автореферат диссертации по металлургии, 05.16.06, диссертация на тему:Трансформационно-упрочненный диоксидом циркония композиционный материал на основе алюминида никеля

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК МЕЖОТРАСЛЕВОЙ НАУЧНО-ИССЛВДОВАТЕИЬСШ ЦЕНТР ТЕХНИЧЕСКОЙ КЕРАМИКИ

На правах рукописи УДК: 669.018

1

| ЕВД01(ИМ№Вадерий Пдьевич (лГ/СД

ТРАНСФОРМАЩОННО-Л1РОЧНЕННШ ДИОКСИДОМ ЦИРКОНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИМ НА ОСНОВЕ МЮМИНИДА НШСЕДЯ

Специальность 05=16,06 - Порошковая металлургия и

композиционные материалы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

^ Москва 1996

Работа выполнена в Межотраслевом научно-исследовательском центре технической керамики РАН.

Научный руководитель

Официальные оппоненты:

Ведущая организация

доктор технических наук Баринов С.М

доктор технических наук, профессор Поварова К.Б.

доктор технических наук, профессор Панов B.C.

Тулачерлетнаука АК "Тулачермет"

Защита состоится 1996 г. в /У^

часов на заседании диссертационного совета Д 003.15.03 при .Икс! 'итуте металлургии им. А.А.Байкова РАН в помещении Большого конференц-зала Института (117334, Мосюза, В-334, Ленинский проспект, 49).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института Автореферат разослан " /У' " /.(_1996 г.

Ученый секретарь Совета л доктор технических

Б.М.Блинов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРНО ТИКА РАБОТЫ

. Актуальность работы. Развитие многих отраслей машиностроения зависит от уровня разработок новцх конструкционных материалов со специальными свойствами. Одними из наиболее перспективных для высокотемпературной техники являются материалы на основа тугоплавких иятармегаллических соединений, особенно.на осао-. во алшинидов николя, Наиболее тугоплавкое соединение в системе никель-алюминлй: интермэталлид Ы'М , характеризуется высокой термодинамической стабильностью, относительно широкой область» гомогенности, сопротивлением газовой коррозии, еысокой твер- > доотыо, износостойкостью и широко используется1в качестве материала для газоплазменных покрытий ла жаропрочные никелевые сила-, вн. Однако применение и сплавов на его основе в качества

конструкционных материалов сдергивается их хрупкостью, которая является имманентным свойством //¿/12 , обусловленным особенностями межатомного взаимодействия и. 'анизотропией дислокационного . скольжения. Известны успешные попытки повышения пластичности в результате формирования тонкодисперсных и ультрадас-персных структур, однако такие материалы вряд ли гдокао рассматривать как перспективные дая высокотемпературных применений из-за нестабильности их структурного состояния.

Другой возможный подход состоит в создании высокотрещино-стойкого композиционного материала, способного к значительной диссипации работы внешних сил при разрушении. Одним из наиболее . элективных диооипагивных процессов для хрупких материалов является полиморфное превращение метаотабильной фазы композиционного материала, инициируемое напряжениями и происходящее с положительным дилатометрическим эффектом. Реализация данного эффекта в ряде материалов на оонове тугоплавких неметаллических соединений позволила значительно повысить вязкость разрушения этих материалов, обеспечив тем самым, достаточную для конструкционных применений эксплуатационную надежность. Однако исследования в данном направлении применительно к тугоплавким интерме-таялическим материалам ранее не проводились. (]

Работа выполнена в соответствии с тематическим планом НИР Межотраслевого научно-исследовательского центра технической

керамики: РАН и Программой работ по решению Государственной научно-технической проблемы 0.13.07 в соответствии о Распоряжением Президиума АН СССР й Ю1'03-32'5 or 03.03.87 г.

Цехью работы являлась разработка кошоз'иционного трансфор-мационно-упрочненного материала в система алкмшод нлкеля-даок-свд циркония, обладающего сочетанием повышенных трещшостойкос-ти и прочности.

