6.6. Процесс направленной кристаллизации эвтектических расплавов в технологии волокнистых композиционных материалов.

Сущность этого процесса заключается в выращивании композита из направленно кристаллизующегося расплава эвтектического состава. Например, при охлаждении расплава из точки а₁ или из точки а₂ (рис. 6.39), состав которого в точности соответствует эвтектическому, при температуре t_e будет происходить одновременное выделение кристаллов состава А и В (в первом случае), а также А и АВ (во втором случае). Если в этот момент обеспечить направленный осевой отвод тепла от рассматриваемой системы (вдоль оси кристаллизующейся системы), то выделяющиеся кристаллы будут ориентированы в направлении отвода теплового потока, непрерывно выстраиваясь друг за другом в виде параллельных пластинчатых или игольчатых частиц, как бы образуя непрерывные волокна (кристаллы А параллельно кристаллам В и кристаллы А параллельно кристаллам АВ). Кристаллы, занимающие больший объем в материале, считаются матричной фазой, а меньший – армирующей. В этом случае направленная кристаллизация эвтектического расплава происходит

при постоянной температуре (t_e) в плоском фронте кристаллизации 8 (рис. 6.40)

Практически процесс направленной кристаллизации эвтектического расплава может быть реализован следующим образом: тигель (3), содержащий смесь компонентов, образующих эвтектику, нагревают до образования жидкости эвтектического состава при помощи индуктора (2). Затем, тигель начинают вытягивать с постоянной заданной скоростью из зоны нагрева в холодную зону (подвижная опора (1) перемещается в направлении стрелки), обеспечивая направленный осевой отвод тепла. При этом, плоский фронт кристаллизации (8) перемещается вверх. Скорость кристаллизации зависит от скорости вытягивания тигля и условий теплообмена. После окончания процесса полученный композит (в виде слитка) извлекают из тигля путем механической обработки. Возможен также другой вариант реализации процесса направленной кристаллизации, когда тигель с расплавом – неподвижен, а индуктор перемещается вверх с заданной скоростью. Ниже приведены примеры часто встречающихся эвтектических композиций: Al –CuAl₂ (33,2% масс), t_e = 547 C; Ni₃Al – Ni₃Nb (44% об), t_e = 1280C; Al - Ni₃Nb (32% об), t_e = 1270C; Ni₃Al – Mo (26% об), t_e = 1306C; NiAl – Cr (34% об.), t_e = 1450C; ZrO₂ - Al₂O₃ (45% масс), t_e = 1890C.

На механические свойства получаемых композитов значительно влияет состояние границы между кристаллами направленно закристаллизованных фаз. Ее степень дефектности определяется количеством образующихся дислокаций при сращивании кристаллических решеток выделяющихся кристаллов. При этом, появление дислокаций вызвано действием сил поверхностного натяжения по поверхности раздела расплава и выделяющейся твердой фазы. Тогда, возникающие по этой поверхности напряжения, приводят к накоплению энергии упругой деформации в решетках кристаллов и способствуют образованию дислокаций. В случае малоугловых границ между кристаллами (менее 10⁰) наблюдается цепочка краевых дислокаций с упорядоченными промежутками (рис. 6.41 а), при большеугловых границах (более 10⁰) разориентировка сращиваемых кристаллов настолько значительна, что цепочка дислокаций является непрерывной (рис. 6.41 б). На границах кручения, где две кристаллические решетки повернуты относительно общей оси на некоторый угол , возможно образование сетки винтовых дислокаций.

На рис. 6.42 а и б показаны игольчатая и пластинчатая структуры направленно закристаллизованных композитов, а на рис. 6.42 в – фрактограмма поверхности излома, иллюстрирующая плотную укладку направленно закристаллизованных фаз.

Направленно закристаллизованные композиционные материалы считаются весьма перспективными для высокотемпературной эксплуатации в качестве лопаток газотурбинных двигателей благодаря повышенной жаропрочности и жаростойкости, а также устойчивостью к разрушению в условиях термоудара.

К недостаткам данного метода можно отнести следующее: трудность изготовления изделий сложной конфигурации, так как форма тигля определяет форму изделий; ограниченность выбора материала тигля, не взаимодействующего с расплавом (керамика, графит); невозможность варьирования объемной доли армирующей фазы, так как ее количество определяется единственным положением эвтектики на диаграмме состояния.

Рис. 6.42. Микроструктура направленно закристаллизованных композитов.

а – продольный шлиф эвтектики Al₂O₃ – ZrO₂(Y₂O₃);

б – «правильная» микроструктура пластинчатой эвтектики Al – CuAl₂;

в – поверхность излома эвтектики Al – Al₃Ni. В.Курц, П.Р. Зам. Направленная кристаллизация эвтктических материалов; А Меткалф. Поверхности раздела в металлических композитах.