Щільність дислокацій і концентрація дефектів упаковки в полікристалах після спікання при температурі 1750 к

Зернистість КНБ	Al, мас.%	Тиск, ГПа	, 1011 см-2	, %
КМ 7/5	10	1	1,6	21
		2	2,4	1,50,6
		3	2,5	0,30,1
		4	3,2	0,90,5
		5	3,4	1,20,4
КМ 1/0, 2/1, 3/2	0 і 2	4,2	3,0	0,60,5
		7,7	7,0	1,60,5
	10	4,2	3,6	32
		7,7	2,9	101

Реакційне спікання з алюмінієм дозволяє при знижених р,Т-параметрах (4,2 ГПа, 1750 К) одержати в полікристалах такі рівні щільності дислокацій і концентрації дефектів упаковки, які досягають при спіканні без добавок алюмінію при р=7,7 ГПа і Т=2300 К.

7.2. Фізико-механічні властивості полікристалів і композитів кнб після спікання в інтервалі температур деформаційного зміцнення

В даному розділі досліджувались вплив технологічних факторів, таких як тиск, температура і тривалість спікання, на структуру і властивості полікристалів КНБ, взаємозв’язок між структурою та властивостями полікристалів.

На рис. 7.10-7.14 показано залежність твердості, густини полікристалів КНБ, а також щільності дислокацій в структурі BN_сф і вмісту BN_г в полікристалах від технологічних параметрів спікання [26, 57, 138, 145, 186, 187, 249].

Перебудова деформаційної субструктури BN_сф в широкому інтервалі температур спікання відбувається разом зі зміною в такому інтервалі температур фізико-механічних характеристик - густини і твердості полікристалів (див. рис. 7.10). Умови і механізми формування фізико-механічних характеристик полікристалів доцільно аналізувати з врахуванням особливостей формування їх структури. На рис. 7.10 показано еволюцію твердості (Н) і відносної густини (/_теор) полікристалів одержаних при спіканні порошку КНБ марки КМ 7/5 без добавок під тиском 7,7 ГПа, в залежності від температури спікання в порівнянні з щільністю дислокацій в структурі полікристалу і наявності в його складі графітоподібного гексагонального нітриду бору.

Кореляція між густиною полікристалів і їх твердістю свідчить, що твердість полікристалів, одержаних в інтервалі температур спікання 1000-2700 К, залежить від макроструктури (пористості).

Рис. 7.10 Залежність від температури спікання твердості (1) і густини (2) полікристалів КНБ, а також щільності дислокацій в структурі BN_сф (3) і вмісту BN_г в полікристалах (4). Тиск спікання – 7,7 ГПа, вихідний порошок КНБ – КМ 7/5.

Рис. 7.11 Залежність від часу спікання твердості (1) і густини (2) полікристалів КНБ, а також щільності дислокацій в структурі BN_сф (3) і вмісту BN_г в полікристалах (4). Параметри спікання: температура – 2300 K, тиск – 7,7 ГПа, зернистість вихідного порошку КНБ – КМ 7/5

Рис. 7.12 Залежність від зернистості вихідних порошків КНБ твердості (1) і густини (2) полікристалів КНБ, щільності дислокацій в структурі BN_сф (3) і вмісту BN_г в полікристалах (4). Параметри спікання: температура – 2300 К, тиск – 7,7 ГПа

На першому етапі спікання (до 1600 К) іде утворення і зростання контактів між зернами BN_сф, твердість визначається міцністю таких контактів і становить не більше 15 ГПа.

Основним механізмом утворення контактів є пластична деформація, тому зростає щільність дислокацій. Графітоподібного BN в складі полікристалів, одержаних при температурі спікання до 1600 К практично відсутній (див. також розд. 3.1, 4.4, 4.7).

