05.16.06 – порошковая металлургия и композиционные материалы

 Приказ Высшей аттестационной комиссии Республики Беларусь от 7 июня 2007 г. №108
 

ВВЕДЕНИЕ

Общая характеристика порошковой металлургии. Порошковая металлургия как наука о процессах получения, структуре и свойствах порошков металлов, сплавов, тугоплавких металлоподобных соединений и материалов из них (или на их основе) в виде изделий из полуфабрикатов, изготовляемых с применением методов формования и спекания. Роль порошковой металлургии в современной технике.

История возникновения и развития порошковой металлургии. Приоритет русских ученых и инженеров. Основоположник порошковой металлургии в России П.Г. Соболевский. Развитие порошковой металлургии в Беларуси.

Технологические и экономические преимущества и ограничения применения порошковой металлургии. Порошковая металлургия как единственно возможный метод изготовления ряда материалов и изделий со специальными свойствами и как метод, конкурирующий по техническим и экономическим показателям с методами литья и станочной обработки в производстве обычных материалов и изделий. Перспективы развития порошковой металлургии.

1. Цель и задачи программы-минимум

Программа предусматривает проведение кандидатского экзамена для оценки профессионального уровня специалистов высшей квалификации. Программа включает перечень вопросов, подготовка к которым позволит соискателю ученой степени углубить знания в области порошковой металлургии и композиционным материалам, представить особенности и тенденции развития порошковой металлургии и композиционных материалов, глубже познать процессы, протекающие при синтезе порошков, формовании и спекании порошковых материалов, взаимодействия компонентов в композиционных материалах, процессов формирования покрытий, поведение порошковых материалов деформации в различных условиях нагружения, овладеть методикой решения инженерных задач, представить возможности программного проектирования процессов, освоить информационные технологии и компьютерную технику.

Содержание курса охватывает разделы: основы производства порошков, спеченных материалов и изделий, методы и приборы для контроля порошков, вопросы подготовки, формования и спекания порошков, технология получения и оборудование для производства порошковых, композиционных материалов и покрытий, синтез наноматериалов, нанотехнологии изготовления новых материалов и нанопокрытий многофункционального назначения.

При подготовке к сдачи экзамена по кандидатскому минимуму соискатель должен пользоваться рекомендуемой литературой, а также учебниками и учебными пособиями, монографиями, материалами научных конференций, периодическими изданиями, авторефератами и диссертациями по порошковой металлургии, композиционным материалам и покрытиям.

2. Требования к знаниям, умениям и навыкам аспиранта (соискателя)

Соискатель должен показать глубокие знания в области теории формования и спекания порошковых материалов, синтеза порошковых материалов, взаимодействия компонентов в композиционном материале, основ моделирования технологических процессов, показать умения и навыки составления технологических процессов, владения методиками исследования, иметь представление о роли порошковой металлургии в современной технике и ее значение для развития народного хозяйства, о тенденциях развития и роли белорусских ученых в развитии порошковой металлургии, технологических и экономических преимуществах и ограничениях применения порошковой металлургии, о новых перспективных направлениях получения наноматериалов и использования нанотехнологий для создания материалов с высокими свойствами.

3. Содержание курса

Тема 1. Основы производства порошков, спеченных материалов и изделий

Ключевые слова: процессы производства порошков, процессы восстановления порошков, процессы подготовки и смешивания порошков, спекание

Развернутые типовые характерные схемы производства спеченных изделий: получение исходных порошков и волокон, подготовка порошков и волокон (их активация, смешивание), приготовление шихты, формование (прессование), спекание, последующая обработка. Сущность и назначение основных производственных операций. Применяемое оборудование и технологическая оснастка.

1.2. Процессы производства. Методы и приборы для контроля порошков

Классификация и основные характеристики наиболее распространенных процессов производства порошков и волокон. Основные методы исследования и контроля свойств порошков и волокон. Механические методы производства порошков (резание, размол в  шаровых, вихревых, вибрационных, планетарных и других мельницах, аттриторах). Роль среды при измельчении. Поверхностно-активные вещества. Принципы конструкции и действия мельниц, аттриторов. Приготовление порошков распылением жидких металлов, сплавов и  соединений. Закономерности формирования частиц порошка. Конструкции установок и промышленные  способы получения порошков железа, алюминия, меди и сплавов. Производство порошков восстановлением водородом, углеродом, металлами, применяемое оборудования. Использование отходов промышленного производства. Физико-химические основы процессов восстановления. Влияние технологических факторов на скорость реакции восстановления и характеристики порошков.

