Микроструктура и деформационное поведение новых металлокерамических ламинированных композитов Ta/Ti₃Al(Si)C₂–TiC

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

Керамические материалы обладают многими преимуществами, такими как износостойкость, повышенная твердость и прочность, стойкость к коррозии и высоким температурам, химическая инертность, а также низкая плотность [1, 2]. Они находят широкое применение в машиностроении [3], аэрокосмической промышленности [4] и энергетике [5]. Однако эксплуатационные характеристики керамических материалов сильно ограничены их низкой надежностью, обусловленной присущей им хрупкостью и склонностью к хрупкому разрушению [6].

Материалы на основе MAX-фаз — сравнительно новый класс керамических материалов [7]. Как правило, это семейство тройных нанослойных нитридных или карбидных соединений, представленных общей формулой M_n+1AX_n, где n = 1–3, M обозначает переходный металл, A — элементы групп IIIA и IVA таблицы Менделеева, а X — азот или углерод [8]. В настоящее время этим керамическим материалам уделяют большое внимание благодаря уникальному сочетанию свойств, характерных для керамики и металлов [9]. Как металлы MAX-фазы электро- и теплопроводны [10], поддаются механической обработке [11], пластичны при высоких температурах (более 1000–1100°C, в зависимости от состава и структуры) [12]. Как керамика MAX-фазы устойчивы к окислению и коррозии [13], имеют высокие модули упругости [14], низкую плотность [12]. Эти материалы могут найти применение в различных отраслях промышленности: энергетике, авиакосмическом машиностроении, автомобилестроении [12]. Требования, предъявляемые к материалам, значительно различаются в зависимости от области применения. В частности, для авиационного назначения конструкционные материалы нового поколения должны обладать стойкостью к высоким температурам (выше 1100°C), жаропрочностью, высокой трещиностойкостью [15]. Несмотря на достаточно высокие механические характеристики МАХ-фаз, при невысоких температурах (ниже 1000°C) наличие механических напряжений может привести к их хрупкому разрушению [10].

Вязкость разрушения MAX-фаз может быть повышена путем текстурирования зерен в предпочтительной ориентации [16], добавления частиц с высокой твердостью и модулем упругости [17], армирования волокнами [18]. Однако вязкость разрушения, достигнутая данными методами [16, 19], значительно уступает металлическим материалам [20]. Одними из перспективных материалов с повышенной вязкостью разрушения являются металлокерамические слоистые композиты [21]. Использование нескольких подходов, включающих армирование частицами и образование вторичных фаз, добавление слоев пластичных металлов могут значительно повысить вязкость разрушения и прочность разрабатываемых материалов. Ранее [22] были получены новые металлокерамические слоистые композиты в процессе искрового плазменного спекания прекерамических бумаг на основе MAX-фазы Ti₃Al(Si)C₂ и фольг из Nb, в которых использование слоев металла обеспечило повышение сопротивления материала дальнейшему распространению трещины. Однако было показано, что эти композиты недостаточно стойкие к окислению при повышенных температурах (более 1200°C) [23]. Возможная причина — обеднение внешних слоев керамики алюминием за счет образования реакционного слоя на границе металл–керамика, состоящего преимущественно из интерметаллидов Nb–Al. Тантал, имея более высокую температуру плавления (3017°C) [24] и, соответственно, меньшую реакционную способность [25], будучи пластичным металлом [26], может быть использован при создании стойких к повышенным температурам композитов с высокой вязкостью разрушения.