На другому етапі спікання (1600-2300 К) іде вдосконалення контактів – границь зерен шляхом часткового відпалу дефектів з утворенням закритої пористості. Густина полікристалів продовжує зростати, хоча порівняно з попереднім інтервалом температур збільшення густини невелике (див. також розд. 3.1). Більш інтенсивно зростає твердість, а щільність дислокацій зменшується. Кількість графітоподібного гексагонального нітриду бору в складі полікристалі в цьому температурному інтервалі змінюється найбільш значимо [26, 95, 114, 133, 186, 187, 259] (див. також розд. 4.4, 4.7), спочатку зростає завдяки фазовому перетворенню BN_сфBN_г в порах, де тиск низький, близький до атмосферного, при подальшому ущільненні полікристалу пори зникають, заповнюються сфалеритним BN завдяки пластичній течії речовини в пори і гексагональним графітоподібним BN завдяки фазовому перетворенню BN_сфBN_г, яке проходить зі збільшенням об’єму.

Після зникнення пор тиск по всьому об’єму полікристалу вирівнюється, в місцях, де знаходиться графітоподібний BN складаються умови, які призводять до фазового перетворення BN_гBN_сф, як показано в розд. 4.7 такі умови залежать від характеру зборки ячейки високого тиску і зернистості вихідних порошків КНБ. При температурі спікання 2300 К графітоподібного BN в складі полікристалу практично відсутній.

Наявність в складі полікристалу фази з низькою твердістю і міцністю (BN_г) перешкоджає росту твердості полікристалу і тільки у випадку зменшення або повної відсутності в складі полікристалу графітоподібного BN твердість значимо зростає і досягає максимуму при температурі 2300 К.

На третьому етапі (більше 2300 К) продовжується вдосконалення границь зерен (див. розд. 4), густина стабілізується, графітоподібний BN відсутній, щільність дислокацій і твердість зменшується.

Залежності твердості від тривалості спікання (рис. 7.11) і від зернистості вихідних порошків кубічного нітриду бора (рис. 7.12) – також криві з максимумом. Тут умови спікання такі. Шихта - порошки КНБ без добавок, тиск спікання 7,7 ГПа. температура спікання - 2300 К, зернистість порошку КМ - 7/5 (рис. 7.11).

Таким чином, на ранніх стадіях спікання визначальний вплив на твердість мають такі чинники структури, як пористість, наявність фаз, що зменшують міцність і твердість полікристалу (в даному випадку графітоподібного BN).

На пізніх стадіях спікання, коли сформовані міцні міжзеренні границі, пористість низька, графітоподібний BN у складі полікристалів практично відсутній, твердість залежить від рівня дефектності внутрізеренної структури полікристалу (щільність дислокацій).

Слід відзначити збільшення густини в усьому досліджуваному інтервалі параметрів при збільшенні температури і часу спікання і гострий максимум в залежності кількості графітоподібного BN від температури спікання.

Порівняння рис. 7.10 і рис. 7.1 показує, що перший максимум щільності дислокацій досягається в області температур (1300-1750 К) інтенсивного ущільнення полікристалів і зростання їх твердості. Відпал дефектів реальної кристалічної структури при температурі 2100 К відбувається в умовах невеликого ущільнення, але супроводжується значним зростанням твердості.

Другий максимум щільності дислокацій при температурі 2300 К корелює з максимальною твердістю полікристалів. При температурі спікання 2700 К в умовах вже стабільної густини полікристалів формується субструктура відпалу і твердість знижується.

На рис. 7.15 наведено характеристики фізико-механічних властивостей - твердості (Н_к) і густини (1-, де  - пористість), а також параметр деформаційної субструктури BN_сф в полікристалах - степеневу функцію щільності дислокацій. Полікристали були отримані спіканням при температурі 2300 К і тиску 7,7 ГПа з порошків різної дисперсності.

Густина полікристалів практично не залежала від дисперсності вихідних порошків, за винятком субмікронного порошку КМ 1/0. Можна зробити висновок про кореляцію між твердістю і щільністю дислокацій в полікристалах для широкого інтервалу зернистостей вихідних порошків.

На рис. 7.13 показано вплив тиску спікання на твердість, густину полікристалів КНБ, а також щільність дислокацій в структурі полікристалів і наявності графітоподібного BN в ньому. Тут приведений варіант реакційного спікання КНБ з алюмінієм при температурі 1750 К. Примітним є той факт, що густина таких полікристалів уже при тиску спікання 4,2 ГПа складає 99% (див. також розд. 3.1). Такої густини не вдасться досягти при спіканні порошків КНБ без добавок при значно більш високих параметрах (7,7 ГПа, 2300 - 2700 К). Проте максимальна твердість полікристалів, отриманих реакційним спіканням КНБ з алюмінієм (34-38 ГПа) нижче, чим при спіканні порошків КНБ без добавок (до 45 ГПа).

