В. П. Коржов, М. И. Карпов

Институт физики твёрдого тела РАН, г. Черноголовка, Московская обл., korzhov@issp.ac.ru

В металлах и сплавах с микро- и нанокристаллической структурами, которые получают методами интенсивной пластической деформации, структурными микро- и нанометровыми элементами являются зерна. Настоящяя работа посвящена исследованию многослойных композитных материалов, в которых микро- и нанометровыми элементами выступают слои металла или сплава. Если в обычных массивных кристаллических материалах размерным фактором является средний диаметр зерен или кристаллитов, то в многослойных композитах в качестве него выступает толщина слоёв.

Для получения многослойных нанокомпозитных материалов была разработана технология многократно повторяющейся пакетной прокатки. Суть технологии заключается в том, что на начальном этапе каждого цикла собирается многослойный пакет, который подвергается сначала прокатке на вакуумном прокатном стане с предварительным нагревом, в результате чего пакет сваривается, превращаясь в монолитную заготовку, и затем прокатывается при комнатной температуре до ленты тонкого сечения. В первом цикле пакеты собираются из чередующихся фольг двух или более разнородных металлов и сплавов, а в каждом из последующих циклов уже из многослойных фольг после предыдущего цикла. Таким образом, отдельная фольга претерпевает колоссальную суммарную деформацию. На практике, чтобы фольга толщиной 0,3-0,5 мм превратилась в слой толщиной ~10 нм, достаточно 3-х циклов.

Для получения хорошей ламинарной структуры композита перед прокаткой многослойный пакет непродолжительное время полезно подвергать нагреву под относительно небольшим давлением 15-20 МПа, при котором происходит лишь частичная сварка пакетов. Окончательная их сварка наступала после вакуумной прокатки, когда слои соприкасались ювенильными поверхностями, возникающими в результате деформации.

Методом пакетной прокатки был получен ряд многослойных наноструктурных композитов, состоящих из металлов и сплавов, не имеющих или имеющих ограниченную взаимную растворимость при технологических температурах нагрева перед вакуумной прокаткой. К такой группе относятся полученные композиты Cu/Fe, Cu/Nb и сверхпроводящие композиты Nb/NbTi, содержащие в качестве стабилизатора медь. Медь присутствовала в них или только в виде двух наружных слоёв толщиной или в виде слоёв, как снаружи, так и внутри. В последнем случае Cu-слои располагались через равное количество слоёв ниобия и NbTi-сплава.

Отличительная особенность этой группы композитов заключалась в том, что ожидаемые свойства, например сверхпроводящие, проявлялись непосредственно после прокатки в последнем цикле.

В сверхпроводящих композитах со сплавами Nb-30 и 50 масс.%Ti закрепление вихревых нитей происходило на межслойных границах. Об этом свидетельствовала анизотропия критической плотности тока j_c||/j_c^, достигавшая в магнитном поле 7 Тл гигантских значений 1000-2000, если критический ток измерять при параллельной (||) и перпендикулярной (^) ориентации плоскости прокатки композита по отношению к направлению внешнего магнитного поля. Кроме того, было обнаружено, что верхнее критическое магнитное поле с уменьшением толщины слоёв существенно уменьшалось, вследствие эффекта близости. Причём при ^-ориентации плоскости композита и поля это происходило в значительно большей степени, чем при ||-й. Наибольший эффект наблюдался, когда толщина слоёв становилась равной двойной длине когерентности.

Для многослойных композитов Cu/Nb, содержащих более 32000 слоёв меди и ниобия толщиной 11 нм, была получена твёрдость по Бринеллю, равная 350 НВ. Такая высокая твёрдость материала, состоящего из очень пластичных металлов, соответствовала твёрдости термообработанной среднеуглеродистой стали.

Изменение твёрдости и прочностни в процессе деформации всех композитов подчинялось известной для кристаллических сплавов зависимости Холла-Петча. Но, если для кристаллических материалов роль независимого параметра играл диаметр зерна или размер кристаллитов, то для композитов им была средняя толщина слоёв.

Вторая группа многослойных композитных материалов – это композиты, состоящие из различных металлов, имеющих неограниченную растворимость или образующих между собой интерметаллические соединения. К этой более многочисленной группе относятся полученные нами и находящиеся на различных стадиях исследования композиты Nb/Al, Ni/Al, Nb/Ti, Ti/Ni, Ti/Al и трёхкомпонентный композит Cu12Sn/(Cu/Nb). Все они являются исходными для получения из них функциональных материалов после соответствующей термической обработки.

Композит Nb/Al. В системе Nb-Al интерес представляет интерметаллид Nb₃Al, который является сверхпроводником с критической температурой ~18 К. Была разработана технология изготовления длинномерной многослойной композитной ленты на основе Nb₃Al с конструктивной критической плотностью тока, равной 1,1·10⁵ и 4,4·10⁵ А/см² в магнитных полях соответственно 5,5 и 14 Тл.

К соединению Nb₃Al (b-фаза) с температурой плавления ~2100°С есть и второй практический интерес. Имея широкую область гомогенности, граничащую с областью a-твёрдого раствора Al в Nb, оно достаточно легко получается в результате реактивной диффузии в микро- или нанокомпозитах Nb/Al. При определённых условиях и режимах термической обработки из Nb/Al получается материал из перемежающихся слоёв вязкого и относительно пластичного a-твёрдого раствора и интерметаллида Nb₃Al.

Из Nb/Ti-композита, составляющие элементы которого имеют неограниченную растворимость, после термической обработки получается сверхпроводящий материал, из Ti/Ni-композита – сплавы, известные своими многофункциональными возможностями (высокой прочностью при хорошей пластичности, мартенситным превращением и связанным с ним эффектом памяти формы).

В настоящей работе возможности технологии пакетной прокатки и диффузионной сварки под давлением продемонстрированы на двух примерах.

Микрокомпозит Ni/Al получали диффузионной сваркой под давлением. Никель и алюминий образуют соединения Ni₃Al и NiAl. Первое из них является основной упрочняющей фазой существующих жаропрочных Ni-сплавов.

Моноалюминид никеля NiAl образуется конгруэнтно при ~1640°С. Необходимость повышать рабочие температуры деталей авиационных двигателей, инициировало разработку жаропрочных сплавов на основе NiAl, как более тугоплавкого и лёгкого (плотность – 5,9 г/см²), чем Ni₃Al, и не нуждающегося в защите от окисления. Целью исследований является проверка возможности получить многослойный композит, состоящий из пластичной Ni-матрицы, армированной слоями Ni₃Al или NiAl. Никель можно заменить деформируемыми Ni-сплавами. В работе приводятся данные о структуре композита в зависимости от температуры термообработки, величины давления и объёмного отношения Al/Ni.

Композиты Cu12Sn/(Cu/Nb) содержат различное число слоёв из 12%-й Sn-бронзы и многослойных Cu/Nb-слоёв, каждый из которых в свою очередь состоит из нанослоёв меди и ниобия толщиной ~9 нм в количестве от 3700 до 9300. После термообработки олово из бронзы диффундировало в слои Cu/Nb с образование сверхпроводящего соединения Nb₃Sn. Объёмное соотношение ниобия и олова в композите подбиралось таким образом, чтобы ниобий наиболее полно превращался в Nb₃Sn.

В работе описывается получение нанокомпозита Cu12Sn/(Cu/Nb) методом пакетной прокатки, представлены результаты исследования микроструктуры и измерения сверхпроводящих характеристик полученной композитной ленты Nb₃Sn.