Звіт про науково-дослідну роботу: „Процеси консолідації та формування властивостей нових високотемпературних зносо-, корозійно-, ерозійно- та ударостійких керамічних та композиційних матеріалів конструкційного призначення на основі боридів та інших безкисневих тугоплавких сполук”

Abstract

МЕТА РОБОТИ- дослідження процесів фазо- і структуроутворення безкисневої кераміки і керметів евтектичних систем на основі тугоплавких боридів в умові високотемпературної взаємодії з металами, змочування, формування покриттів і спрямованої кристалізації; структурної чутливості опору корозії і високотемпературному окисленню, крипу, зносу та термоерозії. Встановлення впливу співвідношення Ті/Zr, на взаємодію на поверхні поділу фаз при спрямованій кристалізації евтектичних боридних сплавів системи Sm6-(Ті,Zr)В2 та габітус кристалів диборидної фази. ОБ’ЄКТ ДОСЛІДЖЕННЯ - ультрависокотемпературна кераміка систем ZrB2 – МоSі2(SіС) з домішками Сr3С, Сr та ін. МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕННЯ - рентгенівська дифрактометрія, оптична та електронна мікроскопія, механічні випробування. При виконанні теми були використані установки вакуумного гарячого пресування з реєстрацією кінетики усадки і гарячого пресування без захисної атмосфери. У рамках виконаної роботи отримані основні наступні результати: показано, що теплові характеристики кристалів (температура Дебая і величина динамічних теплових зсувів атомів) у значній мірі залежить від структурного стану матеріалу. При високих температурах в евтектичних системах, принаймні, у дифузійних зонах поблизу міжфазних границь, вищевказані теплові характеристики компонентів виявляються істотно відмінними від таких в однофазному стані, і має місце істотне ослаблення міжатомних зв'язків і збільшення амплітуди теплових коливань атомів. Це явище може бути основною причиною підвищеної дифузійної активності в приграничних об'ємах фаз в евтектичних системах і стимулювати збільшення швидкостей ряду високотемпературних процесів (спікання порошків, повзучість та ін.). Комп'ютерне моделювання контактного плавлення і пов'язані з ним властивості інтерфейсу в бінарній евтектиці виконані в рамках стандартної моделі теорії фазових полів (ТФП) з незмішуваністю компонентів у твердій фазі. Показано, що модель пророкує існування при температурі вище евтектичної нового типу трифазних (тверда фаза-рідина-тверда фаза) рівноважних станів, що описують явище сепарації фаз у рідкій евтектиці, спостережуване в експерименті. Отримані результати також дають можливість пояснити експерименти по контактному плавленню і формуванню дифузійної зони в бінарних евтектичних системах. Моделювання фазових евтектичних взаємодій методами молекулярної динаміки показало, що інтерфейс із контакту ідеальних кристалів компонент при повному розпаді бінарної евтектики нижче точки евтектики є нерівновагомим. Результати щодо цього погоджуються з результатами моделювань на основі ТФП. Досліджено кінетику спікання і фазові взаємодії у дифузинних контактних зонах Сr3С2 і ZrB2. Встановлено, що використання Сr3C2 як активатора спікання ZrB2 знижує температуру гарячого пресування з температур порядку 2200°С до 1500... 1750 °С залежно від концентрації Сr3С2. Проведено дослідження взаємодії бориду цирконію із хромом зі зміною концентрації ZrB2 у сплаві від 4 до 77% по масі. Показано, що процес протікає по механізму контактного плавлення характерного для евтектичних систем. Досліджено кінетику ущільнення, формування структури і механічні властивості кераміки на основі бориду цирконію при комбінованому введенні в систему активуючих спікання добавок вуглецю, бориду вольфраму, а також силіцидів цирконію і вольфраму. Показано, що ефективними добавками для кераміки із дибориду цирконію є силіцид і борид вольфраму, які не тільки дозволяють знизити температуру спікання і активувати процес ущільнення кераміки, але також забезпечує максимальну міцність зразків. Процеси усадки бориду цирконію без добавок відбуваються в умовах структурною перебудовою бориду, що спікається з формуванням азимутальної текстури. Вивчено механічні властивості ультрависокотемпературних керамічних композитів (УВТК) сполуки ZrB2 - 30 мас.% БіС. Для кераміки характерно чисто лінійно-пружне поводження аж до її руйнування. Проте, вперше виявлений гістерезис при циклічному навантаженні ZrB2- SiС УВТК композитів. Зафіксовано параметри R-кривої при руйнуванні матеріалу. Досліджено високотемпературну міцність ультрависокотемпературної кераміки, отриманої в умовах вакуумного гарячого пресування у присутності активаторів спікання - добавок карбіду бора, карбіду і силіциду вольфраму. Кераміка має міцність в інтервалі 500-730 МПа при кімнатній температурі і практично зберігає її при високотемпературних випробуваннях (1500 °С). При одержанні кераміки без захисної атмосфери (у середовищі СО-СО2) кераміка знижує міцність починаючи з температури порядку 1000 °С і при температурі 1500 °С має міцність в інтервалі 90-200 МПа. Втрата високотемпературної міцності кераміки отриманої без захисної атмосфери пов'язується зі зміною сполуки зернограничних фаз у таких умовах спікання. В умовах випробувань на стиск у вакуумі розроблена методика дослідження повзучості УВТК. Методика дозволяє визначати поріг повзучості, залежність деформації від температури і часу, встановити температурну залежність швидкості повзучості і визначити енергію активації процесу, а також виконувати оцінку внеску високотемпературної деформації в ущільнення кераміки при її спіканні під тиском. Для УВТК кераміки досліджених систем процес повзучості розвивався в інтервалі температур 1700-2100 °С із переходом до руйнування кераміки при деформаціях у середньому 50-60% (при мінімальному рівні деформації при руйнуванні 25 %). Методами рентгенівської тензометрії досліджений напружено-деформований стан ультрависокотемпературної кераміки ZrВ2-SіС. По деформаційному зрушенню дифракційних ліній фаз ZrB2 і SіС визначали рівень термічних псевдомаконапруг у фазах; по розширенню кривих рівень мікронапруг другого роду, зв'язаних, в основному, з неоднорідними полями напруг локалізованих в області границь зерен. Виявлено збільшення рівня напруг у кераміці із збільшенням температури гарячого пресування, що нами пов'язувалося з ростом зернограничної міцності з ростом температури спікання. КЛЮЧОВІ СЛОВА: УЛЬТРАВИСОКОТЕМПЕРАТУРНА КЕРАМІКА, ДИБОРИД ЦИРКОНІЮ, КАРБІД ХРОМУ, БОРИД ХРОМУ ГАРЯЧЕ ПРЕСУВАННЯ, КІНЕТИЧНІ КРИВІ УЩІЛЬНЕННЯ, РЕНТГЕНІВСЬКИЙ ФАЗОВИЙ АНАЛІЗ І РЕНТГЕНІВСЬКА ТЕНЗОМЕТРІЯ, КОНТАКТНА ВЗАЄМОДІЯ, ДИФУЗІЙНІ ЗОНИ, ЕВТЕКТИКА, АМПЛІТУДА КОЛИВАНЬ АТОМІВ І КОЕФІЦІЄНТИ ДИФУЗІЇ В ЕВТЕКТИЦІ.