Наноструктурированный градиентный материал на основе псевдосплава Cu-Cr-W, полученный методами высокоэнергетической механической обработки и искрового плазменного спекания

В настоящей работе сочетанием методов непродолжительной (до 150 мин) высокоэнергетической механической обработки (ВЭМО) и искрового плазменного спекания (ИПС) были получены наноструктурированные механокомпозиты из несмешивающихся между собой металлов Cu, Crи 5÷70 мас.% W, наноструктурированные консолидированные материалы на их основе и наноструктурированный градиентный материал Cu / Cu—Cr—W с различным содержанием вольфрама. Для получения механокомпозитов Cu—Cr—Wпроводилась ВЭМО порошковых смесей Cu+ Cr+ (5÷70мас.%)\W в шаровой планетарной мельнице Активатор-2S при скорости вращения барабанов 1388 об/мин и планетарного диска 694 об/мин в среде аргона в течение 150 мин. Консолидация механокомпозитов Cu—Cr—W осуществлялась методом ИПС при температурах 800—1000 °С, давлении 50 МПа в течение 10 мин. Наноструктурированный градиентный спеченный материал на основе Cu—Cr—W-псевдосплавов запрессовывался послойно в следующей последовательности (от чистой меди к псевдосплаву с увеличением массовой доли вольфрама): Cu / Cu— Cr—5%W / Cu—Cr—15%W / Cu-Cr-70%W и спекался при температуре 800 °C в течение 10 мин. Исследованы кристаллическая структура, микроструктура и свойства механокомпозитов Cu—Cr—W и консолидированных материалов на их основе в зависимости от условий получения. Показано, что наноструктура, сформированная в механокомпозитах на стадии непродолжительной ВЭМО (до 150 мин), сохранялась после ИПС для всех составов Cu—Cr—W(5÷70 мас.% W). По данным СЭМ и ЭДС тугоплавкие частицы W (d~ 20÷100 нм) и Cr (d~ 20÷50 нм) равномерно распределены в объеме материала (в медной матрице). Твердость консолидированных образцов Cu—Cr—15%W, полученных из наноструктурированных порошковых смесей (после 150 мин ВЭМО) методом ИПС при t= 800 °С в ~6 раз превышает твердость образцов, спеченных из смеси исходных компонентов (без ВЭМО). Для наноструктурированного состава Cu—Cr—70%W(t_ипс = 1000 °С) значение твердости было в ~3 раза выше, чем у ми­крокристаллических аналогов. Образцы Cu—Cr—15%W и Cu—Cr—70%Wобладали наибольшей относительной плотностью — до 0,91. Удельное электрическое сопротивление наноструктурированных композитов Cu—Cr—W приблизительно в 2 раза превышало этот показатель для микрокристаллических образцов. Это может быть обусловлено увеличением гра­ниц зерен и накоплением различного рода дефектов в материале на стадии ВЭМО. Полученные результаты показывают перспективность использования сочетания методов кратковременной ВЭМО и последующего ИПС для создания консолидированных нанокристаллических композитов Cu—Cr—Wи градиентных материалов на их основе.

1. Мышкин Н.К., Кончиц В.В., Браунович М. Электрические контакты. Долгопрудный: Интеллект, 2008.

2. Slade P. The vacuum interrupter contact. Components, Hybrids, and Manufacturing Technol., IEEE Trans. 1984. Vol. 7. No. 1. P. 25—32.

3. Аврамов Ю.С., Шляпин А.Д. Новые композиционные материалы на основе несмешивающихся компонентов: Получение, структура, свойства. М.: МГИУ, 1999.

4. Yang Z., Zhang Q., Wang Q., Zhang Ch., Ding B. Vacuum arc characteristics on nanocrystalline Cu—Cr alloys. Vacuum. 2006. Vol. 81. P. 545—549.

5. Wei X., Yu D., Sun Z., Yang Z., Song X., Ding B. Arc characteristics and microstructure evolution of W—Cu contacts during the vacuum breakdown. Vacuum. 2014. Vol. 107. P. 83—89.

6. Shkodich N.F., Rogachev A.S., Vadchenko S.G., Moskovskikh D.O., Sachkova N.V., Rouvimov S., Mukasyan A.S. Bulk Cu—Cr nanocomposites by high-energy ball milling and spark plasma sintering. J. Alloys Compd. 2014. Vol. 617. P. 39—46.

7. Patra S., Gouthama, Mondal K. Densification behavior of mechanically milled Cu—8 at% Cr alloy and its mechanical and electrical properties. Progress in Natural Science: Materials International. 2014. Vol. 24. Iss. 6. P. 608—622.

8. Рогачев А.С., Кусков К.В., Московских Д.О., Усенко А.А., Орлов О.А., Шкодич Н.Ф., Алымов М.И., Мукасьян А.С. Влияние механического активирования на тепло- и электропроводность спеченных порошков Cu, Cr и композита Cu/Cr. Докл. АН. 2016. Т. 468. No. 5. С. 508—512.