Таким образом, целью настоящей работы было получение и исследование новых металлокерамических слоистых композитов искровым плазменным спеканием фольг Ta и прекерамических бумаг на основе MAX-фазы Ti₃Al(Si)C₂.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В качестве исходных материалов для получения ламинированных композитов использовали прекерамическую бумагу на основе MAX-фазы Ti₃Al(Si)C₂ (TAC) толщиной ~300 мкм и металлические фольги Ta толщиной ~100 мкм. Прекерамическая бумага была произведена с использованием бумагодельной машины D7 Sumet Systems GmbH (Денклинген, Германия). Состав листов бумаги: 87 мас. % порошка Ti₃Al_0.75Si_0.25C₂, 7.3 мас. % целлюлозных волокон, 3 мас. % порошка Al₂O₃ и 2.7 мас. % добавок для удержания. Из исходного сырья были подготовлены “стеки” с укладкой прекерамических бумаг и фольг тантала один через один слой с общим количеством слоев 25 (внешними слоями были слои TAC). Образцы ламинированных композитов получали методом искрового плазменного спекания на установке SPS 10-4 (GT Advanced Technologies, USA) при температуре 1250°C в условиях вакуума (0.1 Па), приложенном давлении прессования 50 МПа и времени изотермического выдерживания 5 мин.

Фазовый состав полученных образцов исследовали на дифрактометре XRD 7000S (Shimadzu, Япония) в геометрии Брэгга–Брентано (CuK_α-излучение, λ = 1.541 Å) при следующих параметрах: U = 40 кВ, I = 30 мА. Для идентификации фаз использовали программное обеспечение SIeve (ICDD, США) и базу данных PDF4+ 2021. Микроструктура и элементный состав были проанализированы с помощью растрового электронного микроскопа (РЭМ) Vega3 (Tescan, Чешская Республика), оснащенного приставкой для энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии. Все исследования проводили на поперечных шлифах образцов.

Для оценки прочности при изгибе синтезированных композитных материалов были проведены испытания на трехточечный изгиб с использованием машины для растяжения Al-7000M (GOTECH, Тайвань). Для механических испытаний были подготовлены прямоугольные балки с размерами 18 × 2 × 1.7 мм. Расстояние между опорами составляло 16 мм, скорость перемещения траверсы 0.1 мм/мин. Приведенные значения рассчитывали по пяти и более испытаниям образцов. Все расчеты проводили в соответствии со стандартом ГОСТ Р 56810-2015 для испытаний на трехточечный изгиб.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

На первом этапе был проведен анализ дифрактограмм прекерамической бумаги и полученного композита Ta/TAC (рис. 1). В прекерамической бумаге, используемой в качестве исходного сырья, содержатся кристаллические фазы TAC (90 об. %) с гексагональной плотноупакованной решеткой, кубическая фаза TiC (7 об. %) и α-Al₂O₃ (3 об. %) c ромбоэдрической структурой, а также аморфная фаза органических волокон целлюлозы. При спекании фольг Ta и прекерамических бумаг был получен композит, представленный кубической фазой Ta, соответствующей металлическим слоям, и фазами TAC, TiC, α-Al₂O₃, соответствующими керамическим слоям. Соответственно, в керамических слоях композита присутствуют те же кристаллические фазы, что и в исходном сырье. Более того, в синтезированном композите не наблюдается аморфная фаза органических волокон, поскольку в процессе спекания прекерамических бумаг они термически разлагаются преимущественно с выделением углерода и газообразных продуктов (CO, CO₂) [27]. Также стоит отметить, что отношение содержания MAX-фазы к TiC уменьшается в сравнении с исходной прекерамической бумагой, что обусловлено частичным разложением TAC до TiC в процессе спекания прекерамических бумаг [28] и образованием реакционного слоя на границе керамика–металл.

 

Рис. 1. Дифрактограммы прекерамической бумаги (1) и поперечного сечения спеченного ламинированного композита Ta/TAC–TiC (2).

 

На следующем этапе было проанализировано РЭМ-изображение поперечного сечения полученного композита Ta/TAC (рис. 2). В результате спекания сформировалась плотная слоистая микроструктура с чередующимися слоями керамики на основе TAC толщиной 103 ± 3 мкм, и слоями Ta толщиной 62.9 ± 0.6 мкм (без учета реакционного слоя). Хорошо видно, что на границе слоев сформировался реакционный слой толщиной 12.9 ± 0.9 мкм (рис. 3). В сравнении с ранее полученными ламинированными композитами Nb/Ti₃Al(Si)C₂–TiC [22] толщина реакционного слоя уменьшилась на ~30%, что свидетельствует о том, что в процессе спекания слои Ta меньше вступают в реакцию с прекерамической бумагой, чем слои Nb.

