Определены структурная формула и квантово-химические характеристики наиболее энергетически вероятной, устойчивой конформации молекулы биореагента, образуемого при окислении ионов железа (II) автотрофными мезофильными железоокисляющими бактериями Acidithiobacillus ferrooxidans в растворе серной кислоты, состоящего из иона железа (III) и трех кислотных остатков глюкуроновой кислоты. Биореагент-окислитель широко применяется в промышленности для выщелачивания металлов из сульфидных руд цветных металлов и концентратов обогащения. Проведен анализ квантово-химических характеристик молекулы биореагента в сравнении с безводным сульфатом железа (III), также используемым в качестве окислителя в гидрометаллургии. Для исследования структуры и квантово-химических характеристик использовались метод молекулярного компьютерного моделирования, теория граничных молекулярных орбиталей и принцип Пирсона. Установлено, что наиболее энергетически вероятная, устойчивая конформация молекулы биореагента содержит кислотные остатки глюкуроновой кислоты нециклической структуры. Согласно результатам исследований биореагент относится к более жесткой кислоте Льюиса (акцептору электронов), чем Fe2(SO4)3. Молекула биореагента менее поляризована и характеризуется меньшей абсолютной электроотрицательностью и в 2 раза бóльшим объемом.
По рассчитанным значениям граничных молекулярных орбиталей, абсолютной жесткости и электроотрицательности сульфидов железа, меди и никеля предложено теоретическое обоснование большей упорности первичных сульфидов (пирита, пентландита, халькопирита) относительно вторичных минералов (пирротина, халькозина и ковеллина). Определяющие эффективность взаимодействия характеристики (объем, теплота образования, стерическая энергия и ее составляющие, общая энергия и др.) биореагента во много раз выше, чем у Fe2(SO4)3. Большая окислительная активность биореагента относительно Fe2(SO4)3 может обосновываться бóльшими частичным зарядом атома железа и длиной связей между атомами, меньшей энергией низшей свободной молекулярной орбитали, а также повышенной степенью переноса заряда при взаимодействии биореагента с сульфидными минералами.

Представлены результаты экспериментов очистки растворов медного производства от мышьяка псевдобрукитом (Fe2TiO5). С использованием вероятностно-детерминированного планирования эксперимента на четырех уровнях были изучены свойства псевдобрукита как осадителя мышьяка в медных сернокислых растворах. В качестве варьируемых факторов выбраны: кратность дозирования осадителя (КДО) – 1÷4; соотношение осадителя к мышьяку (Fe2TiO5 : As) – (1÷2,5):1; температура процесса – 25÷60 °С; концентрация H2SO4 – 120÷200 г/л; продолжительность опыта – 15÷60 мин.
Для исследования процесса осаждения мышьяка из медного электролита использован технологический раствор ТОО «Корпорация «Казахмыс» (г. Балхаш) с содержанием компонентов, г/л: 50,7 Cu, 7,75 Ni, 9,83 As, 200 H2SO4 и др.
По результатам рентгенофазового и ИК-спектроскопического анализов идентифицировано и подтверждено наличие арсенат-иона в составе твердых осадков в виде комплексного соединения гидроксосульфата арсената железа и пироарсената железа. На основе графических зависимостей степени осаждения мышьяка от исследуемых факторов определены значимые параметры (соотношение осадителя к мышьяку, температура рабочего раствора и продолжительность опыта), которые определяют эффективность извлечения мышьяка в твердую фазу псевдобрукитом. Выведена обобщенная формула математической зависимости степени осаждения мышьяка псевдобрукитом от условий проведения процесса (уравнение Протодьяконова). Установлены оптимальные условия проведения процесса очистки медного электролита, при которых более 60 % мышьяка извлекается в осадок. Разработан новый способ очистки медного электролита от мышьяка псевдобрукитом.

Исследованы образцы сплава МЛ19, содержащие, мас.%: (0,1÷0,6)Zn–(0,4÷1,0)Zr–(1,6÷2,3)Nd–(1,4÷2,2)Y. По результатам расчета диаграмм состояния в программе Thermo-Calc установлено влияние содержаний Nd, Y, Zn и Zr на температуры фазовых превращений и фазовый состав в равновесных условиях и при использовании модели полностью неравновесной кристаллизации Шейла–Гулливера. Показано, что при концентрации циркония в сплаве более 0,8–0,9 мас.% происходит значительное повышение температуры ликвидуса сплава и требуется увеличение температуры плавки выше 800 °С, что нежелательно при использовании стальных плавильных тиглей. Рассчитано изменение массовой доли равновесных фаз в сплаве МЛ19 с минимальным и максимальным количествами легирующих компонентов при различных температурах.
С помощью сканирующей электронной микроскопии исследованы микроструктуры сплавов с различным содержанием легирующих компонентов в литом и термообработанном состояниях. Изучено распределение Nd, Y, Zn и Zr в дендритной ячейке сплава в литом состоянии. Выявлено повышенное содержание неодима и цинка по границам дендритных ячеек, а иттрия – как в центре дендритной ячейки, так и по ее границам. Цирконий концентрируется в основном в центре дендритных ячеек. Его частицы, в которых также присутствует иттрий, служат центрами кристаллизации магниевого твердого раствора (Mg). Рассмотрено влияние температуры старения (200 и 250 °C) на твердость закаленных образцов и показано, что старение при 200 °С позволяет получить более высокую твердость. Термообработка сплава, включающая в себя двухступенчатую изотермическую выдержку в режиме 400 °С, 2 ч + 500 °С, 8 ч с последующей закалкой в воде и старение при 200 °С в течение 16 ч, позволила достичь прочности сплава 306±8 МПа и предела текучести 161±1 МПа при относительном удлинении 8,7±1,6 %.

