Объемные наноструктурные материалы и наноструктурированные покрытия
Национальный исследовательский ядерный университет «Московский инженерно-физический институт»
Факультет «ВФ» Кафедра: «Микро- и наноэлектроники» Курс: «Применение персональных компьютеров»
Объемные наноструктурные материалы и наноструктурированные покрытия
Группа: В5-27 Выполнил: Зубехин Н.А. Преподаватель: доцент В.А. Лапшинский
Москва 2015 (версия: 2.0 14.12.15) Оглавление Аннотация 4 Введение 4 Компактирование порошков 5 Аморфизация металлических сплавов 6 Нано ориентированные технологии обработки поверхности 7 Методы интенсивной пластической деформации 9 Нано структурирование металлов термической обработкой 9 Сложность получения ионно-плазменных поликристаллических покрытий с заданными стабильными эксплуатационными свойствами 13 Список литературы: 14 Заключение: 14
«Нанотехнологии преимущественно состоят из процессов разделения, объединения и деформации материалов атом за атомом или молекула за молекулой»
Аннотация В данной работе я расскажу немного о нанотехнологиях, наноструктурных материалах и методах их обработки и их свойствами. О том, на сколько важны эти технологии для человечества в будущем. Цель работы: донести до читателя многообразие возможностей обработки тех или иных нанострукнурных материалов. Введение На самом деле, термин “Нанотехнологии” был придумал не так давно… Всего каких-то сорок с небольшим лет назад об этом словосочетании никто ничего не знал. Впервые предложил этот термин японский ученый Норио Танигучи (Norio Taniguchi, Рис. 1) в 1974 г. но это не дало особого всплеска в науке. Принципиальное же значение малоразмерных объектов было подчеркнуто физиком Ричардом Фейнманом (Richard Feynman, Рис. 2) и уже после этого, большое внимание к нанотехнологиям возник в 1996 г., когда правительственная комиссия США, Центр Оценки Мировых Технологий (World Technology Evaluation Center) предприняла изучение мирового опыта исследований и разработок в области нанотехнологии с целью оценки их технологического инновационного потенциала. Он оказался огромным…[1]
Компактирование порошков
К омпактирование – это процесс, при котором частицы порошка уплотняются под давлением или иным воздействием для получения более плотной массы или оформленного объекта. Совмещение процессов формования и спекания или проведение спекания под давлением позволяет достигать больших значений плотности, в том числе и близких к теоретическому значению при использовании меньших температур нагрева. Наиболее простой способ – спекание при одноосном приложении давления (рис. 1). Более прогрессивными методом совмещения процессов формовки и спекания являются горячее изостатическое прессование, метод 8aбыстрого ненаправленного компактирования, метод высокотемпературной газовой экструзии, метод инжекционного литья. [2]
Таблица 1. Механические свойства нано кристаллического никеля и крупнозернистого никеля при растяжении и ударном изгибе[3] Свойства Нано кристаллический Ni Крупнозернистый Ni σ_T 529 МПа 80 МПа σ_B 623 МПа 400 МПа δ 22% 40% KCU 66-63 Дж/〖см〗^2 203-198 Дж/〖см〗^2 K1С 82,3 МПа•м^(1/2) 51,7 МПа•м^(1/2) Аморфизация металлических сплавов
О дним из перспективных способов получения нано кристаллической структуры является использование возможности формирования аморфного состояния – отсутствия дальнего порядка в расположении атомов упаковки. Среди многообразия методов получения аморфной структуры наиболее освоенным является закалка из жидкого состояния, схемы которой приведены ниже (рис. 2). [4]
Спиннингование, т.е. получение тонких лент аморфных металлических сплавов осуществляется с помощью быстрого (со скоростью не менее 〖10〗^6 К/с) охлаждения расплава на поверхности вращающегося диска или барабана. Нано кристаллическую ленту удается получать и непосредственно в процессе спиннингования. Использование закалки жидкого расплава на основе алюминия, легированного хромом, церием и кобальтом, позволяет получать исключительно высокую прочность на растяжение (до 1340 МПа), близкой или превосходящей прочность специальных сталей.