Основные промышленные способы получения порошков железа, кобальта, тугоплавких металлов и их сплавов и соединений восстановлением углеродом, водородом, металлами. Получение легированных порошков совместным восстановлением углеродом из смесей окислов. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез. Совмещение процессов восстановления и химико-термической обработки. Приготовление порошков тугоплавких соединений (карбидов, боридов, нитридов, силицидов, гидридов). Оборудование для производства порошков восстановлением.

Плазменные процессы восстановления порошков, свойства порошков, конструкции установок. Электрохимические процессы получения порошков. Физико-химические основы. Технология производства электролитических порошков из водных растворов (порошки железа, никеля, меди, кобальта, хрома, марганца) и расплавленных сред (порошки титана, ниобия, тантала, бериллия, молибдена, вольфрама, циркония). Технология изготовления порошков железа и никеля разложением карбонилов, применяемое оборудование. Приготовления порошков сплавов. Получение ультрадисперсных порошков металлов, тугоплавких соединений. Осаждение из газовой фазы, метод интеркристаллитной коррозии, электроэрозионный способ, амальгамный метод. Приготовление легированных порошков диффузионным насыщением из точечных источников. Технология получения железохромистых, железокремневых и железомарганцевых порошков, порошков нержавеющих сталей, нихрома.

Характеристики порошков. Методы и приборы контроля. Различные дисперсности и удельной поверхности порошков. Технологические свойства, приборы и оборудование для их определения. Связь между физическими и технологическими свойствами порошков. Требования, предъявляемые к порошкам. Транспортировка и хранение порошков, самовоспламеняемость и взрываемость порошков. Охрана труда и техника безопасности при работе с порошками. ГОСТы на металлические порошки.

1.3. Процессы подготовки и смешивания порошков

Отжиг, гомогенизация, довосстановление. Физико-химическая сущность и практика технологии. Классификация и разделение порошков на фракции, восстановление смесей. Смешивание порошков в смесительных барабанах, шаровых, вибрационных мельницах. Введение смазывающих, пластифицирующих и склеивающих веществ. Грануляция и распылительная сушка. Технологические присадки для регулирования процесса спекания. Оборудование.

1.4. Процессы формования заготовок и изделий из порошков, методы и приборы контроля

Классификация методов формования. Внешнее и межчастичное трение, боковое давление, распределение плотности по объему брикета, упругое последействие. Роль смазок и пластификаторов; поведение порошков при прессовании. Физические явления при деформации частиц, деформационный механизм уплотнения порошковых тел. Уравнения прессования; математические зависимости плотности брикета от давления прессования. Современные модельные представления о процессе формования. Распределение напряжений и плотности при прессовании изделий сложной формы.

Технология холодного прессования в закрытых прессформах. Получения равномерной плотности при прессовании деталей сложной формы. Одно-, двух-, и многостороннее прессование. Свойства спрессованных брикетов. Прессформы для холодного прессования. Классификация прессформ. Прессы для холодного прессования в закрытых прессформах. Автоматические прессформы. Специализированные прессавтоматы. Виды брака при прессовании, их причины и устранение. Техника безопасности при формовании заготовок.

Изостатическое прессование в газостатах, гидростатическое прессование и прессование в эластичных втулках. Непрерывное формование. Технология мундштучного прессования, холодная и горячая экструзия заготовок. Оборудование. Холодная и горячая прокатка листов и лент из порошков. Оборудование для прокатки. Импульсное прессование. Динамическое (ударное) холодное и горячее прессование. Взрывное, электрогидравлическое, электромагнитное и пневматическое прессование. Оборудование. Шликерное формование. Основные характеристики процесса. Оборудование. Горячее прессование и горячая штамповка. Технология. Оборудование.

