9.4. Обработка давлением в режиме сверхпластичности

Проблема формоизменения при горячей обработке давлением керамических материалов до недавнего времени не рассматривалась столь же серьезно, как для металлических материалов. Причина этого в том, что в керамических материалах величины плотности подвижных дислокаций и их подвижности на несколько порядков меньше, чем в металлах. Пластичность, обусловленная диффузионными процессами, в керамических материалах проявляется лишь при высоких температурах. Существует, по крайней мере, еще одна причина, из-за которой большие пластические деформации в керамике труднодостижимы. Она заключается в низкой поверхностной энергии границ зерен в керамических поликристаллах, что обусловливает слабую когезионную прочность границ и склонность к межзеренному разрушению.

Тем не менее, проводились интенсивные исследования возможностей горячей обработки давлением керамических материалов, такой, как экструзия, прокатка, ковка, поскольку решение данной проблемы позволило бы в значительной степени снизить стоимость изделий из-за устранения дорогостоящей операции механической обработки. Успех стал возможным с открытием эффекта сверхпластичности керамики, то есть ее способности проявлять при определенных условиях сверхвысокие деформации при растяжении.

Сверхпластичность керамики может быть обусловлена ультрадисперсной (субмикронной или нанокристаллической) структурой, в которой имеются высокоугловые подвижные границы зерен (структурная сверхпластичность), либо структурными напряжениями, возникающими, например, по достижении температуры фазовой нестабильности или из-за анизотропии термического расширения фаз (трансформационная сверхпластичность).

Эффект сверхпластичности при растяжении установлен для ряда однофазных и композиционных керамических материалов. Например, заметная пластическая деформация тетрагонального диоксида циркония начинается при 1000 °С, но только при температурах выше 1350 °С достигаются относительные удлинения более 100 %.

Уменьшение размера зерна в керамике до уровня 10…100 нм может обеспечить высокую скорость пластической деформации уже при комнатной температуре. Экспериментально это продемонстрировано на образцах TiO₂-керамики (полученной окислением титана). Однако, проблемой является термическая нестабильность столь ультрадисперсных структур.

На практике явление сверхпластичности использовали при экструзии прутков из частично стабилизированного диоксида циркония (размер зерна 0,23 мкм) при температуре 1500 °С и степени вытяжки 8:1. С помощью карбидокремниевого инструмента производили гибку листов циркониевой керамики при температуре 1450 °С, а из ZrO₂-керамики с 2 мол.% Y₂O₃ и 0,3 мол.% CuO выпрессовывали при 1150 °С изделия полусферической формы. Добавка CuO обеспечивала снижение температуры плавления зернограничной стеклофазы и, тем самым, температуры проявления эффекта сверхпластичности. Известны также данные о формоизменении изделий из Al₂O₃-керамики, в частности, экструзией, при температуре 1600 °С, а также о горячей штамповке керамики в системе ZrO₂–Al₂O₃ при 1500 °С.

Поведение керамики при обработке в режиме сверхпластичности, в общем, подобно поведению металлов, однако в керамике эффект проявляется при меньших на порядок размерах зерна (менее 1 мкм) и при более низких скоростях деформирования (< 10^-4с^-1). Из-за термодинамической неустойчивости ультрадисперсных структур в процессе сверхпластической деформации происходит рост зерна, сопровождающийся потерей высоких деформационных характеристик керамики. Поэтому важнейшей задачей является стабилизация границ зерен в материалах с ультрадисперсной структурой, что, вероятно, может быть достигнуто в нанокомпозиционных материалах, компоненты которых распределены равномерно на уровне наноструктуры.

Резюме. Общая тенденция развития технологии создания и производства керамических материалов в настоящее время направлена на создание и применение нанокерамики. Основными направлениями разработок являются: а) химический синтез высокочистого сырья, в том числе ультра- и нанодисперсных порошков оксидов, карбидов, нитридов, а также армирующих элементов - волокон, нитевидных кристаллов; б) эффективные технологии формования, спекания, соединения и механической обработки изделий.