Современные тенденции развития и задачи порошковой металлургии

В 60-х годах ХХ столетия в науке и технике возникло и успешно развивается новое направление современного материаловедения и порошковой металлургии, базирующееся на применении высоких скоростей охлаждения металлических расплавов. Поскольку технология быстрого затвердевания наиболее широко применяется при производстве распыленных металлических порошков, новое направление обычно считают составной частью порошковой металлургии. Быстрое затвердевание происходит в условиях глубокого переохлаждения расплава, что позволяет радикальным образом изменять структуру металлических сплавов. Для быстро затвердевших сплавов характерно отсутствие макроликвации легирующих элементов, расширение области твердых растворов, возможность выделения новых метастабильных фаз, резкое диспергирование структурных элементов и получение новых структурных состояний, в том числе нанокристаллической и аморфной структуры. Подобные структурные изменения открывают новые возможности для создания металлических сплавов с более высокими характеристиками прочности и износостойкости, жаропрочности, сверхпластичности и других ценных свойств, по сравнению с достигнутым уровнем на базе традиционных металлургических технологий.

В нашей стране исключительное внимание и концентрация сил сосредотачиваются на нанотехнологиях. В последние годы, в связи с необходимостью миниатюризации различных объектов (микроэлектроника и др.), появился новый класс ультрадисперсных материалов, обладающих необычной атомно-кристаллической решеткой и уникальными свойствами. К этому классу относят материалы с размером морфологических элементов структуры менее 100 нм. В научно-технической литературе их называют наноматериалами. Первые исследования наноматериалов показали, что по сравнению с обычными материалами, они отличаются по удельной теплоемкости, модулю упругости, коэффициенту диффузии, магнитным свойствам и др. С уменьшением размера зерен или частиц увеличивается доля атомов, расположенных на границах или свободных поверхностях. В поверхностных слоях проявляются аномалии в поведении электронов и квазичастиц, что влечет за собой изменение физических свойств, по сравнению с массивными материалами. Некоторые ученые считают, что уменьшение размера зерна с 10 мкм до 10 нм повысит прочность металла в 30 раз. Добавление нанопорошка (частиц размером менее 100 нм) к обычным порошкам, при прессовании и спекании последних, позволит уменьшить температуры прессования и спекания, а также повысить прочность прессованных и спеченных изделий. Использование тонкой прослойки из нанопорошков, расположенной между свариваемыми деталями, позволит сваривать разнородные материалы, например металлы с керамикой.

Микро и наноструктура порошков является необходимым, но недостаточным условием для получения материалов с высоким комплексом свойств. При уплотнении порошков и изготовлении компактных порошковых изделий необходимо принять меры, предотвращающие образование в компактных заготовках дефектов структуры - концентраторов напряжений. Такими дефектами могут быть любые несплошности на межчастичных границах, например поры, остатки оксидной пленки, неметаллические включения, отдельные трещины и т. п. Эту проблему решают, применяя специальные методы очистки порошков и способы пластической деформации (горячее изостатическое прессование, горячую экструзию, ковку, прокатку и др.), обеспечивающие получение беспористых заготовок. В настоящее время уже создано промышленное производство распыленных микрокристаллических порошков и изделий из высокопрочных алюминиевых сплавов, инструментальных и нержавеющих сталей, жаропрочных сплавов на основе никеля и титана, магнитных сплавов, припоев и др. Разработаны и находят практическое применение новые способы формообразования, уплотнения и консолидации порошков: инжекционное формование, оспрей-процесс, совмещающий во времени распыление расплава и формирование заготовки на готовой подложке, и компьютерные технологии, в основе которых лежит процесс изготовления порошкового изделия без применения форм. В последнем случае порошковая заготовка послойно формируется на столе координатного устройства по командам компьютера, в памяти которого имеется трехмерная модель требующегося изделия.

Наряду со значительными достижениями, в развитии порошковой металлургии имеются также нерешенные проблемы и трудности, сдерживающие дальнейшее ее расширение в технике. К таким проблемам следует отнести высокую стоимость металлических порошков, в сравнении с литым металлом и дорогую оснастку для формования заготовок. Это часто делает невыгодным производство порошковых изделий, особенно в условиях мелко и среднесерийного производства. Определенное отставание теоретических разработок от практики затрудняет достижение стабильных результатов в вопросах качества порошков, уровня механических свойств порошковых материалов и изделий.

Перед современной порошковой металлургией стоят следующие задачи:

‑ совершенствование технологии уплотнения порошков, для тех порошковых изделий, где плотность и надежность являются необходимыми свойствами;

‑ развитие производства труднообрабатываемых материалов и изделий с полной плотностью, у которых высокий комплекс свойств формируется на базе дисперсной однородной микроструктуры;

‑ разработка экономичных методов уплотнения многофазных композиционных материалов специального назначения;

‑ синтез неравновесных материалов и метастабильных сплавов с микро, нано и аморфной структурой;

‑ разработка и производство изделий с уникальным химическим составом, обеспечивающим требуемые функциональные свойства;

‑ развитие массового производства точных, высококачественных конструкционных деталей из дешевых материалов.

Контрольные вопросы

1. Перечислите наиболее значимые этапы и события в историческом развитии порошковой металлургии.

2. Какова роль П.Г. Соболевского в порошковой металлургии?

3. Перечислите наиболее существенные технические задачи, которые решены с помощью порошковой металлургии?

4. Что ограничивает расширение применения методов порошковой металлургии?

5. Каковы задачи современной порошковой металлургии?