|
|
Композиционные материалы, содержащие
бор, кремний, графит
Карбид бора В4С имеет плотность 2,5 г/см3, предел
прочности при изгибе 35,2 кГ/мм2 при 20° С, 29,5 кГ/мм2
при 650° С и 24,6 кГ/мм2 при 1100° С. Модуль упругости В4С
при комнатной температуре достигает почти 45000 кГ/мм2, предел прочности при
растяжении при 980° С (согласно данным работ) составляет 15,8 кГ/мм2, при
1425° С (согласно работе) он равен 16,5 кГ/мм2. Если принять во внимание
малую плотность карбида бора, то эти прочностные характеристики являются
очень высокими. По соотношению прочность: плотность карбид бора значительно
превосходит все высокотемпературные материалы, в том числе сплавы на основе
TiC. К сожалению, карбид бора обладает незначительной стойкостью к
термоударам; кроме того, он окисляется на воздухе при повышенных
температурах.
Устойчивость карбида бора к термоударам, а также его
окалиностойкость можно заметно улучшить добавкой железа. При
металлографическом изучении сцепления В4С с металлами обнаружено, что железо,
а также никель и кобальт образуют промежуточные сплавы и что карбид особенно
хорошо смачивается хромом. Проводились также следующие исследования:
размалывали чистый порошок карбида бора шарами из хромо- марганцевой стали;
материал шаров при этом отделяли от размолотого материала. Размолотый
материал карбид бора — железо подвергали спеканию в течение одного часа при
2065° С. При этом получали сплав, содержащий 48,9% В, 36,4% Fe, 13,75% С и
0,34% Мп. Спеченные изделия уступали по прочности аналогичным изделиям из
чистого горячепрессованного карбида бора, но превосходили его по стойкости к
термоударам и окалиностойкости на воздухе при 870° С. Ниже сопоставлены
величины предела прочности при изгибе (кГ/мм2) изделий из чистого карбида
бора и материала карбид бора — железо.
Другие попытки получить материалы на основе карбида бора с
улучшенной устойчивостью к термоударам охватывают уже ранее упомянутые
исследования в области металлокерамических материалов В4С — TiC2 [174, 179] и
TiC —В4С —SiC. Авторы работы обнаружили, что горячепрессованные смеси из 85%
SiC и 15% В4С превосходят чистый В4С по устойчивости к термоударам (см. табл.
66). Однако предел прочности этих смесей при растяжении при 980° С составляет
только 6,3 кГ/мм2, тогда как у чистого' карбида бора он равен 15,9 кГ/мм2.
Предел прочности при растяжении материала В4С —SiC 15/85 при 1200° С равен 5
кГ/мя2, тогда как для чистого карбида бора соответствующая величина не
получена. Модуль упругости составляет 41000 кГ/мм2
Адлассинг занимался изготовлением горяче- прессованных
изделий из материала В4С — SiC с 35— 65% SiC и изучал их окалиностойкость и
жаропрочность. При прокаливании богатых SiC материалов на воздухе при 1000° С
не обнаруживалось почти никаких изменений в отношении окалинообразования.
Предел прочности при изгибе почти не изменялся до 1500° С.
У материала с 35% SiC он даже возрастал с 35 кГ/мм2 при 20° С почти до 60
кГ/мм2
О дальнейших экспериментах по цементированию В4С металлами
группы железа, как и по композиционным материалам из В4С с MoSi2, В4С с Si
или FeSi а также с TiB2, здесь можно упомянуть только вскользь. В связи с
этим нужно упомянуть также о тройных системах переходный металл — бор —
углерод .
Дисперсионные материалы из В4С с алюминием (бораль),
медью, серебром, черными металлами нашли применение в качестве поглотителей
нейтронов для запальников ядерных реакторов
Широко распространено применение карбида кремния для
электрических нагревателей (силитовые, глобарито- вые и другие штабики).
Штабики-нагреватели, изготовленные керамическим способом, устойчивы в
окислительной атмосфере до 1300° С. В ближайшее время их можно будет
использовать и при более высоких температурах.
С материаловедческой точки зрения можно считать
установленным, что в отношении нагревателей из карбида кремния речь идет о
старейшем спеченном материале на основе твердого материала. Его возникновение
— изготовление цементированной глиной футеровки из карбида кремния для печей
— является примером важнейшего массового производства высокотемпературного
материала
Фирма Carborundum Company выпускает на рынок под торговой
маркой Durhy карбид кремния, пропитанный металлическим кремнием. Предел
прочности при растяжении при 800° С SiC — Si составляет 42,2 кГ/мм2, при
комнатной температуре 45,7 кГ/мм2. Предел прочности при изгибе при 1320°
равен 23,2 кГ/мм2. Если принять во внимание небольшую плотность (3,2 г/см3) и
хорошую теплопроводность, можно считать, что SiC — Si — перспективный высокотемпературный
материал. Фирма Carborundum Company разработала также материал рефракс (SiC,
цементированный SiN). Этот материал, по-видимому, имеет еще более высокую
жаропрочность и, кроме того, пригоден для шлифовальных дисков
Найти для карбида кремния окалиностойкую связку,
повышающую прочность, до настоящего времени не удалось, так как все
материалы, подходящие для этого, вступают во взаимодействие с SiC с
образованием смесей силицид — карбид. Об интересных в этом отношении работах,
при проведении которых для внесения металлических компонентов использовали
горячее прессование, пропитку и напыление, сообщается в литературе
По вопросу о взаимодействии Si с металлами следует
упомянуть также о тройных системах переходный металл — кремний — бор
Графит обладает высокотемпературными свойствами. Это
выяснилось, например, при его использовании для электродов сталеплавильных
электропечей и при изготовлении ферросплавов, а также для графитовых трубок и
тиглей высокотемпературных печей. При невысокой плотности (около 2,2 г/см3)
графит очень устойчив к термоударам. Кроме того, он имеет хорошую
теплопроводность, а его температура возгонки очень высока. Предел прочности
при растяжении графита при комнатной температуре относительно невелик (3—4
кГ/мм2). Однако при нагреве до 2400° С он повышается примерно до 5 кГ/мм2, а
затем резко падает. Устойчивость графита к окислению и эрозии на воздухе ири
высоких температурах недостаточна.
В связи с этим графит применяют не в турбостроении, а в
ракетостроении. Направляющие лопатки из графита применялись во время второй
мировой войны в реактивных снарядах. Графитовые сопла и в настоящее время
применяют для ракет, несмотря на появление таких сильных конкурентов, как
молибден, вольфрам и сплавы, полученные пропиткой вольфрама серебром.
Чтобы воспрепятствовать разрушению графита вследствие
окисляющего воздействия реактивных газов, предложили наносить защитные
покрытия из различных спеченных материалов (карбиды,бориды,силициды, карбид
кремния и т. п. [260, 328—331]), что обеспечило, по крайней мере, частичный
успех. В настоящее время проводятся исследовательские работы в этом
направлении. Особенно следует остановиться на экспериментах Фитцера, которому
удалось добиться защиты от окисления с помощью покрытия из MoSi2 и TiSi2, а
также на попытках фирм Union Carbide and Carbon Corp. разработать
горячепрессованный материал — графит — MoSi2 — TiB2 50/25/25.
В работе сообщается о том, что путем пропитки солями и
восстановления удалось изготовить богатые графитом композиционные материалы,
содержащие примерно 40—60% (по массе) Mo, W, Re, Мо2С, WC, ТаС и NbC. Эти материалы
имеют почти в два раза больший предел прочности, чем чистый графит, и на них
можно наносить силицидные защитные покрытия.
|