Нано ориентированные технологии обработки поверхности
Т ехнологии обработки поверхности материалов к настоящему времени представляют собой одну из наиболее развивающихся областей науки о материалах. Данные методы можно условно подразделить на две большие группы – технологии, основанные на физических процессах и технологии, основанные на химических процессах. Среди всех нано ориентированных технологий обработки поверхности на сегодняшний день наиболее перспективными являются ионно- вакуумные технологии нанесения покрытий. Полученные такими способами слои отличаются высокой адгезией, а температурное воздействие на материал основы как правило минимальное. Так, размер кристаллитов в пленках, полученных по технологиям вакуумного нанесения, может достигать 1-3 нм. Методом физического осаждения из паровой фазы обеспечивает получение очень равномерных поверхностных слоев толщиной от <1 нм до 200 мкм с очень хорошей воспроизводимостью свойств (рис. 3). Интересным является нанесение покрытий методом термического испарения, он достаточно широко используется при производстве жестких магнитных дисков для компьютеров. Сначала напыляется промежуточный металлический слой, например, Ni-Fe, толщиной 500-1000 нм, а уже затем основной слой из магнитного материала, например, сплава на основе Co или Co-Cr, толщиной 100-500 нм. Поверх всего покрытия наносится износостойкий защитный углеродный слой толщиной 30-50 нм. [4]
Методы интенсивной пластической деформации
П ластическая деформация издревле считалась эффективным методом диспергирования структуры. Одним из них является обработка металла давлением, (а именно холодная пластическая деформация) и последующий рекристаллизационый отжиг. К недостаткам данного метода можно отнести необходимость реализации ОМД (обработка металла давлением) с использованием специального оборудования и невозможность обработки крупногабаритных деталей. Еще одним методом измельчения зерна, в основе которого лежит сочетание обработки металла давлением и термической обработки - является патентирование. Этот процесс включает в себя две технологические операции: изотермическая обработка на структуру тростит и последующая холодная пластическая деформация (волочение). Недостатками этого метода является ограниченная область применения (только для проволоки), ограничения по температуре эксплуатации, а также получение высоких значений прочности, при малой пластичности материала.
Д ля формирования нано структурного состояния в конструкционных сталях в работе Заяц Л.Ц. и Панов Д.О. с сотрудниками использовали скоростную термоциклическую обработку. Таким способом на стали 12Х2Г2НМФТ, которая является наиболее ярким представителем системно легированных сталей. Нагрев при скоростной ТЦО осуществляли в соляных ваннах с последующим охлаждением в воде. Исследование структуры и механических свойств стали 12Х2Г2НМФТ после различных режимов ТЦО показало, что циклирование на 800 ºС приводит к получению двухфазного состояния: исходная релаксированная α-фаза и свежезакаленный мартенсит. Увеличение количества циклов приводит к диспергированию структуры и росту предела текучести, хотя общий уровень характеристик прочности понижен из-за присутствия немартенситной α-фазы. ТЦО на 1000 ºС не приводит к существенному диспергированию структуры: максимальный достигнутый результат диспергирования аустенитного зерна по сравнению с исходным состоянием – с 18 до 10 мкм (рис. 4). Характеристики прочности при таком режиме ТЦО также увеличиваются от цикла к циклу, при этом уровень характеристик прочности более высокий вследствие полной аустенитизации при нагреве. Наибольшее диспергирование структуры и лучший комплекс механических свойств стали 12Х2Г2НМФТ достигнут при ТЦО на 900 ºС, 5 циклов. В результате такой обработки происходит измельчение зерна аустенита с 18 до 1,5 мкм. В структуре наблюдаются однопакетные мартенситные области (рис. 5) при этом средний поперечный размер реек мартенсита уменьшается от 250 нм (в исходном состоянии) до 80 нм (после данного режима ТЦО). При ТЦО на 900 ºС 5 циклов стали 12Х2Г2НМФТ получен следующий комплекс механических свойств:σ_0,2 = 1250 МПа, σ_B = 1410 МПа, δ = 14 %, ψ = 62%. Оценка ударной вязкости (КСТ) показала, что ТЦО на 900 ºС, 5 циклов приводит к увеличению вязкости стали 12Х2Г2НМФТ в два раза по сравнению с исходным состоянием (с 40 до 81 Дж/〖см〗^2). Данные анализа дифракции отраженных электронов видетельствуют о том, что структура стали 12Х2Г2НМФТ после ТЦО на 900 ºС, 5 циклов состоит из однородных по размерам областей со средним размером 1,5 мкм, кристаллографическая текстура комплекса новых мелких равноосных зерен отсутствует, а доля межзёренных высокоугловых границ составляет 80 %. Также в рамках научно-исследовательской работы проведено исследование технологических процессов объемного упрочнения низкоуглеродистой конструкционной стали 15Х3Г3МФТ для изготовления метизных изделий и разработано два упрочняющих процесса термической обработки. Первая упрочняющая обработка – рекристаллизационный отжиг на 550 °С после закалки и холодной пластической деформации методом радиальной ковки со степенью 60%. Вторая упрочняющая обработка – интенсивная термическая обработка на 900 °С исходно закаленной и холоднодеформированной со степенью 60% методом радиальной ковки прутковой заготовки, исследуемой стали. Характеристики механических свойств низкоуглеродистой конструкционной стали 15Х3Г3МФТ в исходно закаленном и после объемного упрочнения приведены в таблице 2.
