UPROChNENIE NIKELYa MALYMI KOLIChESTVAMI NANOChASTITs SiC

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Структуру композитов с улучшенными механическими свойствами состава Ni-ySiC (y = 0,001, 0,005 и 0,015 мас.%), приготовленных путем механической активации и искрового плазменного спекания, исследовали средствами растрового и просвечивающего электронного микроскопов и рентгеновской дифракции. Плотность спеченных образцов определяли методом гидростатического взвешивания. Испытания на изгиб проводили методом трехточечного изгиба при 25 и 400 °C, а модуль Юнга определяли ультразвуковым методом при температурах 25, 400, 750 °C. Термодинамическое моделирование показало, что при формировании материала искровым плазменным методом на межфазном слое между матрицей и наночастицей возможно выделение силицидов никеля. На границах зерен никеля выявлен пироуглерод, который мог сформироваться при выделении из никеля при спекании в результате попадания углеродсодержащего компонента в поры. Материал, содержащий 0,001 мас.% SiC, имел прочность на изгиб выше на 115% при 20 °C и на 86% при 400 °C, чем никель, спеченный без добавок.

About the authors

L. E Agureev

АО ГНЦ РФ “Исследовательский центр им. М.В. Келдыша”

Email: trynano@gmail.com
Москва

S. V Savushkina

АО ГНЦ РФ “Исследовательский центр им. М.В. Келдыша”; ФГБОУ ВО Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)

Москва; Москва

I. N Laptev

АО ГНЦ РФ “Исследовательский центр им. М.В. Келдыша”

Москва

E. A Danilina

АО ГНЦ РФ “Исследовательский центр им. М.В. Келдыша”

Москва

S. D Ivanova

АО ГНЦ РФ “Исследовательский центр им. М.В. Келдыша”

Москва

A. A Ashmarin

АО ГНЦ РФ “Исследовательский центр им. М.В. Келдыша”

