Диссертация (1024982), страница 12
Текст из файла (страница 12)
А.А. Бармина, совместно скоторой были получены результаты синтеза и экспериментального исследования структурных, теплофизических и термомеханических свойств опытныхобразцов СКМ.3.1. Аттестация и подготовка исходных порошковВ качестве исходных порошков, служащих для приготовления шликерных лент, были использованы: порошок оксида алюминия Al2 O3 (марки ВК-100:Al2 O3 — 99,63 %, Na2 O — 0,08 %, K2 O — 0,06 %, CaO — 0,02 %, Ba — 0,02 %, MgOи SiO2 — менее 0,05 %, содержание других элементов менее 0,02 %) с характерным размером гранул 1 ÷ 2 мкм, нанопорошок оксида алюминия Al2 O3 нано ,полученный методом плазмохимического синтеза [88], с характерным размером гранул 20 ÷ 300 нм и порошок хрома с характерным размером гранул7730 ÷ 40 мкм.
Следует ожидать, что введение наноструктурной добавки в керамические слои будет способствовать повышению как механических свойствматериала, так и качества спекания.На Рис. 3.1 приведены изображения исходных порошков хрома и наноразмерного оксида алюминия, полученные с помощью растрового электронного микроскопа FEI Quanta 600 FEG с системой рентгеновского микроанализаEDAX Trident XM4.(а). Порошок хрома микронногоразмера(б ). Наноразмерный порошококсида алюминияРис.
3.1.РЭМ-изображения исходных порошков с обозначениями характерныхразмеров гранулПри приготовлении шликера критическим параметром является удельная площадь поверхности исходных порошков. Слишком большая поверхностная энергия может потребовать неприемлемого количества связующегокомпонента для получения шликера. Величина удельной площади поверхности исходных порошков измерялась адсорбционным методом [89] на установке Nova 1000e с последующей обработкой результатов многоточечным методом БЭТ [90] и составила 9,2 м2 /г для порошка Al2 O3 микронного размера(ВК-100) и 15,1 м2 /г для нанопорошка Al2 O3 нано .
Эти данные свидетельствуют о необходимости проведения дополнительной операции отжига нанопо78Рис. 3.2.Результаты термического анализа нанопорошка оксида алюминия:температурная зависимость относительного изменения массы образца(ТГ-кривая) и мощности тепловых эффектов, сопровождающих процесснагрева (ДСК-кривая)рошка Al2 O3 нано для уменьшения удельной площади его поверхности. Подходящая температура отжига определялась на основании данных термическогоанализа, проведенного по следующей схеме.Нанопорошок оксида алюминия нагревался с использованием термоанализатора Netzsch STA 449 F1 Jupiter QMS 403 Aeolos со скоростью 10 ℃/мин ватмосфере аргона до температуры 1 500 ℃. На Рис.
3.2 отражены полученныехарактеристики. Термогравиметрическая кривая (ТГ-кривая), отражающаяотносительное изменение массы образца с ростом температуры, показывает,что в интервале 200 ÷ 500 ℃ происходит заметное снижение массы образца,вызванное десорбцией азота, при дальнейшем же повышении температурыона практически не меняется. Эффекты выделения или поглощения теплотыматериалом образца, которые могут наблюдаться при изменении температуры, иллюстрирует кривая дифференциальной сканирующей калориметрии(ДСК-кривая), указывающая, в данном случае, на наличие фазовых переходов при температурах в окрестностях 850, 1 200 и 1 350 ℃.79Следует обратить внимание, что при температурах выше 1 200 ℃ идутпроцессы с активным поглощением энергии, что свидетельствует о началеспекания нанопорошка оксида алюминия.Для определения оптимальных условий отжига было проведено четыресерии операций отжига нанопорошка с часовой выдержкой при температурах900 ℃, 1 000 ℃, 1 100 ℃ и 1 200 ℃ в воздушной печи.
Результаты измеренийудельной площади поверхности нанопорошка после термической обработкиприведены в Таблице 9.Удельная площадь поверхности нанопорошка Al2 O3Образец Al2 O3 нанодо отжигаотжиг 900 ℃ (1 час)отжиг 1 000 ℃ (1 час)отжиг 1 100 ℃ (1 час)отжиг 1 200 ℃ (1,5 часа)Таблица 9.наноуд. пов. , м2 /г15,1413,4614,4611,7211,40Таким образом, отжиг при температуре 1 200 ℃ позволяет получить минимальное значение удельной площади поверхности с сохранением наноструктуры порошка.3.2. Технологическая цепочка получения СКМПоследовательность операций получения многослойных наноструктурированных металл-керамических композитов представлена на Рис. 3.3. Дляполучения шликера необходимой консистенции для литья пленок использовалось в среднем 35 % связующих компонентов (связующее вещество — поливинилбутираль, растворитель — трихлорэтилен) и 65 % твердой фазы (микронный порошок хрома — для шликера с металлической фазой или смесь микронного и нанопорошка оксида алюминия в соотношении 9 : 1 по массе — дляшликера с керамической фазой).
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).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
