Проекты участников финального этапа НТТМ-2017

← К списку проектов

Проект
Анализ особенностей формирования аморфных, квазикристаллических и нанозеренных структур на границе сваренных взрывом разнородных материалов
НТТМ-2017-0212 | Категория II

Автор:

Матц Ольга Эвальдовна

Научный руководитель:
Батаев Иван Анатольевич
Организация:
Новосибирский государственный технический университет,
Новосибирская область, Новосибирск
Цель работы
Проект направлен на определение влияния параметров технологии сварки взрывом на особенности формирования структур, образующихся на межслойной границе сваренных взрывом материалов. При высоких скоростях охлаждения, достигаемых в зоне сварного соединения, образование метастабильных или интерметаллидных фаз, или аморфных структур является весьма вероятным в широком диапазоне свариваемых разнородных материалов. Указанные структуры являются хрупкими, а управление такими структурами представляет собой сложную задачу, поэтому научные результаты проекта будут направлены на рассмотрение путей преодоления подобных структур.
Обзор предметной области
Композиты и биметаллы из разнородных материалов могут быть сформированы различными методами сварки: диффузионная сварка, сварка трением, сварка плавлением и др. Однако традиционные методы сварки являются не пригодными для получения конструкций из материалов, физико-химические свойства которых значительно отличаются. В таком случае используется технология сварки взрывом, которая обеспечивает относительно небольшую прочную зону соединения материалов. Поэтому в данном научно-исследовательском проекте выбрана технология сварки взрывом.
В настоящее время довольно часто публикуются результаты работ, направленных на исследования структуры подобных материалов. Тем не менее, результаты исследований фазовых превращений получаемых сваркой взрывом материалов публикуются довольно редко.
В Новосибирском государственном университете активно занимаются исследованием вопроса структурно-фазовых превращений как в биметаллах, так и в многослойных материалах, полученных по технологии сварки взрывом. Проведено большое количество экспериментов, опубликован ряд работ, освещающих полученные результаты исследований, в журналах, рекомендованных ВАК РФ и индексируемых международными базами.
С участием автора заявки по теме проекта опубликованы следующие работы:
1. Подробное исследование структуры, сформированной на границе сваренных взрывом материалов / О.Э. Матц, Д.Д. Мункуева, М.В. Рашковец // Сборник материалов XVII Международной научно-технической Уральской школы-семинара металловедов – молодых ученых, Екатеринбург, 5-9 декабря 2016 г., в 2 ч., том 2, с. 3-6.
2. The research of the "zirconium-nickel" composite produced by explosion welding/ O.E. Matts // Science in Progress: тезисы всероссийской научно-практической конференции магистрантов и аспирантов, г. Новосибирск, 20 октября 2016 г., с. 142-143.
3. Исследование структурных особенностей сварного соединения биметалла Zr-Cu, сформированного по технологии сварки взрывом / О.Э. Матц, И.А. Батаев, М.В. Рашковец // Инновационные технологии в материаловедении и машиностроении: материалы 3-й Международной научно-практической конференции, г. Пермь, Изд-во : ПНИПУ, 3-7 октября 2016 г., с. 92-94. - ISBN 978-5-398-01658-1.
4. Metastable structures formed at the interface in explosively welded materials / I. A. Bataev, S. Tanaka, I. D. Kuchumova, O. E. Matts, D. V. Lazurenko, K. Hokamoto, A. A. Bataev // 12 International symposium on explosive production of new materials : science, technology, business and innovations, Portugal, Coimbra, 20-24 June 2016. - Coimbra, 2016. - P. 21-22. - ISBN 978-989-99080-6-2.
5. Аморфные и квазикристаллические структуры, формирующиеся при сварке взрывом разнородных материалов / И. А. Батаев, И. Д. Кучумова, О. Э. Матц, Д. В. Лазуренко, Ю. Н. Малютина // 1 Annual Russian national conference on nanotechnologies, nanomaterials and microsystems technologies, NMST–2016 = 1 ежегодная Российская национальная конференция с международным участием по нанотехнологиям, наноматериалам и микросистемной технике, НМСТ–2016 : conf. proc., Novosibirsk, Sedova Zaimka, 26–29 June 2016. – Novosibirsk : NSTU, 2016. – P. 110-112. - ISBN 978-5-7782-2849-8.
