Скачать презентацию Плавленые тугоплавкие соединения Монокристаллы направленно закристаллизованные эвтектики Скачать презентацию Плавленые тугоплавкие соединения Монокристаллы направленно закристаллизованные эвтектики

Л.10 Презентация. Плавленые ТС.ppt

  • Количество слайдов: 45

Плавленые тугоплавкие соединения Монокристаллы, направленно закристаллизованные эвтектики Плавленые тугоплавкие соединения Монокристаллы, направленно закристаллизованные эвтектики

Общие замечания Большинство тугоплавких соединений обычно синтезируются в дисперсном состоянии. Дальнейшая их переработка в Общие замечания Большинство тугоплавких соединений обычно синтезируются в дисперсном состоянии. Дальнейшая их переработка в массивные образцы или изделия осуществляется методами порошковой металлургии. Однако, в целом ряде случаев более высокие механические, а также специальные функциональные свойства достигаются при использовании применительно к тугоплавким соединениям технологии плавления и кристаллизации. При этом предполагается возможность конгруэнтного плавления или, по крайней мере, плавления без диссоциации. К плавящимся тугоплавким соединениям относятся карбиды, бориды, силициды. При использовании технологии плавления и кристаллизации можно осуществлять очистку от примесей и получать монокристаллы тугоплавких соединений. Вместе с тем иногда производят вторичное диспергирование плавленного материала, например, при получении абразивов (карбид титана). 2

Ползучесть монокристаллов тугоплавких карбидов и высокотемпературная прочность Zr. C Ползучесть монокристаллов тугоплавких карбидов и высокотемпературная прочность Zr. C

Механизм упрочнения быстро закристаллизованных материалов W 2 C-WC 4 Механизм упрочнения быстро закристаллизованных материалов W 2 C-WC 4

Фізико-хімічні основи процесу вирощування кристалів тугоплавких сполук із порошків та очищення їх від домішок. Фізико-хімічні основи процесу вирощування кристалів тугоплавких сполук із порошків та очищення їх від домішок. • Із всіх відомих способів вирощування кристалів із газової, рідинної і твердої фази найбільші розміри кристалів можна отримати методами спрямованої кристалізації із розплавів. Оскільки ТС - хімічно активні речовини з температурою плавлення >2000 С, то для отримання монокристалів з розплавів, як правило, використовують безконтейнерні найбільш продуктивні способи – Вернейля, безтигельної зонної плавки (БЗП) тощо. БЗП з індукційним нагрівом дозволяє реалізовувати близькі до рівноважних теплові умови росту кристалу, якщо застосовуються безпористі, однорідні та високочисті циліндричні заготовки. 5

Схема безтигельної зонної плавки порошкових матеріалів з розчинником домішок, що рухається. 6 Схема безтигельної зонної плавки порошкових матеріалів з розчинником домішок, що рухається. 6

Вплив способу вирощування на чистоту кристалів гексабориду лантану 1 – зонна плавка спечених заготовок Вплив способу вирощування на чистоту кристалів гексабориду лантану 1 – зонна плавка спечених заготовок із порошку технічної чистоти; 2 – зонна плавка спечених заготовок з надлишком бору; 3 -- зонна плавка порошкових матеріалів з розчинником домішок, що рухається. 7

Фізико-механічні та структурні характеристики спрямовано-закристалізованих сплавів 8 Фізико-механічні та структурні характеристики спрямовано-закристалізованих сплавів 8

Розташування атомів бору в боридах Ме. В 2 Ме. В 6 Розташування атомів бору в боридах Ме. В 2 Ме. В 6

Изменение микроструктуры горяче-прессованного гексаборида лантана в результате высокотемпературной ионной бомбардировки б a 5 мкм Изменение микроструктуры горяче-прессованного гексаборида лантана в результате высокотемпературной ионной бомбардировки б a 5 мкм 3 мкм 10

