Современные жаропрочные сплавы на основе никеля имеют рабочие температуры порядка 1100-1150°C, что составляет 0.8-0.85 от температуры плавления. Заменой никелевым сплавам могут стать естественные композиты на основе системы Nb-Si. Объектом исследования является естественный композит системы Nb-Si, который рассматривается в качестве кандидата на замену никелевым жаропрочным сплавам.В рамках представленной работы были проведены экспериментальные исследования процесса синтеза естественного композита на базе системы Nb-Si аддитивной технологий послойного нанесения связующего. В результате работы, были получены образцы композита Nb-Si путём нанесения органического связующего на порошковую матрицу сфероидизированного порошка Nb, с последующим выжиганием связующего из грин-модели, а также инфильтрацией расплавленным кремнием. Микроструктура полученных образцов состоит из силицида NbSi2, распределенного в матрице Si. В процессе инфильтрации, весь ниобий грин модели прореагировал с расплавленным кремнием по реакции Nb+Si→NbSi2 В результате эксперимента было установлено, что ключевым параметром синтеза композиционного материала на базе Nb-Si является количество Si, подаваемого в порошковую матрицу. Образец композита состава Nb-16Si (ат.%) был получен путем послойного нанесения связующего с последующим спеканием на механическую смесь порошков. В результате получен композиционный материал, микроструктура которого выражена фазами Nb3Si, NbSi2 и Si. Помимо исследований процесса послойного нанесения связующего с инфильтрацией, было проведено исследование по синтезу порошковых материалов на базе естественного композита системы Nb-Si путём механического легирования с последующей плазменной сфероидизацией. В течение механического легирования сначала формируется слоистая неоднородная микроструктура с выраженными обогащенными зонами исходных элементов, но с увеличением времени процесса, микроструктура гомогенизируется и формируются порошки с равномерным распределением химических элементов в объеме частицы порошка. Однако с увеличением времени механического легирования, с определенного момента, установлено – 300 минут, в порошках резко увеличивается содержания Fe, соответствующего технологическому загрязнению стенками реактора и размольными телами. В процессе механического легирования, Nb испытывает высокие пластические деформации, которые приводят к искажению кристаллической решетки, увеличению дислокаций, в результате чего увеличивается количество субзерен и площадь границ субзерен. С увеличением количества субзерен до определенного значения, субзерна трансформируются в зерна. Данный механизм трансформации ведет к измельчению зерен, деформации кристаллической решетки, уширению и уменьшению интенсивности дифракционных пиков Nb. В то же время, атомы Ti,Cr,Al и Si переходят в деформированную решетку Nb, и формируют образуют твёрдый раствор, увеличивая параметр решетки Nb, что приводит к сдвигу дифракционных пиков в сторону малых углов. После плазменной сфероидизации порошков системы Nb-Si, морфология частиц представляет собой практически идеальные сферы, микроструктура состоит из 3 контрастных фаз – твёрдого раствора Nb и силицидов Nb3Si и Nb5Si3, равномерно распределенных в объеме частицы порошка, размер которых в основном не превышает 1 мкм, однако в отдельных крупных частицах в процессе кристаллизации они увеличиваются до 5 мкм ближе от центров кристаллизации. В рамках выполнения работ впервые в мире получен композиционный материал системы Nb-Si аддитивной технологией струйного нанесения связующего на порошковую матрицу ниобия с последующей инфильтрацией легкоплавкой компонентой (кремнием). Впервые в мире получен порошок естественного композита состава Nb-25Ti-2Cr-2Al-16Si (ат.%) методом механического легирования с последующей плазменной сфероидизацией, пригодный для аддитивного производства.

Modern heat-resistant nickel-based alloys have operating temperatures of 1100–1150 ° C, which is 0.8–0.85 of the melting point. A substitute for nickel alloys may be in-situ composites based on the Nb-Si system. The object of the study is a in-situ composite of the Nb-Si system, which is considered as a candidate for replacement with heat-resistant nickel-based superalloys. As part of the present work, experimental studies of the synthesis of the in-situ composite based on the Nb-Si system of binder jetting additive manufacturing technology were carried out. As a result of the work, samples of the Nb-Si composite were obtained by applying an organic binder to a powder matrix of a spheroidized Nb powder, followed by burning the binder from the green model, with subsequent infiltration of the molten silicon. The microstructure of the obtained samples consists of NbSi2 silicide distributed in the Si matrix. During the infiltration process, the entire niobium green model reacted with molten silicon by the reaction Nb + Si → NbSi2 As a result of the experiment, it was found that the key parameter for the synthesis of a composite material based on Nb-Si is the amount of Si supplied to the powder matrix. A composite sample of the composition Nb-16Si (at.%) was obtained by binder jetting followed by sintering on a mechanical mixture of powders. As a result, a composite material was obtained whose microstructure is expressed by the phases Nb3Si, NbSi2 and Si. In addition to studies of the process of binder jetting, a study was conducted on the synthesis of powder materials based on a in-situ composite of the Nb-Si system by mechanical alloying with subsequent plasma spheroidization. During mechanical alloying, a layered heterogeneous microstructure is first formed with pronounced enriched zones of the starting elements, but with an increase in the process time, the microstructure is homogenized and powders are formed with a uniform distribution of chemical elements in the volume of the powder particles. However, with an increase in the time of mechanical alloying, from a certain moment, it was found to be 300 minutes, in the powders the Fe content sharply increased, corresponding to technological contamination by grinding media. In the process of mechanical alloying, Nb experiences high plastic deformations, which lead to distortion of the crystal lattice, an increase in dislocations, resulting in an increase in the number of subgrains and the area of the boundaries of subgrains. With an increase in the number of subgrains to a certain value, subgrains are transformed into grains. This transformation mechanism leads to grain refinement, crystal lattice deformation, broadening and decrease in the intensity of Nb diffraction peaks. At the same time, Ti, Cr, Al, and Si atoms transfer to the deformed Nb lattice and form a solid solution, increasing the Nb lattice parameter, which leads to a shift of the diffraction peaks towards small angles. After plasma spheroidization of powders of the Nb-Si system, the particle morphology is almost perfect spheres, the microstructure consists of 3 contrast phases - a solid solution of Nb and silicides Nb3Si and Nb5Si3, uniformly distributed in the volume of the powder particle, the size of which basically does not exceed 1 μm, however in individual large particles during crystallization, they increase to 5 μm closer to the centers of crystallization. As part of the work, for the first time in the world, a composite material of the Nb-Si system was obtained by the binder jetting additive manufacturing technology on a niobium powder matrix, followed by infiltration with a low-melting component (silicon). For the first time in the world, a powder of in-situ composite Nb-25Ti-2Cr-2Al-16Si (at.%) was obtained by mechanical alloying followed by plasma spheroidization, suitable for additive manufacturing.

• Актуальность работы
• Цель и задачи работы
• Научная новизна
• Теоретическая и практическая значимость
• Апробация работы
• Публикации
• Объекты и методы исследования
• Результаты и их обсуждение
  • Технологические характеристики исходных порошков, печать грин модели
  • Получение образцов со сфероидизированным ниобием
  • Получение образцов с инфильтрацией кремнием
  • Получение образцов без инфильтрации кремнием
  • Механическое легирование из элементных порошков
  • Плазменная сфероидизация
• Заключение
• Литературные источники