Способ получения объемного композиционного материала с керамической матрицей на основе карбида титана методом холодного газодинамического напыления

Приведены результаты получения объемных образцов материалов Ti‒Al‒SiC методом холодного газодинамического напыления (ХГДН) из смеси монопорошков в системе раздельно работающих дозаторов с последующей термообработкой. Изучены и апробированы параметры, позволяющие разработать эффективные методы создания изделий аддитивным способом. Практически и теоретически показано, что металлические пластичные частицы в составе заготовки-прототипа, сформированной методом ХГДН, могут выступать жертвенным компонентом для образования высокотемпературных интерметаллидов, карбидов и силицидов титана и после термообработки объемный композиционный материал упрочняется при отсутствии значительной усадки, сохранении низкой пористости и сплошности структуры.

1. Зленко, М. А. Аддитивные технологии в машиностроении / М. А. Зленко, А. А. Попович, И. Н. Мутылина. ― СПб. : Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, 2013. ― 223 с.

2. Каблов, Е. Н. Аддитивные технологии ― доминанта национальной технологической инициативы / Е. Н. Каблов // Интеллект и технологии. ― 2015. ― № 2 (11). ― С. 52‒55.

3. Сироткин, О. С. Современное состояние и перспективы развития аддитивных технологий / О. С. Сироткин // Авиационная промышленность. ― 2015. ― № 2. ― С. 22‒25.

4. Чумаков, Д. М. Перспективы использования аддитивных технологий при создании авиационной и ракетно-космической техники / Д. М. Чумаков // Труды МАИ. ― 2014. ― № 78. ― С. 31.

5. Чемодуров, А. Н. Применение аддитивных технологий в производстве изделий машиностроения / А. Н. Чемодуров // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. ― 2016. ― № 8-2. ― С. 210‒217.

6. Каблов, Е. Н. Настоящее и будущее аддитивных технологий / Е. Н. Каблов // Металлы Евразии. ― 2017. ― № 1. ― С. 2‒6.

7. Olakanmi, E. O. A review on selective laser sintering / melting (SLS/SLM) of aluminium alloy powders: Processing, microstructure, and properties / E. O. Olakanmi, R. F. Cochrane, K. W. Dalgarno // Prog. Mater. Sci. ― 2015. ― Vol. 74. ― P. 401‒477. DOI: 10.1016/j. pmatsci.2015.03.002.

8. Gibson, I. Material properties and fabrication parameters in selective laser sintering process / I. Gibson, D. Shi // Rapid Prototyping Journal. ― 1997. ― Vol. 3, № 4. ― P. 129‒136. DOI: 10.1108/13552549710191836.

9. Kumar, S. Selective laser sintering: a qualitative and objective approach / S. Kumar // Journal of the Minerals Metals & Materials Society. ― 2003. ― Vol. 55, № 10. ― P. 43‒47. DOI: 10.1007/s11837-003-0175-y.

10. Aguilar-Duque, J. I. Additive manufacturing: fused deposition modeling advances / J. I. Aguilar-Duque, G. Amaya-Parra, U. J. Tamayo-Pérez [et al.] // Best Practices in Manufacturing Processes: experiences from Latin America. ― 2018. ― P. 347‒366. DOI: 10.1007/978-3-319-99190-0_16.

11. Sieminski, P. Introduction to fused deposition modeling / P. Sieminski // Additive manufacturing. Handbooks in Advanced Manufacturing. ― 2021. ― P. 217‒275. DOI: 10.1016/B978-0-12-818411-0.00008-2.

12. Косарев, В. Ф. Газодинамическое напыление. Новые технологии и оборудование / В. Ф. Косарев, А. П. Алхимов // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). ― 2003. ― № 3 (19). ― С. 28‒30.

13. Алхимов, А. П. Холодное газодинамическое напыление: теория и практика / А. П. Алхимов, С. В. Клинков, В. Ф. Косарев [и др.]. ― М. : Издательская фирма «Физико-математическая литература», 2010. ― 536 с.

14. Tushinsky, L. I. Structure and properties of aluminum coatings obtained by the cold gas-dynamic spraying method / L. I. Tushinsky, A. V. Plokhov, N. S. Mochalina [et al.] // Thermophysics and Aeromechanics. ― 2006. ― Vol. 13, № 1. ― P. 125‒129. DOI: 10.1134/S153186990601014X.

