Лекция №7 Регулирование реакций на поверхности раздела

На прошлых лекция мы уже говорили о целом ряде причин, которые обусловили необходимость регулирования типа связи, скорости реакции, а также количества продуктов реакции на поверхности раздела. Избыточное химическое взаимодействие может оказаться нежелательным, а результатом недостаточного взаимодействия может быть слабая связь.

Регулируя состояние границы раздела, можно добиться усиления связи, подавления образования нежелательных фаз, уменьшения градиента химического потенциала и снижения скорости диффузии, определяющей рост реакционной зоны. Каждое из этих направлений мы будем обсуждать сегодня.

План лекций №7.

1. Усиление связи на границе волокно- матрица.

2. Ркгулирование химического потенциала ( на примере систем никель – вольфрам и никель – молибден).

3. Уменьшение скорости дитффузии (на примере системы титан – бор).

Усиление связи

Усиление связи особенно важно для композитов, упрочненных А1₂0₃. Этот окисел плохо смачивается многими металлами за исключением металлов с очень высокой реакционной способностью, например, циркония. Однако в последнем случае волокно может оказаться поврежденным (из-за разъедания его поверхности). Особенно это важно, когда упрочнителем служат короткие усы. Этот вопрос рассматривается применительно к системе серебро – альфа -модификация А1₂0₃ (сапфир). Окись алюминия не смачивается серебром и поэтому очень слабо упрочняет матрицу. Проблема несм ачиваемости усов А1₂О_ъ (сапфиров) расплавом серебра была решена предварительным напылением на них тонкого слоя никеля в вакууме. Еще более существенно облегчала смачивание сапфира и улучшило прочность материала двойной покрытие Ti - Ni. Это видно из сравнения прочности композитов, армированных усами с покрытием и без него.

В первом случаем значительно выше. Характер разрушения композита также меняется. В первом случае разрушение идет по поверхности раздела, во втором имеет место сдвиговое разрушение матрицы.

Регулирование химического потенциала

В двухфазных системах обычно применяется легирование одного из компонентов. Рассмотрим сначала случай, когда такое легирование дает желаемый результат. В качестве примера возьмем армированный вольфрамовой проволокой никель.

Никель и вольфрам образуют систему с ограниченной растворимостью. Из диаграммы состояния видно, что растворимость W в Ni намного больше, чем растворимость Ni в W. Равновесная концентрация твердого раствора W в Ni достигает 32- 35% (по массе) при температурах 1273-1472 К в то время как W способен растворить всего 0,3% Ni. Наличие активного взаимодействия матрицы из чистого никеля и вольфрамовых волокон приводит к образованию диффузионной зоны вокруг волокон, т.е. никель растворяет вольфрам. Это снижает механические свойства композита. Таким образом, эта система способна сохранять стабильные свойства на протяжении длительного времени только ниже 900 К. Предварительное легирование никеля вольфрамом приводит к снижению скорости межфазного взаимодействия в рассматриваемой системе в интервале 1273-1473 К.

Было исследовано взаимодействие W-волокна с тремя бинарными матрицами:

Ni-14%W; Ni-25%W и Ni-35%W.

Последний сплав соответствует пределу растворимости вольфрама в никеле при1473 К (см. рисунок).

Установлено, что после 100-часового отжига при 1373 К в композите первых двух составов образовался переходный слой твердого раствора переменой концентрации, причем для матрицы Ni-25%W толщина переходной зоны значительно меньше, чем для Ni-14%W. В образцах Ni-35%W после отжига даже в течение 200 часов при 1373 К растворения волокон не наблюдается.

Таким образом, предварительное введение в матричный металл материала волокна значительно снижает скорость растворения волокон, а достижение концентрации легирующего элемента, близкой к предельной, практически предотвращает это растворение в указанном интервале.

К такому же результату приводит и термодинамический анализ системы Ni-W. На линии ограниченной растворимости W и Ni имеет место равенство химических потенциалов вольфрама в насыщенном а -твердом растворе, содержащем 35%W и в фазе, представляющей сплав на основе W с 0,3%Ni, то есть Это дает возможность утверждать, что в изученном интервале температур вольфрамовые волокна не должны растворяться в а -твердом растворе.

Возьмем другой пример - тот же никель, но упрочненный проволокой ил молибдена. В отличии от системы Ni-W, в системе Ni-Mo наблюдается другая картина.

Система Ni-Mо, как и Ni-W, имеет линию ограниченной растворимости никелевого твердого раствора и не предотвращает растворение в нем молибденовых волокон при высоких температурах. Причина состоит в том, что при рассматриваемых температурах в термодинамическом равновесии с насыщенным твердым раствором находится δ фаза - NiMo. В отличие от композиции Ni-W, химические потенциалы молибдена в волокне и матрице (Ni-35%Mo) не равны между собой и термодинамически выгдным становится протекание на границе раздела реакции с образованием стабильной δ - фазы.

Таким образом, если КМ состоит из двух чистых металлов, при взаимодействии которых образуется интерметеллидное соединение, легирование одного из копонентов другим до предельного насыщения не может предотвратить образование этих соединений на границе раздела фаз и стабилизировать структуру КМ.

Если компоненты КМ образуют систему с ограниченной взаимной растворимостью без образования интерметаллидных фаз при температурах эксплуатации, то предврительное легирование до предела растворимости является эффективным средством создания структурно-стабильных КМ.