Звіт про науково-дослідну роботу: “Дослідження процесів структуроутворення та формування властивостей керамічних та металево-керамічних композиційних матеріалів на основі боридів та боровміщуючих сполук”

Abstract

МЕТА РОБОТИ - дослідження процесів фазо- і структуроутворення композитів з керамічною матрицею і керметів на основі боридів та боровміщуючих сполук, дослідження структурної чутливості механічних і службових властивостей. Вивчення можливості та шляхів отримання композиційних матеріалів на основі тугоплавких сполук з поліпшеними фізико-механічними характеристиками при спрямованій кристалізації евтектичних сплавів, гарячому пресуванні та спіканні. ОБ'ЄКТ ДОСЛІДЖЕННЯ - композиційні матеріали на основі бориду цирконію, карбіду бору, нітриду бору та ін. МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕННЯ - рентгенівська дифракція, ІЧ-спектроскопія, оптична та електронна мікроскопія (ТЕМ, RЕМ. НRТЕМ), механічні випробування. При виконанні теми було використане унікальне устаткування для спрямованої кристалізації тугоплавких сполук - установка «Кристал 111», яка надає можливість плавити матеріали з Тпл до 4000 0С під тиском захисного газового середовища до 2,5 МПа, стандартна піч дугового плавлення, установки вакуумного гарячого пресування із регістрацією кінетики усадки і гарячого пресування без захисної атмосфери. Проведено дослідження взаємодії диборида цирконію з нікелем, хромом і їх сплавом Ni -20Сг в металічному куті квазібінарної діаграми стану Ме— ZгВ2. Показано, що процес проходить по механізму контактного плавлення характерного для евтектичних систем. Для нікелю і ніхрому в доевтектичних і евтектичних сплавах основними складовими, що утворюють евтектику, є сам нікель і його інтерметаліди ZrNi5,, ZrNi7.. У випадку взаємодії з ніхромом уже в доевтектичних сплавах разом з евтектикою нікель -інтерметалід формується сітка із бориду Сr3В4. В заевтектичних сплавах, де кількість бору в сплавах суттєво збільшується, наряду з легованими ним інтерметалідами ZrNi7 і Сг3 Ni2 утворюється ціла низка боридів – Сr5В3, СrВ, Ni2В, NiВ, Nі4В3 і навіть потрійний борид Сr2Ni3В6. При взаємодії диборида цирконію з хромом процес проходить за механізмом контактного плавлення з утворенням евтектичних сплавів. Із збільшенням відношення з’явлється фаза Сг5Вз. Досліджено вплив звтектики на процес ущільнення матеріалів системи ZrВ2+Сг3С2 при гарячому пресуванні у вакуумі. Встановлено, що ущільнення до компактного стану сполук, що містять добавки Сг3Сг2, можливо при температурах на 300....700 °С нижче, ніж чистого ZrВ2. Так, суміш , що містить 50 мас. % Сг3Сг2, ущільнюється до компактного стану при температурі 1600 °С, а при вмісті 80 мас. % Сг3Сг2, ущільнення відбувається при 1250 °С. Визначені оптимальні технологічні параметри процесу ущільнення. Використання карбіду хрому як ефективної добавки-активатора при спіканні борида цирконію обумовлено як особливостями діаграми стану досліджуваної системи, так і дією вільного вуглецю, котрий рафінує систему, що вивільняється при переході Сг3Сг2, у нижчі карбіди хрому, який відновлюючи оксид цирконію, присутній на поверхні часток борида цирконію, також сприяє активації спікання бориду. Показано, що сплав NіАl є перспективною металевою зв'язкою для керметів на основі ТіСгВ2- Це підтверджується хорошою змочуваністю сплавом тугоплавкої суміші (контактний кут ~ 1-3 °), а також відсутністю активної взаємодії між ними. Запропоновано метод побудови кривих середні стискаючі напруги э – середні деформації є у напрямку притискаючої сили при індентуванні сферичних наконечників різного радіуса в малопластичні матеріали (діаграми деформування сг — є ). Розглядаються середні в області контакту напруги і деформації зразка. Визначено характерні ділянки діаграм деформування, що відповідають: пружному деформуванню зразка; стиснутому потужнопластичному деформуванню, при якому пластична область перебуває строго усередині зразка; стиснутому пружнопластичному деформуванню, коли пластична область контактує з індентором і не виходить на вільну поверхню зразка: "необмеженому» пластичному деформуванню, коли пластична область виходить на поверхню зразка. Новий метод є результатом узагальнення відомих робіт з одержання кривих напруга-деформація за допомогою індентування. На відміну від традиційних методів, деформація при індентуванні розуміється не як відношення а/R. (а - радіус області контакту, R -радіус кривизни сферичного індентора), а як середня в області контакту деформація в напрямку сили, що діє на індентор. На прикладі твердих сплавів показано, що одержувані при ідентуванні сфери міцнісні характеристики, істотно відрізняються від характеристик, одержуваних при випробуваннях на одноосьовий стиск. Це пов'язане з тим, що на відміну від одноосьового стиску, при індентуванні матеріал перебуває в більш складному напружено деформованому стані і може робити більш високий опір пластичній деформації (або руйнуванню). На основі запропонованого методу побудови діаграм «середня напруга а - середня деформація є» при індентуванні сфери виконана атестація ряду твердих сплавів вітчизняного і закордонного виробництва. На основі вивчення структурно-фазових перетворень, складу та кінетики зношування в умовах нежорстко закріпленого абразиву електроіскрових та лазерно- електроіскрових ZгВ2-вміщуючих покриттів на титанових сплавах встановлено наявність окислювального механізму абразивного зношування в системі "покриття—абразивна частка SіО2" і показано, що лазерне оплавлення майже на порядок підвищує зносостійкість ЕІЛ-покриття і в 5 разів - у порівнянні з ЕІЛ-покриттям з ВКЗ при підвищеному навантаженні. Проведені дослідження з розробки композитів на основі нітриду бору в системах BN-Al2O3-SiO2-Si3N4 та BN-Al2O3-SiO2-Si3N4-Y2O3 а саме, режимів їх виготовлення методом реакційного гарячого пресування. Було вивчено склад та структуру композитів на основі нітриду бору, включаючи структури, які виникають "іn sіtu" в процесі виготовлення нових композитів. Досліджено основні закономірності фазо- та структуроутворення в композитах. Встановлено, що структуроутворення нових фаз починається вже на стадії приготування шихти і здійснюється під час гарячого пресування за відносно низьких температур (1700-1800 °С). Утворення рідкої фази та проходження хімічних реакцій під час гарячого пресування сприяє досягненню високої щільності композитів та підвищенню їх механічних властивостей. Проведені дослідження фізико-механічних властивостей композитів (міцність на згин, тріщиностійкість, модуль пружності) та корозійної стійкості в діапазоні температур 20-1500 °С. Досягнуто підвищеного рівня границі міцності на згин композитів на основі BN-сіалон (120-140 МПа при 20 °С та 140-180 МПа при 1400 °С). Показано, що характер механізмів руйнування визначає алюмосилікатна фаза, вона створює умови підвищення тріщиностійкості композитів. Досліджено, що введення добавок оксиду У2Оз до складу композиту сприяє проходженню процесів ущільнення композиту при понижених температурах гарячого пресування (1500-1700 °С), проте викликає зниження високотемпературної міцності. Для направлено закристалізованих евтектик встановлено, що наявність ізоструктурних боридних фаз та існування необмеженої взаємної розчинності між ними, зокрема між диборидами перехідних металів, при використанні твердого розчину ТixZr1-xB2 в якості армуючою фази в композиційних матеріалах такого типу, дозволяє в достатньо широких межах плавно змінювати період ґратки та коефіцієнт термічного розширення армуючої фази, тим самим створюючи можливість керування співвідношення періодів ґраток матричної та армуючою фаз та ступенем обтиснення волокнин у композиційному матеріалі. Розроблені феноменологічні уявлення про механізм сокристалізації сумішей боридних фаз та експериментально підтверджена можливість керування вмістом армуючої фази та ступенем досконалості структури спрямовано закристалізованих евтектиних систем на основі гексабориду лантану (LаВ6) при використанні в якості армуючоюю фази твердих розчинів диборидов, що досягається з рахунок цілеспрямованої зміни відстаней В-В у просторовій гратці диборидной фази. Встановлено взаємозв'язок між складом компонентів, технологією одержання та наноструктурою поверхні поділу фаз, зроблені загальні висновки щодо природи формування поверхні поділу фаз в евтектиках та ступеню її впливу на фізико-механічні характериситики композиційних матеріалів на основі безкисневих тугоплавких сполук, а також намітити шляхи цілеспрямованої зміни властивостей композитів. Крім того одержані результати можуть бути використані для розуміння особливостей міжфазової взаємодії в евтектичних сплавах на основі споріднених класів матеріалів, таких як силіциди, оксиди та ін.. Наукове значення одержаних результатів полягає у встановленні шляхів створення як модельних, так і необхідних практиці спрямовано закристалізованих композиційних матеріалів з наперед завданими параметрами міжфазної взаємодії компонентів. КЛЮЧОВІ СЛОВА: ФАЗОУТВОРЕННЯ БОРИДНИХ КОМПОЗИТІВ, СТРУКТУРОУТВОРЕННЯ БОРИДІВ НА ОСНОВІ КЕРАМІЧНОЇ МАТРИЦІ, ЕВТЕКТИЧНЕ УЩІЛЬНЕННЯ ПРИ СПІКАННІ