Розподіл ямок травлення по поверхні монокристалу La. B 6 (площина (100)) Щільність дислокацій у Розподіл ямок травлення по поверхні монокристалу La. B 6 (площина (100)) Щільність дислокацій у монокристалі гексабориду лантану залежить від таких факторів, як чистота висхідного матеріалу, технологічні параметри процесу, наступна термічна обробка. В одержаних монокристалах щільність дислокацій коливалася в межах від 105 до 107 cм-2 11

Мікроструктура поверхні катодних елементів з гексабориду лантану а, г, ж - зразки одержані спіканням; Мікроструктура поверхні катодних елементів з гексабориду лантану а, г, ж - зразки одержані спіканням; б, д, з - зразки одержані гарячим пресуванням; в, е, и - зразки одержані індукційним плавленням; ж, з, и - поверхня руйнування Масштаб: – 1 мкм 12

Мікроструктура поверхні деталей з гексабориду лантану, що працювали на протязі 1 години в якості Мікроструктура поверхні деталей з гексабориду лантану, що працювали на протязі 1 години в якості катодного елемента електронної гармати а, г, ж - зразки одержані спіканням; б, д, з - зразки одержані гарячим пресуванням; в, е, и - зразки одержані індукційним плавленням (після руйнуваня) Масштаб: - 1 мкм 13

Висновок: • В наслідок збільшення розміру зерен, підвищення чистоти границь та досконалості блочної структури Висновок: • В наслідок збільшення розміру зерен, підвищення чистоти границь та досконалості блочної структури зменшується зношення катодних елементів у процесі їх експлуатації та підвищується термін їх праці при високих температурах. 14

Діаграма стану сплавів системи цирконій – бор 15 Діаграма стану сплавів системи цирконій – бор 15

Приготування порошку додекабориду цирконію Додекаборид цирконію при вакуумно-термічній обробці може бути одержаний боротермічним методом Приготування порошку додекабориду цирконію Додекаборид цирконію при вакуумно-термічній обробці може бути одержаний боротермічним методом відповідно до реакції: Zr. O 2 + 14 B Zr. B 12 + B 2 O 2 Різновидністю боротермічного методу є карбідоборний метод, який здійснюється шляхом вакуумно-термічної обробки суміші порошків наступних компонентів: 2 Zr. O 2 + 2 B 4 C +18 B 2 Zr. B 12 + B 2 O 2 + 2 CO 16

Частинки порошку додекабориду цирконію Zr. B 12 17 Частинки порошку додекабориду цирконію Zr. B 12 17

Зразок монокристалу додекабориду цирконію Після плавлення Після видалення поверхневого шару 18 Зразок монокристалу додекабориду цирконію Після плавлення Після видалення поверхневого шару 18

Мікроструктура плавленого композиційного матеріалу на основі Zr. B 12, модифікованого включеннями Ti. B 2 Мікроструктура плавленого композиційного матеріалу на основі Zr. B 12, модифікованого включеннями Ti. B 2 40 мкм 19

Залежність міцності на стискання зерен різних абразивів та матеріалів на основі додекабориду цирконію від Залежність міцності на стискання зерен різних абразивів та матеріалів на основі додекабориду цирконію від їх зернистості 20

Спрямовано закристалізовані евтектики тугоплавких сполук • Взаємодія між боридами РЗ та перехідних металів, боридами Спрямовано закристалізовані евтектики тугоплавких сполук • Взаємодія між боридами РЗ та перехідних металів, боридами та карбідами перехідних металів, боридами , карбідами та неметалевими тугоплавкими сполуками описується евтектичними діаграмами стану, в яких компоненти характеризуються практично повною відсутністю взаємної розчинності аж до температур 2200 С. • Тому можна очікувати значного підвищення міцності гетерофазних матеріалів на основі тугоплавких сполук при збереженні жаростійкості, якщо виготовляти їх направленою кристалізацією евтектичних квазібінарних сплавів. В процесі спрямованої кристалізації не тільки не буде проходити забруднення вихідних матеріалів, але відкривається можливість їх додаткової очистки. 21

