Лаборатория физики консолидации порошковых материалов

Краткая историческая справка:

Лаборатория физики консолидации порошковых материалов была создана в ноябре 2021 года приказом директора ИФПМ СО РАН в рамках структурной реорганизации Института из числа сотрудников существовавших ранее лабораторий с целью решения актуальных фундаментальных и прикладных задач по разработке и созданию новых материалов функционального и конструкционного назначения на основе металлических и неметаллических порошковых систем.

Основные направления научных исследований:
1) Разработка физических принципов проектирования новых композиционных материалов функционального и конструкционного назначения на основе направленного подбора элементного состава порошковых систем, в том числе с использованием методов компьютерного моделирования.
2) Разработка и получение высокоэнтропийных материалов, характеризующихся высокими прочностными жаропрочными характеристиками, коррозийной и термоустойчивостью, материалов фрикционного и антифрикционного назначения и другими улучшенными функциональными свойствами.
3) Разработка и получение порошковых метаматериалов (материалов с искусственно созданной структурой) с использованием современных технологий на основе селективного лазерного  и электронно-лучевого сплавления.

4) Научные основы управления механизмами формирования структуры композиционных материалов, получаемых методами порошковой металлургии.

Состав подразделения:
Общая численность 15 человек, в том числе:
докторов наук - 3;
кандидатов наук - 6

Тематики научных исследований лаборатории:

- Исследование межфазного взаимодействия в процессах синтеза и консолидации композиционных порошков применительно к технологиям получения объемных металломатричных композитов, а также в технологиях пайки, сварки и нанесения покрытий;

- Разработка научных основ синтеза и исследование свойств порошковых металломатричных композитов, упрочненных наноразмерными частицами тугоплавких соединений;

- Термодинамический анализ необходимых условий для синтеза композитов с заранее заданным фазовым составом матрицы и дисперсного упрочнителя;

- Разработка научных основ способов и технологических режимов консолидации композиционных порошков для получения беспористых металломатричных композитов методами квазистатического и динамического компактирования, искрового плазменного спекания (SPS), селективного лазерного плавления (SLM) и др.;

- Исследование закономерностей формирования структур в условиях объемной экзотермической реакции образования материалов под давлением и с пластической деформацией продуктов высокотемпературного синтеза и их влияния на физические и прочностные свойства материалов;

- Разработка механизмов модификации структурно-фазовых состояний, физических и прочностных свойств поверхностных слоев металлических и композиционных материалов при высокоэнергетическом электронно-ионно-плазменном воздействии;

- Создание новых композиционных материалов конструкционного и функционального назначения на основе карбидов и оксидов с иерархической структурой, в широком диапазоне пористости, исследованием их физико-механических свойств, а также процессов деформации и разрушения на разных масштабных уровнях.

Важнейшие результаты:

• Разработаны научные и технологические основы получения многокомпонентных порошковых мишеней (катодов) для вакуумнодугового и магнетронного синтеза нитридных покрытий с нанокристаллической структурой.
• Разработаны научные и технологические основы синтеза металломатричных композитов, упрочненных дисперсными частицами карбидов, боридов, силицидов.
• Установлена роль и значение ключевого параметра процесса формирования высокопрочных структур в жаростойких интерметаллических сплавах в условиях теплового взрыва исходных элементов под давлением - силового нагружения и деформационного воздействия на соответствующих стадиях процесса высокотемпературного синтеза интерметаллического сплава.
• Разработаны научные и технологические основы электроннолучевой наплавки и напыления композиционных износостойких покрытий с карбидной упрочняющей фазой.
• Теоретически показано, что снижение величины энергии ионизации плазмообразующего инертного газа при переходе от электронного облучения металлокерамического композита 50%TiC/50%(Ni-20%Cr) в плазме аргона к облучению в плазмах криптона и ксенона при неизменных значениях длительности импульсов облучения и плотности энергии в электронном пучке увеличивает глубину прогрева поверхностного слоя металлокерамического композита до температур инициирования межфазного взаимодействия компонентов металлокерамической композиции и структурно-фазовых превращений в поверхностном слое композита.
• Разработаны научные основы жидкофазного спекания в металлических системах с взаимодействующими компонентами.
• Разработаны научные основы формирования ультрамелкозернистой структуры и высоких механических свойств порошковых и литых металлических материалов с применением метода равноканального углового прессования (РКУ).
• Экспериментально установлено, что с увеличением атомной массы при одновременном снижении энергии ионизации плазмообразующего инертного газа при импульсном электронном облучении увеличивается глубина измельчения металлокерамической структуры поверхностного слоя, повышается содержание в поверхностном слое наноструктурной составляющей. В соответствии с развитием нанокристаллической структуры повышаются микротвердость и износостойкость поверхностного слоя, снижается величина коэффициента трения по облученной поверхности, кратно увеличивается ресурс работы металлообрабатывающего инструмента.
• Установлены новые закономерности трансформационного превращения в пористой керамике на основе диоксида циркония и особенности формирования физико-механических свойств и деформационного рельефа в керамических материалах на основе диоксида циркония;
• Установлено, что в пористой керамике возможно трансформационное превращение, связанное с механическими напряжениями, при этом основным фактором, обусловливающим такое превращение в пористом материале, являются внутренние микронапряжения (напряжения второго рода) уменьшающиеся с ростом пористости и увеличением размера зерна керамики;
• Получены керамические материалы с иерархической поровой структурой, оказывающей существенное влияние на характер повреждения материала при сжатии, обусловливая переход от хрупкого разрушения к квазипластичному, вследствие формирования многочисленных очагов разрушения.

