Лекция №3

План лекции

1. Стабильность поверхности раздела.

а) растворение с повторным выделением;

б) растворение;

в) реакция взаимодействия;

г) обменная реакция;

д) разрушение псевдостабильной поверхности.

2. Совместимость компонентов в КМ

а) типы несовместимости компонентов;

б) физическая совместимость компонентов; природа и роль остаточных напряжений на границе раздела;

в) химическая совместимость компонентов КМ. Обеспечение химической совместимости в жаропрочных компзициях: учёт свободной энергии, химического потенциала, коэффициента диффузии и поверхностной энергии.

Это одно из основных требований, которые предъявляются к КМ с металлической матрицей. В этом смысле они наиболее перспективны, так как полимерные композиции нестабильны при высоких температурах, а удовлетворить техническим требованиям могут лишь те материалы, которые стабильны сотни и даже тысячи часов. Изначально было определено два типа нестабильности КМ, но в настоящее время рекомендуется различать пять типов нестабильности поверхности раздела. Однако, в ряде случаев бывает трудно определить, какой тип реакции приводит к нестабильности.

Растворение с повторным выделением. Этот тип нестабильности имеет ту же причину, что и перестаривание дисперсионно-твердеющих сплавов. Движущей силой процесса является межфазовая поверхностная энергия, которая снижается по мере уменьшения величины межфазной поверхности. Было показано, что механизм роста фаз состоит в растворении одной из них и в повторном осаждении на имеющихся зёрнах. Скорость процесса лимитируется скоростью диффузии. При этом типе нестабильности не происходит изменения ни в количестве, ни в составе фазы. Нестабильность такого типа была обнаружена в системе никель – графит.

Растворение. Основное отрицательное действие этого процесса состоит в частичном уменьшении степени упрочнения. Растворение может быть весьма значительным, если для получения КМ используется пропитка жидким металлом. Растворение происходит также при высокотемпературном отжиге КМ и оно может оказаться существенным, если требуется значительное время выдержки. Так, для сплава хастеллой, упрочнённого вольфрамовой проволокой, после выдержки в течение 50 часов при температуре 1422 К площадь сечения волокна уменьшилась на 36 % (хастеллои – сплавы никеля и молибдена, устойчивы к серной и соляной кислотам), т.е. эти материалы нестабильны при повышенной температуре. Эту проблему иногда решает быстрая пропитка расплавом пучка проволоки с последующим быстрым затвердеванием и охлаждением так, чтобы весь процесс был завершён в несколько секунд. В некоторых случаях КМ не теряет прочность, хотя из-за растворения сечение армирующего компонента уменьшается. Это объясняется образованием высокопрочного соединения, как например, в системе ниобий – вольфрам.

В связи с нестабильностью этого типа возникает ещё одна проблема, а именно, образование пор из-за неравенства диффузионных потоков. Само это явление известно как эффект Киркендалла. По предположению, поры образуются по тому, что поток материала из матрицы в проволоку не уравновешивается диффузией вольфрама в матрицу. Обнаружено, что зарождение пор Киркендалла ускоряется, если на поверхности раздела волокно – матрица есть остаточная пористость.

Реакция взаимодействия. Это непрерывно протекающая реакция с образованием нового соединения сильнее ухудшает свойства композита, чем простое растворение, так как прочность реакционной зоны всегда меньше, чем высокопрочного волокна. Реакция между матрицей и волокном может происходить либо на границе раздела волокно - продукт реакции, либо на границе раздела матрица – продукт реакции. В первом случае через образующееся соединение могут диффундировать атомы материала матрицы, во втором - материала волокна. В некоторых случаях происходят оба процесса. Интересным примером такого типа взаимодействия является система алюминий – графит, изготовленная методом диффузионной сварки, в которой на границе раздела был обнаружен карбид алюминия. При температуре 970 К карбид образуется быстро, но, реагируя на воздухе с парами воды, разлагается с выделением метана. В хорошо контролируемых условиях такой материал не содержит карбида алюминия.

Обменная реакция. Это реакция между волокном и матрицей, легированной двумя и ли более элементами, которую можно рассматривать как двухстадийную. Сначала продукт реакции будет содержать все элементы матрицы наряду с элементами волокна. Однако, в соответствии с законами термодинамики, некоторые элементы матрицы концентрируются в продукте реакции. Обмен элементами между этими соединениями и матрицей приближает систему к равновесию. В результате, вблизи соединения матрица становится беднее элементом, вошедшим в состав соединения. Этот процесс происходит с замедлением. Суммарная реакция включает процесс роста соединения с одновременным оттеснением одного или более элемента фронтом роста.

Разрушение псевдостабильной границы раздела. Этот тип нестабильности заключается в неожиданном изменении состояния границы раздела. Так, например, при изготовлении некоторых композитов методом диффузионной сварки образуется окисная плёнка, которая сохраняется в оптимальных условиях. Разрушение окисной пленки инициирует химическую реакцию между матрицей и волокном. Результатом является разупрочнение волокон, имеющее место из-за протекания реакции на межфазной границе после разрушения окисной плёнки.