Авторы:

Работа выполнена в Томском политехническом университете

А.Я. Пак, заведующий лабораторией, д.т.н., Лаборатория перспективных материалов энергетической отрасли (ИШЭ) 

Ю.В. Ли, научный сотрудник, к.ф.-м.-н., Лаборатория перспективных материалов энергетической отрасли (ИШЭ)

А. Насырбаев, ассистент, Отделение электроэнергетики и электротехники (ИШЭ)

М.Г. Криницын, доцент, к.т.н., Отделение материаловедения (ИШНПТ) 

Д.С. Никитин, исполняющий обязанности руководителя, к.т.н., Отделение материаловедения (ИШНПТ) 

А.С. Бабаев, старший научный сотрудник, к.т.н., НПОЛ «Дизайн материалов и аддитивные технологии» 

Введение

Металломатричные композиты (ММК) представляют собой класс материалов, получаемых путем объединения двух или более компонентов с различными свой­ствами и формами для достижения новых характеристик, которыми не обладает ни один из отдельных компонентов [1–3]. В отличие от сплавов или интерметаллических соединений, где смешение происходит на атомарном или молекулярном уровне, в композите каждый компонент сохраняет свою собственную микроструктуру и свой­ства, а между ними формируется четкая граница раздела [4]. Интерес к ММК обусловлен уникальным сочетанием свой­ств, недостижимым для традиционных металлических материалов. К их основным преимуществам относятся: высокая удельная прочность и жесткость, повышенная износостойкость (особенно при введении твердых керамических частиц), высокие значения теплопроводности и электропроводности, а также возможность регулирования коэффициента термического расширения [5]. Эти характеристики делают ММК востребованными в аэрокосмической отрасли, автомобилестроении, электронике и производстве энергетических установок.

Несмотря на обширные исследования свой­ств ММК, вопросы их промышленного производства долгое время оставались на периферии научного внимания. Большинство работ на сегодняшний день посвящены оценке именно механических характеристик готовых материалов, в то время как технология получения анализировалась недостаточно системно. Однако именно технологический процесс от синтеза армирующих керамических порошков до консолидации объемных композитов определяет морфологию, распределение наполнителя и, что наиболее важно, качество границы раздела «матрица — армирующий элемент». От состояния этой границы раздела напрямую зависят механические, физические и эксплуатационные свой­ства конечного материала.

Также необходимо отметить, что характеристики ММК в значительной степени определяются армирующими наполнителями, которые могут превосходить неармированные материалы по прочности, жесткости и износостойкости [2]. Однако реализация этого потенциала возможна лишь при условии оптимального выбора метода получения, обеспечивающего равномерное распределение наполнителя, минимальную пористость и контролируемое взаимодействие на границе раздела.

В настоящей работе представлен полный технологический цикл получения ММК, включающий синтез керамических порошков (наполнителя) заданного состава и дисперсности, их введение в металлическую матрицу, а также последующую консолидацию с формированием объемных композитных материалов. На каждом этапе технологического маршрута проводился комплексный контроль с использованием современных методов аналитической диагностики: сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) для оценки морфологии, распределения и размера частиц наполнителя; просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) для изучения тонкой кристаллической структуры и границ раздела фаз, рентгенофазового анализа (РФА) для идентификации фазового состава и контроля отсутствия нежелательных примесных фаз, а также энергодисперсионного микро-анализа (ЭДС) для элементного картирования распределения компонентов. Такой подход позволяет установить взаимосвязь между технологическими параметрами на всех этапах — от синтеза наполнителя до финишной обработки — и итоговыми свой­ствами композита, обеспечивая воспроизводимость и предсказуемость характеристик конечного материала.

Синтез керамических порошков

Как уже упоминалось ранее, ключевым этапом, предопределяющим успешность всего последующего технологического маршрута, является получение армирующего наполнителя с контролируемыми характеристиками. В качестве материалов для дисперсного упрочнения в данной работе рассматриваются тугоплавкие соединения — бориды и карбиды. Данный класс керамических материалов обладает уникальным комплексом свой­ств: высокими значениями твердости (обеспечивающими износостойкость композита), термодинамической стабильностью при повышенных температурах, а также хорошей смачиваемостью некоторыми расплавами металлов, что критически важно для формирования прочной адгезионной связи на границе раздела фаз.