Таблица 2. – Характеристики механических свойств конструкционной низкоуглеродистой стали 15Х3Г3МФТ Режим обработки σ_0,2 σ_В δ ψ KCТ, Дж/〖мм〗^2 HRC, ед. МПа % Закалка от температур статической горячей ковки (исходное состояние) 910 1250 15 59 35 35 Холодная радиальная ковка 60% + интенсивная термическая обработка на 900 °С 1180 1330 14 66 96 40 Холодная радиальная ковка 60% + рекристаллизационный отжиг на 550 °С 1140 1210 15 58 109 32 Следует отметить, как видно из таблицы, что наиболее высокий комплекс механических свойств реализован конструкционной низкоуглеродистой стали 15Х3Г3МФТ для создания прочных высоконадежных метизных изделий формируется в результате обработки, включающей закалку с температур горячей ковки, холодную пластическую деформацию методом радиальной ковки со степенью 60 % и последующую интенсивную термическую обработку, заключающуюся в однократном скоростном нагреве до 900 оС, короткой выдержке (5 минут) и последующем быстрым охлаждении в воду. [1]
Сложность получения ионно-плазменных поликристаллических покрытий с заданными стабильными эксплуатационными свойствами
П олучение нано структурированных покрытий с высокими ФМС, трибологическими, адгезионными и коррозионными свойствами в низкотемпературной области возможно путем определенного подбора ТехП осаждения, углубления понимания малоизученных процессов, участвующих в формировании покрытий.[6] Получение покрытий заданного состава и структуры со стабильными эксплуатационными свойствами, стойких к многофакторным условиям эксплуатации невозможно без анализа процесса структурообразования покрытия. Возможности контроля развития реальной структуры в процессе структурообразования покрытий ограничены, и полученные структуры нестабильны с увеличением температуры. Вопросам структурообразования покрытий посвящено значительное количество теоретических и экспериментальных работ. Для ионно-плазменных методов, в частности ЭДИ и МР, свойственны неравновесные условия и высокая анизотропия скоростей формирования по различным направлениям. При описании покрытий со сложным составом и структурой приходится, в отсутствие общепризнанных теоретических моделей, экспериментально изучать процессы их структурообразования в зависимости от ТехП процесса их осаждения. Возникает проблема фундаментального подхода к изучению фазовых переходов в многофазных покрытиях в условиях использования неприменимых к ним некоторых макроскопических характеристик. Необходима разработка новых подходов к описанию процессов образования покрытий, исследованию возможных фаз, структурных и фазовых переходов, позволяющих описать процессы их структурообразования. Информация о покрытиях многообразна, но неоднородна. Несмотря на многолетний опыт создания и применения ионно-плазменных технологий, снижение нестабильности эксплуатационных свойств ТИ и ПТ остается актуальной проблемой.
Список литературы: Югай С.С., Каменева А.Л. Объемные наноструктурные материалы и наноструктурированные покрытия. Алымов М.И., Зеленский В.А. Методы получения и физико-механические свойства объемных нанокристаллических материалов. МИФИ, 2005 Тихомиров С.А. Закономерности консолидации металлических нанопорошков никеля и железа / автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук по спец. 05.16.06 – порошковая металлургия и композиционные материалы. Институт металлургии и материаловедения им. А.А.Байкова РАН. - 2007. Балоян Б.М., Колмаков А.Г., Алымов М.И., Кротов А.М. Наноматерилы. Классификация, особенности свойств, применение и технологии получения. Учебное пособие.«Угреша», 2007 Береснев В.М., Погребняк А.Д., Азаренков Н.А., Фареник В.И., Кирик Г.В. Нанокристаллические и нанокомпозитные покрытия, структура, свойства // ФИП. 2007
Заключение: Данный конспект был создан с помощью программы Microsoft Office Word 2013.
