Оценка термодинамической стабильности соединений, применяемых в качестве дисперсной фазы при упрочнении матриц CBTKM

Одним из основных условий, определяющих возможность эксплуатации сверхвысокотемпературных дисперсноупрочненных композиционных материалов в области высоких и сверхвысоких температур, является стабильность дисперсной упрочняющей фазы в матричном металле. В свою очередь, стабильность высокодисперсных частиц химических соединений в металлической матрице определяется величиной термодинамического потенциала (AZ) химического соединения из ряда MeхОу, MeС и др. и величиной термодинамического потенциала соединения, которое будет образовываться в результате взаимодействия элементов химического соединения упрочняющей дисперсной фазы с металлом матрицы при растворении в ней материала дисперсной фазы.

Сравнительная оценка AZ для химического соединения упрочняющей дисперсной фазы и возможного образования соединения при растворении дисперсной фазы в матричном металле с последующим образованием химического соединения позволит сделать вывод о растворении упрочняющей фазы в металле матрицы.

Такая оценка (AZ) может быть проведена с уметом третьего закона термодинамики по уравнению

Однако более точная оценка величины AZТ0 по методу абсолютных энтропий может быть проведена по уравнению

где a, d — коэффициенты уравнений I1 = А(В + a); I2 = AA (А, В — постоянные для однотипных веществ).

Используя уравнение (15.2) можно определить изменение термодинамических потенциалов реакций, для которых отсутствуют экспериментальные данные. Численные значения коэффициентов уравнений приводятся в справочнике.

Этим методом рассчитаны термохимические свойства оксидов, применяемых в качестве дисперсной упрочняющей фазы в дисперсноупрочненных сверхвысокотемпературных композиционных материалах, например системы W-ThO2.

Помимо рассмотренного, для эффективного упрочнения матричного металла CBTKM необходимо, чтобы модуль упругости материала дисперсных частиц был достаточно высоким, а размеры частиц упрочняющей фазы не превышали бы 0,01-0,05 мкм. Эффективное упрочнение матричного металла достигается при введении в матрицу до 10 об. % частиц упрочняющей фазы.

Сравнивая численные значения теплоты образования некоторых соединений из элементов в стандартных условиях, можно сделать вывод о стабильности таких соединений в металле матрицы (табл. 15.1).

Экспериментальная оценка стабильности упрочняющей фазы в матричном металле дисперсноупрочненных CBTKM, выполненная с помощью трансмиссионной электронной микроскопии или определением дифракционных линий, показала, что наиболее стабильными при высоких и сверхвысоких температурах в металлических матрицах CBTKM можно считать оксиды тугоплавких металлов. Наибольшей стабильностью характеризуются оксиды ThO2 и Y2O3.

Другим, не менее важным фактором, определяющим стабильность дисперсной фазы в металлической матрице CBTKM, является коэффициент диффузии кислорода в матричном металле СВТКМ, который обычно выше коэффициентов диффузии в матрице атомов металлов (элементов), образующих оксиды. Поэтому процесс коалесценции, протекающий в гетерогенной системе, лимитируется диффузией в матричном металле СВТКМ именно атомов металлов (элементов), образующих оксиды.