Б01: 10.12731^8^2015-2-16 УДК 669.018.25
БОРИРОВАНИЕ ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Быстров В.А., Борисова Т.Н.
Установлено, что при большинстве способов наплавки композиционных материалов (КМ) происходит растворение твердых частиц в матрице с выделением на поверхности раздела продуктов распада металла и углерода, что отрицательно сказывается на износостойкости КМ. Известно несколько путей уменьшения растворения твердых частиц в матрице КМ, одним из которых является нанесение защитных покрытий. В работах [1-5] исследовалось эффективность действия защитного покрытия на основе никеля, нанесенного на твердые частицы методом осаждения, что является дорогостоящим методом. В качестве покрытия предлагается использовать сплавы на основе железа, никеля, кобальта. Однако такое защитное покрытие не приводит к повышению износостойкости КМ, поскольку оно полностью растворяется в матрице КМ при высокотемпературной наплавке, существенно снижая её микротвердость. Авторами предложен способ нанесения боридного покрытия методом осаждения бора на твердых частицах, что приводит к повышению жаропрочности и износостойкости КМ.
Ключевые слова: боридное покрытие; композиционный материал; твердые частицы; жаропрочность и износостойкость.
BORATING OF SOLID PARTICLES COMPOSITE MATERIALS
Bystrov V.A., Borisova T.N.
Found that under most conditions of surfacing of composite materials (CM) is the dissolution of solid particles in a matrix with segregation on the surface section of the degradation products of metal and carbon, which has a negative impact on the durability of CM. There are several ways to reduce the dissolution of solid particles in a matrix of CM, one of which is the application of protective coatings. In the papers [2-5] studied the effectiveness of nickel-based protective coatings deposited on solids by precipitation, which is a costly method. In quality of a covering it is offered to use alloys on the basis of iron, nickel, cobalt. However such sheeting doesn't lead to increase of wear resistance of CM as it is completely dissolved in the CM matrix at a high-temperature hard facing, significantly reducing its microhardness. Authors offered a way of drawing coverings by method of sedimentation ofpine forest on firm particles that leads to increase of thermal stability and wear resistance of CM.
Keywords: of boride a covering; a composite material; firm particles; thermal stability.
Термодинамическая и кинетическая совместимость компонентов композиционных материалов на основе ТН 20
Большинство КМ - представители термодинамически неравновесных систем, для которых характерно наличие развитой сети внутренних границ раздела и градиентов химических потенциалов элементов в матрице и твердых частицах. Эти градиенты являются движущей силой процессов межфазного взаимодействия, в частности взаимной диффузии и химических реакций. Межфазное взаимодействие в ограниченной степени необходимо для получения КМ с оптимальными свойствами, однако интенсивное взаимодействие обычно приводит к ухудшению физико-термических свойств, особенно жаропрочности и износостойкости КМ при высокотемпературном абразивном износе.
Химическое взаимодействие может происходить как при получении КМ, так и при их высокотемпературной эксплуатации. Интенсивное межфазное взаимодействие - главное препятствие на пути создания жаропрочных КМ. Для того чтобы КМ обладал стабильными свойствами при повышенных температурах, его компоненты должны быть химически совместимы. Понятие химической совместимости включает понятия термодинамической и кинетической совместимости.
Термодинамическая совместимость - способность матрицы и твердых частиц находиться в состоянии термодинамического равновесия неограниченное время при температурах получения и эксплуатации. Термодинамически совместимы в изотермических условиях ограниченное число КМ, состоящих из компонентов, практически нерастворимых друг в друге в широком интервале температур (например, Си - WС). Большинство КМ состоит из
термодинамически несовместимых компонентов, для которых из диаграмм состояния можно определить только возможные фазовые равновесия и направленность реакций.
Кинетическая совместимость - способность компонентов КМ находиться в состоянии метастабильного равновесия, контролируемого такими факторами, как адсорбция, скорость диффузии, скорость химической реакции и т.п. Термодинамически несовместимые составляющие КМ в определенных температур-но-временных интервалах могут быть совместимы кинетически и достаточно надежно работать при высокотемпературном износе. Наряду с химической важно обеспечить механическую совместимость компонентов КМ, т.е. соответствие их упругих постоянных, коэффициента термического расширения и показателей пластичности, позволяющее достичь прочности связи, необходимой для эффективной передачи напряжений через поверхность раздела твердая частица - матрица.
Влияние поверхности раздела на прочность и характер разрушения композиционных материалов
Прочность поверхности раздела может быть как выше, так и ниже прочности матрицы. Часть свойств КМ определяется прочностью границы раздела на отрыв (поперечная прочность, прочность на сжатие, вязкость разрушения), часть - прочностью границы раздела на сдвиг (продольная прочность при растяжении КМ; критическая величина фракции твердых частиц и т.п.).
