Bідділ парофазних технологій неорганічних матеріалів

1. Вперше експериментальними і теоретичними методами показано, що в багатошарових реакційних фольгах Al/Ni і Al/Ti температура ініціювання реакції високотемпературного синтезу в режимі теплового вибуху (ТВ) характеризується пороговою залежністю від швидкості нагрівання. При швидкостях нагрівання  більших порогового значення температура ініціювання ТВ монотонно зменшується, а інтенсивність теплоутворення збільшується. Природа цього явища зумовлена фазово-структурними перетвореннями, які відбуваються в багатошаровій фользі в процесі її нагрівання до температури ініціювання ТВ. Запропоновано використати високу інтенсивність теплоутворення в багатошаровій фользі в процесі ТВ для локального нагрівання зони з’єднання.  Показано, принципову можливість отримати нероз’ємні з’єднання методом паяння без нагрівання деталей, що з’єднуються, до температури плавлення припою, за рахунок ініціювання ТВ в багатошаровій фользі,  розміщеній в зоні з’єднання.
2. На основі результатів моделювання теплових полів в зоні з’єднання накладки з оболонкою, виготовлених, наприклад, зі сплаву АМг6, і використанням в якості нагрівача пакета багатошарових реакційних фольг Al/Ni, розміщеному на накладці, встановлено, що при ініціюванні реакції СВС в нагрівачі, можна без додаткових джерел тепла забезпечити температурні умови, які дозволяють сформувати паяне з’єднання з використанням високотемпературного припою. Експериментальна реалізація такого процесу на модельних зразках дозволила запропонувати принципово новий підхід до проведення ремонтних робіт у космосі по відновленню герметичності оболонок великого розміру, виготовлених з матеріалів з високою теплопровідністю.

Схематичне зображення процесу паяння (а), загальний вигляд деталей зі сплаву АМг6, з’єднаних паянням з використанням в якості нагрівача пакета багатошарових реакційних фольг Al/Ni (б) та СЕМ зображення мікроструктури поперечного перерізу зони з’єднання (в).

3. Встановлено режими електронно-променевого осадження багатошарової фольги, що складається з шарів металу та шарів аморфного кремнію (α-Si). Вперше на прикладі системи Al/α-Si показано, що перехід Si з аморфного в кристалічний стан, індукований контактом з алюмінієм, відбувається при низьких температурах (200-250 °С) і супроводжується генерацією в фользі дефектів вакансійного типу. Такі структурні перетворення в багатошаровій фользі Al/α-Si в процесі її нагрівання в умовах навантаження сприяють зниженню температури переходу її в надпластичний стан. Показана можливість з’єднання матеріалів, що важко деформуються, в твердій фазі через проміжний прошарок на основі багатошарової фольги Al/α-Si. На основі цього розроблено технологічні засади отримання нероз’ємних з’єднань металевих матричних композитів через проміжний прошарок Al/α-Si, наприклад, таких як  Al-SiC, Al-Al₂O₃ та ін., з міцністю на рівні основного металу (спільно з відділом «Фізико-металургійних процесів зварювання легких металів та сплавів»).

СЕМ зображення з’єднань зразків алюмінієвих композитів, отриманих через проміжну БФ Al/Si: (а) композит AД33-12%SiC; (б) АМг5-SiC; (в)  2024-SiC. Стрілкою позначено зону стику.

4. На основі результатів дослідження взаємозв’язку між характеристиками мікроструктури двошарових покриттів Al/TiO₂ і їх термооптичних властивостей показана можливість стабілізації  температури конструкцій із нержавіючої сталі, що знаходяться в космічному просторі,  в умовах нестаціонарного сонячного опромінення (спільно з відділом «Оптимізації зварних конструкцій нової техніки»).  Розроблено технологічні засади отримання методом електронно-променевого осадження двошарових покриттів Al/TiO₂ з заданими характеристиками мікроструктури на поверхні нержавіючої сталі з високим рівнем адгезії.
5. Встановлено умови отримання методом електронно-променевого осадження тонких фольг і покриттів на основі інварного сплаву Fe-Ni в наноструктурованому стані. Показано, що вакуумні конденсати з нанорозмірними зернами характеризуються високою мікротвердістю (до 5-6 ГПа) та властивою інварним сплавам температурною залежністю коефіцієнта термічного розширення (на рівні 1*10^-6 °С^-1). Таке поєднання властивостей дозволяє використовувати наноструктуровані інварні сплави в якості елементів конструкцій, що експлуатуються при механічному навантаженні. На цій основі розроблено технологічні засади електронно-променевого методу отримання тонких біметалевих фольг (до 100 мкм), що складаються з шару нанодвійникової міді та шару наноструктурованого інварного сплаву, з високим рівнем мікротвердості і термочутливості, яка перевищує в декілька разів термочутливість біметалевих фольг, отриманих традиційними методами прокатки.

