CC BY
87
УДК 621.762.4 ББК К 390.4
В. А. Зеленский, А. Б. Анкудинов, М. И. Алымов
г. Москва, Россия С. Ф. Забелин
г. Чита, Россия
Возможности метода акустической эмиссии применительно к спеканию
порошковых материалов1
Показано, что метод акустической эмиссии применим для установления корреляции между физико-химическими процессами и излучением акустических волн при спекании порошковых материалов. Выявлено, что замена грубого порошка меди на нанопорошок усиливает акустическую эмиссию при спекании прессовок состава W+20 % Cu. На бинарных порошковых системах с тугоплавкой основой акустическая эмиссия после кристаллизации легкоплавкой составляющей объясняется релаксацией внутренних механических напряжений, которые появляются в материале при охлаждении.
Ключевые слова: порошковые материалы, акустическая эмиссия, спекание, физикохимические процессы.
V. A. Zelensky, A. B. Ankudinov, M. I. Alymov
Moscow, Russia S. F. Zabelin
Chita, Russia
Application of Acoustic Emission Method to Powder Materials Sintering
It is shown that the acoustic emission method is ap-plicable for a correlation establishment between physical-chemical processes and radiation of acoustic waves at sintering of powder materials. It has been revealed that the replacement of a rough powder of copper on nanopowder increases acoustic emission at sintering of pressings of structure W+20 % Cu. Acoustic emission after crystallization of a fusible component of binary powder systems has been explained by relaxation of the internal mechanical stresses, which appear in the material at cooling.
Keywords: powder materials, acoustic emission, sintering, physical and chemical processes.
1. Введение
Акустико-эмиссионный метод является эффективным инструментом изучения физикохимических процессов, протекающих в материалах в результате воздействия на материал различного рода внешних факторов. Акустическая эмиссия (АЭ) заключается в генерации акустических сигналов в твердых телах в результате локальной перестройки их структуры. Метод основан на анализе параметров этих сигналов. Форма акустических импульсов, возникающих в результате перестройки структуры, зависит от природы процесса и материала.
Достаточно хорошо изучен этот метод в приложении к процессам пластической деформации, когда АЭ проявляется в виде отдельных акустических импульсов, связанных с появлением, движением и исчезновением дефектов кристаллической решетки [3, 4]. При фазовых превращениях в твердом теле АЭ также проявляется в виде дискретных акустических импульсов [1, 10]. С помощью деформационных сигналов достаточно надежно обнаруживаются фазовые превращения в материалах [11]. Регистрация деформационных сигналов является одним из методов исследования
1Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 09-08-00175)
194
© Зеленский В. А., Анкундинов А. Б., Алымов М. И., Забелин С. Ф., 2011
процессов образования и развития микротрещин. Эффект акустической эмиссии широко используется на практике в информационно-измерительных системах раннего распознавания трещин при механических испытаниях материалов, для выявления скрытых дефектов на стадии их зарождения, для исследования коррозии металлов под напряжением, для локации дефектов и изучения кинетики развития трещин в сварных швах. По параметрам эмиссии судят о процессах в кристаллических телах при их нагревании и охлаждении [11], например, регистрируют в металлических материалах фазовые превращения мартенситного типа.
Однако эти методы пока не нашли должного применения при исследовании порошковых материалов в процессе их производства и эксплуатации при различных технологических условиях. Необходимо установить корреляцию между процессами спекания, в результате которых происходит излучение упругих импульсов, и наиболее информативными параметрами АЭ. Целью данной работы являлось подтверждение возможности применения метода акустической эмиссии для выявления характера и кинетики физико-химических процессов, протекающих при спекании порошковых материалов.
Были проведены исследования по оценке параметров акустической эмиссии в процессе спекания компактов из механической смеси порошка вольфрама и 20 мас. % порошка меди. Использовали порошки меди разных гранулометрических составов, что позволило исследовать влияние дисперсности порошков на параметры АЭ в процессе жидкофазного спекания.
