Системы, используемые при создании армированных конструкционных композиционных материалов » Ремонт Строительство Интерьер

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Системы, используемые при создании армированных конструкционных композиционных материалов

24.06.2021

В качестве матричного выбраны титановые сплавы, для которых, как и для большинства переходных тугоплавких металлов, характерна реакционная связь между компонентами системы.

Система борное волокно — титан. Исследования процессов взаимодействия борных волокон с титаном и его сплавами, выполненные в работах, показали, что единственным продуктом реакции в изученной системе является диборид титана TiB2.

Данные о скорости реакции были получены на основе измерения толщины слоя TiB2 на поверхности борного волокна. Кинетику роста диффузионной зоны состава TiB2 определяли на основе равенства

где х — толщина зоны, м; К — константа скорости, м/с; т — время, с.

Основной продукт реакции TiB2 образуется на поверхности борного волокна в виде кольца (сечение шлифа, нормальное относительно ориентации борного волокна в титановой матрице, приведено на рис. 2.7). Этот процесс сопровождается формированием пористости в борном волокне в результате преимущественной диффузии бора в титановую матрицу через слой образовавшегося TiB2.

Для уменьшения роста диффузионных зон в изученной системе B-Ti и уменьшения дефектного строения поверхности борного волокна в металлической матрице предложен метод высокоскоростной диффузионной сварки (т = 1 с) слоистых полуфабрикате, представляющих титановые листы с распределенными между слоями борными волокнами. Этим методом были получены армированные борным волокном композиты системы B-Ti с малой зоной взаимодействия. Толщина зоны взаимодействия, содержащая твердый диборид титана, не превышала 500 А. Поверхность раздела единичного борного волокна с титановой матрицей содержит, возможно, субмикрообразования оксидов титана (рис. 2.8), которые образуются в процессе диффузионной сварки и при большом увеличении могут рассматриваться в виде тонких пленок на поверхности борного волокна (рис. 2.9).


Представляют практический интерес результаты исследований, в которых показано влияние компонентов матричного сплава на состав и механизм процессов формирования зон взаимодействия на поверхности борного волокна. Так, например, в работе показано, что при взаимодействии зона TiB2, непосредственно контактирующая с поверхностью борного волокна (рис. 2.10, А), и диффузионная зона на основе TiB2, обогащенная молибденом. При этом численные значения — АН для боридов титана TiB2 и молибдена MoB2 существенно различаются и равны соответственно 293,24 и 96,3 кДж/моль.

В работе рассмотрен механизм формирования гетерогенных зон на поверхности борного волокна, который предполагает вытеснение молибдена из реакционной зоны на внешнюю поверхность, контактирующую непосредственно с матричным сплавом.

Знание термокинетических закономерностей процессов формирования диффузионных зон между составляющими конструкционных композиционных материалов, в том числе и сверхвысокотемпературных, позволяет прогнозировать условия надежной эксплуатации армированных конструкционных композитов без потери их несущей способности, а также разрабатывать методы защиты высокопрочных и высокомодульных армирующих сред от их интенсивного взаимодействия с материалом матрицы при высоких и сверхвысоких температурах.

В качестве одного из таких решений можно рассматривать метод нанесения защитных покрытий состава SiC на поверхность борного волокна. Наличие покрытия SiC на поверхности борного волокна устраняет прямой контакт его с металлической матрицей композита и ограничивает процессы взаимодействия между составляющими конструкционных композитов.

Система борное волокно — карбид кремния (покрытие) — титан. Исследования показали, что взаимодействие карбида кремния (в том числе в виде покрытия на поверхности с борным волокном B/SiC) с нелегированным титаном и сплавом Ti—6А1—4V при температурах до 1200 °С сопровождается образованием карбида титана. На рис. 2.11 представлен косой срез образца композита B/SiC—Ti, из которого следует, что зона А обогащена кремнием, по-видимому состава Ti3Si5, а зоны B и D — одна и та же фаза с включениями фазы С. Методом микрбрентгеноспектрального анализа было показано, что эти включения представляют собой карбид титана.

