Объемные наноструктурные материалы и методы их получения

Нанотехнологии являются новым весьма эффективным направлением развития конструкционных материалов. Наноструктурные объемные материалы отличаются большой прочностью при статическом и усталостном нагружении, а также твердостью по сравнению с материалами с обычной величиной зерна. Поэтому основное направление их применения настоящее время – это использование в качестве высокопрочных и износостойких материалов.

По геометрическим признакам любые наноструктурные материалы, в том числе и конструкционные, можно классифицировать в соответствие с размерностью характерных для них наноструктурных единиц. При этом наноматериалы обладают размером основных структурных единиц (зерен, кристаллитов, выделений, слоев, включений) менее 100 нм. В случае объемных наноструктурных материалов - это трехмерные зерна и кристаллиты. Наноструктурированные поверхностный слой и слоистая структура характерны для двумерных наноструктур. Волоконная наноструктура одномерна. Нуль-мерные наноструктурные выделения, включения, поры, сегрегации, порошки позиционируются как нуль-мерные наноструктуры.

Объемные нанокристаллические материалы получают, в основном, методами порошковой металлургии. К ним относятся:

1. Метод кристаллизации из аморфного состояния;
2. Метод интенсивной пластической деформации.

В первом методе нанокристаллическая структура создается в аморфном сплаве путем его кристаллизации. Спиннингование, т.е. получение тонких лент аморфных металлических сплавов с помощью быстрого (со скоростью не менее 106 К/с) охлаждения расплава на поверхности вращающегося диска или барабана отработано достаточно хорошо. Далее аморфная лента отжигается при контролируемой температуре для кристаллизации. Для создания нанокристаллической структуры отжиг проводится так, чтобы возникало большое число центров кристаллизации, а скорость роста кристаллов была низкой. Первой стадией кристаллизации может быть выделение мелких кристаллов промежуточных метастабильных фаз. При изучении аморфного сплава на основе Ni было выявлено, что сначала образуются маленькие кристаллы метастабильного сильно пересыщенного твердого раствора фосфора в никеле Ni(P), и только после этого появляются кристаллы фосфидов никеля. Предполагается, что барьером для роста кристаллов может быть аморфная фаза. Нанокристаллическую ленту удается получать и непосредственно в процессе спиннингования. Этим методом была получена лента сплава Ni₆₅Al₃₅, которая состояла из кристаллов интерметаллида NiAl со средним размером зерна порядка 2 мкм. Эти кристаллы, в свою очередь, обладали очень равномерной микродвойниковой субструктурой с характерными размерами в несколько десятков нанометров. Эта субструктура препятствовала распространению микротрещин и тем самым повышала пластичность и вязкость хрупкого интерметаллида NiAl.

ИПД обработка – это новая технология обработки металлов давлением, позволяющая получать объемные наноструктурные материалы с уникальными свойствами посредством сильного измельчения зерна до наноразмеров.

Интенсивная пластическая деформация кручением (ИПДК) — это метод ИПД, при котором образец, обычно имеющий форму диска диаметром 10-20 и толщиной 0.3-1.0 мм, подвергается деформации кручением в условиях высокого приложенного гидростатического давления. Диск помещается внутрь полости, прилагается гидростатическое давление (P), и пластическая деформация кручением достигается за счет вращения одного из бойков (рис. 1).

Рисунок 1 - Интенсивная пластическая деформация кручением под высоким давлением

Равноканальное угловое прессование (РКУП) в настоящее время является наиболее широко используемым методом ИПД. Как показано на рис. 2, имеющий форму прутка круглого или квадратного сечения образец прессуется в матрице через сопрягающиеся под определенным углом каналы.

Деформация сдвигом происходит, когда заготовка проходит через зону их пересечения. В процессе многократно повторяющихся прессований в заготовке накапливается деформация сдвигом, что в результате приводит к образованию в материале ультрамелкозернистой структуры.

Рисунок 2 - Интенсивная пластическая деформация РКУ прессованием