симс (Симс Ч.Т., Норман С.С., Уильям С.Х., - 1995 Суперсплавы II. Жаропрочные материалы для аэрокосмических и промышленных энергоустановок. Том 2), страница 61

Новые исследования и новые разработки могут привести к тому, что именно ниобий откроет путь к расширению температурных пределов использования суперсплавов. 19.4. Керамические материалы Под обобщающим названием "керамические материалы" или "керамика" выступает множество различных материалов, включая монолитные керамические композиты и нередко композиты углерод — углерод. Монолитные керамические материалы активно изучали в течение 10 лет, а сейчас основное внимание уделяют композитам.

В данном разделе мы из-за ограниченности места сосредоточимся на монолитных керамических материалах и материалах углерод-углерол. Керамические материалы с ковалентными связями обладают приемлемой теплостойкостью (возможно, до -1650 оС), сочетающейся с низкой плотностью, а в некоторых случаях и с превосходной противоокислительной и коррозионной стойкостью. Еще одно преимушество — низкая цена и доступность исходных материалов — кремния, углерода и азота. К сожалению, эти керамические материалы хрупки, чувствительны к термоудару и менее теплопроводны, чем теплостойкие металлические материалы.

В результате такие керамические материалы очень плохо ведут себя под действием растягивающих нагрузок. Подобное поведение керамических материалов присуще им в соответствии с природой их межатомных связей. Механические свойства керамики могут сильно меняться в зависимости от способа приготовления образцов, загрязненности примесями и чистоты поверхности. Процесс приготовления и обработки этих материалов оказывает на их механические свойства определяющее влияние. Тем не менее вязкость и стойкость к термоударам, а также способность формировать защитные слои ЯО, соединения ЯэХ4 оказались достаточными, чтобы оно стало кандидатным материалом для использования в турбинах и дизельных установках.

Аналогичными свойствами обладает соединение ЯС. Таким образом, большая экономия массы и повышенная эффективность обещают выгоды от замены металлов в горячих 313 риал прочнее, чем спеченный обычным образом или в результате термосинтеза. Однако горячее прессование не годится для производства изделий сложной формы и не лает высокой производительности. В большой степени разброс в свойствах у изделий из Я,Х, разного происхождения возникает из-за необходимости использования оксидных добавок, способствующих спеканию порошков Я,Х, высокой чистоты. Добавки, сконцентрированные на границах зерен, образуют жидкие силикаты в результате соединения с оксидом кремния, обычно присутствуюшим в порошках Я,Х,.

Уплотнение происходит в результате растворения и выделения второй фазы в жидком силикате. Таким образом, свойства определяются химическим составом и объемной долей силиката, оставшегося на границах зерен, а пригодность материала будет ограничена температурой, при которой материал по границам зерен теряет свою прочность. Для добавок М8О в Я,Х, эта температура близка к 1300 оС. В качестве средств, способствующих спеканию, опробованы и оксиды редкоземельных злементов типа У,Ои Система Я,Х4 — У,О, продемонстрировала превосходные свойства, особенно >1200оС. Однако у некоторых составов была обнаружена фазовая нестабильность в диапазоне 700 — 1100 оС. Для придания системе Я,Х,-5 %У,О, высокой плотности используют горячее изостатическое прессование.

Перспективным для ЯС (см. ниже) и для Я,Х„является сочетание холодного изостатического прессования, спекания и горячего изостатического прессования без капсулирования. Правда, высокотемпературное спекание препятствует управлению микроструктурой. Есть сведения о горячем изостатическом прессовании керамических материалов в стеклянных капсулах. При достаточной химической чистоте и температуре обработки плотность Я,Х„близкая к теоретической, была достигнута и без "спекаюших добавок". Спекание при 1600 и 1800 оС и давлениях от 1 до 5 ГПа обеспечивало материалу 88% теоретической плотности. В результате твердость возрастала примерно на 50% по сравнению с твердостью 8' Х ~3 4 с добавкой 4% У,О,.

Один из процессов — шведский — известен как спекание с азотированием без давления; он заключается в плавлении кремния при наличии спекаюшего агента в матрице Я,Х, [40[. Формируют керамическое тело 316 детали, а затем азотируют его. Свободный кремний соединяется с азотом и преврашается в соединение Я,Х, при температурах между 1300 и 1400 оС. При 1800 оС проводят заключительное спекание, чтобы полностью уплотнить материал. Линейная усадка составляет 8 — 9%, тогда как при обычном спекании она достигает 15-20% Карбид кремния, кристаллизуюшийся в а (гексагональной) или [3 (кубической) модификации, обычно получают путем химической реакции, путем спекания или путем горячего прессования; последний процесс лает самый твердый и самый вязкий продукт ЯС.

