5.6. Дисперсноупрочненные композиционные материалы «хрупкая матрица – пластичный наполнитель».

Это такие материалы, структура которых представлена керамической матрицей с равномерно распределенными в ней дисперсными металлическими частицами наполнителя. Эти композиты относятся к классу керметов, в составе которых объемная доля хрупкой керамической составляющей превышает таковую для пластичной металлической составляющей. В силу этой причины металлические частицы являются дискретными включениями в матрице, не образующими непрерывного каркаса. Расстояние между соседними частицами задается путем варьирования их объемной доли, а эффект от армирования матрицы дисперсными частицами может проявляться при их содержании 15-20% об.

В рассматриваемых материалах в качестве керамической фазы могут использоваться тугоплавкие оксиды и некоторые тугоплавкие неоксидные соединения: Al₂O₃, 3Al₂O₃2SiO_2, Cr₂O₃, ZrO₂, ThO₂, Y₂O₃, Si₃N_4, TiN, ZrN, BN, ZrB₂, TiB₂, NbB₂, HfB₂. В качестве металлической фазы – Fe, Co, Ni, Si, Cu, W, Mo, Cr, Nb, Ta, V, Zr, Hf, Ti (для повышения пластичности металлического хрома его легируют молибденом или вольфрамом). Выбор каждой конкретной керметной пары (т.е. сочетания: керамика – металл) для получения композита обусловлен возможностью создания стабильной границы раздела в результате твердофазного взаимодействия при температуре, не превышающей температуру плавления наиболее легкоплавкой составляющей пары, либо температуру образования эвтектического расплава.

Для керметов с оксидной керамической фазой, называемых оксикерметами, механизм образования связи по границе раздела «керамика - металл» чаще всего связан с высокотемпературным диссоциативным разложением оксида и выделением молекулярного кислорода, окисляющего металл. Например, при твердофазном взаимодействии в системе - Al₂O₃ – Me_{(металл)}, оксидная составляющая диссоциирует согласно следующим реакциям:

Al₂O_{3(твердое)} = 2AlO_(газ) + 1/2О₂

Al₂O_{3(твердое)} = Al₂O_(газ) + O₂

Al₂O_{3(твердое)} = 2Al_(газ) + 3/2 O₂

Далее молекулярный кислород диссоциирует на атомы - O₂ = O^ + O^ (2O^) и взаимодействует с металлом – Me + 2O^  MeO.

В общем виде реакции по границе раздела между составляющими керметных пар – W-Al₂O₃, Ti- Al₂O₃, Cr- Al₂O₃ могут быть записаны следующим образом:

1/3W + 1/3Al₂O₃ = 1/2WO₃ + 2/3Al_(газ)

1/2Ti + 1/3Al₂O₃ = 1/2TiO₂ + 2/3 Al_(газ)

Cr +1/2 Al₂O₃ = 1/2Cr₂O₃ + Al_(газ)

В случае двух последних реакций образующиеся оксиды могут вступать во взаимодействие с оксидом керметной пары - Al₂O₃, образуя шпинель Al₂O₃ TiO₂ (это соединение -Al₂TiO₅ называют еще титанатом алюминия) и твердый раствор Cr₂O₃ в Al₂O₃ – соответственно. По границе раздела керметной пары Cr-Y₂O₃ обнаружено химическое соединение – хромит иттрия (YCr₃).

Для создания стабильной границы раздела в керметах MeN – Me^/ (нитрид металла – металл) следует в качестве нитридной составляющей кермета использовать термодинамически устойчивые и прочные металлоподобные нитриды металлов, в составе которых Me = Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Ca, Mg, Ba, а также неметаллические нитриды – Ме = Al, Si, B. В качестве металлической составляющей целесообразно применять металлы, которые не образуют нитриды (Me^/ = Ag, Au, Pt, Pd), или металлы, образующие нестойкие нитриды (Me^/ = Cu, Fe, Co, Ni, Cr, Mo, W, Re). Растворимость нитридов в Me^/ нежелательна, поскольку приводит к охрупчиванию границы раздела. Представляет интерес керметная пара - Si₃N₄ – аустенитная нержавеющая сталь - по границе которой образуются силициды хрома и железа.

В керметах MeB – Me и MeB – Me^/ (борид металла - металл) возможны разные варианты взаимодействия по границе раздела фаз. Например, для композита TiB₂ – Ti (металл, составляющий керметную пару, является одноименным с металлом, входящим в состав диборида) имеет место образование низшего борида - TiB и твердого раствора бора в титане. А для композита TiB₂ – Zr (Me и Me^/ - отличны) происходит формирование новых боридных фаз - ZrB, ZrB₂ и низшего борида - TiB в результате обеднения бором исходного диборида титана..