СЕМ зображення поперечного перерізу біметалевої фольги, виготовленої електронно-променевим методом та загальний вигляд біметалевих фольг товщиною 110 і 30 мкм, при кімнатній температурі (а), 120°С (б) та 205°С (в), відповідно.

6. Показано, що при певних умовах осадження сплаву Al-Cr-Fe можна отримати покриття з нанокомпозиційною структурою, які характеризуються підвищеним рівнем мікротвердості до 6-7 ГПа. При цьому встановлено, що їх дисипативні властивості досягають рівня високодемпфуючих матеріалів. Враховуючи унікальне поєднання міцності і демпфуючої здатності вакуумних конденсатів на основі системи Al-Cr-Fe, розроблено технологічні засади електронно-променевого методу осадження  таких покриттів на титанові лопатки компресора газотурбінних двигунів, що дозволяє підвищити їх надійність і довговічність в умовах газо-пилового потоку та нестаціонарних умов експлуатації.

СЕМ зображення мікроструктури поперечного перерізу покриття сплаву Al–Cr–Fe (а) і амплітудна залежність власних значень логарифмічного декрименту затухання коливань (б)

7. Досліджено вплив умов вакуумного осадження покриттів на основі високоентропійного сплаву (ВЕС) CoCrFeNiCu_x , де х = 0,3…3, на характеристики його мікроструктури. Встановлено температурно-концентраційну область утворення в цих сплавах композиційної структури і її вплив на міцність і демпфуючу здатність. З’ясовано умови отримання на основі ВЕС CoCrFeNiCu_x високодемпфуючих покриттів з рівнем демфування вищим 20%.

8. Створено наукові засади отримання методом високошвидкісного електронно-променевого вакуумного осадження тонколистових матеріалів на основі багатокомпонентних систем Ni-Cr, Ti-Al-Nb-Cr і CoCrFeNiCu, які поєднують високу жаростійкість та міцність до 1100ºС в атмосферних умовах. Розроблено структуру тонколистових матеріалів, яка забезпечує необхідні умови для їх з’єднання методом реакційного паяння. Спільно з відділом «Фізико-металургійних процесів зварювання легких металів та сплавів» розроблено технологічні засади виготовлення на основі тонколистових матеріалів, отриманих з парової фази, легких теплозахисних стільникових панелей для аерокосмічного застосування.

а)                                                             б)

СЕМ зображення мікроструктури поперечного перерізу фольги ВЕС CoCrFeNiCu0,3Si0,2 (а) та загальний вигляд виготовлених з неї теплозахисних тришарових стільникових панелей.

9. Розроблено метод електронно-променевого осадження наношаруватих фольг на основі систем з евтектикою Ti-Ni, Ti-Cu, Ti-Co з неоднорідним (градієнтним та дискретним) розподілом компонентів та структурних параметрів по товщині. Фазові перетворення в наношаруватій фользі евтектичного складу при нагріванні сприяють зниженню температури її плавлення в порівнянні з температурою плавлення евтектики в рівноважному стані. Показано, що використання наношаруватих фольг евтектичного складу в якості проміжного прошарку при з’єднанні жароміцних нікелевих сплавів та титанових інтерметалідів забезпечує зниження рівня термомеханічного навантаження на матеріали необхідного для їх з’єднання.

                                               Cu-Ni (а) та з’єднання жароміцного нікелевого сплаву та інтерметаліду титана через проміжний прошарок Ni-Ti/Cu-Ni при Т=980^оС, Р=7,5kПа, τ=10хв (б)

10. Встановлено закономірності отримання методом електронно-променевого осадження пористих металевих фольг з об’ємною долею пор відкритого типу до 30%об. та питомою поверхнею до 1000 м²/г. Показана, що структура пористих конденсованих металевих матеріалів термічно нестабільна. Це проявляється зміною розміру і морфологічних характеристик пор (перехід від відкритої пористості до закритої) в процесі їх нагрівання. В умовах навантаження ці структурні перетворення сприяють низькотемпературній пластичній плинності пористої фольги, яка реалізується за механізмом, подібним до надпластичної плинності шляхом проковзування та розвороту зерен завдяки акомодаційній дії зернограничних пор. Використання пористих металевих фольг в якості проміжного   прошарку при зварюванні матеріалів тиском сприяє формуванню бездефектного з’єднання при знижених температурно-силових параметрах зварювання.

