Керамико-металлические композиции

Изделия из чистых окислов, смеси окислов или силикатов имеют хорошую жароупорность и жаропрочность, но их термостойкость оставляет желать много лучшего. Кроме того, они хрупки; их коэффициент линейного расширения отличен от коэффициента расширения металлических материалов, употребляемых, например, в дисках турбин. Это затрудняет крепление керамических лопаток на металлических дисках.

Введение в окислы металлических добавок позволяет по крайней мере частично устранить эти недостатки. Металлические добавки должны усилить связи между частицами окислов и повысить теплопроводность, что в конце концов должно привести к улучшению термостойкости материала. Можно также ожидать, что металлические добавки улучшат пластичность окислов, т. е. уменьшат их хрупкость, хотя при этом получается определенное уменьшение жаропрочности и, вероятно, также уменьшение стойкости против окисления.

Скаупи наблюдал, например, что спеченную композицию из вольфрама и ZrO2 длительное время можно прокаливать при 2000°, не опасаясь окисления. Обнаружена также достойная внимания высокая стойкость против окисления спеченных образцов из порошка ниобия с добавками Al2O3 и ThO2.

Керамико-металлические материалы обычно получают методами порошковой металлургии из смесей порошкообразных компонентов. В ряде работ описаны способы получения и испытания образцов из этих материалов, которые в англосаксонских странах называют «керметами», «керамалями», «кераметаллами», «металлокерамиками»

Композиции из железа и окиси алюминия для турбинных лопаток разрабатывали в Германии. Согласно Кемпбеллу, сцлавы, содержащие даже 60% Fe, все еще имеют прочность, равную половине прочности чистой окиси. В то же время введение 30% Fe уже позволяет быстро охлаждать образцы без разрушения с температуры 800° в воде или на воздухе. Лучшими, по-видимому, являются составы, содержащие 40—50% Fe. Получали также детали переменного состава с постепенным переходом от чистого металла к чистым окисям для облегчения крепления лопатки.

Недавно Зейц и Шмекен исследовали системы Al2O3 — Fe и Al2O3 — Ni и определили для этих материалов их спекаемость, удельный вес, прочность при изгибе, электро- и теплопроводность. Давиль исследовал процесс спекания смесей железа с окислами металлов по усадке. Исследована смачиваемость окиси алюминия никелем, кобальтом, железом и сплавом хрома с бором. Нагревая в различных газах прессованные брикеты из металлических порошков на чистой окиси алюминия, установили, что ниже 1650° чистые металлы имеют небольшую склонность к смачиванию этого окисла и к сцеплению с ним. Однако можно добиться удовлетворительного связывания с помощью окисла металлического компонента. Поэтому рекомендуется спекать кера-мико-металлические композиции в слабоокислительной контролируемой атмосфере.

Материал состава 70% Al2O3 и 30% Cr систематически исследовали Блекбурн и Шевлин. Исходным материалом служил порошок с величиной частиц менее 10. При размоле в порошок попадали примеси железа (3—5%), карбида вольфрама (2—3%) и кобальта (до 0,75%). Опытные образцы получены гидростатическим прессованием и спеканием. Свойства материалов представлены в табл. 191. До 1510° они имеют отличную стойкость против окисления. Прочность при окислительном нагреве несколько увеличивается (повидимому, вследствие развития сжимающих напряжений, возникающих при окислении металла). Термостойкость при быстром охлаждении с 1320° достаточно хороша; 10 циклов теплосмен (1320° — охлаждение на воздухе) привели к повышению прочности на 15—50%. Однако при более жестких испытаниях материал разрушался. Механическая прочность при ударной нагрузке сравнительно низкая.

Если в подобных материалах увеличить количество металлической составляющей, начинают преобладать свойства этого компонента. Представляет интерес материал с 70% Cr и 30% Al2O3, известный под названием «метамик LT-1». Стойкость против окисления этого материала очень хорошая, сопротивление ползучести при 980° выше, чем для сплава виталлиум. При испытании на термостойкость образцы 2,5х6,3х38 мм выдерживали 24 цикла теплосмен, заключавшихся в нагреве за 5 сек. до 1400° и охлаждении воздушной струей также за 5 сек. до 700°. Свойства сплава «метамик LT-1» приведены в табл. 192.

В качестве примеров применения сплава «метамик» можно назвать: тигли, сопла, защитные трубки для термопар, дымогарные трубки и тому подобные изделия, не несущие нагрузки.

В литературе упоминаются также другие керамико-металлические материалы: композицией из Al2O3 и) BeO с Co, Ni, Fe; BeO-Nb; Al2O3 со сплавами вольфрама и хрома.

Механизм спекания и связывания керамико-металлических композиций рассмотрен Шевлиным.

Недавно описан Новый метод производства керамико-металлических изделий с использованием в качестве исходных материалов порошка, состоящего из керамических частиц, покрытых металлом. Частицы покрывали, осаждая металл из газовой фазы. Молибденовая пленка на частицах SiO2, SiC и Al2O3 может быть получена при восстановлении MoCl2 водородом; никелевая пленка — термическим разложением карбонила. Осаждение железа восстановлением FeCl3 водородом не удалось, так как склонность железа к спеканию при температуре процесса (650°) сильно затрудняла перемещение отдельных частиц окислов, являющееся необходимым условием успешного хода осаждения. Явление спекания не удалось ликвидировать ни перемешиванием газовой струей, ни другими способами.

Изделия из окиси кремния с молибденовой связкой были получены горячим прессованием при 1600°; порошок из окиси кремния с размерами частиц 45—75 u содержал около 20% Мо в виде поверхностной пленки. В последнее время были изготовлены сплавы ThO2-Mo и установлена возможность их использования в качестве катодов в электронной технике.