2. Установка для проведения акустико-эмиссионных экспериментов при спекании
порошковых материалов
Блок-схема установки для регистрации акустической эмиссии в процессе спекания порошковых материалов показана на рис. 1. Образец (4) с установленными волноводом АЭ (6) и термопарой (5) (волновод и термопара впрессовываются в предварительно просверленные отверстия в образце) помещается в кварцевую вакуумную камеру (3). Камера откачивается форвакуумным насосом (11). Нагрев образца осуществляется с помощью электрической печи (2). Электрическая мощность и скорость нагрева образца регулируется источником питания (1). Температура образца регистрируется прибором КСП-4. К верхней части волновода (вне вакуумной камеры) крепится преобразователь АЭ (8). Акустический контакт с волноводом обеспечивается силиконовой смазкой. Преобразователь АЭ подключается к предварительному усилителю (9), расположенному в непосредственной близости к вакуумной камере. Предварительный усилитель подключается к измерительной системе СДС1008 (10) с помощью ВЧ кабеля. Акустико-эмиссионные сигналы (высокочастотные упругие колебания частотой 50-1000 кГц), возникающие в образце, посредством волновода (6) передаются в преобразователь (8), где упругие колебания преобразуются в электрические сигналы, которые усиливаются предварительным усилителем (9) и по ВЧ кабелю поступают в измерительный блок акустико-эмиссионой системы СДС1008 (10).
Система СДС1008 - это аппаратно-программный комплекс для регистрации, обработки, измерения и анализа параметров АЭ сигналов при проведении научных исследований, а также технической диагностики промышленных объектов акустико-эмиссионным методом неразрушающего контроля [2, 5]. Она включает в себя системный блок и персональный компьютер (РС) с программным обеспечением «Maestro», посредством которого осуществляется управление системой, а также регистрация, обработка, анализ и графическое отображение всей поступающей информации об испытуемом объекте. Программное обеспечение системы СДС1008 позволяет отображать комплекс параметров АЭ испытаний в реальном времени, а также обеспечивает широкие возможности для последующей обработки полученной информации в режиме «постанализа». В работе применялись широкополосные преобразователи акустической эмиссии (ПАЭ) GT300 с полосой регистрации 501000 кГц (рис. 2)
3. Результаты и обсуждение
Для исследования влияния дисперсности порошков на параметры АЭ в процессе жидкофазного спекания была выбрана бинарная порошковая система, состоящая из 80 мас. % порошка W с размером частиц менее 5 мкм и 20 мас. % порошков Cu различных гранулометрических составов. Были изготовлены смеси с грубым порошком меди марки ПМС-1 менее 40 мкм и с нанопорошком меди со средним размером кристаллитов 100 нм. Нанопорошок меди, использованный в этой работе,
Рис. 1.
Рис. 2.
получали двухстадийным химико-металлургическим методом [7]. Первая (химическая) стадия заключается в получении прекурсора (гидроксида или оксида металла), вторая (металлургическая) -в термообработке прекурсора в восстановительной среде для получения металлического нанопорошка.
На первой стадии происходит синтез гидроксида меди методом гетерофазного взаимодействия, в качестве исходной твердой соли использовали гидрат сульфата меди (II) СпБО4 • 5Н2О (медный купорос) марки х. ч., который обрабатывали раствором гидроокиси натрия МаОИ марки о. с. ч. Гидроксиды, синтезированные методом гетерофазного взаимодействия, содержат меньше примесей, чем полученные осаждением из растворов. Синтезированный таким образом гидроксид меди сушили на воздухе при комнатной температуре в течение трех недель и после просушки получали порошок оксида меди с удельной поверхностью 81,0 ± 0,15 м2/г, что соответствует расчетному среднему размеру частиц 12 нм [7].
На второй стадии процесса проводилось восстановление порошка оксида меди в трубчатой печи в потоке водорода 90 л/ч при температуре 190 °С [6]. Размер частиц порошка, рассчитанный по удельной поверхности, составляет примерно 0,4 мкм. Средний диаметр кристаллитов нанопорошка меди, рассчитанный по результатам рентгеноструктурного анализа по уширению кривых распределения интенсивности по формуле Селякова-Шерера [2], оказался равным 100 нм, то есть в четыре раза меньше исходного. Таким образом, частицы медного порошка представляют собой агломераты более мелких наночастиц. Порошковые шихты для прессования получали путем механического смешения в течение 8 часов медных порошков с вольфрамовым. В дальнейшем шихты подвергались
одноосному прессованию в стальной пресс-форме при давлении 150 МПа, в результате были получены цилиндрические прессовки диаметром 12,1 и высотой около 15 мм с относительной плотностью близкой к 60 %. По оси цилиндрических образцов просверливалось сквозное отверстие диаметром 2 мм, в которое с натягом вставлялся изготовленный из нержавеющего прутка волновод, по которому акустические сигналы передавались для обработки. В процессе спекания производилась непрерывная запись температуры. Временные интервалы, когда температура образцов оставалась неизменной, идентифицировались как периоды плавления и кристаллизации. Соответствующие интервалы отмечены на диаграммах изменения параметров АЭ в процессе спекания.
