Нанесение композиционных покрытий на основе оксида алюминия на поверхность тугоплавких металлов и композитов на их основе

Получение качественных сверхвысокотемпературных покрытий на поверхности тугоплавких металлов возможно в условиях смачивания жидкими оксидами поверхности твердых тел. В то же время для повышения эксплуатационных параметров покрытий, работающих в условиях контакта с движущимися с дозвуковой скоростью неконденсированными средами при сверхвысоких температурах, важно, чтобы физико-механические свойства покрытий характеризовались достаточной для практики прочностью, жесткостью, а также адгезией к материалу несущей конструкции. Такая задача может быть решена созданием композиционных покрытий, представляющих собой в качестве основы оксид, содержащий переменное количество дисперсных высокомодульных соединений из ряда MeС, MeN, MeB2, AZeSi2 и др. Вместе с тем введение в жидкий оксид дисперсных высокомодульных соединений сопровождается повышением вязкости расплавов оксидов и, следовательно, влияет на кинетику процессов растекания жидких сред по поверхности твердых тел.

Для оптимизации содержания наполнителя из ряда MeС, MeN, MeB2, MeSi2 и др. в жидких оксидах, обеспечивающих смачивание поверхности тугоплавких металлов, был исследован процесс смачивания в рассматриваемых системах. В качестве основы изучали термодинамически прочный оксид Al2O3 (-AZ298 = 1675,6 кДж/моль), в который вводили переменное количество дисперсного наполнителя, не превышающее 8 маc. %.

Анализ полученных зависимостей краевых углов смачивания поверхности тугоплавких металлов (Mo, Nb, W) жидким оксидом алюминия, содержащим до 8 мае. % дисперсного высокомодульного наполнителя, показал, что для системы Al2O3-AlN краевой угол смачивания вольфрама, молибдена и ниобия равен 10°. Для систем Al2O3-BN получены меньшие значения углов смачивания поверхности вольфрама, молибдена и ниобия. Так, уже при содержании в жидком Al2O3 4 маc. % дисперсного наполнителя — нитрида бора краевой угол смачивания не превышает 8—10°. Для систем Al2O3-ZrN получены результаты, сравнимые с данными, полученными для системы Al2O3-AlN.

Сравнение полученных результатов по смачиванию тугоплавких металлов из ряда W, Mo, Nb расплавами на основе оксида алюминия, содержащего переменное количество AIN, BN, ZrN, с результатами по смачиванию поверхности тугоплавких металлов W, Mo, Nb жидким Al2O3, не содержащим добавок AlN, BN, ZrN (00Al2O3 = 28+30), свидетельствует об эффективном влиянии малых добавок AlN, BN, ZrN на смачивающую способность бинарными системами поверхности тугоплавких металлов. Объяснение этого эффекта может быть дано на основании анализа процессов, протекающих в области фазовых границ раздела рассматриваемых систем, и заключается в следующем.

Величину межфазной энергии границы раздела тугоплавкий металл — оксинитридный расплав можно представить как сумму двух слагаемых: о°т-ж + Аот-ж (от-ж - величина поверхностного натяжения на фазовой границе твердое тело — жидкость в отсутствие химического взаимодействия составляющих системы; Аот-ж — величина поверхностного натяжения на фазовой границе твердое тело - жидкость при наличии химического взаимодействия составляющих системы на границе раздела фаз).

Величина Аот-ж определяется из уравнения вида Аот-ж = МАu (M — число поверхностного переноса, Аu — градиент химического потенциала, величина которого зависит от изменения межфазной поверхностной энергии).

Допустим, что при наличии химического взаимодействия между составляющими системы и при условии, что M = const, для систем с полным смачиванием можно не учитывать от-ж0, поскольку этот параметр не будет оказывать влияние на общий вид зависимостей краевой угол смачивания — концентрация второго компонента (МeN) в расплаве на основе Al2O3.

Однако с увеличением концентрации второго компонента (MeN, MeВ и др.) в расплаве на основе Al2O3 следует ожидать смещения максимума на зависимостях 0 — мае. % MeN в сторону меньших концентраций второго компонента в расплаве (к ординате).

Эти предположения были подтверждены экспериментально. Установлено также, что при больших концентрациях (< 5 мас. %) второго компонента, например нитрида алюминия, в расплаве на основе Al2O3 краевой угол смачивания в системе (Al2O3 + 5A1N) уменьшается до значений 0 = 10°.

Наибольший эффект в улучшении смачивания в рассматриваемых системах обеспечивают малые добавки нитрида бора. Меньшее влияние на смачиваемость расплавами на основе оксида алюминия, содержащего малые добавки второго компонента, растекающиеся по поверхности тугоплавких металлов (Mo, W, Nb), получено для систем на основе Al2O3, содержащих нитриды и в качестве твердого тела — ниобий. Это объясняется, вероятно, тем, что нитриды молибдена и вольфрама более летучи при температуре плавления оксида алюминия по сравнению в летучестью нитрида ниобия. Именно это и определяет более интенсивное химическое взаимодействие в системах, содержащих в качестве твердого тела вольфрам или молибден.

Рассмотренные закономерности смачивания тугоплавких металлов оксидными расплавами, содержащими малые добавки дисперсных нитридов, сохраняются, если в качестве реакционно-активных добавок применяют карбиды, бориды, силициды. Наиболее эффективно улучшают смачивание тугоплавких металлов расплавы на основе оксидов, содержащие малые добавки борида, карбида и, далее, нитрида переходных металлов.

Условия полного смачивания расплавом на основе Al2O3 выполняются при содержании в оксиде алюминия: 1) 1 маc. % B4C при смачивании поверхности молибдена; 2) 2 маc. % B4C — при смачивании ниобия; 3) 2,5 маc. % B4C — при смачивании вольфрама.