Диссертация (Физические свойства многослойных композиционных материалов энергодвигательных установок космической техники и энергетики в условиях воздействия высоких термических и механических нагрузок), страница 12

Составы шликеров приведены в Таблице 10.80Рис. 3.3.Последовательность операций получения многослойногометалл-керамического композитаТаблица 10.Состав шликеров, использованных при пленочном литьеКомпонентВК-100Al2 O3 наноCrСинтанолТрихлорэтиленЭтиловый спиртРастворполивинилбутираляДибутилфталатНазначениеCr-шликер, масс.%Матрица—Добавка—Матрица64,86Дефлокулянт0,115Растворитель21,78Растворитель2,66Связующее вещество5,76Пластификатор4,825Al2 O3 -шликер, масс.%52,15,8—0,1426,093,196,95,78Пленки наносились на майларовую ленту с использованием установкипленочного литья KEKO CAM-L252TB при температуре 60 ℃ в зоне подо­грева. Ширина пленок составляла 100 мм, толщина — 0,15 мм (Рис. 3.4, а, б ).После высыхания пленки снимались с майларовой ленты, собирались в па­кет из чередующихся керамических (ВК-100 + Al2 O3 нано ) и металлических(Cr) слоев и прессовались на одноосном ручном прессе Mecamaq DE-100.

Дляпрессования заготовок (Рис. 3.4, в) задавалось гидростатическое давление нашток пресса 1 100 бар.Термогравиметрический анализ шликерных пленок (Рис. 3.5) показал,что в температурных интервалах 180 ÷ 250 ℃ и 300 ÷ 500 ℃ происходит зна­81(а). Металлическая (б ). Керамическая (в). Спрессованный пакет изшликерная пленка шликерная пленка чередующихся металлических икерамических пленокРис. 3.4.Отлитые шликерные пленки и многослойный спрессованный пакетчительная потеря массы образцов, что связано с выгоранием компонентоворганического связующего шликера.

При температурах выше 500 ℃ сниже­ние массы образцов становится не таким существенным. Полученные данныепозволили установить параметры оптимального температурного цикла уда­ления связующего (Рис. 3.6, а).Далее прессованные заготовки в соответствии с выбранным режимомподвергались удалению органического связующего на установке для удаленияпластификатора ВакЭТО ВМС-22-10,5 в динамическом вакууме.Спекание заготовок слоистых металл-керамических нанокомпозитов по­сле удаления органической составляющей происходило в высокотемператур­ной вакуумной печи с вольфрамовым нагревателем СШВЭ-1.2,5/25-И3 и ав­томатическим поддержанием температурных режимов.

Температурный циклрежима спекания представлен на Рис. 3.6, б . Скорости нагрева и охлаждения,а также значения температур выдержек основаны на собственных данныхпредварительных испытаний, а также сведениях, содержащихся в [91, 92].82Рис. 3.5.Термогравиметрический анализ металлической (1 ) и керамической (2 )шликерных пленок: температурная зависимость относительного изменениямассы образцов(а). Оптимальный режим удаленияорганической связки из слоистойзаготовки(б ).

Цикл спекания слоистойзаготовкиРис. 3.6.Температурные режимы, использованные при получении композитаОбщий вид полученного образца композиционного материала, имеющегоформу пластины, представлен на Рис. 3.7, а. С целью демонстрации обраба­тываемости полученного материала при помощи лазерного технологическогокомплекса Diamax GT10 из образца композита была изготовлена прокладка в83(а). Образец в форме пластины(б ). Прокладка в формешайбы, изготовленная изплоского образцаРис.

3.7.Общий вид образцов полученного слоистого нанокомпозита оксидалюминия-хромвиде шайбы (Рис. 3.7, б ) для применения в составе термонапряженного узладугового плазмотрона.3.3. Исследование плотности образца СКМПлотность образца полученного СКМ определялась пикнометрическимметодом с использованием гелиевого пикнометра Ultrapycnometer 1200e.

Ме­тод обеспечивает достаточно точное совпадение результата измерения с ис­тинным значением плотности материала. Для сравнения было найдено такжезначение кажущейся плотности, равное app = / , где — масса образцаслоистого нанокомпозита, — его объем, определенный по результатам из­мерений его линейных размеров с помощью штангенциркуля.

Масса образ­цов измерялась на аналитических весах с точностью 0,001 г. Усредненные посерии измерений значения кажущейся и пикнометрической плотности иссле­дуемого образца представлены в Таблице 11.Сравнение значений кажущейся и пикнометрической плотности образцапозволяет судить о наличии незначительной открытой пористости в матери­але, которая составляет не более 2,5 %.84Таблица 11.Результаты измерения плотности образца слоистого нанокомпозитаAl2 O3 −CrМасса, г4,62Кажущаясяплотностьapp , г/см34,43Пикнометрическаяплотностьpycn , г/см34,323.4.