Спрямовано закристалізовані евтектики тугоплавких сполук • Розробка та вивчення спрямовано закристалізованих композиційних матеріалів на Спрямовано закристалізовані евтектики тугоплавких сполук • Розробка та вивчення спрямовано закристалізованих композиційних матеріалів на основі гексаборидів рідкісноземельних елементів з диборидами перехідних металів, почалися в 80 -ті роки ХХ ст. в лабораторії тугоплавких сполук рідкісноземельних металів Інституту проблем матеріалознавства НАН України. • У 1986 році почались дослідження можливості застосування розробленого композиційного матеріалу на основі гексабориду лантану з регулярною волокнисто-зміцненою структурою для термоемісійних елементів катодів-компенсаторів двигунів корекції орбіти космічних апаратів. • Аналогічні роботи приблизно в той же час велись на кафедрі ВТМ і ПМ в Київському політехнічному ін-ті. 22

Встановлення кристалоорієнтаційних співвідношень між фазами в евтектиці La. B 6 – Zr. B 2 Встановлення кристалоорієнтаційних співвідношень між фазами в евтектиці La. B 6 – Zr. B 2 23

Zr. B 2 La. B 6 24 Zr. B 2 La. B 6 24

Микроструктура направлено закристаллизованного композита La. B 6 - Zr. B 2 15 µm transversal Микроструктура направлено закристаллизованного композита La. B 6 - Zr. B 2 15 µm transversal section 15 µm longitudinal section 25

Микроструктура эвтектических композитов с волокнами из двойных диборидов La. B 6 - (Me. II)B Микроструктура эвтектических композитов с волокнами из двойных диборидов La. B 6 - (Me. II)B 2 2 µm La. B 6 -(Ti 0, 5, Zr 0, 5)B 2 3 µm La. B 6 -(Zr 0, 5, Hf 0, 5)B 2 3 µm La. B 6 -(Ti 0, 5, Hf 0, 5)B 2 3 µm La. B 6 -(Ti 0, 33, Zr 0, 33, Hf 0, 33)B 2 26

Концентраційна залежність модулю пружності композиційних сплавів системи La. B 6 -(Tix. Zr 1 -x)B Концентраційна залежність модулю пружності композиційних сплавів системи La. B 6 -(Tix. Zr 1 -x)B 2 27

Высокоупорядоченные упрочненные волокнами in-situ композиты на основе соединений редкоземельных металлов с бором • Reinforcement Высокоупорядоченные упрочненные волокнами in-situ композиты на основе соединений редкоземельных металлов с бором • Reinforcement dimensions ~0. 5 µm • Reinforcement aspect ratio is 1000 • In-situ composite microstructures achieved through high rate of solidification (up to 10 mm/min) 28

Микроструктура направленно закристаллизованных in-situ композитов МеІB 6 - МеІІB 2 с разными диборидами 29 Микроструктура направленно закристаллизованных in-situ композитов МеІB 6 - МеІІB 2 с разными диборидами 29

Влияние скорости кристаллизации на тонкость структуры композитов 2, 5 mm/min 4 µm 5, 0 Влияние скорости кристаллизации на тонкость структуры композитов 2, 5 mm/min 4 µm 5, 0 mm/min 7, 5 mm/min 40 µm 4 µm 10 mm/min 12 mm/min 30

Зародження та початок кристалізації евтектики La. B 6 -Zr. B 2 на монокристалі La. Зародження та початок кристалізації евтектики La. B 6 -Zr. B 2 на монокристалі La. B 6 31

Схематичне зображення форми фронту спрямованої кристалізації евтектик типу La. B 6 -Me. B 2 Схематичне зображення форми фронту спрямованої кристалізації евтектик типу La. B 6 -Me. B 2 32