1. Ustinov A.I. Initiation of Thermal Explosion in Ti/Al Nanofoils / A.I. Ustinov, D.N. Kuzmenko, M.V. Kravchuk, Ya.D. Korol // International Journal of SHS. — 2015. — V. 24 (2). — P. 72–77.
2. Ustinov A.I. Effect of microstructure of vacuum-deposited Fe_100-xNi_x (30 < x < 39) foils with FCC structure on their mechanical properties / I. Ustinov, S.S. Polishchuk, S.A. Demchenkov, L.V. Petrushinets // Journal of Alloys and Compounds — 2015. — V.622. — Р. 54–61.
3. Nadutov V.M. Structure and Properties of Nanostructured Vacuum-Deposited Foils of Invar Fe-(35-38 wt.%)Ni Alloys /M. Nadutov, A.I. Ustinov, S.A. Demchenkov, Ye.O. Svystunov, V.S. Skorodzievski // Journal of Materials Science & Technology – 2015. – V. 31(11). – Р. 1079-1086.
4. Talankova-Sereda T.E. The influence of Cu and Co Nanoparticales on Growth Characteristics and Biochemical Strusture of Mentha Longifilia in Vitro / T.E. Talankova-Sereda, K.V. Liapina, E.A. Shkopinskiy, I. Ustinov, A.V. Kovalyova, P.G. Dulnev, N.I. Kucenko // Nanoscience and Nanoengineering. – 2016. – V. 4(2). – P. 31-39.
5. Ustinov A.I. Fabrication of thick, crack-free quasicrystalline Al–Cu–Fe coatings by electron-beam deposition / I. Ustinov, S. Polishchuk, V. Telychko, A. Merstallinger, G. Mozdzen // Surface and Coatings Technology. – 2016. – V.291. – P. 406-412.
6. Ustinov A.I. Influence of metastable Al₉Ni₂ phase on the sequence of phase transformations initiated by heating of Al/Ni multilayer foils produced by EBPVD method / I. Ustinov, S.A. Demchenkov // Intermetallics. – 2017. – V. 84. – P. 82-91.
7. Ustinov A.I. Structure and properties of porous nickel and copper films produced by vacuum deposition from the vapour phase / I. Ustinov, T.V. Melnichenko, K.V. Liapina, A.E. Shishkin // Vacuum. – 2017. – V.141. – P. 272-280.
8. Ustinov A.I. Diffusion welding through vacuum-deposited porous interlayers / I. Ustinov, Iu.V. Falchenko, T.V. Melnychenko, L.V. Petrushynets, K.V. Liapina, A.E. Shishkin // Journal of Materials Processing Technology. – 2017. – V.247. – P. 268-279.
9. Lobanov L.M. Al/TiO₂ bilayer coatings for space applications: Mechanical and thermoradiation properties / L.M. Lobanov,  I. Ustinov, V.S. Volkov, A.A. Mokhniuk, V.A. Telichko, S.A. Demchenkov // Thin Solid Films. – 2018. – V.668. – P. 30-37.
10. Ustinov A.I. Dissipative properties of Al-(Fe,Cr) vacuum coatings with different composite structures / I. Ustinov, V.S. Scorodzievskii, S.S. Polishchuk, S.A. Demchenkov, V.O. Telychko // Surface and Coatings Technology. – 2019. – V.367. – P.179-186.
11. Ren H.S. Nano-diffusion bonding of Ti2AlNb to Ni-based superalloy / H.S. Ren, X.Y. Ren, H.P. Xiong, W.W. Li, S.J. Pang, A.I. Ustinov // Materials Characterisation. – 2019. – V.155. – 109813.
12. Ustinov A.I. Formation of thin foils of high-entropy CrFeCoNiCu alloys by EB-PVD process/ I. Ustinov, S.S. Polishchuk, S.A. Demchenkov, T.V. Melnychenko, V.S. Skorodzievskii // Surface and Coatings Technology. – 2020. – V.403. – 126440.
13. Ren S. Solid-State Diffusion Bonding of Nb_ss/Nb₅Si₃ Composite Using Ni/Al and Ti/Al Nanolayers / H.S. Ren, X.Y. Ren, Y.W. Kang, H.P. Xiong, C. Pei, B. Chen, Y.Y. Cheng, A.I. Ustinov // Acta Metallurgica Sinica (English Letter). – 2019. – V.32. – P.1142-1150.
14. Ustinov A.I. Structural mechanism of plastic deformation of Al/a-Si multilayer foils at heating under load / I. Ustinov, T.V. Melnychenko, S.A. Demchenkov // Materials Science and Engineering A. – 2021. – V.810. – 141030.
15. Ustinov I. Effect of structure of high entropy CrFeCoNiCu alloys produced by EB PVD on their strength and dissipative properties/ A.I. Ustinov, S.A. Demchenkov, T.V. Melnychenko, V.S. Skorodzievskii, S.S. Polishchuk // Journal of Alloys and Compounds, 887 (2021) 161408.

Патенти за період 2015-2020

1. Пристрій для дифузійного зварювання тришарових стільникових панелей / Т.В. Мельниченко, Ю.В. Фальченко, А.І. Устінов, Л.В. Петрушинець, В.Є. Федорчук, В.О. Яценко // Патент України на корисну модель № 113424, 2017.
2. Спосіб дифузійного зварювання тришарових стільникових панелей / Т.В. Мельниченко, Ю.В. Фальченко, Л.В. Петрушинець, В.Є. Федорчук, В.О. Теличко, А.А. Мохнюк // Патент України на корисну модель № 114804, 2017.