Дия достккензя указанной цели, основное внимание било сосредоточено на решения следующих задач:

- установление возможности реализации трансформационного ■ упрочнения апоминида никеля дисперсной фазой частично стабилизированного .диоксида циркония;

- исследование закономерностей зависимости механичеоких свойств от параметров структуры и технологической предыстории композиционных материалов; '

- изучения температурной • зависимости механических свойств;

- установление техЕОяогяческшс условий изготовления композиционных материалов.

Научная новизна получениях результатов заключается в следующем:

- впервые установлена возможность создания композиционных , материалов с b/lki ~ матрицей и дисперсными частицами диокса- . да циркония, в которых реализуется эффект трансформационного упрочнения;

- установлены закономерности концентрационной п температурной зависимостей механических свойств композиционных материалов МЖ-~£гОг и выявлены возможные причины иемояотоа- . иости их изменения;

- выявлено влияние технологической предыстории, в том числе параметров дисперсных частиц диоксида циркония и обработки методом горячего изосгатическрто прессования на механические свойства композиционного материала.

Практическая ценность заключается в том, что :

- разработан новый состав 'композиционного материала (A.c. JSI46260Q, обладающего прочностью в ~ 4' раза и трещиностойкостью в 10 1,5 раза более высокой,'чем соответствующие показатели сзойста интермэталагадной матрицы;1

- разработаны технологические условия изготовления композиционного материала Ыи\2~2г02 » обладающего комплексом высоких механических свойств.

Апробация таботн. Основные результаты района представлены и обсуждены на:

1. 1У Всесоюзной конференции "Физика разрушения", г.Киев, ИБМ ЛН УССР, 1989 г.

2. УШ Международной конференции по порошковой металлургии, Паттяин, ТОР, 1992 г.

3. Международной конференции "Керамические материалы и компоненты доя двигателей", Шанхай, КНР, 1994 г.

Публикаций. Основное содержание работы опубликовано в 5 печатных работах, Оригинальность технического решения защищена авторским свидетельством на изобретение.

Структура и объем работа. Диссертация объемом 230 страниц включает 13 таблиц, 76 иллюстраций я состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка использованной литературы из 219 наименований и приложения.

СОДЕРШИЕ РАБОТЫ

Во введении рассмотрена проблема создания конструкционных материалов на основе высокотемпературных интерметалдических Соединений, в том числе композиционных материалов с матрицей алшннида никеля; сформулированы цель и задачи исследования; приведены научная новизна и практическая ценность полученных в работе результатов.

В первой главе дан обзор литературных данных по рассматриваемой проблеме. Сопоставлены механические свойства различных интерлеталлвдов, которые потенциально могут быть использованы для создания конструкционных жаропрочных материалов. Отмечены перспективность и преимущества алшшщда никеля ( /VIА 6 ) в сравнении с другими высокотемпературными алтшнидами и дан обзор термодинамических, тешгофязических, механических и других свойств данного интерметаллида. Особое внимание уделено причинам, обусловливевдщ хрупкость алшннида никеля при комнатной а повышенных температурах, и йакторам, определяющим переход этого соединения ях хрупкого в пластическое состояние. Ь ре-

зулътате обос'дения существующих данных сделан вывод о целесообразности направления исследований ка повышение вязкости разрушения с реализацией нетрадиционных для металлических материалов процессов диссипации энергии при разрушении.

Отмечено, что одним из наиоолее эффективных процессов диссипации энергии при хрупком разрушении является поглощение работы, совершаемой при механической нагружении материала, на инициирование полиморфного превращения метастабильных фаз. Проанализировано развитие исследований в данном направлении, которые выполнены главным образом на композиционных системах, содержащих метастабилышй (частично стабилизированный) диоксид циркония в качестве дисперсной фазы. Обсуждены природа и механизм такого трансформационного упрочнения, выдвинуто предположение о еозмолсности реализации данного эффекта в композиционных материалах с '\fLAl - матрицей и отмечено принципиальное отличие таких композитов от традиционных дисперсноупрочненных материалов. Б этой связи рассмотрена проблема-термодинамической ста- ' бильности различных систем алюминяд никеля - неметаллические тугоплавкие соединения и приведены свойства диоксида циркония. £ заключение рассмогрсгш некоторые технологические проблемы изготовления композиционных материалов с Д^с - матрицей. В частности, отмечена плохая спекаемость порошков ' и обос-

новала необходимость применения технологий, использующих операции горячего прессования. На основании проведенного анализа обоснована постановка диссертационной работы.