Исследования микроструктуры и элементного состава образцаСКМИсследования микроструктуры и элементного состава СКМ проводи­лись при помощи растрового электронного микроскопа FEI Quanta 600 FEGс интегрированной системой рентгеновского энергодисперсионного микроана­лиза EDAX Trident XM4.Подготовка шлифов поперечного сечения образца для проведения иссле­дований проводилась по следующей схеме. С использованием прецизионногоотрезного станка Isomet 1000 из образца вырезался небольшой фрагмент, ко­торый затем проходил процедуру горячей запрессовки в токопроводящий ком­паунд при помощи автоматического гидравлического пресса Simplimet 1000.Необходимое положение образца по отношению к рабочей поверхности шли­фа в процессе запрессовки обеспечивалось посредством его фиксации специ­альным металлическим держателем.

На Рис. 3.8 представлена полученнаязаготовка шлифа в форме цилиндра диаметром 25 мм.Далее проводиласьобработка рабочей поверхности запрессованного образца с использованиемшлифовально-полировального станка Buehler EcoMet 250 и AutoMet 250.На Рис. 3.9 приведены изображения микроструктуры шлифа поперечно­го сечения образца СКМ, полученные при различных увеличениях с использо­ванием детектора обратно рассеянных электронов (BSED), обеспечивающегоZ-контраст изображения.85Рис.

3.8.Шлиф поперечного сечения образца СКМ(а). Увеличение 200×(б ). Увеличение 1 000×(в). Увеличение 2 500×(г). Увеличение 5 000×Рис. 3.9.РЭМ-изображения поперечного сечения СКМ при различных увеличениях86На приведенных снимках отчетливо заметны чередующиеся светлые итемные полосы, образованные металлическими и керамическими слоями со­ответственно. Средняя толщина металлических слоев составила 35 мкм, ке­рамических — 40 мкм. Видно, что структура металлического и керамическо­го слоев достаточно однородна, не имеет дефектов, границы между слоямиразвиты, пустоты на межслоевых границах отсутствуют.

Для керамическогослоя характерна незначительная остаточная пористость структуры.Анализ данных растровой электронной микроскопии позволяет сделатьзаключение о:– высокой степени консолидации керамики;– высоком показателе газоплотности материала (о чем косвенно свиде­тельствует высокая плотность металлических слоев);– хорошем адгезионном сцеплении между слоями.Последний вывод отчасти является следствием добавления в исходнуюшихту порошка наноразмерного оксида алюминия, способствующего повыше­нию плотности и уменьшению начальной пористости заготовки материала.Кроме того, для композитов выбранного состава характерны механическийи химический (с образованием твердого раствора хрома в оксиде алюминия)типы связей между слоями, что также положительным образом сказываетсяна величине межслоевого адгезионного взаимодействия.Анализ элементного состава слоев образца показал содержание 99,2 ат.

%хрома в металлическом слое, а также 39,83 ат. % алюминия и 59,32 ат. % кисло­рода — в керамическом (Рис. 3.10). Полученные результаты свидетельствуюто достижении достаточно высокой степени чистоты металлического и кера­мического слоев СКМ.Практически 100 % доля хрома в металлическом слое позволяет исклю­чить вероятность наличия в данной области каких-либо сторонних фаз. Поэтой причине при дальнейшем проведении фазового анализа СКМ основнойакцент делался на исследовании керамического слоя.87(а). Микроструктура(б ). Элементный состав керамическогослоя(г). Направление поперечногосканирования СКМ при анализеэлементного состава(в).

Элементный составметаллического слоя(д ). Результаты анализа элементногосостава вдоль линии, перпендикулярноймежслоевым границамРис. 3.10.Микроструктура и результаты элементного анализа слоевнанокомпозиционного материала88Стоит учитывать, что при температурах термообработки, достигающих1 600 ℃, значительно увеличивается давление насыщенных паров хрома, про­исходит частичный унос и подплавление материала. При спекании в ваку­уме остаточный кислород может вызывать окисление металлических слоевна периферии образца. Указанные процессы могут привести к частичномуразрушению, деформации и расслоению краевой части образца.3.5. Исследования фазового состава образца СКМИсследование фазового состава образца СКМ проводилось двумя мето­дами: комбинационного рассеяния света (КР) и рентгеноструктурного анали­за.КР-спектры были получены с использованием КР-спектрометра HoribaYobin Yvon T6400 при возбуждении аргоновым лазером с длиной волны488 нм в диапазоне 100 ÷ 1 900 см−1 .