15. Каширин, А. И. Метод газодинамического напыления металлических покрытий: развитие и современное состояние / А. И. Каширин, А. В. Шкодкин // Упрочняющие технологии и покрытия. ― 2007. ― № 12 (36). ― С. 22‒33.

16. Козлов, И. А. Холодное газодинамическое напыление покрытий (обзор) / И. А. Козлов, К. А. Лещев, А. А. Никифоров [и др.] // Труды ВИАМ. ― 2020. ― № 8 (90). ― С. 77‒93. DOI: 10.18577/2307-6046-2020-0-8-77-93.

17. Архипов, В. Е. Структура и свойства покрытий, нанесенных газодинамическим напылением / В. Е. Архипов, А. А. Дубравина, Л. И. Куксенова [и др.] // Упрочняющие технологии и покрытия. ― 2015. ― № 4 (124). ― С. 18‒24.

18. Markov, M. A. Formation of protective ceramicmetal coatings on steel surfaces by microarc oxidation with electro-chemical deposition of nickel / M. A. Markov, A. V. Krasikov, D. A. Gerashchenkov [et al.] // Refract. Ind. Ceram. ― 2018. ― Vol. 58, № 6. ― P. 634‒639. DOI: 10.1007/s11148-018-0159-7. Марков, М. А. Формирование защитных металлокерамических покрытий на стальных материалах микродуговым оксидированием с электрохимическим осаждением никеля / М. А. Марков, А. В. Красиков, Д. А. Геращенков [и др.] // Новые огнеупоры. ― 2017. ― № 11. ― С. 53‒58. DOI: 10.17073/1683-4518-2017-11-53-58.

19. Markov, M. A. Corrosion-resistant ceramic coatings that are promising for use in liquid metal environments / M. A. Markov, A. D. Kashtanov, A. V. Krasikov [et al.] // Key Eng. Mater., Switzerland. ― 2019. ― Vol. 822. ― P. 752‒759. DOI: 10.4028/www.scientific.net/KEM.822.752.

20. Bykova, A. D. Study of the formation of functional ceramic coatings on metals / A. D. Bykova, M. A. Markov, A. V. Krasikov [et al.] // J. Phys.: Conference Series. ― 2019. ― Vol. 1400. ― Article 055008. DOI: 10.1088/1742-6596/1400/5/055008.

21. Makarov, A. M. Study of the method of obtaining functional interest-metallic coatings based on Ni‒Ti reinforced with WC nanoparticles / A. M. Makarov, S. E. Aleksandrov [et al.] // Key Eng. Mater., Switzerland. ― 2019. ― Vol. 822. ― P. 760‒767. DOI: 10.4028/www.scientific.net/KEM.822.760.

22. Assadi, H. Cold spraying ― a materials perspective / H. Assadi, H. Kreye, F. Gärtner [et al.] // Acta Materialia. ― 2016. ― Vol. 116. ― P. 382‒407. DOI: 10.1016/j.actamat.2016.06.034.

23. Papyrin, A. Cold spray technology / A. Papyrin // Adv. Mater. Process. ― 2001. ― Vol. 159. ― P. 49‒51.

24. Arabgol, Z. Analysis of thermal history and residual stress in cold-sprayed coatings / Z. Arabgol, H. Assadi, T. Schmidt [et al.] // J. Therm. Spray Technol. ― 2013. ― Vol. 23, № 1. ― P. 84‒90. DOI: 10.1007/s11666-013-9976-x.

25. Li, W. Solid-state additive manufacturing and repairing by cold spraying: A review / W. Li, K. Yang, S. Yin [et al.] // J. Mater. Sci. Technol. ― 2018. ― Vol. 34, № 3. ― P. 440‒457. DOI: 10.1016/j.jmst.2017.09.015.

26. Ziemian, C. W. Influence of impact conditions on feedstock deposition behavior of cold-sprayed Febased metallic glass / C. W. Ziemian, W. J. Wright, D. E. Cipoletti // J. Therm. Spray Technol. ― 2018. ― Vol. 27, № 5. ― P. 843‒856. DOI: 10.1007/s11666-018-0720-4.