Результаты исследований акустической эмиссии при спекании системы W+20 % нанопорошка Си в вакууме представлены на рис. 3. При низкой температуре акустическая эмиссия не наблюдалась. Её активизация (рис. 3а) проявляется во время плавления легкоплавкой составляющей порошкового образца при 1083°С. Первые импульсы с амплитудой сигналов до 0,24 мВ (47 дБ) появляются при температуре несколько ниже температуры плавления меди (рис. 3б), а повышение активности АЭ происходит в основном на начальном участке периода плавления, при этом в спектральном составе сигналов преобладают компоненты в диапазоне 100-400 кГц, однако заметен также вклад высокочастотных (400-900 кГц) составляющих (рис. 3в). В процессе повышения температуры образца до максимального значения (1144°С) фиксируются одиночные акустические импульсы, амплитуда и энергия которых монотонно снижаются (рис. 3б).
Рис. За.
Рис. Зб.
Начало процесса охлаждения сопровождалось повышением активности АЭ, при этом регистрировались импульсы амплитудой до 0,24 мВ. В процессе кристаллизации образца зарегистрирован импульс АЭ незначительной амплитуды (0,16 мВ) и энергии, в спектре которого также преобладали сигналы в частотном диапазоне 100-400 кГц, однако вклад высокочастотных составляющих (>400 кГц) был меньше, чем на участке плавления. Сразу после завершения процесса кристаллизации регистрируется существенное повышение активности АЭ. По мере понижения температуры амплитуда и энергия акустических сигналов повышается, достигая максимума, после чего быстро снижается практически до нуля. Частотный спектр сигналов АЭ на стадии охлаждения образца полностью идентичен спектру на стадии плавления. На рис. 3г, 3д представлены соответственно амплитудный и энергетический спектры (относительно пороговых уровней) всех сигналов АЭ в процессе спекания. Как видно, энергия сигналов невелика, хотя и достаточна для регистрации.
Рис. Зв.
Однако, при этом требуется применение более чувствительной аппаратуры, чем при исследовании процессов пластической деформации литых кристаллических материалов, когда сопровождающие эту деформацию звуковые импульсы можно иногда фиксировать даже без применения технических средств.
Рис. Зг.
Рис. Зд.
Результаты исследований акустической эмиссии при спекании в вакууме системы W+20 % Си, в составе которой применялся грубый порошок меди, представлены на рис. 4. По сравнению с составом, где применялся нанопорошок меди, в данном случае процесс характеризуется низким уровнем акустической эмиссии. В процессе спекания образца W+20 % Си зарегистрировано всего лишь 5 акустико-эмиссионых событий, амплитуда и энергия которых незначительно превышает уровень шумов, что не позволяет контролировать кинетику процесса и затрудняет выявление корреляции АЭ со стадиями спекания образца. Столь сильное отличие АЭ образцов с медью различных гранулометрических составов, по-видимому, связано с развитой поверхностью нанопорошка, что оказывает значительное воздействие на термодинамические условия сплавообразования. Имеются
убедительные доказательства существенного влияния дисперсности вещества на характер протекания физических и химических процессов [8]: наноматериалы отличаются исключительно высокой диффузионной подвижностью атомов, превосходящей диффузию в обычных кристаллических материалах на пять-шесть порядков [9].
-16
12- 10- 8- -12
кристалли зация
плавление
2- | I
І I і
100 200 Время (с) 300 400
Рис. 4.
В заключение следует отметить, что излучение акустической энергии в процессе жидкофазного спекания прессовок, изготовленных из бинарных порошковых систем с тугоплавкой основой (независимо от конкретного состава шихт) в большинстве случаев синхронизировано с переходом легкоплавкой составляющей прессовки в жидкое состояние. Вероятно, импульсы АЭ возникают при сдвигах относительно друг друга тугоплавких частиц в процессе активизирующейся при предпла-вильных температурах ползучести легкоплавкой составляющей и при пропитке тугоплавкой матрицы уже расплавившимся жидким металлом, который, проникая во все поры, вызывает акустические колебания.