Для КМ третьего класса различают три участка на графике зависимости прочности КМ от толщины реакционной зоны х На первом участке выраженной зависимости ов от х3 не наблюдается. Здесь толщина реакционной зоны мала (в среднем 0,5-4 мкм),
концентрация напряжений в ней меньше, чем концентрация напряжений, обусловленная дефектами твердой частицы. Критическое значение толщины реакционной зоны х' соответствующее первому участку, рассчитывается по формуле [7]:
х'кр - [ЕА10В°вГ)]2 ^ (1)
где В - коэффициент, зависящий от распределения напряжений вблизи вершины трещины, В = 0,5-1,0; г'- радиус кривизны в вершине трещины;
Ег - модуль упругости твердой частицы.
При х3 « х'кр трещины в реакционной зоне не влияют на прочность твердых частиц и, в целом, на прочность КМ.
На втором участке прочность КМ с увеличением толщины реакционной зоны снижается. Здесь х3 > хр и концентрация напряжения в зоне выше концентрации напряжений от собственных дефектов твердых частиц. Средние размеры реакционной зоны для различных КМ, соответствующей второму участку, составляют 0,5-10 мкм. Существует вторая критическая толщина зоны х"к , которая оценивается по формуле [7]:
Р х"кр = [Е/10^)]2 г\ (2)
где Епр, опр - модуль упругости и предел прочности продуктов реакции.
В пределах х"кр < х3 < хпр прочность КМ снижается с увеличением х. Предельная деформация е^ до разрушения частиц в КМ связана с х3 зависимостью
е1 = а/ШВХг'/х/2. (3)
Третий участок начинается при значениях х3 > х"кр. Здесь прочность частиц равна прочности продуктов реакции и не зависит от толщины реакционной зоны.
Смачивание твердых частиц расплавами металлов (сплав-связкой)
Смачивание - одна из важнейших характеристик межфазного взаимодействия в КМ, учитываемая при планировании их получения жидкофазными методами. Получение КМ методом пропитки и обеспечение прочной связи между компонентами возможно только при условии, что жидкая матрица смачивает поверхность твердых частиц [9-11].
Увеличение поверхности как жидкого, так и твердого тела сопровождается совершением работы. Величина, численно равная работе обратимого изотермического образования единицы поверхности тела, называется удельной свободной поверхностной энергией оп. Наряду с ней при анализе процессов смачивания используется коэффициент поверхностного натяжения (или просто поверхностное натяжение), характеризующий силу поверхностного натяжения, приходящуюся на единицу длины свободной поверхности и действующую в направлении, перпендикулярном этой линии. Поверхностное натяжение определяется формулой
[7, 11]:
о = Р/1 , (4)
п пов' 4 '
где Р - сила поверхностного натяжения;
1пов - длина свободной поверхности, на которой действует эта сила.
Для жидкостей удельная свободная поверхностная энергия и коэффициент поверхностного натяжения совпадают как по размерности, так и по численному значению (они измеряются либо в ньютонах, деленных на метр, либо в джоулях, деленных на метр квадратный). Для твердых тел их значения могут существенно
различаться, что обусловлено анизотропией кристаллов и наличием дефектов кристаллической решетки. Свободная поверхностная энергия металлов сильно зависит от наличия примесей. Небольшие добавки в расплавленный металл поверхностно-активных веществ приводят к резкому снижению величины оп.
Силы сцепления жидкости с твердым телом характеризуются работой адгезии W, равной работе разделения их по межфазной границе и определяемой по уравнению Дюпре [4]:
W = о + о - о . . (5)
a т ж т ж 4 '
При разрыве однородной жидкости работа образования новой поверхности W, называемая работой когезии, подсчитывается по формуле [5] W = 2ож. Работа адгезии является мерой взаимодействия двух фаз на их границе раздела, а работа когезии характеризует силы связи внутри фазы.
В системе жидкость - твердое тело - газ жидкость может смачивать поверхность твердого тела и растекаться по ней или же не смачивать ее. Смачивание характеризуется краевым углом ©c, образованным поверхностью жидкости на стыке с твердой поверхностью (отсчет угла ©c производится через жидкую фазу). Величина работы адгезии рассчитывается по уравнению Т. Юнга [4]: Wa = ож (1 + cos ©c). (6)
Условие самопроизвольного растекания жидкости по гладкой твердой поверхности имеет вид ож + от ж - от < 0. При устойчивом равновесии системы краевой угол смачивания ©c определяется уравнением cos© = (о - о )/ о , или cos© = (W - о )/ о , т.е.
J А c 4 т тж ж c 4 a ж ж7
зависит от свойств жидкости (ож) и от интенсивности взаимодействия жидкости и твердого тела. При ©c < 90 град жидкость будет смачивать твердое тело, а при © > 90 град - не будет.
В системах тугоплавкое соединение - жидкий металл смачивание происходит преимущественно бла
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.