9. Шкодич Н.Ф., Рогачев А.С, Мукасьян А.С., Московских Д.О., Кусков К.В., Щукин А.С., Хоменко Н.Ю. Получение нанокристаллических псевдосплавов медь/молибден путем сочетания методов механического активирования и искрового плазменного спекания. Химическая физика. 2016. Т. 52. No. 12. С. 1—8.

10. Rogachev A.S., Kuskov K.V., Shkodich N.F., Moskovs- kikh D.O., Orlov A.O., Usenko A.A., Karpov A.V., Kovalev I.D., Mukasyan A.S. Influence of high-energy ball milling on electrical resistance of Cu and Cu/Cr nanocomposite materials produced by spark plasma sintering. J. Alloys Compd. 2016. Vol. 688. P. 468—474.

11. Lahiri I., Bhargava S. Compaction and sintering response of mechanically alloyed Cu—Cr powder. Powder Technol. 2009. Vol. 189. No. 3. P. 433—438.

12. Fang Q., Kang Z., Gan Y., Long Y. Microstructures and mechanical properties of spark plasma sintered Cu—Cr composites prepared by mechanical milling and alloying. Mater. Design. 2015. Vol. 88. P. 8—15.

13. Kumar A., Jayasankar K., Debata M., Mandal A. Mechanical alloying and properties of immiscible Cu—20 wt.% Mo alloy. J. Alloys Compd. 2015. Vol. 647. P. 1040—1047.

14. Wang D., Dong X., Zhou P., Sun A., Duan B. The sintering behavior of ultra-fine Mo—Cu composite powders and the sintering properties of the composite compacts. Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2014. Vol. 42. P. 240—245.

15. Zhanlei W., Huiping W., Zhonghua H., Hongyu X., Yifan L. Dynamic consolidation of W—Cu nano-alloy and Its performance as liner materials. Rare Met. Mater. Eng. 2014. Vol. 43. P. 1051—1055.

16. Fang Q., Kang Z. An investigation on morphology and structure of Cu—Cr alloy powders prepared by mechanical milling and alloying. Powder Technol. 2015. Vol. 270. Pt. A. P. 104—111.

17. Yang X., Zou J., Xiao P., Wang X. Effects of Zr addition on properties and vacuum arc characteristics of Cu—W alloy. Vacuum. 2014. Vol. 106. P. 16—20.

18. Wei X., Yu D., Sun Z., Yang Z., Song X., Ding B. Effect of Ni addition on the dielectric strength and liquid phase separation of Cu—Cr alloys during the vacuum breakdown. Vacuum. 2014. Vol. 109. P. 162—165.

19. Weichan C., Shuhua L., Xiao Z., Xianhui W., Xiaohong Y. Effect of Mo addition on microstructure and vacuum arc characteristics of CuCr50 alloy. Vacuum. 2011. Vol. 85. P. 943—948.

20. Sheibani S., Heshmati-Manesh S., Ataie A. Influence of Al2O3 nanoparticles on solubility extension of Cr in Cu by mechanical alloying. Acta Mater. 2010. Vol. 58. P. 6828— 6834.

21. Sauvage X., Jessner P., Vurpillot F., Rippan R. Nanostructure and properties of a Cu—Cr composite processed by severe plastic deformation. Scripta Mater. 2008. Vol. 58. P. 1125—1128.

22. Kumar A., Kumar Pradhan S., Jayasankar K., Debata M., Kumar Sharma R., Mandal A. Structural investigations of nanocrystalline Cu—Cr—Mo alloy prepared by high- energy ball milling. J. Electr. Mater. 2017. Vol. 46. Iss. 2. P. 1339—1347.

23. Mula S., Panigrahi J., Kang P.C., Koch C.C. Effect of microwave sintering over vacuum and conventional sintering of Cu based nanocomposites. J. Alloys Compd. 2014. Vol. 588. P. 710—715.

24. Sheibani S., Heshmati-Manesh S., Ataie A., Caballero A., Criado J.M. Spinodal decomposition and precipitation in Cu—Cr nanocomposite. J. Alloys Compd. 2014. Vol. 587. P. 670—676.

25. Paris S., Gaffet E., Bernard F., Munir Z.A. Spark plasma synthesis from mechanically activated powders: A versatile route for producing dense nanostructured iron aluminides. Scripta Mater. 2004. Vol. 50. P. 691—696.

26. Xian-liang Zhou, Ying-hu Dong, Xiao-zhen Hua, Rafi-uddin, Zhi-guoYe. Effect of Fe on the sintering ad thermal properties of Mo—Cu composites. Mater. Des. 2010. Vol. 31. P. 1603—1606.