Исследование высоковольтной консолидации порошков тугоплавких материалов

При использовании технологии порошковой металлургии возникает задача сохранения в компактном материале в результате спекания (консолидации порошков) исходных микроструктуры и размера зерен. Особенно это актуально для порошков тяжелых сплавов на основе вольфрама и карбидов тугоплавких металлов (вольфрама, гафния, тантала и др.). Данную задачу решают за счет применения подходов, использующих высокоинтенсивное кратковременное высокотемпературное воздействие одновременно с механическим давлением на порошковую заготовку. Цель работы — исследование процесса высоковольтной консолидации порошковых материалов (ВКП) с применением разработанного измерительного комплекса. Процесс ВКП заключается в одновременном воздействии на порошок короткого мощного импульса тока, сформированного высоковольтным генератором импульсов тока, и внешнего механического давления, создаваемого пневмопрессом. Измерительный комплекс включал системы регистрации высоковольтного импульса тока и интенсивности теплового излучения консолидированного материала методом импульсной фотометрии с помощью фотодиодных датчиков, а также систему согласования и управления. При испытаниях регистрировали параметры высоковольтного импульсного тока и интенсивность теплового излучения консолидируемых материалов при высоковольтном электроимпульсном воздействии. Определены оптимальные значения параметров ВКП для сплавов ВК20, ВНЖ-90, ВНМ 3-2, проанализированы структура и физико-механические свойства консолидированных образцов. Полученные результаты могут быть использованы для совершенствования методики высоковольтной консолидации тугоплавких порошковых материалов.

1. Olevsky E., Jiang R., Xu W., et al. Quasi-instantaneous materials processing technology via high-intensity electrical nanopulsing / Sci. Rep. 2024. Vol. 14. Art. 434. DOI: 10.1038/s41598-023-50698-w

2. Olevsky E. A., Dudina D. V. Field-assisted sintering. Science and applications. — Cham, Switzerland: Springer, 2018. — 425 p. DOI: 10.1007/978-3-319-76032-2

3. Dudina D. V., Ukhina A. V. Powder metallurgy: materials and processing / Materials. 2023. Vol. 16. Art. 4575. DOI: 10.3390/ma16134575

4. Wachowicz J., Dembiczak T., Fik J., et al. Spark plasma sintering of fine-grained WC-Co composites / Materials. 2023. Vol. 16. Art. 7526. DOI: 10.3390/ma16247526

5. Yu D., Bi X., Xin L., Zhang Q. Microstructural evolution and mechanical properties of spark plasma sintering of tantalum-tungsten alloy / Metals. 2023. Vol. 13. Art. 533. DOI: 10.3390/met13030533

6. Andreev P. V., Smetanina K. E., Lantsev E. A. Study of the phase composition of fine-grained tungsten carbide based ceramic materials by X-ray phase analysis / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2019. Vol. 85. No. 8. P. 37 – 42 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2019-85-8-37-42

7. Moazzen P., Toroghinejad M., Aghayar Y., et al. Exploring nanocrystalline high entropy alloys fabricated via mechanical alloying (MA) and spark plasma sintering (SPS): a review / High Entropy Alloys Mater. 2024. Vol. 2. P. 175 – 218. DOI: 10.1007/s44210-024-00038-y

8. Walunj G., Mugale M., Patil A., et al. Spark plasma sintering of mechanically alloyed high entropy nitrides to investigate the mechanical, tribological, and oxidation properties / JOM. 2024. Vol. 76. P. 171 – 185. DOI: 10.1007/s11837-023-06259-7

9. Dudina D. V., Shtertser A. A., Vidyuk T. M., Bokhonov B. B. Experimental evidence and possible mechanism of melt formation at theinter-particle contacts during spark plasma sintering of TiC-Cu composite particles / Int. J. Refr. Metals Hard Mater. 2024. Vol. 122. Art. 106732. DOI: 10.1016/j.ijrmhm.2024.106732

10. Dudina D. V., Cherkasova N. Yu. Spark plasma sintering in the presence of a liquid phase / Mater. Lett. 2024. Vol. 365. Art. 136411. DOI: 10.1016/j.matlet.2024.136411

11. Fayomi J., Popoola A., Popoola O., Aigbodon V. Magnesium-based composite by nano-nucleation of β-Mg17Al12 using spark plasma sintering routefor advanced structural application / J. Mater. Res. Technol. 2023. Vol. 24. P. 1547 – 1561. DOI: 10.1016/j.jmrt.2023.03.089

12. Kandrotait Janutien R., Mažeika D., Dlouhý J., et al. Investigation of the microstructure of sintered Ti-Al-C composite powder materials under high-voltage electrical discharge / Materials. 2023. Vol. 16. Art. 5894. DOI: 10.3390/ma16175894

13. Milad Kermani, Chunfeng Hu, Salvatore Grasso. From pit fire to ultrafast high-temperature sintering (UHS): a review on ultrarapid consolidation / Ceram. Int. 2023. Vol. 49. Issue 3. P. 4017 – 4029. DOI: 10.1016/j.ceramint.2022.11.091

14. Ratzker B., Sokol M. Exploring the capabilities of high-pressure spark plasma sintering (HPSPS): a review of materials processing and properties / Mater. Design. 2023. Vol. 233. Art. 112238. DOI: 10.1016/j.matdes.2023.112238

15. Nižňanský M., Vanmeensel K., Vleugels J., et al. Review on high-pressure spark plasma sintering and simulation of theimpact of die/punch material combinations on the sample temperature homogeneity / Open Ceramics. 2023. Vol. 16. Art. 100433. DOI: 10.1016/j.oceram.2023.100433

16. Aliouat A., Antou G., Pradeilles N., et al. Investigation of consolidation mechanisms induced by applied electric/electromagnetic fields during the early stages of spark plasma sintering / J. Alloys Compounds. 2023. Vol. 963. Art. 171276. DOI: 10.1016/j.jallcom.2023.171276

17. Jaehun Cho. Short review of flash sintering: mechanisms, microstructures, and mechanical properties / Ceramist. 2023. Vol. 26. No. 2. P. 196 – 211. DOI: 10.31613/ceramist.2023.26.2.04

18. Demchuk V. Yu., Kozlov A. N. Rogowski coils and their advantages over other current transformers / Vestn. Nauki. 2024. Vol. 2. No. 6(75). P. 2206 – 2210 [in Russian].

19. Grigoryev E., Abedi M., Goltsev V., et al. Specific features of high-voltage consolidation of powders: theoretical and experimental study / Metall. Mater. Trans. B. 2022. Vol. 53. P. 1552 – 1563. DOI: 10.1007/s11663-022-02465-x

20. Goltsev V. Yu., Osintsev A. V., Plotnikov A. S., Polskij V. I. Diametral compression of short cylinders with a central hole as a method for assessing the tear resistance of brittle materials / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2023. Vol. 89. No. 7. P. 45 – 50 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2023-89-7-45-50

21. Carroll M. M., Kim K. T., Nesterenko V. F. The effect of temperature on viscoplastic pore collapse / J. Appl. Phys. 1986. Vol. 59. P. 1962 – 1967. DOI: 10.1063/1.336426

22. Goltsev V. Yu., Grigoryev E. G., Osintsev A. V., et al. Analysis of the methods for bending small-sized disks on a ring support / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2022. Vol. 88. No. 11. P. 66 – 72 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2022-88-ll-66-72