Диссертация (Физические свойства многослойных композиционных материалов энергодвигательных установок космической техники и энергетики в условиях воздействия высоких термических и механических нагрузок), страница 3

Проведе­ние численного моделирования физико-механических свойств материала приразличных значениях входных параметров.4. Определение оптимальных значений структурных параметров мате­риала с использованием подходящих оптимизационных алгоритмов и резуль­16татов численного моделирования.5. Выбор технологического способа получения материала и оптимиза­ция параметров технологических циклов на основе экспериментальных, рас­четных и литературных данных. Аттестация структурных характеристик по­лученных опытных образцов материала.6. Сопоставление экспериментальных данных о конечных достигнутыхфизико-механических свойствах материала с прогнозируемыми характери­стиками.Требования к характеристикам разрабатываемого материала сведены вТаблицу 1.Таблица 1.Требования к характеристикам разрабатываемого композитаРабочая температура , КПредел прочности при изгибе B , МПаПлотность , кг/м3Трещиностойкость 1C , МПа · м1/2Теплопроводность , Вт/(м · К)Стойкость к перепадам температуры Δ, К1 500не менее 150не более 4,8 · 103не менее 5не более 25не менее 4501.2.

Многослойные композиты металл-оксидРяду высокотемпературных аппаратов необходима эффективная тепло­изоляция с коэффициентом теплопроводности на уровне 1 ÷ 5 Вт/(м · К), ра­ботоспособная при температуре до 2 000 ÷ 2 500 ℃ и выше в различных ат­мосферах: окислительной, восстановительной, а также в вакууме. К такимтеплоизоляционным материалам предъявляются требования высокой проч­ности, эрозионной стойкости и термостойкости в высокоскоростных газовыхпотоках, ограниченного массоуноса.Наиболее успешно перечисленным требованиям могли бы удовлетворятьматериалы на основе некоторых особотугоплавких оксидов, в первую оче­редь, на основе стабилизированного диоксида циркония, имеющего низкуютеплопроводность (менее 2 Вт/(м · К)) и высокую температуру плавления17(2 710 ℃).

Существенным недостатком диоксида циркония, а в равной сте­пени и некоторых других тугоплавких оксидов, также обладающих низкойтеплопроводностью (HfO2 , Y2 O3 , Sc2 O3 , ThO2 ), являются низкие термостой­кость и ударная вязкость.Для повышения термостойкости оксидных керамик используют ряд ме­тодов [20]. Среди них наиболее перспективным является армирование матри­цы металлическими включениями — порошковыми, волокнистыми и др.Значительными преимуществами обладают композиционные материалысо слоистым армированием, обеспечивающим наибольшее увеличение термо­стойкости при введении соответствующим образом расположенной более пла­стичной металлической фазы.Известные огнеупорные композиты, состоящие из слоев, содержащих ча­стицы разных исходных веществ и отличающихся по размеру частиц, плотно­сти, линейной усадке, коэффициенту теплового линейного расширения (КТЛР),изготавливают в таких условиях, чтобы разница в линейной усадке междуслоями при обжиге не превышала 2 %, а разница КТЛР при рабочих темпе­ратурах — 10 %.Отмечается, однако, что если структура композита состоит из слоев тол­щиной не более 50÷100 мкм, то в них могут быть реализованы условия релак­сации, предотвращающие повреждение слоистого материала даже при значи­тельной разнице в усадке и КТЛР вещества отдельных слоев.

Установленотакже, что это свойство в наибольшей степени реализуется в том случае, еслимежду слоями создают надежную контактную связь.Значительно более серьезной является проблема обеспечения при вы­сокой температуре химико-физической совместимости тонких контактирую­щих металлических и оксидных слоев. При длительной эксплуатации металл­оксидных слоистых композитов слои металла толщиной в десятки микромет­ров могут подвергнуться сильному окислению, а слои оксида — восстановле­нию, даже если макроскопически между этими веществами при данной тем­18пературе химическое взаимодействие отсутствует.Сформулируем правила отбора, которыми следует руководствоватьсяпри выборе системы фаз.1. По химической совместимости. Для композитов с оксидным напол­нителем в качестве металлической фазы рекомендуется применять металлы,сродство которых к кислороду ниже, чем у металла оксида, либо использо­вать металлы, образующие оксиды, изоморфные основному оксидному ком­поненту композита (например, как в системе Al2 O3 −Cr).2.

По термомеханической совместимости. Рекомендуется обеспечить бли­зость значений КТЛР контактирующих фаз.3. По возможности образования прочной связи на границах фаз, кото­рая может быть оценена по относительным величинам работы адгезии и ко­гезии. Прочность образующихся на межфазных границах связей между ато­мами определяется типом взаимодействия. При физическом взаимодействииэнергия связей оценивается единицами, а при химическом — десятками и сот­нями кДж/моль. Поэтому по величине работы адгезии можно определить типсил, характеризующих связь между фазами. В некоторых случаях прочнаясвязь между слоями обеспечивается определенным химическим взаимодей­ствием материалов слоев.Таким образом, основными проблемами, связанными с созданием слои­стых композиционных материалов, равно как и других видов, являются:– предотвращение химического взаимодействия между контактирующи­ми фазами при высоких температурах;– обеспечение хорошей адгезиальной связи между этими фазами.Минимальное химическое взаимодействие между фазами устанавливает­ся в том случае, если они находятся в термодинамическом равновесии друг сдругом, обладают минимальной взаимной растворимостью при соответствую­щих температурах, не изменяют своего состава и кристаллического строенияв течение длительной выдержки при высоких температурах.19Достаточно полную информацию о взаимодействии компонентов ком­позита можно получить на основе результатов термодинамического анализавзаимодействия в данной системе путем расчета изобарно-изотермическихпотенциалов возможных реакций.Известные литературные данные об особенностях взаимодействия фазв наиболее важных высокотемпературных системах металл-оксид сведены вТаблицу 2.Таблица 2.Особенности взаимодействия фаз в высокотемпературных системахметалл-оксидСистемаBeO−Cr, ℃1 000 ÷ 1 200Среда—BeO−Ni1 000 ÷ 1 8001 090 ÷ 1 5401 400 ÷ 1 800Нейтр.,вакуумВакуумНейтр.1 800То же1 700 ÷ 1 900Вакуум1 8001 700 ÷ 1 900Нейтр.Вакуум——1 090 ÷ 1 5401 6001 700 ÷ 2 200ВакуумТо жеВакуумCr2 O3 −Cr1 6601—Cr2 O3 −Mo1 8601—Cr2 O3 −W2 0001—BeO−NbBeO−MoBeO−Ta1Температура плавления эвтектикиХарактер взаимодействияВ смеси порошков взаимодействуютс восстановлением BeOНе взаимодействуютНе взаимодействуютВзаимодействуют слабо, происходитслипание образцовВзаимодействие идет по границам зе­рен оксида с образованием Nb2 O5Взаимодействуют с образованиемNbBe2Не взаимодействуютВзаимодействуют с образованием бе­риллида молибденаХимическое взаимодействие термоди­намически не осуществимоНе взаимодействуютНачинают взаимодействоватьВзаимодействуют с образованием но­вой фазыИмеют одну эвтектическую точкупри 20 вес.

% Cr (Рис. 1.2, а)Образуют простую эвтектику при31 вес. % Mo.Химического взаимодействия нет,твердыерастворыотсутствуют(Рис. 1.2, б )Образуют простую эвтектику при21 вес. % W.Химического взаимодействия нет,твердыерастворыотсутствуют(Рис. 1.2, в)Лит.[21][21][21][21][22][21][23][24,25][24,25]20Таблица 2. (Продолжение)СистемаCr2 O3 −Ta, ℃1 300 ÷ 1 400Среда—MgO−Ti1 4001 600 ÷ 1 800—Нейтр.MgO−Ni1 400 ÷ 1 8001 800Нейтр.ГелийMgO−Zr1 8001 900 ÷ 2 000ГелийВакуум1 6001 4001 800ГелийНейтр.Нейтр.1 900 ÷ 2 000Вакуум1 600Вакуум1 8002 000Нейтр.Вакуум——> 1 600Вакуум2 000ВакуумMgO−NbMgO−MoMgO−TaMgO−WAl2 O3 −TiAl2 O3 −CrAl2 O3 −NiAl2 O3 −Nb1 600Нейтр.700 ÷ 1 700Вакуум1 200 ÷ 1 4001 400 ÷ 1 6001 8001 090 ÷ 1 6401 600 ÷ 1 800Нейтр.Нейтр.ГелийВакуумНейтр.2 080ВакуумХарактер взаимодействияОбразуется фаза CrTaO4 .