27. Karmakar, R. A. Review on the nickel based metal matrix composite coating / R. Karmakar, P. Maji, S. K. Ghosh // Metals and Materials International. Korean Institute of Metals and Materials. ― 2021. ― Vol. 27. ― P. 2134‒2145. DOI: 10.1007/s12540-020-00872-w.

28. Champagne, V. The unique abilities of cold spray deposition / V. Champagne, D. Helfritch // Int. Mater. Rev. ― 2016. ― Vol. 61, № 7. ― P. 437‒455. DOI: 10.1080/09506608.2016.1194948.

29. Орыщенко, A. C. Результаты исследования профиля единичных треков покрытий, полученных методом ХГДН из порошков на основе алюминия и никеля / A. C. Орыщенко, Д. А. Геращенков // Вопросы материаловедения. ― 2022. ― № 2 (110). ― С. 58‒70. DOI: 10.22349/1994-6716-2022-110-2-58-70.

30. Chekuryaev, A. G. Analysis of the structure of composite systems by means of fractal characteristics using the BaTiO3–Fullerenol–CEPVA system as an example / A. G. Chekuryaev, M. M. Sychov, S. V. Myakin // Physics of the Solid State. ― 2021. ― Vol. 63. ― P. 789‒795. DOI: 10.1134/S1063783421060032.

31. Markov, M. A. Study of the method to obtain aluminum coatings modified by aluminum oxide / M. A. Markov, D. A. Gerashchenkov, I. N. Kravchenko [et al.] // Journal of Machinery Manufacture and Reliability. ― 2023. ― Vol. 52, № 1. ― P. 69‒78. DOI: 10.31857/S0235711923010091.

32. Gerashchenkov, D. A. Tribolical study of cermet coatings Al‒Sn‒Zn‒Al2O3 for friction couples / D. A. Gerashchenkov, M. Y. Sobolev, M. A. Markov [et al.] // Journal of Friction and Wear. ― 2018. ― Vol. 39, № 6. ― P. 522‒527. DOI: 10.3103/S106836661806003X.

33. Kuznetsov, Y. A. The use of cold spraying and microarc oxidation techniques for the repairing and wear resistance improvement of motor electric bearing shields / Y. A. Kuznetsov, I. N. Kravchenko, D. A. Gerashchenkov [et al.] // Energies. ― 2022. ― Vol. 15, № 3. ― Article 912. DOI: 10.3390/en15030912.

34. Bykova, A. D. Technological aspects of obtaining functional coatings based on silver by the method of cold gas-dynamic spraying / A. D. Bykova, B. V. Farmakovsky, M. A. Markov [et al.] // Key Engineering Materials, Switzerland. ― 2019. ― Vol. 822. ― P. 774‒780. DOI: 10.4028/www.scientific.net/KEM.822.774.

35. Gerashchenkov, D. A. Technological aspects of obtaining functional gradient coatings to protect machinery from wear / D. A. Gerashchenkov, A. M. Makarov, R. Y. Bystrov [et al.] // Key Eng. Mater., Switzerland. ― 2019. ― Vol. 822. ― P. 768‒773. DOI: 10.4028/www.scientific.net/KEM.822.768.

36. Геращенков, Д. А. Исследование состава и свойств интерметаллидного слоя Al‒Ti и Ni‒Ti, полученного на титановом сплаве при лазерной обработке / Д. А. Геращенков, Е. Ю. Геращенкова, А. А. Можайко [и др.] // Вопросы материаловедения. ― 2022. ― № 2 (110). ― С. 28‒35. DOI: 10.22349/1994-6716-2022-110-2-28‒35.

37. Геращенков, Д. А. Применение технологии холодного газодинамического напыления как аддитивного способа для получения материалов на основе алюминида никеля и алюминида титана / Д. А. Геращенков // Вопросы материаловедения. ― 2021. ― № 3 (107). ― С. 118‒127. DOI: 10.22349/1994-6716-2021-107-3-118-127.

38. Plotnick, R. E. Lacunarity indices as measures of landscape texture / R. E. Plotnick, R. H. Gardner, R. V. O'Neill // Landscape Ecol. ― 1993. ― Vol. 8. ― P. 201‒211.

39. Gefen, Y. Geometric implementation of hypercubic lattices with noninteger dimensionality by use of low lacunarity fractal lattices / Y. Gefen, Y. Meir, A. Aharony // Phys. Rev. Lett. ― 1983. ― Vol. 50. ― P. 145‒148. DOI: 10.1103/PhysRevLett.50.145.

