Учреждение Российской академии наук Институт

физики твердого тела РАН

г. Черноголовка, Московская обл., Россия

Возможности пакетной прокатки и диффузионной сварки для получения

многослойных микро- и нанокомпозитных функциональных материалов

В.П. Коржов, М.И. Карпов

Работа посвящена исследованию многослойных ком-позитных материалов, в которых микро- и нанометровыми элементами выступают слои металла. Если в кристалличе-ских материалах размерным фактором является диаметр зерен то в многослойных композитах – толщина слоёв. Для получения многослойных нанокомпозитных материалов разработана технология повторяющейся пакетной прокатки. Суть технологии: вначале каждого цикла собирается много-слойный пакет, который подвергается сначала прокатке на вакуумном прокатном стане с предварительным нагревом, после чего пакет сваривается, превращаясь в монолитную заготовку, и затем прокатывается при комнатной температу-ре до ленты тонкого сечения. В первом цикле пакеты соби-рается из чередующихся фольг двух или более разнородных металлов или сплавов, а в каждом из последующих циклов уже из многослойных фольг после предыдущего цикла. Та-ким образом, отдельная фольга претерпевает колоссальную суммарную деформацию.

Рис. 1. Получение многослойных композитов. Схема одного цикла

Сборка пакета

Вакуумная горячая прокатка

Холодная прокатка

Фольга толщиной 0,5 мм

Слой толщиной 10 нм за три цикла

Многослойные композиты: Cu/Fe, Cu/Nb, Cu(Nb/NbTi), Cu[Cu(Nb/NbTi)], Cu(Nb/NbZr), Cu/Ag.

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

В сверхпроводящих композитах с сплавами Nb-30 и 50 масс.%Ti закрепление вихревых нитей происходило на межслойных границах. Об этом свидетельствовала анизо-тропия критической плотности тока jc||/jc, достигавшая в магнитном поле 7 Тл гигантских значений 1000-2000, если критический ток измерять при параллельной (||) и перпенди-кулярной () ориентации плоскости прокатки композита по отношению к направлению внешнего магнитного поля.

Композит Cu(Nb/NbTi)

Рис. 2. Микроструктура поперечного сечения многослойных лент Cu/Nb/Nb31Ti: а – растровая электронная микроскопия; б и в –

просвечивающая электронная микроскопия,

а б в

2 3 4 5 6 710

100

1000

10000

100000 8

7

6

5

4

3

2

1

j c, А

/см

2

Магнитное поле, Т1 10 100

1

10

100

1000

Ани

зотр

опи

я j c

Толщина NbTi-слоя, нм

- 1 - 2 - 3 - 4 - 5 - 6

Рис. 3. Зависимости jc от H для композита Nb/Nb30Ti

Рис. 4. jc/jc в зависимости от толщины слоя из сплавов ниобия с 31 (1, 2 и 6) и 50%Ti (3-5) в Н = 6 Т

Н плоскости прокатки

Н || плоскости прокатки

Композит Ni/AlВторая группа – композиты из металлов c неограниченной растворимостью или образующих химические соединения: Nb/Al, Ni/Al, Nb/Ti, Ti/Ni, Ti/Al и трёхкомпонентный композит Cu12Sn/(Cu/Nb). Они являются исходными для получения функциональных материалов после термической обработки.

Ni3Al

Ni(Al)

Рис. 5. Композит Ni/Al. Диффузионная сварка под давлением (а) 600С/2 ч + 1100C/30 мин; слоистая структура – чередующиеся слои Ni3Al и тв. р-ра

Al в Ni; (б) 600С/2ч + 1100C/1 ч; структура – слои соединения Ni5Al3

а б

TiNi3

TiNi

Ti2Ni

тв. р-р Ni в Ti

Композит Ti/Ni

Рис. 6. Микроструктура поперечного сечения микрокомпозитной ленты TiNi : (a) после прокатки и отжига при 800С; (б) после прокатки и

термической обработки при 1000С по давлением; структура – эвтектика TiAl + TiNi3 (игольчатые выделения), как основная структурная

составляющая и выделения интерметаллида TiNi3

TiNi3

a б

Нанокомпозит Cu[Cu12Sn/(Cu/Nb)]

Cu12Sn4 Cu/Nb-

фольги после 2-го циклаCu

Cu(Sn)

Cu(Nb)/Nb3SnCu

Отжиг при 600-950С

Cu

Cu(Sn)

Cu(Sn)/Nb3Sn2 3 4 5 6 7

10000

100000

Sn 5.4-600oC, 265 ч

jc рассчитано на

всё сечение

H параллельно плоскости прокатки

2

1

2

1Н перпендикулярноплоскости прокатки

jc рассчитано

на сечение Сu/Nb

j c, А/с

м2

Магнитное поле, Т