Эвтектические композиты (направленно-кристаллизованные эвтектики)

Направленная кристаллизация эвтектик является одним из перспектив­ных способов создания композиционных материалов с требуемыми структу­рой и свойствами, поскольку, с одной стороны, базируется на использовании достаточно широко известной в технике технологической операции — кри­сталлизации жидкости в условиях контролируемого теплоотвода, а с другой стороны, позволяет управлять структурными параметрами — морфологией и взаимной ориентацией фаз, а также их дисперсностью.

Достоинствами естественных эвтектических композиционных материа­лов по сравнению с искусственными являются термодинамическая стабиль­ность их состава и когерентность (сопряженность) решеток контактирующих фаз на межфазных границах. Все это обеспечивает композиту высокий уро­вень структурно-чувствительных свойств, таких, как жаропрочность. Так, например, длительная прочность сплава на основе псевдобинарной эвтекти­ческой композиции Ni₃Al—Ni₃Nb равна cyjjj)⁰ = 170 МПа, а сплава ЖС6К —

<С° = 50-60 МПа.

Примером естественных композитов являются также сплавы типа ВКЛС на основе эвтектики (у—NbC). Они упрочняются как за счет образования при направленной кристаллизации нитевидных волокон монокарбида МеС, так и в результате выделения вторичной у'-фазы (см. рис. 15.1). Поскольку указан­ные сплавы являются заэвтектическими, то в процессе образования компо­зиционной структуры наблюдается приоритетный рост ведущей фазы эвтек­тики — волокон монокарбида ниобия. В то же время в структуре отливок присутствуют первичные поверхностные карбиды типа NbC, образующиеся на керамической форме. Большой градиент температур G порядка 510⁴ К/м при скорости перемещения фронта направленной кристаллизации v = 2,8-10"⁶ м/с обеспечивает сплавам типа ВКЛС повышенную плотность волокон и жаро­прочность. При направленной кристаллизации используется жидкометалли-ческое охлаждение (в олове). Сплавы системы у/у'—NbC, обладая высоким сопротивлением теплосменам вследствие стабильности карбидов (Nb,Hf)C, могут работать при температурах до 1150—1200 °С.

Представляет несомненный интерес легирование эвтектических сплавов редкоземельными элементами, являющимися поверхностно-активными до-370

бавками, поскольку последние, располагаясь на межфазных поверхностях (например, у/у' — в жаропрочных никелевых сплавах), мвгут стабилизиро­вать структуру и тем самым повысить ресурс деталей.

Весьма перспективны высокотемпературные материалы (с температурой плавления выше 1200—1300 °С) на основе эвтектик из тугоплавких оксидов. При этом в качестве тугоплавкой фазы используются оксиды алюминия, гафния, ит­трия, титана, циркония, хрома и других металлов. Эвтектики на основе тугоплав­ких оксидов отличаются оптимальным комплексом свойств: высокими значе­ниями удельной прочности и рабочих температур (до 0,8—0,9 /„я), коррозионной стойкостью во многих средах, достаточно низкой пористостью.

Трудности, возникающие при разработке процессов направленной кри­сталлизации эвтектик из тугоплавких оксидов, обусловлены как свойствами материалов (их хрупкостью, высокой температурой плавления и др.), так и технологическими особенностями процесса (низкая скорость перемещения фронта направленной кристаллизации — v = 2,8 10~* м/с, необходимость создания и длительного обеспечения высоких осевых температурных гради­ентов, сложности с выбором материала контейнера). Использование направ­ленно-кристаллизованных эвтектик делает возможным повышение рабочей температуры деталей на 30—80 °С, а длительной прочности—на 40% и более.

Контрольные вопросы

1. В чем сущность технологического процесса направленной кристаллизации?

2. Какие типы структур сплавов могут формироваться в процессе направленной кристаллизации отливок?

3. Как влияет направленная кристаллизация на свойства жаропрочных сплавов и почему?

4. Каковы механизмы упрочнения направленно-кристаллизованных жаропрочных сплавов?

5. В чем преимущества эвтектических композитов по сравнению с искусственными?