Москва

References

  1. Логунов, А.В. Жаропрочные никелевые сплавы для лопаток и дисков газовых турбин / А.В. Логунов. — М. : Московские учебники, 2018. 592 с.
  2. Reed, R.C. The superalloys. Fundamentals and applications / R.C. Reed. — Cambridge : University Press, 2006. 372 p.
  3. Bruckart, W.L. Cladding of molybdenum for service in air at elevated temperature / W.L. Bruckart, R.I. Jaffee // Trans. Amer. Soc. Metals. 1952. V.44. P.44.
  4. Lurie, S. Multiscale modelling of aluminium-based metal-matrix composites with oxide nanoinclusions / S. Lurie, D. Volkov-Bogorodskiy, Y. Solyaev, R. Rizahanov, L. Agureev // Comput. Mater. Sci. 2016. V.116. P.62—73.
  5. Kostikov, V.I. Development of nanoparticle-reinforced alumocomposites for rocket-space engineering / V.I. Kostikov, L.E. Agureev, Zh.V. Eremeeva // Russ. J. Non-Ferr. Met. 2015. №56 (3). P.325—328.
  6. Sharma, A. Effect of ZrO nanoparticles on the microstructure of Al-Si-Cu filler for low-temperature Al brazing applications / A. Sharma, M.-H. Roh, D.-H. Jung, J.-P. Jung // Metallurg. Mater. Trans. A . 2016. V.47A. P.510—521.
  7. Spark plasma sintering of materials. Advances in processing and applications / ed. P. Cavaliere. — Springer Nature Switzerland AG, 2019. 767 p.
  8. Borkar, T. Influence of spark plasma sintering (SPS) processing parameters on microstructure and mechanical properties of nickel / T. Borkar, R. Banerjee // Mater. Sci. Eng. A. 2014. V.618. P.176—181.
  9. Zhao, Y. High tensile ductility and strength in bulk nanostructured nickel / Y. Zhao, T. Topping, J.F. Bingert [et al.] // Advanc. Mater. 2008. V.20. P.3028—3033.
  10. Naimi, F. Dense nanostructured nickel produced by SPS from mechanically activated powders : Enhancement of mechanical properties / F. Naimi, L. Minier, S. Le Gallet [et al.] // J. Nanomater. 2013. V.1. 11 p.
  11. Nakada, Y. Solid-solution strengthening in Ni-C alloys / Y. Nakada, A.S. Keh // Metallurg. Trans. 1971. V.2. P.441—447.
  12. Portnoi, V.K. Formation of nickel carbide in the course of deformation treatment of Ni-C mixtures / V.K. Portnoi, A.V. Leonov, S.N. Mudretsova, S.A. Fedotov // The Physics of Metals and Metallography. 2010. V.109. №2. P.153—161.
  13. Tokumitsu, K. Formation of HCP solid solution in the Ni-C System by mechanical alloying / K. Tokumitsu, M. Umemoto // J. Metastable and Nanocrystalline Mater. 2003. V.15—16. P.463—468.
  14. Tushar Borkar. Influence of spark plasma sintering (SPS) processing parameters on microstructure and mechanical properties of nickel / Tushar Borkar, Rajarshi Banerjee // Mater. Sci. Eng. A. 2014. V.618. P.176—181.
  15. Honeycombe, R.W.K. The plastic deformation of metals / R.W.K. Honeycombe ; ed. 2nd. — Melbourne : Edward Arnold Publ., 1984. 177 p.
  16. Fleischer, R.L. Substitutional solution hardening / R.L. Fleischer //Acta Metallurgica. 1963. V.11. P.203—209.
  17. Corthay, S. Ni/h-BN composites with high strength and ductility / S. Corthay, M.K. Kutzhanov, U.U. Narzulloev, A.S. Konopatsky, A.T. Matveev, D.V. Shtansky // Mater. Lett. 2022. V.308. Pt.B. Art.131285.
  18. Xie, R. Dispersed SiC nanoparticles in Ni observed by ultra-small-angle X-ray scattering / Xie R., Ilavsky J., Huang H. F., Zhou X.L., Yang C., Wang Y. Z., Xu H.J. // J. Appl. Crystallography. 2022. V.49. №6. P.2155—2160.
  19. Agureev, L. Influence of alumina nanofibers sintered by the spark plasma method on nickel mechanical properties / L. Agureev, V. Kostikov, Z. Eremeeva, S. Savushkina, B. Ivanov, D. Khmelenin, G. Belov, Y. Solyaev // Metals. 2021. V.11. P.548.
  20. Chuvil’deev, V.N. Non-equilibrium grain boundaries. Theory and its applications for describing nanoand microcrystalline materials processed by ECAP / V.N. Chuvil’deev, V.I. Kopylov, W. Zeiger // Annales de Chimie : Sci. Mater. 2002. V.27. №3. P.55—64.
  21. Ohji, T. Particle/matrix interface and its role in creep inhibition in aluminasilicon carbide nanocomposites / T. Ohji, T. Hirano, A. Nakahira, K. Niihara // J. Amer. Ceram. Soc. 1996. V.79. P.33—45.
  22. Григорович, В.К. Дисперсионное упрочнение тугоплавких металлов / В.К. Григорович, Е.Н. Шефтель. — М. : Наука, 1980.
  23. Gottstein, G. Physical foundations of materials science / G. Gottstein. — Berlin Heidelberg : Springer-Verlag, 2004. 502 p.
  24. Thompson, A.W. Substructure strengthening mechanisms / A.W. Thompson // Met. Trans. 1977. V.8A. №6. P.833—842.
  25. Lugovskoi,Yu.F. Effect of structure on the fatigue strength of dispersion-hardened condensated based on copper II. Analysis of the first coefficient of the Mott—Stroh relation / Yu.F. Lugovskoi // Powder Metallurgy and Metal Ceramics. 1998. V.37. P.432— 437.