Выбор конкретного метода синтеза порошков определяет морфологию частиц, их размерный диапазон, степень дефектности кристаллической решетки и, как следствие, реакционную способность наполнителя при взаимодействии с матрицей. К числу основных методов получения тугоплавких соединений (боридов и карбидов переходных металлов IV–VI групп) относят карботермическое и боротермическое восстановление, синтез в режиме механоактивации, а также плазмохимические технологии [6–9]. Однако каждый из этих методов имеет значительные недостатки: длительность процесса, необходимость последующей обработки целевого продукта с целью удаления примесей, а также высокую энергоемкость.

В качестве альтернативы в настоящей работе предложено использование метода безвакуумного электродугового синтеза. Его преимуществами являются технологическая простота, невысокие требования к чистоте исходных компонентов и более низкое энергопотребление в сравнении с традиционными подходами. Методика реализуется за счет так называемого эффекта самоэкранирования реакционного объема от кислорода воздуха со сдвигом реакций в сторону восстановления с образованием газов CO и CO2 при горении дуги на графитовых электродах в воздушной среде (рис. 1). Данный подход позволяет осуществлять синтез непосредственно в открытой атмосфере, исключая применение дорогостоящего вакуумного оборудования и инертных газов, что существенно упрощает масштабирование процесса. Кроме того, высокая температура дугового разряда обеспечивает протекание реакций в кинетической области, способствуя формированию частиц с низкой дефектностью кристаллической решетки и минимальным содержанием кислородсодержащих примесей. Важным технологическим преимуществом является также высокая производительность метода: за один цикл синтеза, продолжительность которого не превышает одной минуты, удается получить до 6 граммов целевого продукта.

Рис. 1. Схема конфигурации дугового реактора

Совокупность перечисленных факторов делает безвакуумный электродуговой синтез перспективным методом получения высокочистых порошков боридов и карбидов, пригодных для дальнейшего использования в качестве армирующих наполнителей металломатричных композитов. С использованием данного метода в наших работах синтезирован ряд тугоплавких соединений. В частности, получены порошки карбидов: вольфрама WC, кремния SiC, хрома CrC, молибдена Mo2C, гафния HfC [10], а также боридов: диборида циркония ZrB2, диборида тантала TaB2, диборида титана TiB2 [11]. Все полученные материалы характеризуются высокой чистотой фазового состава и контролируемой дисперсностью, что подтверждено данными рентгенофазового анализа (РФА) и электронной микроскопии (рис. 2, 3).

Рис. 2. Результаты РФА карбидов и боридов переходных металлов, полученных методом безвакуумного электродугового синтеза

Рис. 3. Данные просвечивающего электронного микроскопа для образца HfB2, синтезированного при 200 А и времени воздействия дуги 60 с

Методы получения ММК

Формирование объемных композитных материалов на основе синтезированных порошков армирующих фаз (ZrB2, TaB2, SiC и т.д.) и металлической матрицы (Al, Ni, Cu сплавов) требует применения методов консолидации, обеспечивающих высокую плотность, равномерное распределение наполнителя и контролируемое состояние границы раздела. В настоящей работе для получения ММК использованы два взаимодополняющих подхода: метод искрового плазменного спекания (spark plasma sintering, SPS), позволяющий реализовать короткие циклы спекания при относительно низких температурах и предотвратить нежелательное взаимодействие компонентов, а также метод аддитивного производства,  селективное лазерное плавление (selective laser melting, SLM), обеспечивающее возможность изготовления изделий сложной геометрии непосредственно из порошковых композиций с минимальным количеством отходов.

Искровое плазменное спекание (SPS)

Метод искрового плазменного спекания (spark plasma sintering — SPS) характеризуется одновременным приложением давления и пропусканием импульсного электрического тока через спекаемый материал. Принципиальная схема установки и механизм спекания представлены на рис. 4.

Рис. 4. Принципиальная схема устройства и механизма SPS

Ток пропускается через графитовую матрицу, а также непосредственно через образец в случае использования проводящих материалов. Нагрев исходного дисперсного материала осуществляется за счет искрового разряда между частицами, тогда как графитовая матрица нагревается импульсным током. Таким образом, для проводящих материалов нагрев происходит как изнутри, так и снаружи, что принципиально отличает данный метод от традиционного спекания и горячего прессования, где тепло подводится исключительно внешними нагревательными элементами. Это позволяет достигать высоких скоростей нагрева без риска повреждения оборудования и образца: формирование полностью спеченного образца занимает минуты, тогда как при обычном спекании на это требуются часы или даже дни.