Керамический материал 81С, повидимому, обладает большей противоокислительной стойкостью, чем Я,Х„. Метод производства ЯС, программа по разработке и применению которого пользуется поддержкой со стороны вооруженных сил США, заключается в создании тонкого и равномерно заполненного кремнием углеродного каркаса, полученного из жидких полимерных растворов [ 11. [4 Этот материал намного прочнее, чем изделия из 31С, полученные химическим путем или спеканием, и обладает примерно такой же прочностью, что и ЯС после горячего прессования. Путем карботермического восстановления оксидов кремния и алюминия в атмосфере азота был получен сплав ЯХ с А1Х.

Горячее прессование при 2000 оС приводит к образованию твердого раствора, а смесь фазы, обогащенной ЯХ, и фазы, обогащенной А1Х, образуется путем термической обработки при более низкой температуре. Ко.ипозииионные кери ники Рассматриваются возможность использования пенообразного ЯС, полученного химическим осаждением из паровой фазы, в качестве теплообменников и термоизоляционного материала. Этот материал легко формуется в виде труб, фасонных профилей и изделий сложной формы и может быть усилен за счет армирования керамическими волокнами. Армирование, как правило, производится непрерывными графитовыми или керамическими нитями, изготовленными из волокон 31С, А1,О, и соединений оксида алюминия с боросиликатами.

Достоинствами таких материалов считаются малая 'масса, аффективная теплопередача, высокая "температурная" стойкость, коррозионная стойкость, высокая стойкость к термоударам и хорошая ударная вязкость. Последнее (и жизненно необходимое 317 качество) достигается частичным удалением волокон, чт придает материалу способность к своего рода обратимой "деформации", обеспечивая тем самым приемлемую вязкость. Пропитка тканых покрывал и матов из углеродных волокон, а также предварительно сформованных из этих волокон объемных тел жидким кремнием вызывает превращение углерода в 8[С, что приводит к образованию нового композиционного материала с кремниевой матрицей, армированной волокнами 8[С, получившего название "Ысошр". Из него можно изготавливать большие по размерам конструкции.

Механические свойства Исключительно высокая хрупкость керамических материалов вызывает необходимость проведения большинства испытаний методом трех- или четырехточечного изгиба. Первый из-эа своей тугоплавкости и химической инертности кандидат А],О, сохраняет свою прочность до 1200 оС, но при более высоких температурах вследствие слабой межатомной связи, характерной для ионной структуры, резко возрастает скорость его ползучести.

Карбид кремния 81С с ковалентной межатомной связью обычно прочнее оксида алюминия А[,О„ особенно при температурах >1000 оС. Горячепрессованный 81,Х, (также с ковалентной связью) имеет прочность на изгиб при комнатной температуре >690МПа и сохраняет хорошую прочность до 1100 оС. При температурах >1000 оС и спеченный 8[С и горячепрессованный 8[зХ4 показывают значительно более высокую прочность на изгиб, чем прочность на растяжение литого 1Х-100.

Различные добавки в ЙзХ4, вносимые для получения максимально возможной плотности во время горячего прессования, снижают высокотемпературную прочность из-за появления стекловидных фаз по границам зерен. Небольшое количество такой фазы обнаружено и в материале, полученном методом быстрого затвердевания. Типичные данные по стационарной ползучести 8[С и 8[зХ, представлены на рис.19.9 [39). Отметим широкую область разброса, связанную с экспериментальными ошибками и различным содержанием примесей. Показатель степенной зависимости скорости ползучести от напряжения для керамических материалов, как правило, гораздо ниже, чем для металлов, и по результатам испытании на ползучесть при растяжении и при сжатии образцов 318 б, 60ППа 5 зу 10 40 ДЗГ10 1 1 дгз Рис.19.9.

Скорость установивпзейса ползучести с при изгибе некоторых материалов на основе Яз194 и ЯС [39]: 1 горнчепрессованный Я31 ~4 с добавкой МХО, температура испытаний 1350 — 1500 оС; 2 — горачепрессонанный %4194 с добавкой хзОз, температура испытаний 1350 оС; 3 химически синтезированный Язмн температура испытаний 1500 "С; 4 — горачепрессованный и спеченный ЯС, температура испытаний 1500 оС 10'г . - 10-4 Дд 41 дб 40 44 йв 47 10 Ц 00 10 зНЛП 8]зХ4 обоих видов составляет 1,8-2,3 )42]. Низкое значение этого параметра указывает на то, что деформация ползучести обусловлена преимушественно зернограничным проскальзыванием, сопровождаемым образованием либо пор, либо микротрещин и не связанным с дислокационным движением.