Исследование и моделирование процесса получения заготовок из композиционного материала системы алюминий-редкоземельные металлы

• Автор: Ганин, Сергей Владимирович
• Шифр специальности: 05.16.06, 05.16.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 179 с. : ил.

Оглавление
Введение
Глава 1. Научные и технологические возможности получения заготовок из композиционного материала на основе механически легированных порошков системы алюминий - редкоземельные элементы
1.1. Особенности и преимущества метода механического
легирования для получения порошковых композиционных материалов с ультрамелкозернистой структурой
1.2 Анализ различных методов уплотнения и деформации порошковых материалов
1.3. Основные возможности метода РКУП и анализ опыта его
применения для получения ультрадисперсной структуры в
компактных и порошковых материалах
Глава 2. Исследование свойств порошковых композиций системы
алюминий - редкоземельные металлы, полученных механическим легированием
2.1. Материалы и методика их получения
2.2. Определение технологических свойств композиций
2.3. Влияние предварительной термообработки на процесс
уплотнения композиций
2.4. Исследование уплотняемости материалов при различных
температурах и методах уплотнения
Глава 3. Физическое и математическое моделирование процессов
уплотнения и пластического деформирования порошковой композиции с использованием метода РКУП
3.1. Определение реологических характеристик порошковых
материалов
3.2. Математическое моделирование процесса РКУ прессования.
Глава 4. Проектирование рабочего инструмента и практическая
реализация процесса получения заготовок из композиционного материала с особыми радиационно защитными свойствами с использованием методов интенсивной пластической деформации
4.1. Проектирование оснастки для РКУП
4.2 Экспериментальное исследование процесса компактирования
4.3 Математическое моделирование пластического
деформирования слоистых композиционных заготовок при горячей прокатке
4.4 Исследование скомпактированных заготовок
Основные выводы по работе
Список литературы
Приложения
Введение
Методы порошковой металлургии находят широкое применение при получении изделий со специальными свойствами для различных отраслей промышленности: машиностроение, специальное и аналитическое
приборостроение, космическая техника, медицина и другие. К ним также относится и ядерная энергетика. В 2003 году Министерством Российской Федерации по атомной энергии была разработана «Концепция по обращению с отработанным ядерным топливом», формулирующая экологически безопасную стратегию отечественной атомной отрасли [1]. В настоящее время одной из актуальных проблем в ядерной энергетике является хранение, транспортировка и захоронение отработанного ядерного топлива (ОЯТ) и радиоактивных отходов (РАО). ОЯТ является источником гамма и нейтронного излучения, поэтому радиационная защита должна быть комбинированной. В связи с этим важной задачей является разработка новых материалов и создание из них современных контейнеров для ОЯТ и РАО.
В металлобетонных контейнерах (МБК) применяется высокопрочный радиационно-защитный бетон, не имеющий аналогов в мире (разработчик 26 ЦНИИ МО). Жесткое трехосное армирование бетона с использованием внешней обоймы (эффект косвенного армирования и обоймы) обеспечили повышенную стойкость к образованию трещин и прочность бетона, приближающуюся к прочности стали. В качестве заполнителя бетона используют отходы металлургического производства (окалина и стальная дробь), что позволяет довести плотность бетона до 3800...4100 кг/м и, тем самым, обеспечить повышенные радиационно-защитные свойства [2]. В качестве основных марок стали для несущих (силовых) элементов конструкции МБК (комингса, силового стакана) применяется низкоуглеродистая сталь марки 09Г2СА-А, которая является улучшенной модификацией стали марки 09Г2С, разработанной в ЦНИИ КМ «Прометей». Указанная сталь обладает хорошей свариваемостью, имеет относительно низкую стоимость и достаточно высокую ударную вязкость при

минимальной температуре эксплуатации (минус 50°С) [2].
В настоящее время для реакторов на быстрых нейтронах (типа БН) в качестве перспективных конструкционных материалов для поэтапного повышения выгорания рассматриваются стали практически всех классов: аустенитные, ферритные и ферритно-мартенситные.
С 2004 г. во ВНИИНМ им. Бочвара были начаты работы по созданию дисперсно-упрочненных оксидами (ДУО) ферритно-мартенситных сталей, получаемые методами порошковой металлургии, сочетающих в себе высокую радиационную стойкость сталей ферритно-мартенсиного класса и высокую жаропрочность за счет присутствия в структуре термически стабильных оксидов размером 3-5 нм [3]. Как известно, работы над такими сталями применительно к использованию их в быстрых реакторах активно развиваются в Японии, США, Европе, Китае и других странах. ДУО стали рассматриваются как перспективные конструкционные материалы, способные работать в активной зоне реакторов [4-5].
Функциональные металлические композиционные материалы (МКМ) отличаются важной особенностью, присущей всем композитам, - их свойства можно изменять в широких пределах в зависимости от доли армирования. Таким образом, возможно конструирование материала, максимально соответствующего условиям эксплуатации с уникальными функциональными возможностями. Например, МКМ на основе алюминиевых сплавов или свинца, армированные бором (карбидом бора), используются для защиты от нейтронного излучения.
Хорошие перспективы у армированного борсодержащими частицами свинца. Первые эксперименты показали, что этот материал после армирования приобретает механическую прочность, повышенный модуль упругости, механическую и деформационную обрабатываемость на стандартном оборудовании на уровне, близком к обычным материалам. При этом поглощающие свойства композита могут даже повышать аналогичные характеристики свинца. В областях применения, не требующих высокой весовой эффективности, этот материал может стать незаменимым элементом конструкции, принимающим на себя часть эксплуатационных нагрузок [6].

Просеянный порошок имел относительную плотность около 75%. Затем он подвергался дегазации в течении 1 часа при температуре 400 °С и экструдирова-нию со степенью 25:1 в прутки диаметром 10 мм при той же температуре. После этого материал разрезали на заготовки размерами 6 х 6 х 50 мм, параллельно направлению экструзии.
Затем производилось прессование со скоростью 1 мм/мин по маршруту С в 2, 4, 6 и 8 проходов. Столь низкая скорость прессования обеспечивала повышение температуры при РКУП меньше нескольких градусов. Смесь МоБ2 и масла использовалась в качестве смазки между заготовкой и поверхностями каналов.
На рис. 1.10 представлены фотографии, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа, в поперечном сечении образов для различных методов обработки.