Во второй главе описаны материалы и методы исследований.

Объектом исследования являлись композиционные материалы в системе - частично стабилизированный ~£гОг . а соот-

ветствии с целью и задачами исследования, основное внимание было уделено установлению влияния на механические свойства различных структурных факторов {дисперсность, содержание и фазовый состав второго компонента - диоксида циркония), а также технологических параметров изготовления композиционного материала с целью реализации процессов трансформационного упрочнения и повышения вязкости разрушения композиционного материала. Для изготовления образцов композиционных материалов в качестве исходных компонентов использовали порошки алшиняда никеля производства НПО "Тулачермзг" и три различных типа порошков

диоксида циркония.

Порошки алшинида никеля, изготовленные методов гидридно-кальциевого восстановления, имели средний размер частиц 17 кгал и соотав (в мае.Я).: M cv> 28-33^; Ге £ 0,2%; С ^ 0,07%; Сл é 0,Щ; /V é 0*08$, Ni - остальное .*

В процессе подготовки компонентов порошки алхяшшда никеля подвергали помолу в аттриторе с загрузкой шаров из диоксида циркония в среда ацетона. Средний размер частиц порошка посла .помола составлял 0^96 мкм.

а качестве второго компонента попользовали порошки диоксида циркония, которые о.цель» установления влияния их параметров на свойства композиционных материалов, имели различные химический состав, структуру и морфологии'. Как известно, способность сохранений частиц порошка диоксида циркония в метасгабильноп тетрагональной модификациизависит от размера частиц порошка, уровня остаточнкьс напряжений на граница раздела дисперсная частица/матрица и от вида и -концентрации стабилизирующеи ZгОг добавки. В качестве данной добавки, бьш выбран Уг03 , содержание которого варьировали в пределах от 0 до 3 мол Д. В связи о указанным, при выполнении работы иополъз'овалй следующие порошки Z rOz :

а) порошки - 2 кол.% У203 , полученные методом обратного осаадения из.водных растворов оксихлорвда циркония

и хлорида иттрия, с использованием гидроксида аммония в качества осадителя. Порошки, имеющие субмикрощше размеры, послз синтеза были сильно агломерированы в жесткие агломераты осколочной формы,со средней длиной 40 мш а толщиной 10 мкм. Содержание тетрагональной фазы в ¡горошке соотавляло более 90?»;

б) порошки 2 rOj - 3 иол.% У2 03 и неотабилизирован-ного Z гОг » полученные методом шгазмохимического синтеза. Порошки имели сферическую фюрслу и агломерированы в агломераты о широким диапазоном размеров от Ï до 15 мкм. Согласно результатам рентгеновского фазового - анализа, в порошке ТгОг -

3 иол,% Уг Оs содержание тетрагональной фазы составляло ся 100%, а в на стабилизированном порошка ЪгОг - 60-70$.

Порошки 7.гОг подвергали высокоинтенсивному совместному помолу о порошками NiAt в аттриторе в процессе приготовления исходных смесей. Массовое соотношение смесь: шары

составляло'Т:5, скорость вращения мешалки 530 об/шш. Полученные смеси гранулировали последовательной протиркой через набор стандартных сит с размером ячеек от 2 до 0,2 да. Контроль равномерности смещения и исследование щкроструктурннх особенностей смесей е компактных материалов проводили методами оптической и электронной растровой микроскопии. иодержадив дисперсной фазы 2гОг в смесях варьировали в пределах 0-40 об./».

Для обоснования и выбора оптимального технологического ре-яока для процесса получения компактных материалов были проведены эксперименты по спекании без приложения давления, горячему одноосному прессованию в динамическому горячему прессованию, а такгз по обработке компактных (горячепрессованннх) материалов методом горячего изостатического прессования. На основании результатов данных экспериментов, которые подробно изложены в главе 5, в качестве основной была выбрана технология одноосного горячего прессования б графитовых прессформах, проводимого при температуре I4QQ°C к давления 30 МПа.