Химиче­ское взаимодействие идет через ста­дию окисления тантала до −Ta2 O5 .Mo, Re и W быстро реагируют у по­верхности расплава Cr2 O3 . Образуюткомпозиции эвтектического типаВзаимодействуют слабоПроисходит сильная коррозия окис­ла с образованием Mg2 TiO4Не взаимодействуетСильное взаимодействие, плавлениепереходного слояСильное взаимодействиеВзаимодействуют с образованием но­вой фазыНе взаимодействуютСлабо взаимодействуютВзаимодействуют с образованием пограницам зерен окисла Nb2 O3Взаимодействуют с образованием но­вой фазыОбразуется серебристый налет наMgOНе взаимодействуютОбразуется серебристый налет наMgO, взаимодействия твердых фазнетХимическое взаимодействие термоди­намически не осуществимоВзаимодействуют с образованием но­вой фазыВзаимодействуют с частичным вос­становлением MgO и слабым прили­панием образцовW быстро взаимодействует у по­верхности расплава MgO, образуют­ся композиции эвтектического типаВзаимодействуют слабо с образова­нием TiO2Взаимодействуют с образованиемтвердых растворовНе взаимодействуютНе взаимодействуютВзаимодействуют слабоНе взаимодействуютВзаимодействуют слабо с образова­нием Nb2 O5Активное химическое взамодействиеЛит.[24,26][21][21][21][21][21][21][27][22][21][21,27][26][21][21][21][21]21Таблица 2.

(Продолжение)Система, ℃2 0502Среда—1 8001 900Нейтр.—> 1 900—2 080Вакуум——> 1 600Вакуум2 080Вакуум——1 600 ÷ 1 900> 1 900ВакуумВакуум2 080Вакуум850 ÷ 1 800Нейтр.Al2 O3 −MoAl2 O3 −TaAl2 O3 −WTiO2 −Ti1 800Нейтр.1 6001 600 ÷ 1 800ГелийНейтр.1 880ВакуумTiO2 −Mo1 600 ÷ 1 8001 880Нейтр.ВакуумTiO2 −W1 800ВакуумTiO2 −Ta1 800ВакуумTiO2 −NiZrO2 −Ti1 450 ÷ 1 6001 600ГелийНейтр.TiO2 −Nb2Температура плавления для Al2 O3Характер взаимодействияОбразуют диаграмму с вырожденноймонотектикой. Химического взаимо­действия нет, полное отсутствие рас­творимости (Рис. 1.2, г)Не взаимодействуютПрочность композита увеличиваетсяс ростом температуры спеканияВ вакууме взаимодействуют с образо­ванием оксидов Mo и пор в металлеПоявляется жидкая фаза (расплавAl2 O3 ), что сопровождается выделе­нием газообразных продуктов, появ­лением макропорВзаимодействуют с образованием Alи MoO3Химическое взаимодействие термоди­намически не осуществимоВзаимодействуют без касания, проис­ходит разложение оксидаАктивное химическое взаимодей­ствие с разложением Al2 O3Диффузии элементов не происходитНе взаимодействуютВзаимодействуют с образованием ок­сидов и пор в металлеХимическая реакция с образованиемAl и WO3Взаимодействуют слабо с поверх­ностным обесцвечиванием оксида ивзаимной диффузией TiO2 и TiВзаимодействуют с образованиемсильной коррозии оксидаВзаимодействуют слабоВзаимодействуют с образованиемкоррозии оксидаАктивное химическое взаимодей­ствиеНе взаимодействуютХимическое взаимодействие с образо­ванием MoO3Химическое взаимодействие с образо­ванием WO3 и низших оксидов TiСильное химическое взаимодействиес образованием оксидов TiНе взаимодействуютВзаимодействуют слабоЛит.[24][21][21,28][28][21][22][21][21][28–30][27][27][21][21][21][21][21][21][21][21]22Таблица 2.