Диссертация (Физические свойства многослойных композиционных материалов энергодвигательных установок космической техники и энергетики в условиях воздействия высоких термических и механических нагрузок), страница 5

Образцы данного кермета были спечены при темпера­туре 1 500 ℃ и давлении прессования около 25 МПа в течение 20 мин. Выборниобия обусловлен приблизительно равными значениями его КТЛР и КТЛРAl2 O3 .На Рис. 1.4 представлена зависимость теплопроводности слоистого ком­позита Al2 O3 −Nb при 500 ℃ от доли толщины ниобия в направлении, нор­мальным к слоям. Значения термостойкости достигаются благодаря прочнойсвязи между контактирующими фольгами и матрицей Al2 O3 при спеканиипод давлением. Отмечается, что данный слоистый композит имеет высокуюхимическую стойкость, так как диффузия кислорода через ниобий незначи­тельна.Описана технология получения многослойных металлокерамических ком­позиций, основанных на применении керметов, состоящих из частиц молиб­дена или вольфрама, диспергированных в керамическом твердом растворе30Рис. 1.4.Расчетный коэффициент теплопроводности слоистого композитаAl2 O3 −Nb в зависимости от объемной доли ниобиятипа «сиалон» (Si3 N4 −Al2 O3 −AlN) [45].

Эти композиты созданы, главнымобразом, как высокотемпературные огнеупорные покрытия на молибденовыхили вольфрамовых подложках. Частицы тугоплавких металлов, введенные вкерамический твердый раствор, увеличивают его адгезию к металлическойподложке.Применение «сиалона» обусловлено следующими его свойствами. Al2 O3и Si3 N4 образуют стабильный твердый раствор, и в этом состоянии Si3 N4 невзаимодействует с Mo или W (не образует силициды); в то же время Si3 N4значительно улучшает термостойкость Al2 O3 , который обеспечивает высо­кую стойкость к окислению керамического твердого раствора. Такой растворсохраняет кристаллическую структуру нитрида кремния, и поэтому керметимеет высокое сопротивление абразивному износу и прочность при высокихтемпературах. Наилучшими качествами обладает тройной твердый растворAl2 O3 , Si3 N4 и AlN, который, будучи наполнен частицами тугоплавкого ме­талла (Mo или W), обладает исключительно прочной связью, сцеплением сэтими металлами и наряду с тем высокой стойкостью к окислению, абразив­ному или эрозионному износу, твердостью, превосходящей твердость WC идр.Отмечается, что, хотя такие керметы были созданы как высокотемпера­31турные электроизоляторы, они могут быть использованы при изготовлениилопаток турбин, в теплозащите спускаемых космических аппаратов и т.

п.В качестве металлических частиц, диспергированных в керамическихтвердых растворах, применяются M̧o и W, поскольку КТЛР этих элементови твердых растворов очень близки; могут применяться также Ta и Nb. В ка­честве оксидных компонентов кермета, помимо Al2 O3 , могут выступать Y2 O3и Cr2 O3 .Керамические твердые растворы типа «сиалон» могут быть полученыспеканием порошков Si3 N4 , Al2 O3 и AlN при температуре от 1 700 до 2 000 ℃методом горячего прессования при давлении 7÷35 МПа в течение 10÷60 мин.Перед горячим прессованием в шихту кермета вводят частицы Mo или W диа­метром 25÷250 мкм. Доля металлических частиц в смеси может быть различ­ной. Чем больше металлических частиц, тем лучше механические свойствакермета и его адгезия к металлической подложке.

Обычно в кермете приме­няют 15÷30 об. % металлических частиц. В качестве связки к металлическимчастицам добавляют 1÷10 об. % парафина, воска или поливинилового спирта.Керметы, полученные указанным способом, имели высокую микротвер­дость порядка 10÷20 ГПа. Значения прочности на разрыв лежало в диапазонеB = 140 ÷ 1 050 МПа.На Рис.

1.5 показаны многослойные керметы, полученные из смеси 30 об. %Mo размером 25 мкм и 70 об. % керамической смеси (33 мол. % Al2 O3 , 1 мол. %Y2 O3 , 33 мол. % Si3 N4 и 33 мол. % AlN) с размером частиц менее 25 мкм. Этасмесь была помещена на молибденовую подложку, на которую был положенслой из чистого керамического порошка, и весь пакет был подвергнут го­рячему прессованию при температуре 1 800 ℃ и давлении 28 МПа в течение15 мин.32Рис.

1.5.Строение многослойных композитов: 1 — керамика; 2 — кермет; 3 —молибден1.3.2. Прессование и спекание порошковых пленокЧередующиеся системы получают путем прессования предварительноформованных (литьем, прокаткой или экструзией) пластифицированных по­рошковых пленок или слоев с последующим их спеканием.Этот способ применяется, в частности, для изготовления слоистых фер­ритовых изделий путем предварительного приготовления слоев из проводя­щей пасты и слоев из ферритового шликера, из которых затем собирают мат­рицу, прессуют и обжигают.C целью обеспечения прочного сцепления проводников с ферритом, упро­щения технологического процесса и повышения качества слоистых феррито­вых изделий предложено использование единого связующего вещества приприготовлении проводящей пасты и ферритового шликера.

В качестве связкииспользуют 10 ÷ 15 % водный раствор поливинилового спирта, пластифици­рованного глицерином. Слои получают толщиной 4 ÷ 150 мкм [46].Представляет интерес слоистая металлокерамическая футеровка со сту­пенчато изменяющимся составом [47].

Она состоит из двух поверхностных ке­рамических слоев (Al2 O3 , ZrO2 , Y2 O3 и др.), пористого слоя толщиной 1,25 мм(из полых керамических сфер) и более плотного, стойкого к окислению при33высоких температурах слоя такой же толщины. Под ним расположен металли­ческий слой из хромистого сплава толщиной не менее 0,25 мм, способный со­единяться с металлической подложкой, и от 2-х до 5-и промежуточных слоевиз металлокерамических смесей. Последние смягчают внутренние напряже­ния, которые возникают при соединении достаточно толстых керамическихи металлических слоев вследствие разницы в КТЛР.Промежуточный слой, примыкающий к керамическому, имеет наиболь­шее содержание керамической составляющей. Последовательный переход кдругим промежуточным слоям сопровождается постепенным нарастанием со­держания металла и, соответственно, уменьшением содержания керамики.

ВТаблице 6 приведено описание состава слоев многослойного композита. Фу­теровка выдерживала рабочую температуру до 1 650 ℃.Для изготовления композита предварительно получают слой толщинойболее 1,25 мм из керамических частиц со связкой в виде пасты. В качествесвязки применяют коллоидальный SiO2 (примерно 3 вес. %). Керамическиеслои увлажняют водой до пастообразной консистенции, и пасту распыля­ют равномерно до требуемой толщины.

Затем формуют промежуточный ок­сидно-металлический слой толщиной 0,25 ÷ 0,5 мм и накладывают его напредыдущий, после чего формуют и накладывают второй промежуточныйслой и т. д. Отдельно формуют металлический (хромсодержащий) слой тол­щиной более 0,25 мм и накладывают его на предыдущие слои. Кроме того,в состав металлического слоя входит припой, содержащий Si, B или P. По­лученный слоистый пакет подвергают медленной сушке под давлением бо­лее 17,5 МПа при температуре 125 ℃, помещают на металлическую подлож­ку, к которой композит должен быть присоединен, и подвергают прессова­нию и нагреву в печи в защитной атмосфере для спекания при температуре1 100 ÷ 1 225 ℃.Предложена многослойная металлокерамика на основе корунда и спла­ва Ni−Al [48].

Нижний слой содержит только керамическую фазу, промежу­34Таблица 6.Ступенчато изменяющийся состав слоев многослойногометаллокерамического композитаСлой №Состав слоя, вес. %147 Al2 O3 (полые сферы) + 47 Al2 O3 + 5 Na2 O · SiO2 + 1 SiO2294 Al2 O3 + 5 Na2 O · SiO2 + 1 SiO2339Al2 O3 + 5 Na2 O · SiO2 + 1 SiO2 + 27.5(80 Ni + 20 Cr) + 27.5NiCrSi428 Al2 O3 + 5 Na2 O · SiO2 + 1 SiO2 + 33 (80 Ni + 20 Cr) + 33 NiCrSi519 Al2 O3 + 5 Na2 O · SiO2 + 1 SiO2 + 37.5(80 Ni + 20 Cr) + 37.5NiCrSi69 Al2 O3 + 5 Na2 O · SiO2 + 1 SiO2 + 42.5(80 Ni + 20 Cr) + 42.5NiCrSi75 Al2 O3 + 5 Na2 O · SiO2 + 1 SiO2 + 44.5(80 Ni + 20 Cr) + 44.5NiCrSi850 (80 Ni + 20 Cr) + 50 NiCrAlточные слои — керамическую фазу и сплав Ni−Al, причем весовое соотноше­ние керамической фазы и сплава уменьшается по мере удаления от нижнегослоя. Верхний слой состоит только из сплава.

Кермет данного типа получаютукладкой слоев на графитовой подставке и прессованием пакета. Испытанияна термостойкость проводились по циклу, состоящему из нагрева образцадо 1 000 ℃ и последующего охлаждения в воздушной среде при нормальныхусловиях, и показали, что данный кермет обладает в 40 раз большей стойко­стью к воздействию термоциклических нагрузок по сравнению со стойкостьючистой керамики, входящей в состав кермета.Ступенчатый слоистый композит (TiB2 −Ti)-Ti, обладающий высокимсопротивлением к термоудару, описан в работе [49]. Наружный, воспринима­ющий термоудар слой, содержит 25 ÷ 60 вес. % (TiB2 −Ti), оставшаяся доляприходится на Ti. Задняя облицовка выполнена полностью из Ti.

Композитполучают горячим прессованием смеси порошков TiB2 и Ti.Большое внимание уделяется созданию прочной связи между слоями.Это достигается различными способами, например, обеспечением определен­ного химического взаимодействия материалов слоев. В работе [50] описанкомпозит, состоящий из керамических слоев Al2 O3 и металлических слоев, об­разованных из порошков Mo или W и 5 ÷ 40 вес. % V2 O3 .

Способность полуто­35раокиси ванадия образовывать при высоких температурах твердые растворыс Al2 O3 , а также синхронная усадка предложенной композиции с высокогли­ноземистой керамикой обусловливает высокую адгезию металлического слояк керамике (примерно 50–70 МПа).Для изготовления композита смеси порошков Mo или W с V2 O3 пласти­фицируют органической связкой и наносят на сырые керамические листы,после чего последние собирают в пакет, спрессовывают и обжигают в защит­ной или восстановительной среде при температуре 1 500 ÷ 1 800 ℃.1.3.3.