Плотность компактннх материалов измеряли методом гидростатического взвешивания, жх структуру исследовали методами оптической (Кеофот 40) и растровой аяектрояяой микроскопии {Хитачи S - 405 А), рентгенографические исследования проводили на диф-раетоме тре ДР0Н-4.

Исследовали механические свойства; прочность и предельную деформация при трехточечиом изгибе, и трещшостоЕкость (критический коэффициент интенсивности напряжений К^) образцов при температурах от комнатной до IICQcC (для KjC до 700°С). Испытания на трециностойкость проводили на образцах с прямым боковым надрезом. Для расчета прочности и трещиностоЛкости в ли-.кеияо-упругой области использовали стандартные методики, прочность и прздельнуэ деформация при нелинейном деформировании рассчитывали методом последовательных приблизений. Измеряли такие твердость по Еиккерсу образцов, фрахтографаческиа исследования после испытаний образцов при различиях температурах проводили методами скаккрувдей электронной микроскопии.

Для прогнозирования стабильности структуры кошюзицяонно-го материала при термических воздействиях (в процессе изготовления и эксплуатации) балл проведан« исследования хиздческой я тврмомеханической совместимости компонентов. Хгсглческув сов-

местимость изучали методом дифференциально-термического анализа превращений в исходных компонентах, их смесям и компактных образцах, при температурах до 1500°С. Проводили также рентгеновский фазовый анализ образцов после длительных высокотемпературных выдержек с целью исследования процессов фазообразова-ния в компактированяьк смесях компонентов. Оценивали окисляе-мооть образцов при температурах 1000 и П00°С на воздухе.

Для оценки термомеханической совместимости никель-алюми-нидной матрицы о распределенными в ней дисперсными частицами диоксида циркония производили расчет остаточных напряжений, возникающих в матрица и частица а результата рассогласования термического расширения материалов матрицы и дисперсных частиц, при охлавдении от температуры горячего прессования (с учетом хрупко-вязкого парвхода в материале матрицы).

В третьей глава приведены результаты исследований химической и термомеханической совместимости компонентов композиционного материала. Целью проведенных исследований являлось установление стабильности фазового состава композиционного материала в иоследовашой системе, задаваемого в исходном состоянии оксидной (твердой раотвор 2r0j * (2-3) мол.$ Y¿Os ) и иитер..аталлидной ( А/с Ai ) составляющими.'

Рентгенографическими исследования!® не было установлено образования новых фаз в процессе изготовления композиционного материала как опакаяием в инертной среде (температура 1400°С, выдержка при максимальной температуре 1ч.), так и горячим прессованием (1400°С, 30 МПа, 0,5 ч). Длительные выдержки (Н00°С до 100 ч) не приводили к изменению фазового состава композиционного материала.

Методом дифференциально-термического анализа на установлено тепловых эффектов взаимодействия компонентов при нагреве и охлаждении в среде инертного Газа (аргон) с максимальной температурой цикла I500°C!.

Термомеханическуо совместимость оценивали по величине остаточных напряжений в дисперсной частице и окружающей ее интерметаллидной матрице, исходя из термоупругой модели Сел-сигя, учитывающей различив коэффициентов термического расширения, модулей упругости и коэффициентов Пуассона материалов частицы в матриц», а также дилатахшонинЯ эффект полиморфного

лревржешг- дисперсной частицы в матрице. Учитывался также хрупко-пластический переход в матрице. Установлено, что при охлаждении от температуры горячего прессования в матрице вокруг частицы возникают радиальные ( ) сжимающие и тангенциальные ( ) растягивающие напряжения. Величина этих напряжений на границе раздела матрица/частица составляет ¿г~ - 2. с4 = - 257 Ша. Сопоставление с данными по прочности //IА£ показывает, что это напряжение существенно меньше, чем необходимое для транскристаллитиого разрушения матрицы.