При спекании порошковых материалов часто наблюдается эмиссия после кристаллизации металла. Последнее объясняется релаксацией возникающих механических напряжений, возникающих в неоднородном материале (система состоит как минимум из двух фаз с различными коэффициентами теплового расширения) посредством пластической деформации в процессе охлаждения [5]. В свою очередь хорошо известно, что пластическая деформация всегда сопровождается интенсивной акустической эмиссией. При низкой температуре, когда процессы перестройки структуры затруднены, АЭ не наблюдается как при нагреве, так и при охлаждении.
4. Выводы
Показано, что метод акустической эмиссии применим для установления корреляции между физико-химическими процессами и излучением акустических волн при спекании порошковых материалов. Выявлено, что порошковые материалы при спекании обладают гораздо меньшей энергетической насыщенностью акустических сигналов в сравнении с АЭ при пластическом деформировании литых кристаллических материалов при силовом воздействии.
Жидкофазное спекание прессовок W+20 % Си, в составе которых применялся грубый порошок меди, характеризуется низким уровнем акустической эмиссии по сравнению с системой W+20 % нанопорошка Си. На последней акустическая эмиссия синхронизирована с преобразованиями структуры, связанной с плавлением и кристаллизацией легкоплавкой составляющей.
На бинарных порошковых системах с тугоплавкой основой акустическая эмиссия на заключительном этапе жидкофазного спекания после кристаллизации легкоплавкой составляющей объясняется релаксацией внутренних механических напряжений, возникающих в неоднородном материале при охлаждении посредством пластической деформации.
Список литературы
1. Андреев В. Н., Пикулин В. А., Фролов Д. И. Акустическая эмиссия при фазовом переходе в монокристаллах полутораокиси ванадия // Физика твердого тела, 2000. Т. 42. Вып. 2.
С. 322-325.
2. Горелик С. С., Скаков Ю. А., Расторгуев Л. Н. Рентгенографический и электронномикроскопический анализ. М.: МИСиС, 1994. 328 с.
3. Грешников В. Л., Дробот Ю. Б. Акустическая эмиссия. Применение для испытаний материалов и изделий. М.: Изд-во стандартов, 1976. 272 с.
4. Гусев О. В. Акустическая эмиссия при деформировании монокристаллов тугоплавких металлов. М.: Наука, 1982. 108 с.
5. Забелин С. Ф., Васильев А. А., Феофанов А. А., Дорожков А. А. Анализ нанокристаллизации и формирования нанофазных систем в поверхностном слое металлов и сплавов // Технология машиностроения, 2010. № 11. С. 5-12.
6. Зеленский В. А., Алымов М. И., Анкудинов А. Б., Трегубова И. В. Низкотемпературное водородное восстановление медных порошков // Перспективные материалы, 2009. №6. С. 83-87.
7. Леонтьева О. Н., Алымов М. И., Теплов О. А. Гетерофазный синтез железомедных порошков // ФХОМ, 1996. № 5. С. 105-109.
8. Лякишев Н. П., Алымов М. И. Получение и физико-механические свойства объемных нанокристаллических материалов. М.: ЭЛИЗ, 2007. 148 с.
9. Лякишев Н. П., Калин Б. А., Алымов М. И. Физическое материаловедение. Модуль 3. Аморфные и нанокристаллические сплавы. Стабилизация структурно-фазового состояния. М.: МИФИ, 2006. 244 с.
10. Писаренко В. М., Брюханда Е. П., Костржицкий О.К. Контроль процессов плавления и кристаллизации алюминиевых сплавов методом акустико-термического анализа // Труды первой международной конференции «Конструкционные и функциональные материалы». Львов. Украина, 1993. С. 236-237.
11. Семашко Н. А., Шпорт В. И., Марьин Б. Н., Пекарш А. И., Муравьев В. И., Евстигнеев А. И. Акустическая эмиссия в экспериментальном материаловедении. М.: Машиностроение, 2002. 240 с.
Рукопись поступила в редакцию 20 мая 2011 г.