Залежність твердості полікристалу від кількості КНБ в ньому у випадку реакційного спікання КНБ з алюмінієм показана на рис. 7.14. Зі збільшенням кількості ВN у складі полікристалу, твердість росте. При цьому щільність дислокацій в BN_сф міняється мало в усьому діапазоні зміни кількості КНБ в шихті, зате густина зменшується, а кількість BN_г в складі полікристалу збільшується при наближенні до значення 100% BN_сф в складі шихти для спікання.

Твердість полікристалів, отриманих реакційним спіканням, в першу чергу залежить від вмісту BN_сф і утворенню ним неперервного каркасу в структурі полікристалу.

Серед інших фаз - продуктів реакцій між BN_сф і Al найбільший вміст має AlN.

Рис. 7.13 Залежність від тиску спікання твердості (1) і густини (2) полікристалів КНБ, а також щільності дислокацій в структурі BN_сф (3) і вмісту BN_г в полікристалах (4). Температура спікання – 1750 K, вихідна шихта для спікання – КМ 10/7 + 10%Al.

Рис. 7.14 Залежність від вмісту BN_сф в спеченому полікристалі твердості (1) і густини (2) Полікристалів КНБ, а також щільності дислокацій в структурі BN_сф (3) і вмісту BN_г в полікристалах (4). Параметри спікання: температура – 2300 K, тиск – 7,7 ГПа, реакційне спікання КНБ з Al, зернистість вихідного порошку КНБ – КМ 7/5.

Рис.7.15 Твердість (1), функція щільності дислокацій (2) і відносна густина полікристалів (3) після спікання при р=7,7 ГПа, Т=2300 К порошків КНБ різної дисперсності

В роботі [138] розрахована адитивна залежність твердості полікристалів від вмісту BN_сф, за умови, що другою фазою є AlN. При цьому було показано, що з позицій адитивного (а не структурного) вкладу інших боридних фаз, розраховані значення твердості таких багатофазних полікристалів не відхиляються від адитивної залежності для BN_сф-AlN.

Розглянемо твердість полікристалів в залежності від зернистості вихідних порошків і р,Т-параметрів при реакційному спіканні КНБ з Al.

В розрахунку [138] для полікристалу, одержаного спіканням порошків BN_сф без добавок в шихті було взято значення 45 ГПа.

Виконані в даній роботі дослідження (див. рис. 7.10 - 7.15) показали, що така твердість залежить від щільності дислокацій і корелює з зернистістю вихідних порошків. Тому більш коректним буде розрахунок адитивної залежності твердості полікристалу від вмісту BN_сф окремо для кожної з досліджених зернистостей вихідних порошків. Такі результати наведено на рис.7.16.

При вмісті в вихідній шихті 10 мас.% Al розрахована твердість полікристалів може змінюватися від 25 до 38 ГПа. Конкретно при зернистості вихідного порошку КМ 7/5 і 10/7 такі значення лежать в інтервалі 37-35 ГПа, а для КМ 28/20 і 60/40 відповідно в інтервалах 32-33 ГПа і 25-26 ГПа.

Порівняємо з розрахунком експериментальні результати, наведені в табл. 7.2. Більше за всіх наближається до розрахованих значень твердість композитів, одержаних реакційним спіканням з порошків КМ 7/5 і КМ 10/7 в області високих р,Т-параметрів спікання (7,7 ГПа, 2300 К), таких, що співпадають з максимумом деформаційного зміцнення КНБ без добавок. Відхилення твердості від розрахованої (1-3 ГПа) співпадає з дисперсією значень твердості. Можна стверджувати, що деформаційне зміцнення каркасу КНБ при таких параметрах реакційного спікання і такій вихідній зернистості КНБ визначає твердість полікристалів, як і в полікристалах, отриманих при спіканні порошків КНБ без добавок.

Рис.7.16 Розраховані залежності твердості полікристалів від співвідношення в структурі фаз BN_сф і AlN при різних зернистостях вихідних порошків і вмістах Al в вихідній шихті 2 мас.% (1) і 10 мас.% (2).

Таблиця 7.2