Благодаря одновременному приложению к образцу давления и температуры достигается высокая степень уплотнения материала при более низких температурах спекания по сравнению с методами без давления, что способствует подавлению интенсивного роста зерна. Сокращенное время выдержки и сниженные температуры процесса позволяют спекать порошки до плотностей, приближающихся к теоретическим, с минимальным ростом зерна, а также компактировать трудноспекаемые материалы. Это особенно важно для получения ММК, поскольку позволяет сохранить исходную дисперсность армирующих частиц и предотвратить неконтролируемое образование интерметаллидов на границе раздела фаз.

В настоящей работе метод искрового плазменного спекания использован для получения объемных композитных образцов на основе синтезированных порошков боридов и карбидов. Применялась установка искрового плазменного спекания GT Advanced Technologies SPS10–4. Исходную порошковую смесь, состоящую из металлической матрицы и предварительно синтезированного армирующего наполнителя, обернутую графитовой бумагой, помещали в объем, образованный пресс-­формой диаметром 12,7 мм. Температуру пресс-­формы изменяли по заданной программе и регистрировали с помощью высокотемпературного пирометра или термопары.

Оснастка для искрового плазменного спекания

Все графитовые изделия (пресс-­формы, пуансоны, проставки) изготавливали из изостатического графита марки С‑7 согласно ТУ‑1915‑001‑48534975‑2014. Данная марка графита характеризуется высокой прочностью на сжатие (не менее 148 МПа) и низким удельным электрическим сопротивлением (не более 18 мкОм·м), что критически важно для эффективной передачи тока и давления в процессе спекания. Изделия из графита С‑7 способны длительное время эксплуатироваться при высоких температурах (до 2400 °C) в вакуумной среде.

Пресс-формы представляют собой трубы с наружным/внутренним диаметрами 30×12,8 мм и 40×20 мм длиной 40 мм. В качестве пуансонов используют графитовые стержни диаметром 12,4 мм и длиной 20–25 мм. Графитовые проставки выполнены в виде цилиндров диаметрами 50 и 80 мм и толщиной 40 мм; их применение обусловлено необходимостью равномерного распределения давления на образец. Для предотвращения контакта металл — графит, возникающего при давлении металлических толкателей на графитовые проставки и приводящего к электроэрозионному износу поверхности толкателей, на каждый толкатель укладывают по два листа графитовой бумаги.

Для корректного измерения температуры, подведенной к образцу, в стенке пресс-­формы высверливают отверстие диаметром ~2 мм на глубину 4–5 мм, в которое направляют пирометр или вставляется термопара.

Проведение пробоподготовки и режимы спекания

Перед началом спекания осуществляли включение установки искрового плазменного спекания и всего вспомогательного оборудования: вакуумного и гидравлического насосов, системы охлаждения, компрессора для управления заслонками вакуумной системы, а также персонального компьютера.

В специализированном программном обеспечении Eurotherm iTools задавали программу спекания. После составления программы осуществляли соединение с контроллером системы SPS и загрузку программы в память контроллера. Типичные кривые спекания представлены на рис. 5. На контроллере задавали требуемые значения преднагрузки (10 МПа) и площади давления (120,7 или 304,8 мм²).

Рис. 5. Типичные кривые спекания

Рис. 6. Фотография установленной пресс-­формы с вой­лочной изоляцией в камере спекания

Подготовленную порошковую смесь закладывали в графитовую пресс-­форму и поджимали ручным прессом для предотвращения смещения матрицы при установке пресс-­формы в камеру спекания. Затем устанавливали теплоизоляционный экран (графитовый вой­лок) на пресс-­форму и помещали ее в рабочую камеру (рис. 6).

После калибровки пирометра по отверстию в пресс-­форме производили подачу толкателей и установку преднагрузки. Далее камеру герметизировали и открывали клапан вакуумного насоса для откачки воздуха из рабочего объема. Спекание проводили по заданной программе, включающей этапы нагрева, выдержки при заданной температуре и контролируемого охлаждения. Применяемые режимы спекания подбирали исходя из состава композита, обеспечивая достижение высокой плотности при сохранении исходной структуры армирующих частиц (таблица 1).

В результате искрового плазменного спекания получили образцы в форме цилиндрических таблеток диаметром 12,7 мм и высотой 5–10 мм, соответствующие геометрии используемой пресс-­формы (рис. 7). Полученные таблетки подвергали комплексной характеризации для оценки качества спеченных композитов.