Атомная структура межфазной границы между матрицей и волокном в системе La. B 6 -Zr. Атомная структура межфазной границы между матрицей и волокном в системе La. B 6 -Zr. B 2 (HRTEM) La. B 6 -Zr. B 2 + 0, 2 мас. % YB 6 33

Картина рентгеновской и электронной дифракции от составляющих композита La. B 6 -Zr. B 2 Картина рентгеновской и электронной дифракции от составляющих композита La. B 6 -Zr. B 2 34

TEM изображения структуры La. B 6 -Zr. B 2 35 TEM изображения структуры La. B 6 -Zr. B 2 35

Fracture surface of self-reinforced composite materials based on borides of REE 0, 2 mm Fracture surface of self-reinforced composite materials based on borides of REE 0, 2 mm 2 µm 36

Особливості характеру руйнування в композиті La. B 6 – Ti 0. 2 Zr 0. Особливості характеру руйнування в композиті La. B 6 – Ti 0. 2 Zr 0. 8 B 2

Распространение продольных и поперечных трещин в композите La. B 6 -Zr. B 2 38 Распространение продольных и поперечных трещин в композите La. B 6 -Zr. B 2 38

Встановлення залежності тріщиностійкості сплавів La. B 6 - Zr. B 2 від напрямку прикладання Встановлення залежності тріщиностійкості сплавів La. B 6 - Zr. B 2 від напрямку прикладання зусилля Тип орієнтації тріщини відносно напрямку волокон Ефективна тріщиностійкість К 1 с, МПа. м 1/2 в разі наведення тріщини втомленості Виміряно на зразках з надрізом Дані [100] I 5. 90 0. 82 15, 2. . . 18, 3 17, 8 II 3. 39 0. 90 8, 7 III 2. 88 1. 45 8, 2 39

Relative elongation, Δl/l x 10 -3 Зависимость природы разрушения от различия в величине коэффициентов Relative elongation, Δl/l x 10 -3 Зависимость природы разрушения от различия в величине коэффициентов термического расширения фазовых составляющих La. B 6 Ti. B 2 Zr. B 2 La. B 6 1 m Hf. B 2 Zr. B 2 Ti. B 2 Temperature, o. C La. B 6 Hf. B 2 40

Прочность при растяжении La. B 6 -Zr. B 2 DSE при сверхвысоких температурах 41 Прочность при растяжении La. B 6 -Zr. B 2 DSE при сверхвысоких температурах 41

Поверхность разрушения La. B 6 -Zr. B 2 Испытание на растяжение при 25 °C Поверхность разрушения La. B 6 -Zr. B 2 Испытание на растяжение при 25 °C Fracture surfaces shows high degree of pullout of reinforcing phase 42

Поверхность композита La. B 6 - Ме. B 2 после испытаний эмиссионных свойств при Поверхность композита La. B 6 - Ме. B 2 после испытаний эмиссионных свойств при 1800 K в течение 200 h 4 µm La. B 6 - Ti. B 2 La. B 6 - Hf. B 2 43

Cтруктура сплавів у системі W–B–C 25 %WB - 75% WC ГПа WC 22. . Cтруктура сплавів у системі W–B–C 25 %WB - 75% WC ГПа WC 22. . . 24 W 2 B – WC 26. . . 28 WB – WC 28 -30 ВК 2 20 -22 50 %W 2 B - 50% WC 25 %W 2 B - 75% WC

Выводы 1. 2. 3. Плавленые тугоплавкие соединения и в частности монокристаллы ТС представляют собою Выводы 1. 2. 3. Плавленые тугоплавкие соединения и в частности монокристаллы ТС представляют собою самостоятельный класс высокотемпературных материалов, в ряде случаев имеющих существенные преимущества перед керамическими материалами. Методами направленной кристаллизации эвтектик можно получить армированные in situ композиты в тугоплавких боридных и других системах, обладающие уникальными механическими и электрофизическими свойствами.