Нанесение оксидных покрытий в условиях смачивания поверхности тугоплавких металлов

Эксплуатация элементов конструкций и изделий, изготовляемых из сверхвысокотемпературных композиционных материалов, возможна при условии, что такие материалы характеризуются высокой стойкостью к окислению при сверхвысоких температурах.

В то же время известно, что тугоплавкие металлы склонны к интенсивному взаимодействию с кислородом и применение их в изделиях при сверхвысоких температурах в условиях контакта с кислородсодержащими средами практически исключено. Проблема может быть решена, если на поверхность тугоплавкого металла будет нанесено термодинамически стабильное оксидное покрытие из ряда BeO, Al2O3, Cr2O3, TiO2, Ta2O5.

Однако для нанесения оксидных покрытий на поверхность тугоплавких металлов в условиях самопроизвольного смачивания жидкими оксидами необходимо располагать информацией о кинетике процессов растекания жидких оксидов по поверхности тугоплавких металлов.

Исследование кинетики процессов растекания жидких сред по поверхности твердых тел позволяет не только решить вопросы технологии организации оксидных покрытий на поверхности тугоплавких металлов, но и оценить движущие силы растекания жидких сред по поверхности твердых тел.

Поскольку растекание жидких сред по поверхности твердого тела зависит от плотности фазового слоя рф.с, то те или иные закономерности процесса растекания будут наблюдаться в некотором интервале значений этого параметра.

Исследование кинетики процесса растекания жидкого диоксида титана по поверхности тугоплавких металлов W, Mo, Ta проведены при изменении плотности фазового слоя от 7*10в-1 до 5*10в-5 г/см2. Получены экспериментальные кинетические зависимости радиуса растекания жидкого оксида титана по поверхности вольфрама, молибдена, ниобия и тантала.

В исследованном интервале значений р. экспериментальные результаты, представленные в координатах lgr(x)—lgr, описываются зависимостью вида r(х) = Aтп. Установлено, что определенному интервалу значений рф.с соответствует определенное значение показателя п.

Так, например, при одномерном растекании диоксида титана по поверхности тугоплавких металлов величина n - 0,5 при уменьшении рф.с, при больших плотностях фазового слоя рф.с = (7+1,5)*10в-1 г/см2 показатель n = 0,2.

Рассмотренный ранее теоретический анализ процессов растекания жидких сред по поверхности твердых тел одномерного (х)

двухмерного (г), т.е. кругового,

позволяет учитывать изменение потенциальной энергии при понижении центра тяжести в слое расплава.

Полученные кинетические уравнения не позволяют установить параметры (r) и (х) при неограниченном времени растекания жидких сред по твердой поверхности. Это связано с рассматриваемой моделью процесса растекания, для которой характерна одна стадия — квазистационарное растекание жидких сред без учета факторов, приводящих к прекращению растекания.

Ранее отмечалось влияние плотности фазового слоя жидкости на кинетику растекания жидких сред по поверхности твердого тела. При плотности фазового слоя расплава (рф.с) в интервале (15—2,0)*10в-2 г/см2 реализуется закон растекания расплава с показателями 0,33 (х) и 0,25 (r), т.е. процесс растекания под действием поверхностных сил по механизму равномерного уменьшения толщины фазового слоя. Кинетика растекания жидких оксидов по поверхности тугоплавких металлов, представленная в логарифмических координатах lgr(x)—lgT, характеризуется линейной зависимостью.

Для условий кругового растекания жидких сред из точечного источника конечной мощности и с учетом уравнения вида r = |8mAo/(пknp)|1/4т1/4 (m — масса капли; n, р — вязкость и плотность жидкости: к коэффициент формы; т — время растекания) при известных значениях параметров, входящих в уравнение, может быть рассчитана движущая сила растекания (До) жидких сред по поверхности тугоплавких металлов. Результаты таких расчетов, а также значения динамической межфазной энергии (о*) при растекании жидких оксидов по поверхности вольфрама, молибдена, ниобия и тантала приведены в табл. 17.5 и 17.6. В табл. 17.7 даны результаты смачивания жидкими оксидами поверхности тугоплавких металлов.

При оценке смачивания и степени возможного взаимодействия жидких оксидов с карбидами тугоплавких металлов установлено, что термодинамически прочные оксиды, такие как Al2O3 (-AH298 = 1675,6 кДж/моль), BaO (-AH298 = 558,5 кДж/моль), Ta2O5 (-AH298 = 2046,5 кДж/моль), ТiO2(-AH298 = 944 кДж/моль), не восстанавливаются до металлов при контакте с карбидами тугоплавких металлов. Однако при длительном контакте жидких оксидов с карбидами циркония, ниобия или кремния при температурах: 2323 К для систем Al2O3 - (ZrC, NbC, SiC), 2223 К для систем BaO - (ZrC, NbC, SiC), 2073 К для систем TiO2 - (ZrC, NbC, SiC) и 2123 К для систем Ta2O5 - (ZrC, NbC, SiC) установлено наличие малых количеств продуктов реакции в виде оксидов или карбидов. Для различных систем такими продуктами реакции являются SiO2, ZrO2, TiC, TaC. Исключение составляют системы BaO - (ZrC, NbC, SiC), для которых наличие продуктов реакции не установлено.

При растекании слоя жидкости, толщина которого соизмерима с высотой неровностей микрорельефа на поверхности твердого тела, возникает дополнительная сила трения по контуру растекающейся капли расплава по поверхности твердых тел. В этом случае следует учитывать условия «натекания» и «оттекания» расплавов по шероховатой поверхности твердых тел.