Важнейшие публикации за 2017-2022 гг.:

1. Demirtas M., Ivanov K., Purcek G., Yanar H. Enhancing mechanical and tribological properties of Ni3Al-15vol%TiC composite by high current pulsed electron beam irradiation Journal of Alloys and Compounds, 2022, Vol.898, article number 162860.

2. Ivanov K.V., Chesnokov A.E., Smirnov A.V.  Application of high current pulsed electron beam irradiation to smoothing of cold spray aluminum bronze coating Vacuum, 2022, Vol. 197, article number 110780.

3. Rusin N.M., Skorentsev A.L., Krinitcyn M.G., Dmitriev A.I. Tribotechnical Properties of Sintered Antifriction Aluminum-Based Composite under Dry Friction against Steel Materials, 2022, Vol. 15, article number 180.

4. Pribytkov G.A., Baranovskiy A.V., Firsina I.A., Korzhova V.V., Krinitcyn M.G. and Korosteleva E.N.  Ti-TiC Composites by Thermal Explosion in Mechanically Activated Ti-xC Powder Blends (x = 1.0-6.3 wt %). International Journal of Self-Propagating High-Temperature Synthesis, 2021, Vol. 30, No. 2, pp. 87-93. 

5. Korosteleva, E.N.; Pribytkov, G.A.; Korzhova, V.V. Effect of the Hot Deformation Conditions on Structure and Mechanical Properties of AlCr/AlCrSi Powder Composites Metals 2021, 11, 1853.

6. Sevostyanova I.N., Sablina T.Yu., Burlachenko A.G. and Kulkov S.N.  Deformation and Fracture Mechanics of WC-(Fe-Mn-C) Composite in Axial Compression Physical Mesomechanics, 2022, Vol. 25, No. 2, pp. 142-148.

7. Ovcharenko V.E., Kozulin A.A., Akimov K.O., Ivanov K.V. The effect of shear strains on grain size in the Ni3Al intermetallic compound synthesized under pressure Mechanics of Materials, 2021, Vol. 161, article number 103988.

8. Ivanov K.V., Razorenov S.V., Garkushin G.V. Investigation of structure and mechanical properties under quasi-static and planar impact loading of aluminum composite reinforced with Al2O3 nanoparticles of different shape Materials Today Communications, 2021, Vol. 29, article number 102942

9. Pribytkov G.A., Baranovskiy A.V., Korzhova V.V. and Krinitcyn M.G. Mechanoactivated SHS in Ferrotitanium-Carbon Black Powder Mixtures International Journal of Self-Propagating High-Temperature Synthesis, 2020, Vol. 29, No. 1, pp. 61-63.

10. Rusin N.M., Skorentsev A.L., Kolubaev E.A. Effect of equal channel angular pressing on mechanical and tribological properties of sintered Al-Sn composites Journal of Materials Engineering and Performance, 2020, Vol. 29(3), pp. 1955-1963.

11. Ivanov K.V., Kalashnikov M.P. Structure and phase composition of "ZrO2 thin coating - aluminum substrate" system processed through pulsed electron beam irradiation Applied Surface Science, 2020, Vol. 534, article number 147628.

12. Ovcharenko V.E., Boyangin E.N., Akimov K.O., Ivanov K.V. Formation of Grain Structure in Ni3Al Intermetallic Compound Synthesized by Thermal Explosion Combustion, Explosion and Shock Waves, 2019, Vol. 55(2), pp. 191-196.

13. Rusin N.M., Skorentsev A.L. Stages of plastic flow of silumin-matrix-based composites during compression Physics of Metals and Metallography, 2019, Vol. 120(8), pp. 813-818.

14. Sevostyanova I.N., Sablina T.Yu., Gorbatenko V.V. and Kulkov S.N. Strain Localization during Diametral Compression of ZrO2(Y2O3) Ceramics Technical Physics Letters, 2019, Vol. 45, No. 9, pp. 943-946.

15. Монография «Металломатричные композиты с тугоплавкой дисперсной фазой: синтез, структура, применение» (Авторы: Князева А.Г., Коростелева Е.Н., Криницын М.Г., Крюкова О.Н., Прибытков Г.А., Чумаков Ю.А.)., Изд. «Иван Федоров», 262 стр., 2019г. Томск.

16. Bao-Hai Yu, Ovcharenko V.E., Ivanov K.V., Mohovikov A.A., Yan-Hui Zhao. Effect of Surface Layer Structural-Phase Modification on Tribological and Strength Properties of a TiC-(Ni-Cr) Metal Ceramic Alloy Acta Metall. Sin. (Engl. Lett.).  2018. Vol. 31. P.547-551.

17. Ovcharenko V.E., Ivanov K.V., Ivanov Yu.F., Mohovikov A.A. Influence of High Energy Impact on the Structural-Phase State and Tribological Properties of the Surface Laser of Metal-Ceramic Composite Materials Journal of Surface Investigation: X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques. 2018. Vol.12. No.3. P. 485-491.

18. Savchenko N.L., Sablina T.Yu., Sevost'yanova I.N., Burlachenko A.G., Buyakova S.P., and Kul'kov S.N. "The Effect of Porosity and Grain Size on the Phase Composition and Mechanical Properties of Zirconium-Dioxide-Based Ceramic". // Technical Physics Letters, 2018, Vol. 44, No. 8, pp. 663-666.

Проекты, гранты

Гранты РНФ в период 2017-2022 гг.:

- Проект №16-19-10010 (2016 - 2019 гг.) «Развитие научных основ повышения надежности металлических конструкций при эксплуатации в условиях низких климатических температур посредством модифицирования зоны сварного соединения композиционными материалами, импульсным энергетическим воздействием и ударно-механической обработкой";

- Проект № 17-19-01425 (2017-2019 гг) «Изучение физических закономерностей синтеза композитных порошков на основе титана и его сплавов для модификации и формирования электроннолучевым сплавлением деталей, применяемых в авиакосмической отрасли»;

- Проект № 17-19-01425-П (2020-2021 гг.) (Продление) «Изучение физических закономерностей синтеза композитных порошков на основе титана и его сплавов для модификации и формирования электроннолучевым сплавлением деталей, применяемых в авиакосмической отрасли»;

- Проект №22-19-00441 (2022-2024 гг.) «Разработка физических принципов конструирования микроструктуры многокомпонентных покрытий системы Ti-Al-Ta-Si-N на основе комплексного подхода, сочетающего теоретические модели и их экспериментальную валидацию».

Гранты РФФИ в период 2017-2020 гг.:

- Проект № 16-08-00493 «Разработка методов синтеза и технологий применения металломатричных композиционных порошков для нанесения износостойких покрытий и в аддитивных технологиях получения изделий с градиентной структурой» (2016-2018 гг.);

- Проект № 16-48-700381 «Синтез композиционных порошков "тугоплавкий борид-металлическая связка" для применения в технологиях наплавки и напыления износостойких покрытий» (2016-2018 гг.);

- Проект № 16-38-00493 Исследование структуры и свойств электронно-лучевых покрытий, наплавленных композиционными порошками "карбид титана - титан". (2017 - 2018гг.);

- Проект № 18-32-00330 «СВС порошковые композиты "карбид титана - связки на основе железа": механоактивация, синтез, применение для нанесения износостойких покрытий. (2019 - 2020гг.);

- Проект № 16-43-700440 «Ультрамелкозернистые композиционные материалы с металлической матрицей, полученные перспективными методами интенсивной пластической деформации» (2016 - 2018 гг.).

Патенты и авторские свидетельства:

№1422693, Спечённый сплав на основе алюминия, МКИ В22F 3/12, C22C 1/08 (1988); №1749284, Пористый спечённый сплав, МКИ С22С 1/08, 21/12, 38/16 (1992); № 2112068, Спечённый композиционный материал на основе меди, МКИ С22С 1/09, 9/01(1997); № 221697, Пресс-форма для равно-канального углового прессования материалов, (2001); № 34450, Устройство для компактирования порошковых и гранулированных материалов (2003); №70846, Устройство для интенсивной деформационной проработки пластичных материалов, В30В 15/02 (2008); №2370341,

Способ получения высокоплотного прочного материала на основе алюминиевого порошка, В22F 3/02,3/15, 3/20 (2009); RU 2492964, Способ получения износостойкого антифрикционного самосмазывающегося сплава, C1 (2013); RU № 2552208, Способ получения износостойкого антифрикционного сплава (2015); RU 2714005, Износостойкий композиционный материал на основе алюминия и способ его получения (2020).