания покрытий. Приведен

_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №12/2017 ISSN 2410-6070_

сравнительный анализ физико-механических свойств и связь структура - свойства для материалов систем Ti-Al-C, Ti-Al-N и Ti-Si-C.

Ключевые слова

Системы Ti-Al-C, Ti-Al-N и Ti-Si-C, МАХ-фазы, жаростойкость, авиационное материаловедение, титан.

Liana Ismagilova

Ufa Sate Aviation Technical University First year of magistracy of specialty CTS of institute ATM e-mail: liana.ismagilova 14@gmail. com

APPLICATION OF MAX-PHASE MATERIALS FOR CREATION OF COATINGS WITH HIGH

PERFORMANCE PROPERTIES

Annotation

Properties and systems of MAX phases are considered on the example of creating coatings. A comparative analysis of physical and mechanical properties and the relationship between structure and properties for materials of Ti-Al-C, Ti-Al-N and Ti-Si-C systems are given.

Keywords

Systems Ti-Al-C, Ti-Al-N and Ti-Si-C, MAX-phases, heat resistance, aviation materials science, advanced materials, titanium, nitrides, carbides.

Ведение

MAX-фазы представляют собой семейство тройных слоистых соединений с формальной стехиометрией Mn+1AXn (n = 1, 2, 3...), где М - переходный d-металл; А - p-элемент (например, Al, Sn, Ge, Si, S, и др.); Х - углерод или азот.

Слоистые тройные карбиды и нитриды d- и p-элементов (MAXфазы) проявляют уникальное сочетание свойств, характерных как для металлов, так и для керамики. Такие материалы обладают высокими значениями тепло- и электропроводности, малой плотностью, пониженным модулем упругости, прочности, превосходной коррозионной стойкостью в агрессивных жидких средах, пониженным модулем упругости, стойкостью к высокотемпературному окислению и термическим ударам, а также легко подвергаются механической обработке, имеют высокую температуру плавления и являются достаточно стабильными при температурах до 1000 °С и выше.

Общая характеристика MAX-ФАЗ

Среди множества МАХ-фаз, синтезированных к настоящему времени, наибольший интерес с позиций уровня их свойств представляют МАХ-фазы на основе титана - Ti3AlC2 Ti2AlN Ti2AlC, и особенно Ti3SiC2. Синтез таких соединений проводится, как правило, методами горячего изостатического прессования (ГИП), спеканием в разряде плазмы (ПИС) и методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС).

Свойства МАХ-ФАЗ

Микроструктура МАХ-материалов, синтезированных методами порошковой металлургии (горячего изостатического прессования, СВС и импульсно-разрядного синтеза), имеет слоистую природу и в зависимости от температуры и времени синтеза может быть тонкодисперсной и крупнокристаллической.

При относительно высоких нагрузках и температурах для образцов с тонкодисперсной микроструктурой увеличивается экспонента напряжений. Последнее предполагает изменение механизма деформации от переползания дислокаций к росту субкритических трещин. Образцы с тонкодисперсной микроструктурой оказались более стойкими к деформации и разрушению, чем образцы с крупнокристаллической структурой. Причиной этого служит более высокая склонность крупных зерен к скалыванию и расщеплению. Микротвердость образцов из Ti3SiC2 существенно ниже микротвердости, измеренной с поверхности кристаллитов карбидов и силицидов.

_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №12/2017 ISSN 2410-6070_

Система TI-AL-N

Покрытия системы Ti-Al-N были предложены для промышленного применения в средине 80-х годов прошлого столетия в качестве альтернативы TiN покрытиям. Основные преимущества Ti-Al-N покрытий по сравнению с TiN: износостойкость, повышенная твердость, стойкость к окислению, стабильность механических свойств при функционировании в условиях повышенных температур.

Основные области применения - это износостойкие защитные покрытия на режущем инструменте для высокоскоростного и сухого резания, диффузионные барьерные покрытия для микроэлектроники и др.

В первых работах исследовались пленки Ti-Al-N, полученные магнетронным распылением, после появились работы по вакуумно-дуговому осаждению.

Изучена возможность получения МАХ-фазы в тройной системе Ti-Al-N в режиме фильтрационного горения. В состав полученного материала, помимо Ti2AlN, входили фазы TiN, AlN и TiAl3, определены оптимальные условия получения МАХ-фазы с максимальным содержанием в конечных продуктах горения. В итоге, наибольшее содержание МАХ-фазы наблюдается в образцах, прошедших предварительную термовакуумную обработку.

Система TI-AL-C

Исследование материалов на основе МАХ-фазы Ti3AlC2, содержащих включения карбида титана, показало, что с увеличением содержания последнего с 2 до 99 мас. % нанотвердость и модуль Юнга увеличивались от (2,0 ± 0,4) до (23,6 ± 1,2) ГПа и от (137 ± 21) до (447 ± 11) ГПа соответственно. Показатель степени в уравнении ползучести для этих образцов находится в пределах от 104 до 140, что свидетельствует о слабой зависимости механических свойств материалов, а следовательно и МАХ-фазы Ti3AlC2, от скорости деформации. Для образцов, которые состоят в основном из МАХ-фазы Ti3AlC2, наблюдается образование широких петель гистерезиса при повторном нагружении/разгрузке индентора. Это указывает на большие потери упругой энергии при циклическом деформировании и, следовательно, на перспективность применения Ti3AlC2 в качестве демпфирующего материала.

В последнее время исследователи заостряют свое внимание на получении многокомпонентных катодов методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Разработана технология получения многокомпонентных СВС-прессованных катодов для вакуумно-дуговых испарителей. Данная технология позволяет в одну стадию получать заготовку для катода, которая в дальнейшем требует только операции шлифования. С помощьюданного технологического процесса были синтезированы катоды с рабочим слоем системы Ti-Al-C следующих расчетных составов: TiC0,5 - 20 % Al, TiC0,5 - 25 % Al, TiC0,5 - 30 % Al. Представляло интерес изучение фазового состава и структуры полученных СВС-катодов системы Ti-Al-C. Рентгенофазовый анализ показал, что во всех катодах системы Ti-Al-C в виде основной фазы присутствует Ti3AlC2. Фаза Ti3AlC2 имеет слоистую структуру, где слои карбида Ti3C2 скреплены между собой моноатомным слоем алюминия (Ti-Al-связи), имеют толщину порядка 1 нм. Такая структура позволяет сочетать в себе одновременно повышенные свойства как твердости, так и пластичности.

Анализируя микроструктуру и фазовый состав рабочих слоев СВС-прессованных катодов можно сделать вывод, что материал катодов является многофазным, все фазы отличаются по температуре плавления.

Система TI-SI-C

Особого внимания заслуживают соединения, образующиеся в системе Ti-Si-С. Это объясняется тем, что в системе Ti-Si-С синтезированы сразу несколько МАХ-фаз с составами Mn+1AXn и Mn+1AmXn. В системе Ti-Si-С кремний и углерод - неметаллы, титан -переходный металлам.

Система Ti-Si включает в себя пять соединений: TiSi2 (TiSi2), TiSi (FeB), Ti3Si4 (Zr5Si4), Ti3Si (Ti3P), Ti5Si3 (Mn5Si3) и TiSi2 (TiSi2).

Соединение Ti3SiC2 обладает высокой тепло- и электропроводностью и одним из самых низких коэффициентов трения среди твердых материалов, исследованных на данный момент. Также было обнаружено, что вещество обладает высокой жесткостью в сочетании с низкой плотностью и очень большой стойкостью к повреждениям. Более того, вещество сохраняет эти свойства при высоких температурах и проявляет высокую стойкость к окислению и тепловому удару. Важная характеристика соединения Ti3SiC2

МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №12/2017 ISSN 2410-6070

- легкость обработки, которая делает возможным изготовление различных сложных элементов.

Ti3SiC2 при комнатной температуре представляет собой прочный керамический материал, поскольку образование микротрещин, расслоение, отклонение трещин, перемещение и поворот отдельных зерен действуют в качестве механизмов поглощения энергии при деформации.

Также, с увеличением температуры и времени термообработки для всех типов образцов наблюдается постепенное увеличение прибавки массы, что свидетельствует о протекании процесса окисления Ti3SiC2. Заключение

Рассмотрение свойств МАХ-фаз показало, что материалы: Ti-Al-C, Ti-Al-N и Ti-Si-C проявляют уникальное сочетание свойств, которые характерны как для металлов, так и для керамики. Данные материалы обладают малой плотностью, высокими значениями электро- и теплопроводности, превосходной коррозионной стойкостью в агрессивных жидких средах, стойкостью к высокотемпературному окислению и термическим ударам, прочности, пониженным модулем упругости, достаточно просто подвергаются механической обработке, имеют высокую температуру плавления и достаточно стабильны при температурах до 1000 °С и выше. Из-за своих уникальных свойств материалы на основе MAX-фаз перспективны для применения в деталях, работающих в экстремальных условиях эксплуатации, например подшипниках, пресс-оснастке, защитных покрытий, электрических контактах, нагревательных элементах, теплообменниках, в качестве высокотемпературной керамики.

Список использованной литературы:

1. Получение Ti3SiC2 / П.В. Истомин, А.В. Надуткин, Ю.И. Рябков, Б.А. Голдин // Неорганические материалы. - 2006. - Т. 42, № 3. - С. 292-297.

2. Сметкин A.A., Каченюк M.H. Механосинтез и характеристики порошковых композиций Ti-Si и Ti-SiC-C // Керамика и композиционные материалы: тез. докл. V Всерос. конф. - Сыктывкар, 2004. - С. 115.

3. Механические свойства материалов на основе МАХ-фаз системы Ti-Al-C / Т.А. Прихна [и др.] // Сверхтвердые материалы. - 2012. - № 2. - С. 47.

4. Dimensional nanocrystals produced by exfoliation of Ti3AlC2 / M. Nagub [et al.] // Advenced materials. - 2011.

- Vol. 23, iss. 37. - P. 4248-4253.

© Исмагилова Л.А., 2017

УДК 621.793.79

А.Р. Курбанаева

студентка, УГАТУ, г. Уфа, РФ aigulufa 1995@yandex.ru А.А. Туркова студентка, УГАТУ, г. Уфа, РФ turkova-anut@yandex.ru

КЕРАМИЧЕСКОЕ ПОКРЫТИЕ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ АВИАЦИОННОЙ ТЕХНИКИ

Аннотация

В данной статье рассмотрены основные пути применения керамических покрытий для авиационной техники.

Ключевые слова

Композиционные материалы, керамика, технологии, авиация.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.