Методы и приборы для контроля. Усадки, пористости, механических и других свойств. Методы интенсификации процессов формования. Технико-экономические показатели различных процессов формования.

1.5. Cпекание

Сущность и технические задачи спекания. Классификация спекания. Сведения о типах дефектов в кристаллах и причинах их возникновения. Ползучесть при высоких температурах. Механизмы и движущие силы спекания. Изменение свободной поверхности и усадка при спекании. Спекание однокомпонентных систем как вязкое течение, объемная диффузия, пластическое течение, диффузионно-вязкое течение. Стадии спекания. Физико-химические закономерности и кинетики процессов усадки, упрочнения брикетов, роста зерен, торможения усадки при увеличении размеров тела при спекании.

Закономерности и кинетика спекания многокомпонентных систем без образования и в присутствии жидкой фазы. Усадка при спекании систем с образованием твердых растворов и интерметаллических соединений с учетом влияния гетеродиффузии. Механизм спекания. Влияние строения и свойств порошков на уплотнение и формирование свойств материала при спекании. Закономерности пропитки. Методы интенсификации процессов спекания. Активизированное спекание. Спекание электрическим током. Оборудование для спекания с прямым и косвенным нагревом. Закономерности спекания под давлением, горячего прессования. Высокотемпературное изостатическое газовое прессование с одновременным спеканием. Механизм деформирования частиц при внешней нагрузке и высокой температуре. Свойства спеченных изделий. Технико-экономические показатели процессов спекания.

Тема 2. Порошковые материалы

Пористые материалы. Подшипники. Бронзографитовые и железографитовые материалы. Основы технологии производства пористых подшипников, их эксплуатационные характеристики. Пути улучшения физико-механических свойств подшипников. Подшипники сухого трения. Многослойные подшипники. Экономическая эффективность от применения спеченных пористых подшипников. Металлические фильтры. Характеристика спеченных фильтров и их свойства. Материалы для изготовления фильтров; факторы, влияющие на свойства фильтров. Уплотнительные материалы для газовых турбин и химического машиностроения. Электроды и пластины аккумуляторов для электрохимических производств. Материалы для охлаждения выпотеванием, пенометаллы. Беспористые и малопористые антифрикционные материалы. Биметаллические и слоистые ленты, получаемые методами порошковой металлургии. Изготовления вкладышей двигателей. Фрикционные материалы. Требования, свойства и области применения. Технология изготовления.

Электрические контакты, получаемые методами порошковой металлургии. Спеченные разрывные контакты вольфрам-медь, вольфрам-серебро, молибден-серебро, серебро-окись кадмия, вольфрам-никель-медь. Контакты из мелкодисперсных порошков. Магнитные материалы: магнитодиэлектрики, сплавы для постоянных магнитов, магнитомягкие материалы, ферриты. Электрические и магнитные свойства и области применения спеченных магнитных материалов. Технико-экономические показатели. Конструкционные порошковые материалы, требования к ним. Принципы создания износостойких конструкционных порошковых материалов. Изготовление конструкционных деталей из легированных порошков: шестерни, поршневые кольца, шаблоны, детали приборостроения, бытовых машин. Методы повышения прочности: многократное прессование и спекание, ударное прессование, пропитка медью и ее сплавами, горячая штамповка пористых заготовок, применение легированных порошков, термо- и химико-термическая обработка спеченных деталей. Технико-экономические показатели.

Тугоплавкие металлы. Свойства и области применения. Вольфрам и молибден. Требования к исходным порошкам. Влияние технологии прессования и спекания на свойства штабиков. Обрабатываемость давлением, характеристика изделий. Тяжелые сплавы на основе вольфрама. Технология получения. Рений. Сплавы вольфрама и молибдена с рением. Тантал и ниобий. Требования к исходным порошкам. Ковкие заготовки, получаемые вакуумным спеканием. Сверхпроводящие материалы на основе ниобия. Конденсаторные материалы. Переработка отходов компактных металлов с промежуточным гидрированием. Получение гидридов, карбидов. Титан и цирконий. Требования к порошкам титана и циркония, свойства спеченных металлов. Тугоплавкие и твердые бескислородные соединения. Характеристика нитридов, карбидов, боридов, силицидов, гидридов, галогенидов. Строение и свойства тугоплавких соединений. Твердые сплавы. Характеристика спеченных твердых сплавов и их классификация. Области применения. Технологическая схема производства спеченных твердых сплавов. Зависимость структуры и свойств спеченных твердых сплавов от технологии получения. Безвольфрамовые твердые сплавы. Классификация, технология изготовления, свойства, применение. Минералокерамические твердые сплавы. Составы, технология изготовления, свойства, области применения.