Метод селективного лазерного плавления

Наряду с искровым плазменным спеканием в настоящей работе для получения металломатричных композитов использован метод селективного лазерного плавления (selective laser melting, SLM), относящийся к аддитивным технологиям послойного построения изделий из порошковых материалов. Данный метод позволяет изготавливать изделия сложной геометрии непосредственно из порошковых композиций с минимальным количеством отходов, обеспечивая высокую гибкость производства и возможность локального управления структурой материала.

Принцип действия SLM-установок заключается в последовательном расплавлении тонких слоев порошка высокоэнергетическим лазерным лучом в соответствии с цифровой моделью. Процесс построения реализуется циклически: ракель распределяет порошок тонким слоем по поверхности подложки, после чего лазерный луч сканирует заданные участки, локально расплавляя материал. Затем платформа опускается на толщину следующего слоя, и цикл повторяется, формируя трехмерную структуру. По завершении процесса неиспользованный порошок удаляют и могут повторно использовать. Полученные образцы характеризуются послойной структурой, а их механические свой­ства определяются качеством формирования каждой дорожки и слоя (геометрией, степенью сплавления, отсутствием дефектов), что подчеркивает важность точного контроля параметров процесса.

Рис. 7. Образцы в форме цилиндрических таблеток, полученные методом SPS

Существенным преимуществом SLM является высокая скорость охлаждения расплава, достигающая 10⁵–10⁶ К/с, что способствует формированию мелкозернистой микроструктуры и подавлению роста зерен. В контексте получения ММК данный метод позволяет не только формировать сложные геометрические формы, но и контролировать распределение армирующей фазы в объеме материала. Композиционные порошки могут быть получены предварительным механическим смешением металлической матрицы и упрочняющих частиц либо синтезированы in situ непосредственно в процессе лазерного воздействия.

В настоящей работе образцы получались на SLM- установке «Луч‑500», разработанной в Томском политехническом университете (рис. 8).

Рис. 8. Наслоение порошка Inconel 718 -WB2 в камере установки для печати образцов «Луч‑500»

Установка предназначена для реализации технологии SLM в контролируемой инертной атмосфере (аргон, гелий) и имеет возможность вакуумирования рабочего объема, что позволяет работать с реакционноспособными металлическими порошками. Конструктивно система выполнена по модульному принципу, что позволяет адаптировать ее конфигурацию под различные исследовательские задачи. Управление установкой осуществляется специализированным программным обеспечением, обеспечивающим преобразование цифровой модели в траекторию движения лазерного луча и синхронизацию работы всех компонентов, что позволяет точно контролировать параметры процесса: мощность излучения, скорость сканирования, шаг между дорожками и стратегию построения.

Оценку качества полученных изделий проводили с использованием различных методов аналитической диагностики. Одним из ключевых подходов являлась сканирующая электронная микроскопия (СЭМ), позволяющая исследовать микроструктуру, выявлять дефекты (поры, несплавления, микротрещины), а также оценивать морфологию и распределение армирующих частиц в объеме матрицы. Результаты СЭМ-исследований представлены на рис. 9.

Рис. 9. СЭМ композита Inconel 718+ WB2 : а, б, в) 1,5% WB2 , г, д, е) 4,5% WB2 , изготовленных с использованием SLM

Данные (СЭМ) позволили провести анализ микроструктуры образцов металломатричного композита Inconel 718, армированного диборидом вольфрама (WB2), с различным содержанием армирующей фазы (рис. 9). Для состава с 1,5% WB2 выявлена слоистая структура с дефектами в виде поверхностных трещин, при этом продольные трещины отсутствовали. Область межслойного соединения четкая, дефекты в виде трещин и пористости отсутствуют. Армирующие частицы распределены равномерно.

Для состава с 4,5% WB2 сквозные макротрещины также не фиксируются, граница между слоями сохраняет четкую выраженность.

Таким образом, в исследованных образцах композита Inconel 718 — WB2, полученных методом селективного лазерного плавления, независимо от содержания армирующей фазы (1,5% и 4,5% WB2) формируется качественная структура с четкими межслойными границами и равномерным распределением упрочняющих частиц. Отсутствие дефектов в виде трещин, пористости и кластеризации наполнителя свидетельствует о корректно подобранных режимах лазерного плавления.