Сжимающие остаточные напряжения в дисперсной чаотице способствуют стабилизации метастабильной тетрагональной модификации диоксида циркония, поскольку спонтанный переход из тетрагональной в моноклинную модификацию при охлаждении происходит с положительным дилатометрически!.! эффектом. Это позволяет использовать относительно крупные частицы 2г0_> в качестве упрочняющей фазы композиционного материала. Расчет показал, что критический размер частиц 2гОг , вызывающий микрорастрескивание матрацы, составляет 45 мкм. Кроме того, сжимавдие остаточные напряжения на дисперсных частицах, после охлаждения от температуры горячего прессования, обеспечивают сохранение в тетрагональной модификации даже чаотиц 2гОг , не содержащих стабилизирующих тетрагональную модификацию добавок оксида иттрия.

Таким образом, проведенные исследования показали химическую и термомеханическую совместимость компонентов, обеспечивающую возможность получения композиционных материалов в исследованной системе.

В четвертой, главе изложены результаты исследования меха-\ нических свойств композиционных материалов А/¿А£ ~1гОг в зависимости, от содержания дисперсных чаотиц диоксида циркония и от температуры проведения механических испытаний.•■.Основная часть эксперимента была выполнена на образцах горячепрес-созалных материалов, содержащих частицы ZrOt -2 мелУг03 , синтезированные совместным осаждением из растворов.

На рис. I представлена зависимость прочности, а иа рис, 2 - зависимость тревдцостойкооти (критического коэффициента интенсивности напряжений К|С) от объёмного содержания частиц диоксида циркония и горячепрессованных материалах. Средний

материалов Niот содержания lrOz '• I - ' Горячев прессование при 1300°С, 2 - яря 1400°С.

. раякер агломератов чаогвц ИгОг в матрице Л/с Ав , как пока, загс эл5ктронномикроскопкчеокне исследования, не превышал

С,9 мкм.

Зависимость прочности и трещиностойкости от содержания 2гО,_ аеиоаототт, о максимумом в области 20 об. $ ZrOz. Величина прочности композиционного материала "//¿-АС - 20 об» 55 2гОг ( ^ 1000 МПа) в 4 раза выше прочности Ы'М - матрицы. Введением того "же количества Ъг02 удается повысить величину .трещиностойкости материала с 14.до 21 Ша-м1'2 при комнатной температуре. Аналогичный немонотонный характер имеет и концентрационная зависимость твердости по Еяккероу, которая возрастает от 4500 МПа для матрицы до 6700 МПа - для композиционного материала с 20 ов.% 2гОг . .

Дня объяснения полученных результатов, были попользованы ' результаты оценки остаточных напряжений, возникающих в композиционном материале при охлаждении от температуры горячего прессования (1400°С) до температуры хрупко-вязкого перехода з Д/1АI ~ матраца (500РС). Эти напряжения развиваются в результате различия в'термических коэффициентах расширения алши-иида никеля и диоксида вдрковия. Оценки показываю, что величи-. на остаточных тангенциальных растягивавших напряжений, вознлка-. шщх у частиц ЕгОг » меньше, чем необходимо дая инициирования транскристаллятной; трещины в МИ\1 матрице. Частицы ЪгОг находятся под действием ожидающих радиальных напряжений, что способствует сохранению НгОг в метастабильной тетрагональной модификации. ■• •

Мояно иолагагь, что увеличение прочности и трещиностойкости. с повышением содержания 2гОг до 20 об.% обусловлено возрастающим вкладом диссипативного процесса - полиморфного превращения 2гОг .из метастабильной тетрагональной в стабильную моноклинную, модификацию. При дальнейшем увеличении содеркания . : 1хОг сверх 20 об.£, на механические свойства композиционного

материала преобладающее влияние могут оказывать два фактора: . суперпозиция полей остаточных растягивающих тангенциальных напряжений, которая может привести к ыикрорастраскивашда матрицы у дисперсных частиц, и формирование непрерывного каркаса яз частиц НгО» ,. Температура спекания частиц ZrO¿ должна быть существенно. вше (1600-1700°С), чем температура горячего прес-

сования в проведанных экспериментах. Поэтому, увеличение числа ."наспеченных" контактов макду частицами Zr02 , с повышением их объемного содержания, приводит к снижении прочности и тре-щиноот ойкоо ти •

На рис. 3 и 4 показаны температурные зависимости прочности и трещиностойкооти композиционного материала NiM - 20 об,% ZrOt в сравнении оо свойствами Nikt без дисперзных частиц ZrOa.