Композиционные материалы (КМ) на основе ниобия c функциональными и легирующими добавками (Si, Hf, Ti, Al и др.) имеют перспективу промышленного освоения в авиационном двигателестроении. Ранее авторами было показано, что такие КМ можно синтезировать в автоволновом режиме (режиме горения), используя высокоэкзотермические смеси Nb2O5 с Al, Si, Hf и Ti. Было обнаружено, что в волне горения гафний активно участвует в восстановлении Nb2O5, что усложняет его введение в КМ. Настоящая работа направлена на изучение возможности синтеза методами центробежной СВС-металлургии композиционных материалов на основе Nb с высоким содержанием Hf. В экспериментальных исследованиях, проведенных на центробежной установке под воздействием перегрузки 40 g, было показано, что замена активного Hf на менее активные его соединения Hf–Al или Hf–Ti–Si–Al в составе смесей Nb2O5/Al позволяет перевести горение смеси из взрывоподобного режима в режим стационарного горения. С увеличением размера гранул Hf–Al от 0–40 до 160–300 мкм в смеси содержание Hf в КМ возрастает от 1,3 до 3,8 мас.%. Введение в исходную шихту гранул Hf–Ti–Si–Al с размером частиц от 1 до 3 позволяет получать литые КМ на основе силицидов ниобия с содержанием Hf до 8,1 мас.%. Методами электронной микроскопии и рентгенофазового анализа определены интегральный состав и распределение базовых и примесных элементов в структурных составляющих литых КМ, а также их фазовый состав.
Композиционные материалы с максимальным содержанием Hf (8,1 мас.%) содержат 3 структурных составляющих: (1) – основу, которая включает Nb, Si, Ti; (2) – межзеренные границы, содержащие Nb, Ti и Al; (3) – включения на основе оксида гафния. На рентгенограмме КМ выявлены 3 фазы: твердые растворы на основе Nb и Nb5Si3, а также небольшое количество Nb3Si.

Одним из основных широко распространенных способов обработки металлов давлением является прессование, для которого характерна благоприятная схема пластической деформации с преобладающим действием напряжений всестороннего сжатия, что позволяет деформировать малопластичные материалы и сплавы с достаточно большими степенями деформирования. В настоящей работе рассмотрены условия пластического деформирования при гидромеханическом прессовании, как одной из разновидностей процесса прессования. Его отличительной особенностью по сравнению с другими видами прессования является возможность контролировать движение заготовки и предотвращать ее «выстреливание» в конечной стадии процесса. В ходе исследований проведен анализ условий гидромеханического прессования, сочетающего применение рабочей жидкости высокого давления и механическое воздействие технологической оснастки на прессующую матрицу. Получены формулы составляющих общего напряжения гидромеханического прессования, на основании которых определена оптимальная геометрия технологического инструмента. Проведена оптимизация углов конусности матрицы для гидромеханического прессования в зависимости от основных технологических параметров процесса прессования. Построены зависимости отношения напряжения прессования к сопротивлению деформации прессуемого материала от вытяжки, которые подтвердили наличие оптимальных углов конусности прессовых матриц.

Приведены результаты исследований формирования кристаллографической ориентации структуры и анизотропии свойств в процессе прокатки листов из алюминий-литиевого сплава 1420 системы Al–Mg–Li. Горячекатаные заготовки из сплава 1420 прокатывали вхолодную с промежуточными закалками по следующему маршруту: 7,3 мм → 4,8 мм → 3,0 мм → 1,8 мм. После каждого прохода отбирались образцы для проведения механических испытаний и анализа структуры методами оптической микроскопии и дифрактометрии. Для листов всех рассматриваемых состояний характерна деформированная волокнистая структура и значительная анизотропия механических свойств. При этом максимальная пластичность наблюдается под углом 45° к направлению прокатки. Характер анизотропии свойств, сформированной на стадии горячей прокатки, не изменяется в процессе холодной прокатки. На всех этапах прокатки листы из сплава 1420 за счет сохранения нерекристаллизованной структуры обладают острой текстурой деформации. Так, в ходе анализа полюсных фигур и преимущественных ориентировок выявлено увеличение объемных долей ориентировок прокатки (типа латуни – медленное, а типа S – более быстрое) с ростом суммарных деформаций холодной прокатки. Ориентировки рекристаллизации (типа R) присутствуют в небольших количествах лишь после горячей прокатки. Объемная доля бестекстурной составляющей уменьшается с ростом суммарных деформаций. На основании полученных результатов исследований сделан вывод о том, что для уменьшения доли текстуры деформации и снижения анизотропии свойств в листах из сплава 1420 необходимо в первую очередь обеспечить протекание процессов рекристаллизации на стадии горячей прокатки с целью получения рекристаллизованной горячекатаной заготовки для последующей холодной прокатки.

С помощью программы Thermo-Calc исследованы фазовые превращения в системе Al–Ca–Mg–Si в области алюминиево-магниевых сплавов. Построена проекция ликвидуса данной четверной системы при содержании 10 % Mg и показано, что в зависимости от концентраций кальция и кремния первично (кроме алюминиевого твердого раствора (Al)) могут кристаллизоваться фазы Al4Ca, Mg2Si и Al2CaSi2. Характер кристаллизации четверных сплавов изучен с помощью политермического сечения, рассчитанного при концентрациях 10 % Mg и 84 % Al. На основе анализа фазовых превращений, протекающих в сплавах данного разреза, было предположено наличие квазитройного сечения Al–Al2CaSi2–Mg2Si в системе Al–Ca–Mg–Si. Для количественного анализа фазового состава рассмотрены 3 экспериментальных сплава: Al–10%Ca–10%Mg–2%Si, Al–4%Ca–10%Mg–2%Si и Al–3%Ca–10%Mg–1%Si. Металлографические исследования и микрорентгеноспектральный анализ проведены на сканирующем электронном микроскопе TESCAN Vega 3. Критические температуры определены с помощью дифференциального калориметра DSC Setaram Setsys Evolution. Результаты экспериментов хорошо согласуются с расчетными данными: в частности, во всех сплавах на кривых нагрева–охлаждения выявляется пик при t ~ 450 °C, что отвечает температуре неравновесного солидуса и нонвариантной эвтектической реакции L → (Al) + Al4Ca + Mg2Si + Al3Mg2. Установлено, что структура сплава Al–3%Ca–10%Mg–1%Si наиболее близка к эвтектической. По плотности и коррозионной стойкости он не уступает сплаву АМг10 и даже превосходит его по твердости, что позволяет рассматривать этот сплав в качестве основы для создания новых литейных материалов типа «естественных композитов».

Работа посвящена получению по гибридной технологии (самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС) + горячее прессование) компактной керамики ZrB2–SiC–(MoSi2), а также изучению ее фазового состава, структуры и кинетики высокотемпературного окисления. Реакционные смеси готовили по следующей схеме: механическое активирование (МА) порошков Si + C; мокрое смешение порошков Zr, B и МА-смеси Si + C; сушка смесей в сушильном шкафу.
В реакторе в режиме горения путем элементного синтеза получен композиционный СВС-порошок ZrB2–SiC. Методом горячего прессования СВС-порошка получены компактные образцы, характеризующиеся однородной структурой и низкой остаточной пористостью, не превышающей 1,3 %. Для испытаний были выбраны два состава: первый, рассчитанный на образование ZrB2 + 25 % SiC; второй аналогичен первому, но с добавкой 5 % готового порошка MoSi2. Микроструктура образцов представлена дисперсными темно-серыми округлыми зернами SiC, распределенными среди светлых ограненных зерен ZrB2. Образец с добавкой MoSi2 имеет более мелкодисперсную структуру. В результате высокотемпературного окисления образцов при температуре 1200 °C на их поверхности формируются комплексные оксидные пленки SiO2–ZrO2–(B2O3) толщиной порядка 20–30 мкм, служащие эффективным диффузионным барьером и снижающие скорость окисления. В их структуре после длительных выдержек (более 10 ч) также присутствует сложный оксид ZrSiO4. Кроме того, после 10 ч испытаний наблюдается незначительная убыль массы образцов, что обусловлено улетучиванием газообразных продуктов окисления (B2O2, CO/CO2, MoO3). Образец с добавкой MoSi2 продемонстрировал лучшую стойкость к окислению.

Разработан новый метод формирования защитного покрытия на нержавеющей стали марки 08Х17Т, используемой для изготовления интерконнекторов твердооксидных топливных элементов. Он основан на электрокристаллизации металлов из неводных растворов электролитов на поверхности интерконнектора из нержавеющей стали с последующей термической обработкой. Химический состав электролита подбирался из расчета получения на поверхности оксидного слоя состава LaMn0,9Cu0,1O3. В результате на поверхности нержавеющей стали-интерконнера сформировался сплошной оксидный слой, защищающий сталь от высокотемпературного окисления, ведущего к деградации функциональных свойств интерконнектора. Полученные покрытия исследованы методами рентгенофазового анализа в геометрии скользящего пучка, рентгенофотоэлектронной спектроскопии и растровой электронной микроскопии с поверхности и в поперечном сечении. Анализ элементного и фазового составов покрытия показал, что основными его компонентами являются соединения со структурой перовскита и шпинели. В контакте с катодным материалом на основе манганита лантана–стронция защитное покрытие показало заметное ухудшение проникновения хрома из стали в результате диффузионного обжига по сравнению с образцом без покрытия. Соединение интерконнектора с покрытием не показывает заметной деградации в течение не менее 500 ч при температуре 850 °C в воздушной атмосфере.