40. Barin, I. Thermochemical data of pure substances / I. Barin, G. Platzki // Weinheim: VCh. ― 1989. ― Vol. 304, № 334. ― P. 1117.

41. Markov, M. A. Study of the microarc oxidation of aluminum modified with silicon carbide particles / M. A. Markov, S. N. Perevislov, A. V. Krasikov [et al.] // Russ. J. Appl. Chem. ― 2018. ― Vol. 91, № 4. ― P. 543‒549. DOI: 10.1134/S107042721804002X.

42. Shevchenko, V. Y. Physicochemical interaction processes in the carbon (diamond)–silicon system / V. Y. Shevchenko, S. N. Perevislov, V. L. Ugolkov // Glass Phys. Chem. ― 2021. ― Vol. 47, №. 3. ― P. 197‒208. DOI: 10.1134/S108765962103010X.

43. Shevchenko, V. Y. Reaction–diffusion mechanism of synthesis in the diamond–silicon carbide system / V. Y. Shevchenko, S. N. Perevislov // Russian Journal of Inorganic Chemistry. ― 2021. ― Vol. 66. ― P. 1107‒1114. DOI: 10.1134/S003602362108026X.

44. Markov, M. A. Development of novel ceramic construction materials based on silicon carbide for products of complex geometry / M. A. Markov, A. V. Krasikov, I. N. Kravchenko [et al.] // Journal of Machinery Manufacture and Reliability. ― 2021. ― Vol. 50, № 2. ― P. 158‒163. DOI: 10.3103/S1052618821020096.

45. Belyakov, A. N. Contemporary materials and their application in the construction of special engineering high-temperature objects / A. N. Belyakov, A. D. Kashtanov, D. A. Dyuskina [et al.] // Refract. Ind. Ceram. ― 2024. ― Vol. 64, № 3. ― P. 256‒264. DOI: 10.1007/ s11148-024-00835-3. Беляков, А. Н. Современные материалы и их применение при конструировании высокотемпературных изделий для специального машиностроения / А. Н. Беляков, А. Д. Каштанов, Д. А. Дюскина [и др.] // Новые огнеупоры. ― 2023. ― № 5. ― С. 69‒79. DOI: 10.17073/1683-4518-2023-5-69-79.

46. Belyakov, A. N. A comparative study of methods for obtaining silicon carbide ceramic materials / A. N. Belyakov, D. A. Dyuskina, A. G. Chekuryaev [et al.] // Refract. Ind. Ceram. ― 2023. ― Vol. 64, № 3. ― P. 299‒310. DOI: 10.1007/s11148-024-00842-4. Беляков, А. Н. Сравнительное исследование методов получения карбидкремниевых керамических материалов / А. Н. Беляков, Д. А. Дюскина, А. Г. Чекуряев [и др.] // Новые огнеупоры. ― 2023. ― № 6. ― С. 13‒26. DOI: 10.17073/1683-4518-2023-6-13-26.

47. Belyakov, A. N. Investigation of the reaction-sintered B4C‒SiC materials produced by hot slip casting / A. N. Belyakov, M. A. Markov, A. N. Chekuryaev [et al.] // Glass Phys. Chem. ― 2023. ― Vol. 49, № 3. ― P. 306‒313. DOI: 10.1134/S1087659623600060.

48. Lysenkov, A. S. Composite material Si3N4/SiC with calcium aluminate additive / A. S. Lysenkov, K. A. Kim, D. D. Titov [et al.] // Journal of Physics: Conference Series. ― 2018. ― Vol. 1134, № 1. ― Article 012036. DOI: 10.1088/1742-6596/1134/1/012036.

49. Rumyantsev, I. A. Lightweight composite cermets obtained by titanium-plating / I. A. Rumyantsev, S. N. Perevislov // Refract. Ind. Ceram. ― 2017. ― Vol. 58. ― P. 405‒409. DOI: 10.1007/s11148-017-0119-7. Румянцев, И. А. Облегченные композиционные керметы, полученные методом титанирования / И. А. Румянцев, С. Н. Перевислов // Новые огнеупоры. ― 2017. ― № 7. ― С. 54‒57.