Эвтектические композиции

Сомов А. И., Тихоновский М. А М.

Металлургия, 1975 г.

Разработка композиционных материалов, удовлетворяющих высоким требованиям современной техники, связана с решением целого ряда технологических и физико-химических проблем.

Применяемые в настоящее время методы формирования композиционных материалов можно разделить на две категории. К первой относятся все методы, в которых процесс получения материала начинается с раздельного приготовления элементов композиции — матрицы и наполнителя (волокна, пластины, сетки и т. п.). Эти методы являются многооперационными:, за приготовлением исходных компонентов следуют стадии обработки их поверхности, совместной укладки и, наконец, соединения в компактную заготовку. Сюда относятся методы прокатки, прессования, волочения, литья в формы с наполнителем и различные их модификации.

При использовании этой группы методов, помимо трудностей, связанных с получением требуемых нитевидных кристаллов (волокон) и оперированием с ними, необходимо решать сложные задачи обеспечения прочной связи волокон и матрицы, их химической совместимости. Как показывает практика, механические и химические повреждения волокон в процессе формирования композиции являются важнейшими факторами, влияющими на свойства композиционных материалов. Химическое повреждение обусловлено физико-химическими процессами на межфазных границах, приводящими к растворению волокон или образованию нежелательных промежуточных соединений. Последнее существенно ограничивает возможности в выборе элементов композиции и вынуждает искать выход в применении специальных покрытий на волокнах, что еще более усложняет весь процесс получения материала.

Вторая группа методов связана с использованием различного рода- фазовых превращений в веществах: с переходом из одного агрегатного состояния в другое (например, кристаллизация жидкости), с превращением в твердом состоянии (эвтектоидный распад) и т. п. Если в результате превращения в системе образуются две или более фаз, то, управляя такими параметрами процесса, как температура и скорость превращения, направление теплоотвода, можно создать гетерогенную структуру с пространственно ориентированным упорядоченным расположением фаз, т. е. композиционную структуру. При этом полностью исключаются стадии приготовления волокон и введения их в матрицу, автоматически решаются такие проблемы, как химическая совместимость разнородных веществ, прочность межфазных связей.

Кроме того, метод -контролируемых фазовых превращений открывает возможность создания требуемой структуры и управления ею в готовых изделиях путем соответствующей термообработки.

Одним из наиболее изученных и перспективных способов создания композиций с требуемой структурой и свойствами является направленная кристаллизация эвтектических сплавов. Этот способ сравнительно прост, поскольку включает по существу одну достаточно хорошо освоенную в технике выращивания монокристаллов из расплава технологическую операцию — кристаллизацию жидкости в контролируемых условиях теплоотвода. В то же время этот способ весьма эффективен в смысле возможностей управления такими параметрами структуры, как морфология фаз, их дисперсность, взаимная ориентация. Кроме того, оказалось, что одна из фаз эвтектики, кристаллизующаяся в форме стержней или пластин, обладает структурным совершенством и свойствами нитевидных кристаллов. Таким образом, в эвтектических композициях реализуется идеальная для композиционных материалов ситуация — высокопрочные нитевидные кристаллы в подходящей по физико-химическим свойствам матрице.

Разумеется, метод направленной кристаллизации не лишен недостатков. Принципиальными из них являются ограниченность числа систем с требуемой фазовой диаграммой и ограниченные возможности варьирования состава фаз и их объемного соотношения в композиции. Однако исследования последних лет показывают, что метод направленной кристаллизации достаточно эффективен применительно «е только к сплавам строго эвтектического состава, но и к сплавам, состав которых существенно отличен от эвтектического, что позволяет в широких пределах менять объемное соотношение фаз в композиции. Кроме того, эвтектические системы —не единственный объект, структурой которого Можно управлять, используя метод направленной кристаллизации. Аналогичный эффект может быть достигнут в монотектических сплавах. Композиционная структура может быть получена также в результате превращений, происходящих в твердом состоянии в условиях резкого градиента температур. К таким превращениям относятся эвтектоидный и прерывистый распады.

Приведенные примеры, по-видимому, далеко не исчерпывают виды превращений, которые могут быть использованы для создания композиционной структуры в многофазных материалах. Но даже этот неполный перечень показывает, что выбор подходящих для этой цели систем достаточно широк.

Интерес к описываемому методу вызван прежде всего замечательными свойствами эвтектических композиций. Так, оказалось, что термическая устойчивость микроструктуры, сформировавшейся при однонаправленной кристаллизации расплава эвтектического состава, исключительно высока—длительный отжиг при температурах вплоть до 0,98 Те не приводит к заметной сфероидизации или разрушению фазовых составляющих (пластин, волокон). Это также следует отнести к достоинствам метода, который обеспечивает установление благоприятных с энергетической точки зрения кристаллографических связей на межфазных границах, что в свою очередь способствует сохранению структурно чувствительных свойств композиций при повышенных температурах, в частности их жаропрочности. Действительно, на примере псевдобинарной эвтектической композиции Ni₃Al—Ni₃Nbбыло показано, что ее 100-ч прочность при 1100°С достигает 17 кгс/мм², тогда как один из лучших промышленных сплавов на никелевой основе ЖС6К при этих условиях имеет прочность 5—6 кгс/мм². Высокими прочностными и криповыми характеристиками обладают эвтектические композиции на основе никеля со второй фазой NbC, ТаС, VC, NiBe, Ni₃Nb, композиции NiAl— Cr, Ni₃Al — Ni₇Zr₂ и др.

Эвтектические композиции из полупроводниковых и ферромагнитных веществ обладают исключительно интересными физическими свойствами — магнитными, гальваномагнитными, термоэлектрическими, оптическими, эмиссионными, что существеннорасширяет областиихприменения. Так, фирма «Сименс» (ФРГ) уже производит детекторы инфракрасного излучения и магнито-резистивные элементы из эвтектической композиции индий — сурьма — никель.

Дальнейшие успехи в этом направлении неразрывно связаны с углублением знаний о механизме и кинетике фазовых превращений, о закономерностях структурообразования в гетерофазных системах.