Процессы контактного взаимодействия при пропитке квазикристаллических композиционных материалов

Abstract

RU: Цель. Использование квазикристаллов в составе композиционных материалов позволяет сохранить их уникальные физико-механические свойства и устранить недостатки, связанные с повышенной хрупкостью. Разработка состава и технологии получения композиционных материалов требует экспериментальных и теоретических исследований закономерностей формирования структуры и свойств зон контактного взаимодействия на границах раздела между структурными составляющими. Методика. Макрогетерогенные композиционные материалы, упрочненные квазикристаллическими сплавами наполнителями Al–Co–Cu и Al–Co–Ni, изготавливали методом печной пропитки при температуре 1100 К в течение 30 минут. В качестве металлической связки использовали латунь Л62. Структуру композиционных материалов исследовали методами металлографического, рентгеноструктурного и микрорентгеноспектрального анализов. Для контроля структурного и фазового состава зон контактного взаимодействия, образующихся между наполнителем и связкой при пропитке, использовали оригинальную методику статистического анализа структуры. Результаты. Исследованы структура и свойства зон контактного взаимодействия на границах раздела между наполнителем и затвердевшей связкой композиционных материалов. Предложены двухмерные и трехмерные графические модели зон контактного взаимодействия. Особенности структурообразования композиционных материалов объяснены преимущественным растворением кристаллических фаз наполнителя в расплавленной связке при пропитке. Различные скорости растворения квазикристаллической и кристаллических фаз связаны с пониженной среднегеометрической частотой колебаний атомов в квазикристаллах, вызванной их избыточной теплоемкостью. Научная новизна. Предложены составы и технология печной пропитки композиционных материалов на основе латуни, упрочненных квазикристаллическими сплавами-наполнителями Al–Co–Cu и Al–Co–Ni. Изучены закономерности структурообразования зон контактного взаимодействия на границах раздела между наполнителем и связкой. Выполнены теоретические расчеты среднегеометрической частоты колебаний атомов в квазикристаллической и кристаллических фазах. Показана связь этой характеристики со скоростью растворения твердых фаз при воздействии расплавленной связки. Меньшая частота колебаний атомов в квазикристаллической фазе объяснена избыточной теплоемкостью этой фазы. Практическая значимость. Разработанный состав макрогетерогенных композиционных материалов, упрочненных квазикристаллическими сплаваминаполнителями Al–Co–Cu и Al–Co–Ni, можно рекомендовать для получения защитных покрытий на поверхности деталей автомобильного транспорта, работающих в условиях трения и воздействия коррозионных сред.

UK: Мета. Використання квазикристалів у складі композиційних матеріалів дозволяє зберегти їх фізико-механічні властивості й усунути недоліки, пов’язані з підвищеною крихкістю. Розробка складу і технології отримання композиційних матеріалів потребує експериментальних і теоретичних досліджень закономірностей формування структури і властивостей зон контактної взаємодії на границях поділу між структурними складовими. Методика. Макрогетерогенні композиційні матеріали, зміцнені квазикристалічними сплавами-наповнювачами Al–Co–Cu і Al–Co–Ni, виготовляли за методом пічного просочення за температури 1100 К впродовж 30 хвилин. В якості металічної зв’язки використовували латунь Л62. Структуру композиційних матеріалів досліджували методами металографічного, рентгеноструктурного і мікрорентгеноспектрального аналізів. Для контролю структурного та фазового складу зон контактної взаємодії, що утворюються між наповнювачем і зв’язкою при просочуванні, використовували оригінальну методику статистичного аналізу структури. Результати. Досліджено структуру і властивості зон контактної взаємодії на границях поділу між наповнювачем і затверділою зв’язкою композиційних матеріалів. Запропоновано двовимірні і тривимірні графічні моделі зон контактної взаємодії. Особливості структуроутворення композиційних матеріалів пояснено переважним розчиненням кристалічних фаз наповнювача в розплавленій зв’язці при просоченні. Різні швидкості розчинення квазикристалічних та кристалічних фаз пов’язані зі зниженою середньогеометричною частотою коливань атомів у квазикристалах, яка обумовлена надмірною теплоємністю квазикристалічних фаз. Наукова новизна. Запропоновано компонентний склад і технологія пічного просочення композиційних матеріалів на основі латуні, зміцнених квазикристалічними сплавами-наповнювачами Al–Co–Cu і Al–Co–Ni. Вивчено закономірності структуроутворення зон контактної взаємодії на границях поділу між наповнювачем і зв’язкою. Виконано теоретичні розрахунки середньогеометричної частоти коливань атомів у квазикристалічній і кристалічній фазах. Показано зв'язок цієї характеристики зі швидкістю розчинення твердих фаз за дії розплавленої зв’язки. Менша частота коливань атомів у квазикристалічній фазі пояснена надлишковою теплоємністю цієї фази. Практична значимість. Розроблений склад макрогетерогенних композиційних матеріалів, зміцнених квазикристалічними сплавами-наповнювачами Al–Co–Cu і Al–Co–Ni можливо рекомендувати для отримання захисних покриттів на поверхні деталей автомобільного транспорту, що працюють в умовах тертя і впливу корозійних середовищ.

EN: Purpose. The application of quasicrystals as fillers of composites allows reserving their unique physical-andmechanical properties and averting the limitations connected with their enhanced brittleness. The development of the composition and technology to fabricate composites demands experimental and theoretical investigation of the peculiarities in the structure and properties formation of the interfacial zones between the filler and binder. Methodology. Macroheterogeneous composites reinforced by Al–Co–Cu or Al–Co–Ni quasicrystal fillers were infiltrated at 1100 К during 30 minutes. Л62 brass was used as metallic binder. The structure of the composites was investigated by metallographic, X-ray, and energy dispersive X-ray analyses. To control structural and phase composition of interfacial zones appearing between the filler and binder during infiltration an original method of statistical structural analysis was applied. Findings. The structure and properties of interfacial zones between the filler and solidified binder were investigated. The two- and three-dimensional graphic models of the interfacial zones were suggested. The peculiarities in composites structure formation were explained by prevailing dissolution of filler crystal phases in the molten binder during infiltration. The dissolution rates of quasicrystal and crystal phases differed due to reduced average geometric atom vibration frequency of quasicrystals caused by their excess heat capacity. Originality. The compositions and furnace infiltration technology to produce brass-based composites reinforced by Al–Co–Cu or Al–Co–Ni quasicrystal fillers were suggested. The peculiarities in the structure formation of the interfacial zones between the filler and binder were investigated. The average geometric atom vibration frequency for quasicrystals were calculated. The dependency of this characteristic on the dissolution rate of filler solid phases in the molten binder was shown. The lower atom vibration frequency of quasicrystals was explained by their excess heat capacity. Practical value. The developed macroheterogeneous composites reinforced by Al–Co–Cu or Al–Co–Ni quasicrystal fillers can be recommended as coatings to protect surface of automobile transport parts working under dry friction or corrosive media.