Жаропрочные и жаростойкие спеченные материалы и псевдосплавы. Принцип создания жаропрочных материалов. Материалы, армированные волокнами, нитевидными монокристаллами. Спеченные материалы электронной техники и электротехники. Требования к материалам. Применение тугоплавких металлов и соединений. Спеченные материалы ядерной энергетики. Тепловыделяющие элементы (ТВЭЛ), классификация, условия работы. Изготовление материалов для отражателей, управляющих устройств, биологической защиты. Спеченные конструкционные реакторные материалы.

Тема 3. Композиционные материалы

Ключевые слова: композиционные материалы с металлической матрицей (композиты), композиционные материалы с полимерной матрицей, композиционные материалы с керамической матрицей.

3.1. Композиционные материалы с металлической матрицей (композиты)

Классификация композитов. Дисперсно-упрочненные, многослойные, волоконные и направленно закристаллизованные композиты. Основные задачи, решаемые применением композитов в конструкциях. Функции компонентов в композите и требования, предъявляемые к ним. Физико-химическое взаимодействие компонентов. Классификация композитов Термодинамическая, кинетическая и механическая совместимость компонентов композита. Термические и фазовые напряжения в композитах. Механизм повышения сопротивления пластической деформации и  упрочнения композитов частицами. Принципы выбора упрочняющих частиц. Отличие дисперсно-упрочненных композитов от дисперсно-твердеющих сплавов. Дисперсно-упроченные композиты на основе алюминия и никеля. Их получение, свойства и применение. Многослойные композиты. Преимущества многослойных композитов. Механические свойства КМ. Механизм деформации и разрушения многослойных композитов. Получение многослойных композитов. Основы совместной деформации разнородных материалов. Применение.

Волокнистые композиты. Особенности и достоинства волокнистых композитов. Правило смеси. Зависимость прочности от содержания волокон. Многонаправленное армирование. Работа разрушения. Непрерывные и дискретные волокна и нитевидные монокристаллы. Способы получения нитевидных монокристаллов и  их свойства. Способы получения непрерывных волокон углерода, бора, карбида кремния, окиси алюминия, их структура и свойства. Роль взаимодействия неметаллических волокон, получаемых осаждением на металлическую подложку – нить с подложкой. Защитные покрытия на волокнах.

Технологические схемы получения композитов. Пропитка пористых тел вязкими жидкостями. Смачиваемость. Технологические схемы получения изделий пропиткой в автоклаве. Особенности пластической деформации волокнистых композитов. Влияние свойств волокон и матрицы на особенности получения изделий. Направленно закристаллизованные композиты. Сплавы эвтектического типа. Термодинамика фазовых равновесий эвтектических систем. Морфология фаз и принципы  классификации двойных эвтектик. Многовариантные и тройные эвтектики. Основные представления о процессе направленной кристаллизации. Механизм и кинетика направленной кристаллизации. Условия формирования структуры композита. Свойства направленно закристаллизованных композитов. Термическая стабильность и жаропрочность. Применение.

3.2. Композиционные материалы с полимерной матрицей

Классификация полимеров. Полимеры как матрицы полимерных материалов. Химическое строение, физическое состояние и структура полимеров. Их механические, физические свойства и химическая стойкость. Температурные границы эксплуатации: теплостойкость, морозостойкость. Полимерное связующее: двух или многокомпонентные системы – синтетические смолы, отвердители, инициаторы, катализаторы, ускорители отверждения. Пассивные и активные растворители, пигменты, краски, пластификаторы, стабилизаторы, ингибиторы. Наполнители: смазки, антиаприторы, антистатики, антимикробные агенты.

Методы переработки полимеров. Полиэтилен высокого и низкого давления, свойства, технология переработки. Область применения. Полипропилен и полистирол, фторопласты, полиимиды и полиамиды, полиуритан. Свойства и применение. Эпоксидные, винильные и фенолформальдегидные смолы. Свойства и применение. Кремнийорганические полимеры. Свойства и применение. Наполнители: порошкообразные и волокнистые органические и неорганические.

Получение полимерных КМ и методы переработки их в изделие. Прессование (прямое, литьевое, профильное), литье под давлением (инжекция, шприц – гус), интрузия, центробежное литье. Автоклавный метод литья под давлением. Экструзия (выдавливание, шприцевание, шнекование). Формование контактное, с помощью герметичной эластичной оболочки, вакуумное и пневматическое формование. Намотка. Спекание. Штамповка и напыление. Свойства полимерных композиционных материалов. Область применения.

3.3. Композиционные материалы с керамической матрицей

Классификация технической керамики. Принципы разработки конструкционной керамики. Связь между технологией, конструированием и прочностью керамики. Методы получения керамических порошков. Свойства нитридных, карбидных, карбонитридных и оксидных порошков. Получение композиционных порошков. Устройства и оборудование для получения порошков. Получение ультрадисперсных и наноструктурных порошков. Термомеханическая активация. Активация взрывом керамических порошков. Гранулирование. Химическая очистка керамических порошков. Методы оценки свойств и структуры керамических порошков. Классификация порошков и область их использования. Процессы, протекающие при прессовании порошков и факторы, определяющие плотность прессовок. Изостатическое и квазиизостатическое прессование. Вибрационное уплотнение керамических порошков. Пресс-инструмент. Технология. Шликерное формование керамики. Основные свойства шликеров. Технология шликерного формования пористых и не адсорбирующих формах.

Механизмы горячего прессования керамики. Штамповая оснастка, режимы горячего прессования. Закономерности уплотнения. Применение процесса горячего прессования. Горячее изостатическое прессование. Технология и оборудования ГИП. Свойства керамических материалов, полученных ГИП. Прессование керамики высокими давлениями. Процессы, протекающие при формовании и спекании. Режимы и технология прессования в аппаратах высокого давления. Термореактивное прессование. Технологии, оборудование и технологическая оснастка. Свойства керамики, полученной этими методами. Импульсное формование. Расчет энергосиловых параметров процесса. Особенности формования керамики импульсными нагрузками. Прессование на гидродинамических машинах. Получение пористой керамики. Особенности ударно-волновой обработки. Динамическое спекание при взрывной обработке.

Теория жидкофазного и твердофазного спекания керамических порошков. Добавки, активизирующие процесс спекания. Диаграммы состояния керамических соединений с добавками. Формирования структуры и свойств керамики в присутствии добавок. Структурообразование керамических материалов при наличии фазовых превращений. Термообработка керамики. Реакционное спекание керамики SiC. Особенности процессов диффузии Si и C в пористой матрице SiC. Спекание под давлением. Механизмы спекания.

Оксиды керамики на основе AI2O3, ZrO2. Методы получения. Свойства и структура. Получение КМ с керамическими волокнами. Получение нитридной керамики Si3N4, AlN, TiN. СВС-метод получения. Карбидной керамики SiC, TiC, В4С. Свойства и структура керамики. Область применения. Методы получения композиционной керамики на основе Si3N4-SiC. Свойства и структура материала. Горячее прессование и прессование высокими давлениями. Изготовление керамических волокон, их свойства. Композиционные материалы с керамической матрицей. Условия взаимодействия волокон и матрицы при повышенных температурах. Технология изготовления КМ с керамической матрицей.

Методы повышения свойств конструкционной керамики. Фазовые превращения в керамических материалах. Дисперсное упрочнение керамики. Текстура и состояние поверхности керамики. Упрочнение волокнами. Перспектива развития конструкционной и инструментальной керамики.

Тема 4. Наноматериалы и нанотехнологии

Ключевые слова: раздельный синтез, вакуумные технологии, наноматериалы

Принцип раздельного синтеза при создании наноматериалов, технологии получения и свойства наноматериалов. Методы порошковой металлургии, используемые при производстве наноматериалов. Вакуумные технологии получения наноматериалов. Технологические особенности обработки и изготовления изделий из наноматериалов. Использование наноматериалов для модифицирования полимеров, активирования процессов синтеза при производстве синтетических алмазов и кубического нитрида бора. Использование нанотехнологий при производстве конструкционных и инструментальных материалов с высокими эксплуатационными свойствами, в том числе, при получении сверхтвердых материалов, диэлектриков, токопроводящей керамики, тепловых труб, защитных покрытий и материалов многофункционального назначения. Применение наноматериалов в микроэлектронике, машиностроении, металлургии.

4. Литература

  1. Порошковая металлургия и напыленные покрытия: Учебник для вузов / В.Н. Анциферов, Г.Б. Бобров, Л.К. Дружинин и др. – М.: Металлургия, 1987. – 792 с.

  2. Кипарисов С.С., Либенсон Г.А. Порошковая металлургия. - М.: Металлургия, 1992. – 432 с.

  3. Либенсон Г.А. Производство порошковых изделий. – М.: Металлургия, 1990.

  4. Порошковая металлургия и напыленные покрытия.  /Под ред. Митина Б.С. – М.: Металлургия, 1987. – 791 с.

  5. Композиционные материалы: Справочник. / Под ред.Д.М.Карпиноса. – Киев, Наукова думка, 1985. – 592 с.

  6. Броек Д. Основы механики разрушения. – М.: Высшая школа, 1980. – 380с.

  7. Композиционные материалы: Справочник/ Под ред. Д.М. Карпиноса. – К.: Наукова думка, 1985. – 590 с.

  8. Композиционные материалы: Справочник / Под ред. В.Ю. Васильева, Ю.М. Торнопольского. – М.: Машиностроение, 1988. – 968 с.

  9. Кипарисов С.С., Подалко О.В. Оборудование предприятий порошковой металлургии: Уч. для вузов. – М.: Высшая школа, 1988. – 448 с.

  10. Справочник по КМ / Под ред. Д. Любина, том 1, 2. – М.: Машиностроение, 1988.

  11. Неметаллические тугоплавкие соединения / Т.Я. Косолапова, Т.В. Адреева, Т.С. Бартницкий и др. – М.: Металлургия, 1985. - 224 с.

  12. Мир материалов и технологий / Ф. Мэттьюз, Р. Ролингс / Композиционные материалы. Механика и технология. – М.: Техносфера, 2004. – 406 с.

  13. Формирование структуры и свойств пористых порошковых материалов/П.А. Витязь, В.М. Капцевич, А.Г. Косторнов, В.К. Шелег.- М.: Металлургия, 1993.-240с.

  14. Гегузин Я.Е. Физика спекания.- М.: Наука,1984

  15. Андриевский Р.А. Порошковое материаловедение.-М.: Металлургия, 1991.-207с.

  16. Конструкционные порошковые материалы и изделия/Ю.Г. Дорофеев, Л.Г. Мариненко, В.И. Устименко.-М.: Металлургия, 1986.-143с.

  17. Ермаков С.С., Вязников Н.Ф. Порошковые стали и изделия .-Л.: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1990.-318с.

  18. Ковальченко М.С. Теоретические основы горячей обработки пористых материалов давлением.- Киев: Наукова думка, 1980

  19. Наночастицы металлов в полимерах /А.Д. Помогайло, А.С. Розенберг, И.Е. Уфлянд.- М.: Наука и техника, 2000.-672с.

  20. Получение, свойства и применение порошков алмаза и кубического нитрида бора. В.Б.Шипило, Е.В.Звонарев, А.М. Кузей и др./под ред. П.А. Витязя.- Мн.:Бел. Навука.-2003.-335с.

  21. Синтез и применение сверхтвердых материалов/ П.А. Витязь, В.Д. Грицук, В.Т. Сенють.-Мн.: Бел. Навука.- 2005.-359 с.