  26. Тайра, С. Теория высокотемпературной прочности материалов / С. Тайра, Р. Отани. — М. : Металлургия, 1986.
  27. Sinaiskii, M.A. Extended characteristics of dispersed composition for nanopowders of plasmachemical synthesis / M.A. Sinaiskii, A.V. Samokhin, N.V. Alekseev, Yu.V. Tsvetkov // Nanotechnol. Russia. 2016. V.11. P.805—814.
  28. Portnoi, V.K. Formation of nickel carbide in the course of deformation treatment of Ni-C mixtures / V.K. Portnoi, A.V. Leonov, S.N. Mudretsova, S.A. Fedotov // The Physics of Metals and Metallography. 2010. V.109. №2. P.153—161.
  29. Bourrat, X. Low temperature pyrocarbons : A review / X. Bourrat, F. Langlais, G. Chollon, G.L. Vignoles // J. Braz. Chem. Soc. 2006. V.17. №6. P.1090—1095.
  30. Zhou, G. The interpretation of X-ray diffraction from the pyrocarbon in carbon/carbon composites with comparison of TEM observations / Zhou G., Yu S., He L., Guo Q., Ye H. // Philosoph. Mag. 2012. V.92. №10. P.1198—1211.
  31. Belov, G.V. Simulation of equilibrium states of thermodynamic systems using IVTANTERMO for Windows / G.V. Belov, V.S. Iorish, V.S. Yungman // High Temperature. 2000. V.38. №2. P.191—196.
  32. Belov, G.V. IVTANTERMO for Windows — database on thermodynamic properties and related software / G.V. Belov, V.S. Iorish, V.S. Yungman // Calphad. 1999. V.23. №2. P.173—180.
  33. Bachli, A. Nickel film on (001) SiC : thermally induced reactions / A. Bachli, M.A. Nicolet, L. Baud, C. Jaussaud, R. Madar // Mater. Sci. Eng. B. 1998. V.56. P.11—23.
  34. Shi, H. Interfacial reaction mechanism of SiC joints joined by pure nickel foil / Shi H., Chai Y., Li N., Yan J., Zhu X., Chen K. [et al.] // J. European Ceram. Soc. 2020. V.40. №15. P.5162—5171.
  35. Lim, C.S. Interfacial reaction and adhesion between SiC and thin sputtered nickel films / Lim C.S., Nickel H., Naoumidis A., Gyarmati E. // J. Mater. Sci. 1997. V.32. №24. P.6567—6572.
  36. Chmielewski, M. Microstructural evolution of Ni-SiC composites manufactured by spark plasma sintering / M. Chmielewski, R. Zybala, A. Strojny-Nedza [et al.] // Met. Mater. Trans. 2023. V.A54. P.2191—2207.
  37. Карпинос, Д.М. Новые композиционные материалы / Д.М. Карпинос, Л.И. Тучинский, Л.Р. Вишняков. Киев : Вища школа, 1977. 310 с.
  38. Портной, К.И. Дисперсно-упрочненные материалы / К.И. Портной, Б.Н. Бабич. — М. : Металлургия, 1974. 294 с.
  39. Структура и механические свойства металлов / пер. с англ. Либерова Ю.П., Фридмана З.Г. ; под ред. В.А. Алексеева. — М. : Металлургия, 1967. 383 с.
  40. Yang, C. Microstructures and tensile properties of ultrafine grained Ni-(1—3,5) wt.% SiCNP composites prepared by a powder metallurgy route / Yang C., Huang H.-F., Reyes M., Yan L., Zhou X.-T., Xia T., Zhang D.-L. // Acta Metallurgica Sinica (English Letters). 2015. V.28. №7. P.809—816.
  41. Maweja, K. Alloying and microstructural changes in platinum–titanium milled and annealed powders / K. Maweja, M. Phasha, Y. Yamabe-Mitarai // J. Alloy. Compd. 2012. V.523. P.167—175.
  42. Rosenberg, S.J. Nickel and its alloys / S.J. Rosenberg. Washington : National Bureau of Standards, 1968. P.106.
  43. Гольдшейн, М.И. Металлофизика высокопрочных сплавов : учебник / М.И. Гольдштейн, В.С. Литвинов, М.Ф. Бронфин. — М. : Металлургия, 1986. 312 с.
  44. Lurie, S. Interphase layer theory and application in the mechanics of composite materials / S. Lurie, P. Belov, D. Volkov-Bogorodsky, N. Tuchkova // J. Mater. Sci. 2006. V.41. P.6693—6707.
  45. Ramakrishnan, P. Influence of thin oxide films on the mechanical properties of sintered metal-powder compacts / P. Ramakrishnan, G.S. Tendolkar // Powder Metall. 1964. V.7. P.34—49.
  46. Xie, G. Behavior of oxide film at the interface between particles in sintered Al powders by pulse electric-current sintering / Xie G., Ohashi O., Song M., Furuya K., Noda T. // Metall. Mater. Trans. A. 2003. V.34A. P.699—703.
  47. Nagae, T. Effects of pulse current on an aluminum powder oxide layer during pulse current pressure sintering / T. Nagae, M. Yokota, M. Nose, S. Tomida, T. Kamiya, S. Saji // Mater. Trans. 2002. V.43. P.1390—1397.
  48. Dagan, G. Passivation of permalloy thin films. II. In situ characterization of the oxide layer by photoelectrochemical and impedance measurements / G. Dagan, W.-M. Shen, M. Tomkiewicz // J. Electrochem. Soc. 1992. V.139. P.1855—1861.
  49. Sikora, E. Nature of the passive film on nickel / E. Sikora, D.D. Macdonald // Electrochim. Acta. 2002. V.48. P.69—77.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences