Диссертация (Физические свойства многослойных композиционных материалов энергодвигательных установок космической техники и энергетики в условиях воздействия высоких термических и механических нагрузок), страница 6

Термокомпрессионная сварка металлических фольг иоксидных пластинИзвестны многослойные металлооксидные композиты, состоящие из ме­таллических фольг (Cu, Al, Ni) толщиной 30 ÷ 100 мкм, соединенных термо­компрессионной сваркой с предварительно спеченными пластинками оксидаалюминия толщиной 0,5 ÷ 2 мм [51].Для повышения адгезии металлов к керамическим пластинам поверх­ность последних покрывали слоем титана, получаемого из расплава солейщелочных хлоридов.

Чередованием слоев металлизированной керамики сослоями фольги собирались пакеты, которые затем нагревались под нагруз­кой в вакуумной печи. Кермет −Al2 O3 −Cu получали термокомпрессионнойсваркой при температуре 1 090 ÷ 1 120 ℃, давлении 1,5 ÷ 24 МПа и временивыдержки 10 ÷ 30 мин. При нагревании образцов медная фольга плавиласьи взаимодействовала со слоем титана с образованием интерметаллида меди,что способствовало образованию прочной связи между керамическими пла­стинами и слоями металла. Такой композит имеет более высокую ударнуювязкость по сравнению с ударной вязкостью чистого оксида. Недостаткамикомпозита, помимо сравнительно невысокой рабочей температуры и трудо­емкости изготовления, являются большая толщина оксидных пластин и, какследствие, ограниченная термостойкость, невозможность изготовления фа­36сонных огнеупоров.Такими же недостатками обладает и ряд других слоистых композитов,состоящих из предварительно спеченных слоев керамики и металлическихслоев [52], либо из металлических фольг Mo, W, Nb и «сиалона» [45], соеди­няемых термокомпрессионной сваркой.В работе [52] предложен способ получения многослойного кермета мето­дом гидропрессования пакета из вакуумированных металлокерамических икерамических слоев со степенью деформации 30 ÷ 90 %.

После проведениягидропрессования в холодном состоянии осуществляется нагрев, обеспечива­ющий диффузию компонентов материала.В ряде опубликованных работ исследована прочность керметов, полу­ченных диффузионной сваркой. Испытаны на изгиб слоистые композитыAl2 O3 −Nb и Si3 N4 −Zr [53, 54].Композит Al2 O3 −Nb сваривался из пластин поликристаллического Al2 O3толщиной 1 мм через фольгу высокочистого Nb толщиной 0,1 мм в высо­ком вакууме (1,3 · 10−4 Па) при индукционном нагреве до 1 400 ℃ . Слоигорячепрессованного Si3 N4 сваривались через фольгу Zr толщиной 0,5 ммпри 1 300 ℃. Al2 O3 −Nb характеризуется отсутствием четко выраженного ре­активного взаимодействия фаз при температурах диффузионной сварки, вSi3 N4 −Zr такое взаимодействие имеет место.Типичным для системы Al2 O3 −Nb является отсутствие промежуточныхслоев между металлом и керамикой. Компоненты системы характеризуютсяхимической совместимостью и благоприятным сочетанием КТЛР.

Соедине­ние Si3 N4 −Zr, напротив, имеет промежуточные реактивные слои.Температура диффузионной сварки для Al2 O3 −Nb варьировалась в диа­пазоне 1 300 ÷ 2 000 ℃, время выдержки — 0,1 ÷ 20 ч, давление — 5 ÷ 30 МПа.Из Рис. 1.6 видно, что при температуре испытаний выше 1 300 ℃ компо­зит обладает большей прочностью, чем керамика. Результаты металлографи­ческого исследования позволили установить, что разрушение образцов компо­37зита при температуре 1 500 ℃ происходит исключительно по границе междуслоями Al2 O3 и Nb, в то время как разрыв образцов при температуре выше1 500 ℃ происходит в слое керамики вблизи граничной поверхности.Рис.

1.6.Зависимость сопротивления разрушению 1C от температуры испытаний при изгибе композита Al2 O3 −Nb (кривая 1 ) и керамики Al2 O3 (кривая 2 )Исследования показали, что сопротивление разрушению связи междуслоями Nb и Al2 O3 увеличивается с ростом температуры сварки до 2 000 ℃,в то время как при температурах сварки ниже 1 300 ÷ 1 350 ℃ связь междуслоями практически не образуется.

Прочность слоистого соединения возрас­тает также с увеличением времени сварки, но уже по истечении одной ми­нуты выдержки при температуре сварки сопротивление разрыву достигает1,5 МН/м3/2 . Исследование влияния величины прижимного давления сваркипоказало, что при давлении менее 4,9 МПа соединение слоев не происходит,в то время как превышение давления в 30 МПа приводит к существеннойдеформации ниобия, а также повреждению керамики Al2 O3 .Исследование сварки других пакетов керамика — металл показало, в част­ности, что Mo не образовывает соединения с 99,7 % Al2 O3 в высоком вакууме.Также не происходит соединения Al2 O3 со сплавом Nb−Mo при содержаниив сплаве более 20 вес. % Mo.381.3.4.