Возможность протекания таких процессов в рассмотренных системах термодинамически не запрещена, поскольку -АН298 реакции образования из элементов составляет для SiC 51,9, а для TiC 200,9 кДж/моль. Энергия активации процессов взаимодействия SiC с нелегированным титаном составила 265; 251 и 131 кДж/моль.

По-видимому, для правильной интерпретации полученных результатов необходимы дополнительные исследования процессов взаимодействия в рассматриваемой системе.

Система оксид алюминия — титан. В работе показано, что взаимодействие волокон оксида алюминия Al2O3 с титаном в интервале температур 650-871 °С сопровождается формированием интерметаллида Ti3Al в области контакта составляющих композита. Рост диффузионной зоны в системе, т.е. скорость реакции, лимитируется диффузией алюминия из Al2O3 в титановую матрицу. Величина энергии активации процесса взаимодействия оксида алюминия с титаном и сплавом на основе титана составила соответственно 216 и 211 кДж/моль. Эти значения настолько близки, что предлагать различные механизмы процессов взаимодействия Al2O3 с нелегированным титаном и сплавом на основе титана более чем преждевременно. Согласно данным работы, полученные значения энергии активации соответствуют процессам, скорость которых лимитируется диффузией алюминия через интерметаллидную фазу, которая образуется на фазовой границе раздела волокно Al3O3 — титановая матрица.

Однако, учитывая температуру плавления оксида алюминия, по-видимому, будет некорректным рассматривать волокна Al2O3 в качестве армирующей составляющей сверхвысокотемпературных композиционных материалов.

Константы скорости реакции взаимодействия титановой матрицы с волокнами или покрытиями на волокнах (K*10в7 см/с,/2) приведены ниже:

Наименьшая скорость реакции характерна для системы B-Ti, далее по возрастающей для систем B/SiC-Ti, SiC-Ti, Al2O3-Ti.

Система карбид бора — титан. В работе представлены результаты исследований эффективности покрытий состава B4C на борном волокне с целью снижения скорости взаимодействия борного волокна с титановой матрицей. Было показано, что покрытие карбида бора на борном волокне неэффективно и не уменьшает скорости реакции волокна при 760 °С.

Как следует из анализа (рис. 2.12), на поверхности борного волокна видна сохранившаяся зона (покрытие) состава B4C и широкая область взаимодействия, по-видимому состава TiB2. Следует ожидать, что при более высоких температурах будет наблюдаться интенсивное взаимодействие B4C с титаном или титансодержащими матричными сплавами CBTKM с образованием в области межфазных границ соединений TiC и TiB2.

Система нитрид бора — титан. Процессы типа взаимодействия между покрытием BN на борном волокне и титановой матрицей (или титансодержащей матрицей) изучены в работе. Анализ результатов этих исследований позволяет сделать выводы об эффективности такого покрытия, уменьшающего скорость реакции волокна с матрицей. На рис. 2.13 приведена микроструктура борного волокна с покрытием BN в матрице титанового сплава. Видно хорошо сохранившееся покрытие BN на борном волокне. После отжига при 760 °С в течение 50 ч покрытие BN остается неповрежденным, и толщина его, согласно результатам исследований, близка к исходной (0,2-0,4 мкм). Это может означать, что азот, содержащийся в покрытии, не участвует в процессах взаимодействия с титановой матрицей, а мигрирует к борному волокну и взаимодействует с ним. Поэтому толщина слоя BN на поверхности борного волокна практически не изменяется. Полученные значения константы скорости роста диффузионной зоны в композитах системы B-Ti и BN-Ti (соответственно 5,2*10в-7 и 4,0*10в-7 см/с|/2) свидетельствуют о некотором уменьшении скорости роста диффузионной зоны в борном волокне с покрытием BN, находящемся в контакте с титановой или титансодержащей матрицей композита.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: