6.1.3. Влияние легирующих добавок на стабильность волокнистого композита

Влияние легирования матричного металла на скорость растворе­ния однокомпонентных волокон можно оценить с помощью коэффици­ента влияния легирующих добавок:

(6.1)

где - параметры взаимодействия регулярных бинар-

ных растворов (соответственно, волокно - легирующая добавка, волок­но - основной матричный металл, легирующая добавка - основной мат­ричный металл); R - универсальная газовая постоянная.

Предполагается, что взаимодействие матрицы и волокон происхо­дит путем диффузионного растворения волокон в матрице без образо­вания интерметаллических соединений и образующиеся сплавы подчи­няются законам регулярных растворов. Величины параметров взаимо­действия могут быть либо взяты из экспериментальных данных, либо вычислены по диаграммам состояния.

Если , то вводимая легирующая добавка способствует уменьшению скорости растворения однокомпонентных волокон в мат­рице, а если , то легирующая добавка интенсифицирует процесс межфазного взаимодействия, уменьшая высокотемпературную стабиль­ность композита. Чем больше абсолютная величина , тем сильнее влияние легирующей добавки на межфазное взаимодействие. Для разбавленных растворов

(6.2)

где - соответственно относительные парциальные энтальпии растворения вещества волокна в легирующем металле, веще­ства волокна в основном матричном металле и легирующего элемента в основном матричном металле

Например, результаты расчетов показывают что повышению тер­мической стабильности композита никель-вольфрам (волокно) должно способствовать легирование Ni элементами IV периода, стоящими левее Ni в таблице Менделеева (Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co), а также элементами V и VI периодов, стоящими левее W (Zr, Hi, Nb, Та). Твердые растворы на основе никеля с переходными металлами V и VI периодов, расположен­ными правее W (Ru, Rh, Pd, Re, Os, Ir, Pt) должны образовывать с вольфрамовыми волокнами менее стабильные композиты, чем компози­ты с матрицей из чистого никеля.

Таким образом, на основе термодинамического метода можно опреде­лить устойчивость композиции волокно - матрица и оценить влияние леги­рующих добавок на межфазное взаимодействие и устойчивость композита.

6.2. Классификация композитов на основе межфазного взаимодействия

Анализ процессов, происходящих на границе раздела, позволил выделить три класса волокнистых композитов:

• волокно и матрица взаимно не реакционноспособны и не раство­римы, т.е. не образуют между собой твердых растворов и химических соединений;

• волокно и матрица взаимно не реакционноспособны, но растворимы, т.е. образуют друг с другом твердые растворы, но не образуют хи­мические соединения;

• волокно и матрица реагируют с образованием химического соеди-иения на поверхности раздела.

Согласно этой классификации приведем ряд примеров:

1 класс - Cu-W, Си-Аl2Оз, Ag- А120з, А1- В, Mg-B, Al-SiC

2 класс - Cu(Cr) -W, эвтектики, Nb-W, Ni-C, Ni-W

3 класс - Cu(Ti) -W, Al-C (>970C), Ti-B, Ti-SiC, Al-SiO2;

Такая классификация в определенной степени условна, поскольку, например, волокнистые композиты могут относиться к различным клас­сам в зависимости от концентрации легирующих элементов, условий получения и эксплуатации.

Так, композит с матрицей из чистой меди, армированной волокнами вольфрама, относится к первому классу; если Сu легирована небольшим ко­личеством Ti, то этот композит следует отнести ко второму классу. При по­вышенных концентрациях титана на поверхности раздела появляются ин­терметаллические соединения и композит следует отнести к третьему классу.

Существуют композиты псевдопервого класса. Это системы, со­стоящие из кинетически совместимых компонентов, в которых принци­пиально возможно образование новых соединений на поверхности раз­дела. Однако оптимальная технология позволяет избежать их образова­ния в ходе изготовления композита, эксплуатация которого осуществля­ется при достаточно низких температурах, исключающих возможность протекания химических реакций. Например, композит Аl -В, получен­ный методом пропитки борных волокон расплавленным алюминием, относится к третьему классу, так как при повышенных температурах на границе раздела волокно - матрица может образоваться слой борида алюминия. Однако тот же композит, полученный по оптимальной техноло­гии диффузионной сварки, следует отнести к композитам псевдопервого класса, поскольку реакция образования борида не успевает пройти.