Как следует из зависимости, представленной на рис. 3, эффект трансформационного урочнения снижается о повышением температуры, что может быть обусловлено онинением величины движущей силы для превращения ZrOg в моноклиянул модификацию с увеличением температуры. Прочность композиционного материала в интервала температур от 500°С и выше, лишь незначительно превышает прочность матрицы .

Аналогичным образом можно объяснить и различие в температурной завчсимости К1С для Nikb и композиционного материала при температурах до 500°С. Повышение трещзностойкости, при увеличении температуры испытания выше 300°С, обусловлено хрупко-вязким переходом а матрице и, 'как следствие этого, раз-

витием зоны пластической деформации у вершки трещины.

Таким образом, установлено, что оптимальное сочетание механических свойств достигается при содержании ZrOt~20 о0,% и эффект повышения механических свойств, в значительной степени, сохраняется при температурах до 500°С.

В пятой главе представлены, результаты исследований по оптимизации технологических условий изготовления композиционных материалов в системе №iAt-TLrOt.

Установлено, что спеканием баз приложения давления исходных порошков Ni kl (средний размер частиц 20 мкм) не удается достичь плотности спеченного материала более 83% от теоретической. Спекание при тештзратурах выше 1440°С сопровождается значительной собирательной рекристаллизацией и огрублением структуры материала. Плотность, близкую к 100$ от теоретической, обеспечивает динамическое горячее прессование в вакууме при температурах более 1400°С. Однако, для материалов, полученных данным опособо^, характерны сильная анизотропия структуры и наличие плоских зернограничных пор, расположенных перпендику-

¿{,МГ)а

ЮОО-

т/с

200 • iiOO 600

800

1000 1200

Рис. 3. Температурная зависимость прочности NiAlli) и Niki-" -20 об.% ZrO^ (Z).

Кх^МПа-п^

35

г 5

15

5

Т X

О 200 400 ¿00 SOG

Рис. 4. Температурная зависимость тращиностойкости 14 NiMH) я Niki - 20 ой.% 1гОг (2}.

ляряо направлению прессования.-

Обработка порошков-, -в'-аттриторв (среда-ацетон, шары из диоксида циркония). до среднего размера частиц 0,9 мкм существенно повышает 'шс. с'Пекаемооть. Плотность, близкую к теоретической, удается достичь горячим прессованием в графитовых пресо-формах при тешература ^ 1300°С и давлении 18 !Ша, проводя процесс в защитной атмосфере аргона, или в ореде продуктов окисления графита на воздуха.

Добавление к матричному порошку порошка диоксида циркония приводит к необходимости повышения температуры горячего прессования до 1400°С для получения материалов о плотноотью 98$ при содержании в смеои ^ 10 об.$. Смеои порошков

и 2гОг готовили в аттриторе о использованием шаров из диоксида циркония в условиях, соответствующих условиям высокоинтенсивного размола.

Согласно данным, приведенным на рио, I, зависимость прочности, как и других механических свойств, от содержания 2гОг~ немонотонная, о максимумом при 20 об.% 2г0а . Уменьшение прочности с увеличением концентрации 7-гОг сверх 20 об.^ можно объяонить образованием микротрещин и непрерывного каркаоа диоксида циркония в структуре материала. С целью установления возможности дальнейшего повышения механических свойств, проведаны эксперименты по горячему изостатическому прессованию (ГИЛ) образцов материалов после одноосного горячего прессования. Процесс ГШ проводили при температура 1400°С и давлении до 200 №1а без капотирования образцов. Установлено, что ГШ практически не изменяет прочность материалов о 20 об,% 2гОг , но существенно (в 1,6-1,8 раза) повышает прочность материалов о 25 и 30 оС.% 2>Ое . Как мокло предположить, это обусловлено залечиванием микротревдн в уоловиях воздействия высокого давления воеотороннего сжатия. ГШ1 не повышает прочность материала, содержащего 40 об.? 2кОг . поскольку температура ГИЛ не достаточна для опеканпл частиц 2г0£ , образующих непрерывный каркас.

Таким образом, для изготовления композиционных порошковых материалов в системе Ы1л1~Ъг01 при содержаниях диоксида циркония до 30 ой»% , может быть рекомендована следующая технологическая охема: обработка смеси порошков в аттриторе

(среда-ацатон, шары из диоксида циркония) в условиях высокоинтенсивного размола, горячее одноосное прессование в грунтовых прессформах при температуре 1400°о и последующее горячее изо-статическое прессование при 1400°С я давлении до 200 МПа (последнее - для материалов о содержанием Zг04- 25-30 об.%),

Изучено влияние состава и структуры исходных порошков на овойотва композиционных материалов. Установлено, что аффект упрочнения достигается при использовании как настабилизированного НгОг , так и диоксида циркония, частично стабилизированного оксидом иттрия (2 и 3 кол.%). Возможность использования нестабилизированного Zr02 объясняется тем, что при охлаждении композиционного материала от температуры горячего прессования, в нем развяваюгоя остаточные сжлшщцяз напряжи'-ия, препятствующие превращение Zr02 в стабильную моноклинную модификации. Использование порошков Zr02 , полученных плазмохимическим синтезом, дает больший аффект упрочнения (прочность материала о 20 о6.% TLrOz ооотавила 1400 Ш1а при'комнатной температуре), чем порошков, полученных осаждением из растворов солей (прочность композиционного материала 1000 МПа), что объяоняэтоя различием в размере и морфологии чаотиц порошка,

С целью исследования возможности применения разработанного композиционного материала в условиях воздействия окислительной газовой среды при высоких температурах, были проведены сравнительные эксперименты по окиолязмости NiAi и композита оптимального оостава NihZ - 20 oó.% ИгО^ на воздухе при температурах 1000 и П00°С в течение до 100 часов. Установлено, что введение ZrOe в указанном количестве снижает оредшс® окорооть окисления (за 25 чаоов при Т«1000°С) о 5'ПГ4 до 1,62-КГ4 кг/м^ч, то есть на ЗЗОЯ.

Доказано также, что материал NM - 20 ой.% ZгОг терыоотоех, то есть изготовленные из него образцы (5x5x10 ш ) на обнаруживают потери прочности после термоудара 20-1000-20°С. Осиовываяоь па этих данных и результатах исследования механических свойств, разработанный материал может быть использован для изготовления оснастки высокотемпературных агрегатов и печей, а тлкже в качестве конструкционного материала для авиационной техники.

Сравнительные трибологические испытания образцов М1А1 и композиционного материала -20о£Х2|"02,проведенные

с использованием контрпары трения из стали У8-А, показали, что композиционный материал имеет величину удельного износа (0,15 кг/км.см^) в 1,5 раза ыеньшую, чем удельный износ интерметаллидной матрицы. Испытания проведены в МИСиС на кафедра редких, радиоактивны* металлов и порошковой металлургии по разработанной методике на испытательном отенд® прп нормальных УОЛОВЕШС.

Результата испытаний позволяют рекомендовать данный композиционный материал для использования п качестве конотрукци-онпого при изготовлении рабочих доталэй и механизмов для работы в узлах трения. Кроме того, проведенные испытания позволяют сделать вывод о том, что разработанные порошковые материалы системы ЛА/2 - , изготовленные по указанному технологическому режиму» могут бить рекомендованы для использования в качества материалов покрытий на сталях, алюминиевых сплавах для обеспечения повышенных жаростойких и ааропрочных характеристик, а также повышенных износостойкости и аррозионной стойкости.

ОЩИЕ ШВОДЫ

Разработаны и изучены механические свойства композиционных порошковых материалов о Н'\.кЬ - матрицей, содержащих в ка. чеотве упрочняющей фазы диопероные частицы £гОг в мотаста-билыюи тетрагональной модификации. Установлено влияние технологической предыстории материалов на их свойства. Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы:

1. Разработаны композиционные материалы в системе А/±А1 (матрица) - 2гОг в тетрагональной модификации (дисперсная фаза), существенно (в 1,5 - 4 раза) превосходящие по механическим овойотвам ингерметаллидаую матрицу.