Нанесение оксида на металлические лентыВ литературе сообщается о слоистых металлооксидных композитах, вкоторых оксидные слои толщиной 0,05 ÷ 2 мкм осаждаются на движущую­ся над испарителем медную или алюминиевую ленту толщиной 7 ÷ 10 мкм.Испарение осуществляют одновременно из нескольких источников, при этомполучают многослойное покрытие.

Ленту с покрытием сворачивают в рулон,помещают в стальную обойму и подвергают экструзии (при нагреве), а затемдиффузионному отжигу. В результате получают композиты с мелкозерни­стой спиральной структурой, обладающие высокой прочностью и вязкостью[55].Недостатком композитов этого типа является малая толщина оксидногослоя по сравнению с металлическим, что снижает его огнеупорные и тепло­изолирующие свойства.Примером использования этого композита может служить конструкциясопла ракетного двигателя (Рис.

1.7, а) [56]. Металлические гильзы позволя­ют выдержать нагрузку от давления газа. Неметаллические слои (например,керамические) выполняют функцию теплоизоляции и создают необходимоедистанцирование металлических гильз друг относительно друга. Набор оченьтонких металлических гильз получают путем их вальцовки (обжимки) на то­карном станке и нанесения на каждую гильзу керамического покрытия. За­тем на полученной гильзе обжимается следующая металлическая гильза, накоторую снова наносится керамическое покрытие и т. д.Каждый слой сформован по контуру сопла, поэтому даже в случае вы­горания внутренних слоев в процессе эксплуатации основная форма сопла неизменится.К этому же классу следует отнести и композиты с керамическими лен­тами (SiC, B4 C и др.), которые изготовляют путем химического газофазногоосаждения керамики на соответствующую подложку (Рис.

1.7, б ) [57].39(а). Конструкция сопла смногослойной облицовкой изметаллических гильз (1) икерамических слоев (2)(б ). Типичное расположениеармирующих лент в композите [56]Рис. 1.7.1.3.5. Направленная кристаллизация слоистых эвтектикИнтерес к композиционным материалам на основе эвтектик металл-оксид­ных систем, в том числе слоистых эвтектик, образующихся методом направ­ленной кристаллизации, обусловлен их существенно более высокой устойчи­востью к окислению по сравнению с керметами того же состава, полученнымиспеканием.Дано обстоятельное описание свойств эвтектических жаропрочных спла­вов, полученных направленной кристаллизацией, в том числе эвтектик пла­стинчатого строения [58]. Приводятся также сведения о слоистых эвтектикахAl−Al3 Ni, Al−CuAl2 , Cu−Cr и др., но основное внимание уделено эвтекти­кам на основе никеля и кобальта (никелевые сплавы с направленной структу­рой: Ni−NiBe, Ni−Ni3 Nb, Ni−Cr, Ni−NiMo, Ni−Ni3 Ti, Ni−W и др.; кобаль­товые сплавы с направленной структурой: Co−CoAl, Co−CoBe, Co−Co3 Nb,Co−Co2 Ta, Co−Co7 W6 , Co−TiC и др.).

Подробно рассмотрена пластинчатаямикроструктура Ni3 Al−Ni3 Nb. Описаны условия получения направленной40структуры (отношение градиента температуры к скорости кристаллизациии др.) [58].Для получения направленных эвтектик применяют, главным образом,метод Бриджмена и метод зонной плавки.В ряде работ изучены механические свойства эвтектик пластинчатогостроения и, в частности, особенности упрочнения таких композиционных ма­териалов.Наличие жесткой, армирующей фазы, направленно расположенной внут­ри пластинчатой матрицы, позволяет рассчитывать прочность эвтектик с пла­стинчатым строением на основе правила смеси.

Установлено, что эти эвтек­тики упрочняются по мере уменьшения расстояния между пластинами.Например, при уменьшении расстояния между пластинами в эвтектикеNi3 Al−Ni3 Nb в пять раз прочность на растяжение при температуре 1 093 ℃удваивается.Эвтектические композиции благодаря хорошей связи между высокомо­дульными упрочняющими фазами и матрице обладают стабильным и вы­соким пределом текучести, что способствует созданию материалов с высо­ким сопротивлением усталости.

Возникшие в композите трещины, распро­страняясь, могут быть остановлены или отведены путем нарушения связи награнице между поверхностями или в результате продольного раскалыванияупрочняющей фазы. Классический пример возникновения таких трещин вмикроструктуре образца эвтектики Ni3 Al−Ni3 Nb, подвергнутой циклическойнагрузке ±930 МПа, описан в работе [58].Как показано в работе [59], начало заметного окисления плавленой эв­тектики в системе Cr2 O3 −W (21 вес.