Термическое старение керамики

Андрианов Н.Т., Лукин Е.С

Металлургия, 1979 г.

Керамические материалы, применяющиеся в высокотемпературной технике, в условиях длительных нагревов могут настолько сильно изменять свои свойства, что срок службы материалов становится ограниченным.

Исследования показывают, что уже при 1500— 1600°С при длительных нагревах микроструктура ряда керамических материалов на основе Al₂0₃, Zr02 и др. подвергается существенному изменению и свойства их изменяются. Повышение температуры нагрева до 1700—1800°С даже при небольших выдержках приводит к значительному изменению всех структурно-чувствительных свойств керамики из чистых окислов. Особенно интенсивное старение наблюдается при службе отдельных видов керамики при температурах выше 2000°С.

Для оценки надежности и долговечности керамических материалов в определенных условиях службы необходимо учитывать изменения свойств, наблюдаемые при длительных нагревах. Поскольку многие свойства керамики неразрывно связаны с изменениями, происходящими в структуре материала, очень важно знать степень этих изменений в процессе длительных нагревов.

Постепенное изменение материала в первую очередь проявляется в изменении микроструктуры. Это выражается в увеличении среднего размера кристаллов, изменении их формы, изменении формы и размера пор, появлении и развитии других фаз. Величины энергии активации роста кристаллов при старении для чистых окислов близки к значениям энергии активации спекания и роста кристаллов при спекании.

Изменение свойств, наблюдаемое при старении, можно приближенно связать с увеличением среднего размера кристаллов. Однако, несомненно, что другие изменения в микроструктуре (перераспределение пористости, появление и развитие по границам кристаллов новообразований за счет примесей, выходящих из кристаллов, и др.) оказывают свое влияние на характер зависимости отдельных свойств от среднего размера кристаллов. Но оценить подобное влияние количественно очень трудно. В целом же можно отметить, что свойства одного вида материала с одинаковым размером кристаллов достаточно близки независимо от того, при какой температуре проведена термообработка.

Различные керамические материалы из чистых окислов в зависимости от их природы и первоначальной микроструктуры по-разному подвержены процессам термического старения. В наибольшей степени изменяют микроструктуру и свойства материалы, изготовленные из тонкодисперсных порошков, которые после спекания характеризуются мелкокристаллическим строением и имеют межкристаллическую и внутрикристаллическую пористость. При длительных высокотемпературных нагревах таких материалов наблюдается быстрый рост кристаллов, что приводит к заметному изменению свойств, а удаление пористости способствует изменению размеров изделий. Для уменьшения степени старения в условиях службы целесообразно использовать максимально плотные материалы с достаточно большим размером кристаллов, которые могут быть получены при повышенных температурах спекания, а температуры применения их должны быть на 200~300°С ниже, чем температуры первоначального обжига. Керамика, изготовленная из электроплавленых материалов с применением., крупнозернистого, наполнителя достаточно стабильна в службе при высоких температурах, в то время как керамика из тонкодисперсного электроплавленого материала в случае недостаточно высокой плотности подвержена процессу интенсивного старения. Введение в керамику дополнительных фаз, например стеклофазы в Аl2Оз, направленное выделение тетрагональной Zr0₂ в керамике из стабилизированной Zr0₂, сдерживающих рост кристаллов, позволяет в значительной степени стабилизировать микроструктуру  и ограничить возможности старения.

При длительном нагреве в вакууме при высоких температурах практически для всех спеченных керамических материалов наблюдается термическое травление поверхности за счет испарения примесей с границ кристаллов, неравномерного испарения самого материала; для некоторых окислов — потеря кислорода, что может  приводить. К сильному разупрочнению керамики даже в случае, если микроструктура не претерпевает существенных изменений.

Все эти моменты было бы желательно учитывать при выборе материала и условий его службы, что может повысить долговечность и надежность применяемой керамики. Однако экспериментальные данные, накопленные к настоящему времени, по исследованию термического старения все-таки недостаточно обширны, чтобы в полной мере учитывать разнообразные факторы, влияющие на степень старения керамических материалов. Но общие принципы повышения устойчивости керамики к термическому старению достаточно ясны.