2. Выполнен анализ оотаточных напряжений, характеризующий напряженное ооптоюша в композиционном материала, из которого следует, что возможным механизмом повышения прочноотй и трещи-ностойкроти является полиморфное превращение дисперсных частиц

ЪгОъЪ полз приложенных напряжений.

3. Установлено оптимальное содержание диодероных частиц 2гОг в композиционном материале - 20 об.$, ооотватствущее

максимальным значениям прочности (до 1400 Ша), трещиностойкоо-ти (21 МПа.м1'2) и твердости по Виккероу (6700 МПа),

4. Исследована температурная эавиоимость прочности и тра-щияостойкооти композиционного материала оптимального состава; устанопланы монотонноз снижение прочности и немонотонное -трещиноотойкооти, о повышением температуры. Показано, что аффект повышения механических свойств наиболее существенен в интервале температур 20-500°С, то есть до температуры хрупко-вязкого перехода в М1А1' - матрица.

5. Введение диоперснцх частиц ЩгОг . как нвотабялизи-рованного, так и чаотично стабилизированного окоидом иттрия в количеотве до 3 мол.$, обеспечивает повышение механических свойств композиционного материала, но величииа достигаемого эффекта зависит от содержания стабилизирующей добавки.

6. Установлены технологические условия изготовления композиционных материалов "НгОг о высоким уровнем механических свойств - шсокоинганоивныи совместный мокрый помол в аттриторе до оубмикрошого размера частиц и горячее прессование в графитовых прессфорлах при температуре 1400°С.

1а

7. Продемонстрирована возможность значительного повышения прочности (с 600 до 1000 МПа - при 25 об.% Zr02 , с 400 до 720 МПа - при 30 об.% 2rOz ) горячедрессованяых композиционных материалов 'в результате последующего горячего изо-статического прессования баз каясширования в атмосфере аргона.

8, Проведение испытаний образцов композиционного материала на сопротивление, термоудару и окисляемоети при температурах до П00°С 5 а ташке результаты грибологических испытаний

продемонстрировали его значительное преимущество по сравнению с иптермзталлидаой матрицей, что позволяет рекомендовать разработанный материал для применения в деталях н узлах двигателей и других тепловых агрегатов, в условиях воздействия высоких температур и окислительных сред.

Основные результаты диссертации изложены в следующих работах:

1. Повышение механических свойств- интерматаллидных материалов

' дисперсными фазами / С.М.Барянов, А.В.Кузнецов, В.Ю.Евдокимов, В.И.Аятипов // Тезисы докладов 71 Всесоюзной конференЦии "Физика разрушения" - Киев, - 1989, - С.89.

2.Barinov S.M. .Evdokimov V.Yu. Aluminid niklu spevenu zirkonom// VIII Ktedzlnarcdna konferencla о praskovej metalurgii v CSFR.-Piestany; UMV SAV.- 1992,- c.2,- pp.203-206.

3.Barinov S.M., Evdokimov V. Yu. .Shevchenko Y.Ya. Zlrconia toughened nickel aluminide// Journ. Hater. Sci. Lett.- 1992.-v.ll.- N5.- pp. 1347- 1348.

4.Barlnov S.M..Evdokimov V.Yu. Zlrconia toughening of nickel alumlnide// Acta Kfetal. et Mater.-1993.- v.41.- N3.- pp. 801804.

o.Barinov S.M.(Evdokimov V.Yu. .Ponomarev V.F..Shevchenko V.Ya. Effect of post hot isostatic pressing on the strength of M1A1-Zr0iconposlte//Journ.Mater.Sci.Lett:- 1994.- v.13.- N1.-pp. 183- 184.

5.Barinov S.M..Evdokimov V.Yu.Effect of zirconia powder prehistory on strength of zirconia-toughened nickel aluminlde//Journ.Mater.Gel.Lett.- 1995.- v.14.- N4.- pp.820--822.

7.A.c.N1462600.Шихта на основе адюминида титана для получения спеченного ыатериала//Варинов С.М. .Евдокимов В.Ю., Ангинов В.И.,Масленков С.В..Алехин В.П.,Шойтова А.В.// Ю/'/'j/' Заявка N 4212527 от 20.03.1987. 'уРс^Г ; m