CC BY
14УДК: 537.525.5
СТРУКТУРО- И ФАЗООБРАЗОВАНИЕ ПЛАЗМЕННО НАПЫЛЕННЫХ КВАЗИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ
10 10 0 'З 1 1
А. В. Ушаков ' , И. В. Карпов ' , А. А. Лепешев ' , Е. А. Дорожкина , О. Н. Карпова
1Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
2Сибирский федеральный университет Российская Федерация, 660041, г. Красноярск, просп. Свободный, 79 3Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук Российская Федерация, 660036, г. Красноярск, Академгородок, 50 *E-mail: sfu-unesco@mail.ru
Приведены результаты исследования квазикристаллических покрытий - перспективных материалов для применения в авиакосмической отрасли, полученных при различных тепловых режимах напыления. Показано, что покрытия Al63Cu25Fe12 представляют комплексные многофазные образования с неоднородностями, проявляющиеся как на микронном, так и на наноуровнях структурной иерархии.
Ключевые слова: квазикристаллы, плазменное напыление, покрытия, рентгенография, электронная микроскопия.
THE STRUCTURAL AND PHASE FORMATION OF PLASMA-SPRAYED QUASICRYSTALLINE COATINGS
A. V. Ushakov1,2, I. V. Karpov1,2, A. A. Lepeshev2,3, E. A. Dorozhkina1, O. N. Karpova1
1Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation 2Siberian Federal University 79, Svobodnyi Av., Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation 3Krasnoyarsk Scientific Center, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences 50, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation *E-mail: sfu-unesco@mail.ru
The work represents the results of studying quasi-crystalline coatings as promising materials for the aerospace industry applications, produced by means of different thermal sputtering conditions. It shows that the coatings of Al63Cu25Fel2 are complex multiphase products with inhomogeneous structure, manifested both on the micro- and nano-scale structural hierarchy levels.
Keywords: quasicrystals, plasma spraying, coatings, X-ray, electron microscopy.
Сплавы системы А1-Си^е с квазикристаллической структурой отличаются высокими значениями твердости (7-10 GPa) и модуля упругости (120-200 GPa), относительно низкими коэффициентом трения (по алмазу 0,07-0,10; по стали 0,19-0,22) и поверхностной энергией (28-30 mJ/m2), высокой коррозионной стойкостью и др. [1]. Это позволяет рассматривать их в качестве нового класса материалов, перспективных для использования в виде функциональных покрытий в космическом машино- и ракетостроении.
В данной работе приведены результаты исследования квазикристаллических покрытий, полученных при различных тепловых режимах напыления. Исходные для напыления квазикристаллические порошки были получены в плазме дугового разряда низкого давления [2-5]. Напыление покрытий проводилось на медные кольца качающимся плазмотроном.
Фрагменты рентгенограмм квазикристаллических покрытий, полученных при различных тепловых режимах напыления, представлены на рис. 1.
Видно, что основные пики интенсивности лежат в диапазоне углов 42-46 deg, а структура покрытий гетерогенна и состоит из смеси двух фаз: икосаэдри-ческой Т и кубической р.
Влияние температуры подложки на соотношение фаз (Т и Р) в напыленных квазикристаллических покрытиях очевидно, и на рентгенограммах проявляется в различных интенсивностях дифракционных пиков.
Для определения процентного содержания икоса-эдрической фазы в исследуемых образцах была использована методика, установленная в работе [6]. На основании расчетных данных построен график зависимости процентного содержания икосаэдрической фазы в покрытиях от температурных режимов напыления (рис. 1). Видно, что начиная с температуры подложки Т ~ 400 °С доля икосаэдрической фазы в покрытиях увеличивается, достигая максимума вблизи Т ~ 650 °С, после чего уменьшается до 47 % при Т ~ 900 °С.
Фешетневс—ие чтения. 2016
Рис. 1. Рентгенограммы квазикристаллических покрытий при различных температурах подложки (слева): а - Т = 500 °С; Ь - Т = 650 °С; с - Т = 830 °С. Зависимость количественного содержания ¥-фазы в покрытии
от температуры подложки (справа)
ТМ3000 3830 2016-03-01
Рис. 2. Морфологическая картина напыленных квазикристаллических сплавов Al-Cu-Fe
В связи с этим оптимальной для получения покрытий с максимальным содержанием квазикристаллической фазы (до 80 %) представляется температурная область 600-700 °С.
Морфологическая картина напыленных квазикристаллических сплавов Al-Cu-Fe весьма разнообразна и во многом определяется условиями напыления, наличием и соотношением сформированных фаз. Характерные для плазменно-напыленных покрытий неоднородности: слои, поры, межчастичные границы и пр. дополняются областями фазового расслоения сплава Al63Cu25Fei2 (рис. 2).
Формирование таких многофазных областей происходит уже на стадии получения исходных порошков и проявляется в виде выступов квазикристаллической фазы пластинчатой конфигурации на поверхности частиц. Подобная картина в случае фазового расслоения наблюдается и в напыленных квазикристаллических покрытиях сплава Al-Cu-Fe.
Библиографические ссылки
1. Sordelet D. J., Dubois J. M. Quasicrystals Perspectives and Potential Applications // MRS Bulletin. 1997. Vol. 22, № 11. P. 34-39.
2. Метод получения нанодисперсных материалов в плазме импульсного дугового разряда низкого давления
/ И. В. Карпов, А. В. Ушаков, Л. Ю. Федоров и др. // Журнал технической физики. 2014. № 84 (4). С. 93-97.
3. Физико-механические и трибологические свойства квазикристаллических покрытий Al-Cu-Fe, полученных плазменным напылением / A. A. Лепешев, E. A. Рожкова, И. В. Карпов и др. // Физика твердого тела. 2013. № 55 (12). С. 2406-2411.
4. Модификация фазового состава и структуры квазикристаллического сплава Al-Cu-Fe при плазменном напылении / A. A. Лепешев, O. A. Баюков, E. A. Рожкова и др. // Физика твердого тела. 2015. № 57 (2). С. 243-247.
5. Lepeshev A. A., Karpov I. V., Ushakov A. V., Fedorov L. Yu., Shaikhadinov A. A. Synthesis of Nanosized Titanium Oxide and Nitride Through Vacuum Arc Plasma Expansion Technique // International Journal of Nanoscience. 2016. Vol. 15, № 1-2. P. 1550027.
6. Ebalard S., Spaepen F. Approximants to the icosahedral and decagonal phases in the Al-Cu-Cr system // Journal of Materials Research, 1991. Vol. 6. P. 1641-1649.
References
1. Sordelet D. J., Dubois J. M. Quasicrystals Perspectives and Potential Applications. MRS Bulletin. 1997. Vol. 22, № 11. P. 34-39.
2. Karpov I. V., Ushakov A. V., Fedorov L. Yu., Lepeshev A. A. Method for Producing Nanomaterials in the Plasma of a Low Pressure Pulsed Arc Discharge // Technical Physics. 2014. Vol. 84, № 4. P. 559-563.
3. Lepeshev A. A., Rozhkova E. A., Karpov I. V., Ushakov A. V., Fedorov L. Yu. Physical, Mechanical, and Tribological Properties of Quasicrystalline Al-Cu-Fe Coatings Prepared by Plasma Spraying // Physics of the Solid State, 2013. Vol. 55, № 12. P. 2531-2536.
4. Lepeshev A. A., Bayukov O. A., Rozhkova E. A., Karpov I. V., Ushakov A. V., Fedorov L. Yu. Modification of the Phase State and Structure of the Al-Cu-Fe Quasi-Crystalline Alloy during Plasma Deposition
// Physics of the Solid State. 2015. Vol. 57, № 2. P. 255-259.
5. Lepeshev A. A., Karpov I. V., Ushakov A. V., Fedorov L. Yu., Shaikhadinov A. A. Synthesis of Nanosized Titanium Oxide and Nitride Through Vacuum Arc Plasma Expansion Technique // International Journal of Nanoscience. 2016. Vol. 15, № 1-2. P. 1550027.
6. Ebalard S., Spaepen F. Approximants to the icosahedral and decagonal phases in the Al-Cu-Cr system // Journal of Materials Research. 1991. Vol. 6. P. 1641-1649.
© Ушаков А. В., Карпов И. В., Лепешев А. А., Дорожкина Е. А., Карпова О. Н., 2016
УДК 539.21(06)
КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ СВЕРХВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНОГО ПОЛИЭТИЛЕНА И НАНОЧАСТИЦ CuO*
Л. Ю. Федоров1*, А. В. Ушаков1,2, И. В. Карпов1,2, А. А. Лепешев2,3
1 Сибирский федеральный университет Российская Федерация, 660041, г. Красноярск, просп. Свободный, 79 2Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 3Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук Российская Федерация, 660036, г. Красноярск, Академгородок, 50 *E-mail: 1401-87@mail.ru
Рассматриваются результаты электронно-микроскопических исследований материала, полученного при модифицировании сверхвысокомолекулярного полиэтилена наночастицами CuO в плазмохимическом реакторе низкого давления. Описаны предпосылки его применения в узлах КА.
Ключевые слова: плазмохимическиереакции, нанонаполнитель, оксид меди, СВМПЭ.
COMPOSITE MATERIAL BASED ON UHMW-POLYETHYLENE AND NANOPARTICLES CuO
L. Yu. Fedorov1*, A. V. Ushakov1,2, I. V. Karpov1,2, A. A. Lepeshev2,3
1Siberian Federal University 79, Svobodnyi Av., Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation
2Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation
3Krasnoyarsk Scientific Center, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences 50, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation *E-mail: 1401-87@mail.ru
The work represents the results of electron-microscopic studies of the material, produced by means of modifying ultrahigh molecular weight polyethylene with CuO nanoparticles in a plasma-chemical reactor of low pressure. It describes the opportunities of its application for spacecraft units.
Keywords: plasma-chemical reactions, nanofillers, copper oxide, UHMWPE.
В широком ряду композиционных материалов [1], применяемых в конструкциях космических аппаратов (КА) в числе прочих, возможно использование композитов на основе полимерных матриц, допированных нанодисперсными частицами. Важным аспектом при создании и использовании таких материалов является
хорошо управляемый и контролируемый процесс формирования композиции.
Необходимо достижение предельного уровня гомогенизации и адгезии матрицы с наполнителем в композите, потенциально реализуемое при in situ модифицировании.
т-
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 16-33-00137 мол_а.