Заключение

В настоящей работе представлен полный технологический цикл получения металломатричных композитов, включающий синтез армирующих керамических порошков, их введение в металлическую матрицу и последующую консолидацию. Разработан и апробирован метод безвакуумного электродугового синтеза для получения тугоплавких соединений (боридов и карбидов переходных металлов: WC, SiC, CrC, Mo2C, HfC, ZrB2, TaB2, TiB2), обладающий технологической простотой, низким энергопотреблением и высокой производительностью (до 6 г за цикл менее 1 минуты). Полученные порошки характеризуются высокой чистотой фазового состава и контролируемой дисперсностью, что подтверждено РФА, СЭМ и ПЭМ. Для консолидации использованы два взаимодополняющих метода: искровое плазменное спекание (SPS), позволяющее получать образцы с относительной плотностью до 99% и микротвердостью от 135 до 310 HV при сохранении исходной структуры армирующих частиц, и селективное лазерное плавление (SLM), обеспечивающее послойное формирование изделий сложной геометрии с контролируемым распределением армирующей фазы. Комплексный контроль на всех этапах с использованием СЭМ, ПЭМ, РФА позволил установить корреляцию между технологическими параметрами, структурой и свой­ствами композитов. Предложенный технологический цикл обеспечивает воспроизводимость и предсказуемость характеристик ММК, что создает основу для их применения в аэрокосмической отрасли, автомобилестроении и других высокотехнологичных секторах промышленности. 

Литература

1. M. Haghshenas et al. Reference Module In Materials Science and Materials Engineering // Metal-­Matrix Composites. 2016. P. 1–28. DOI 10.1016/8978‑0‑12‑803581‑8.02246–3
2. J. Selvam et al. Matrix and Reinforcement Materials for Metal Matrix Composites // Encyclopedia of Materials: Composites. 2021. Vol. 2. P. 615–639. DOI 10.1016/B978‑0‑12‑803581‑8.11890–9
3. V. Lemkova et al. Metal Matrix Composites from Severe Plastic Deformation by the Example of High-­Pressure Torsion as a Promising Tool to Manufacture Smart Materials // Procedia Structural Integrity. 2026. Vol. 77. P. 279–291. DOI 10.1016/j.prostr.2026.01.037
4. Y. Nishida et al. Introduction to Metal Matrix Composites: Fabrication and Recycling // Introduction to Metal Matrix Composites. 2012. DOI 10.1007/978‑4‑431‑54237‑7
5. S. Seetharaman et al. Fundamentals of Metal Matrix Composites // Reference Module in Materials Science and Materials Engineering. 2021. DOI 10.1016/B978‑0‑12‑803581‑8.00001–1.
6. E. Jung et al. Synthesis of ZrB2 powders by carbothermal and borothermal reduction // Journal of Alloys and Compounds. 2012. V. 538. P. 164. V. 538. P. 164–168168. DOI 10.1016/j.jallcom.2012.05.076
7. J. Cinert et al. Preparation of ZrB2 by boro/carbothermal reduction in SPS device // Ceramics-­Silikáty. 2019. V. 63. No 1. P. 93–99. DOI 10.13168/cs.2019.0001
8. D. Ponomarev et al. Pulse plasma-­chemical synthesis of ultradispersed powders of titanium and silicon oxide // IEEE Transactions on Plasma Science. 2013. V. 41. No 10. P. 2908–2912. DOI 10.1109/TPS.2013.2273559
9. P. Millet et al. Preparation of TiB2 and ZrB2. Influence of a mechano-­chemical treatment on the borothermic reduction of titania and zirconia // Journal of Materials Science. 1996. V. 31. P. 351–355. DOI 10.1007/BF01139151
10. Yu. Vassilyeva et al. Electric arc vacuumless synthesis of IV–V group transition metal carbides // Transition Metal Chemistry. 2024. V. 49. P. 485–493. DOI 10.1007/s11243‑024‑00598‑3
11. A. Svinukhova et al. Synthesis of titanium diboride by electric arc plasma in air // Materials Chemistry and Physics. 2024. Vol. 328. P. 129973. DOI 10.1016/j.matchemphys.2024.129973
12. D. Nikitin et al. In-situ carbide reinforced aluminium metal matrix composites obtained in pulsed arc plasma discharge // Ceramics International. 2025. Vol. 51. P. 19080–19090. DOI 10.1016/j.ceramint.2025.02.087
13. D. Nikitin et al. Synthesis of copper metal matrix composites reinforced with hard carbides via in-situ and ex-situ thermal plasma spraying // Composites Communications. 2026. Vol. 61. P. 102680. DOI 10.1016/j.coco.2025.102680

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (проект № FSWW-2025-0003).

Источник журнал "Аддитивные технологии" № 2-2026