6. Формирование биметалла «цирконий-медь» методом сварки взрывом = The forming of the bimetals «Zirconium-copper» by explosion welding / О. Э. Матц // Материалы и технологии новых поколений в современном материаловедении : сб. тр. междунар. конф., Томск, 9–11 июня 2016 г. – Томск : Изд-во ТПУ, 2016. – С. 41-44. - ISBN 978-5-4387-0664-9.
7. Структуры вихревых зон, формирующиеся на границе сваренных взрывом материалов / Кучумова И. Д., Матц О. Э. // Материалы 54 международной научной студенческой конференции (МНСК-2016). Новые конструкционные материалы и технологии = Proceedings of the 54 international students scientific conference (ISSC-2016). New construction materials and technologies. 16-20 апр. 2016 г. - Новосибирск : Изд-во НГУ, 2016. - С. 17. - 95 экз. - ISBN 978-5-4437-0516-3.
Описание результатов проекта
Для формирования биметаллов из разнородных материалов была выбрана технология подводной сварки взрывом (Университет г. Кумамото, Япония). Результаты исследований материалов, полученных по подобной технологии, публикуются крайне редко. Потому новизна проекта заключается в исследовании возможности получения различных композитов по указанной технологии, а также в изучении структуры и фазовых превращений полученных материалов.
Методом подводной сварки взрывом были получены 8 образцов, представляющих собой биметаллы из разнородных материалов: Zr-Cu, Zr-Ni, Al-Mg, Al-нержавеющая сталь.
Полученные образцы исследовались следующими методами: оптическая и растровая электронная микроскопии, измерение микротвёрдости по Виккерсу, энергодисперсионный микрорентгеноспектральный анализ и просвечивающая электронная микроскопия.
По результатам микроструктурных исследований, было установлено, что для всех образцов характерна волновая граница соединения. Кроме того, в крупных зонах перемешивания образцов обнаружен вихревой тип течения материалов. При этом на границах между Zr и Ni, а также Al и сталью наблюдались микротрещины.
Особенностью сварки взрывом является возможность получения прочного сварного шва, что подтверждается измерениями микротвердости. Значения микротвердости зоны сварного соединения в среднем в 3-6 раз выше значений микротвердости исходных материалов.
Наибольшее значение научно-исследовательского проекта заключается в получении и анализе дифракционных картин. Полученные результаты показали, что в образцах системы Zr-Cu отчетливо наблюдалась аморфная структура сварного соединения. В образцах систем Al-Mg, Zr-Ni и Al-сталь обнаружена кристаллическая структура. В биметалле типа Al-Mg были индицированы интерметаллидные соединения.
Предложен механизм, описывающий особенностей формирования метастабильных структур при сварке взрывом.
Описание применимости
Метод сварки взрывом является перспективным для создания экономически выгодной технологии получения высококачественных биметаллов. Например, композиты типа "цирконий-никель" и "цирконий-медь" можно будет использовать для создания корпусов химических реакторов, особенно, для оборудования, эксплуатируемого в щелочных средах.
По результатам научно-исследовательского проекта будут предложены эмпирические правила появления разного рода структур, формирующихся при сварке взрывом. Совместно с Институтом гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН будут проведены дополнительные эксперименты по сварке взрывом, в результате которых планируется опубликовать учебное пособие по физическим основам процесса.
Кроме того, сотрудничество с университетом г. Кумамото (Япония) по исследованию подводной сварки взрывом позволит опубликовать ряд работ, посвященных детальному исследованию тонкостей формирования структур. А также будут рекомендованы параметры сварки для промышленного производства.
Дальнейшее развитие проекта
План дальнейшего исследования заключается в том, чтобы расширить область исследуемых материалов, рассмотреть влияние изменения режимов сварки на структурно-фазовые превращения, а также более детально исследовать механические свойства формирующихся структур на границе между свариваемыми материалами.

Информация предоставлена участником конкурса. Организаторы конкурса не несут ответственности за содержание информации о проекте.

← К списку проектов




Список всех проектов финального этапа с датами защиты

 

© Всероссийский конкурс научно-технического творчества молодежи НТТМ

E-mail: info@konkurs-nttm.ru