 

Рис. 2. РЭМ-изображение поперечного сечения ламинированного композита Ta/TAC–TiC. РС — реакционный слой.

 

Рис. 3. РЭМ-изображение и соответствующие карты распределения элементов реакционного слоя.

 

Анализ состава реакционного слоя методом энергодисперсионной спектроскопии (рис. 3, табл. 1) показал, что он состоит преимущественно из Ta, Al, Si и небольшого количества примесного Fe. Присутствие Si в слое Ta обусловлено перекрытием их спектральных линий. Присутствие примеси железа связано с его использованием изготовителем для снижения температуры синтеза порошков MAX-фазы. На основе данных точечного анализа состава (табл. 1) предполагается, что реакционный слой имеет микроструктуру, состоящую из четырех основных слоев: I — (Ti,Ta)₅Si₃С_х; II — (Ta,Ti)₅Si₃С_х; III — Ta(Al,Fe)₂ (темный контраст) + Ta₅Si₃ (светлый контраст); IV — Ta₂Al + Ta₂C.

 

Таблица 1. Состав различных слоев реакционного слоя

Слой	Элементное содержание, ат. %						Возможные фазы
	Ta	Ti	Al	Si	C	Fe
I	7	30	5	23	34	1	(Ti,Ta)5Si3Cx
II	22	4	9	18	45	2	(Ta,Ti)5Si3Cx
III	23	–	30	–	40	7	Ta(Al,Fe)2
	24	–	12	13	49	2	Ta(Al,Fe)2, Ta5Si3
IV	32	–	13	–	55	–	Ta2Al, Ta2C

 

На последнем этапе исследований анализировали результаты механических испытаний образцов на трехточечный изгиб (рис. 4). Предел прочности ламинированного композита Ta/TAC составил 430 ± 40 МПа. Он больше в сравнении с композитом Nb/TAC, предел прочности которого составляет ~350 ± 20 МПа [22]. Это связано с тем, что предел прочности чистого Ta выше, чем Nb [29]. Наличие слоев тантала оказывает значительное влияние на деформационное поведение полученного композита. Для сравнительного анализа на рис. 4 приведена кривая деформации композитной керамики TAC без металлических слоев. Кривая напряжение–деформация ламинированного композита Ta/TAC имеет характерный пик при максимальной нагрузке, указывающий на образование трещины во внешнем керамическом слое TAC, что приводит к его частичному разупрочнению. Однако при дальнейшей деформации не наблюдается полное разупрочнение (хрупкое разрушение) образца, как в случае керамических композитов TAC без металлических слоев тантала. Более того, кривая приобретает вид, характерный для пластически деформируемых материалов, за счет присутствия слоев пластичного Ta. Стоит обратить внимание на то, что предел прочности при изгибе Ta/TAC ниже, чем у монолитных образцов TAC (~520 МПа). Тем не менее наличие ламинированной металлокерамической структуры обеспечивает высокую работу разрушения и увеличение абсолютной деформации более чем в четыре раза.

 

Рис. 4. Деформационные кривые монолитного образца TAC (1) и ламинированного композита Ta/TAC–TiC (2).

 

Анализ поверхностей разрушения после испытаний на изгиб показал ступенчатое разрушение композита Ta/TAC (рис. 5а), сопровождающееся многократным растрескиванием реакционных и керамических слоев, а также образованием шеек в слоях Ta (рис. 5б) вследствие их пластической деформации под действием растягивающих напряжений. Такое поведение полученных ламинированных композитов можно объяснить тем, что керамические слои TAC демонстрируют хрупкое разрушение, в то время как слои Ta — вязкий механизм разрушения, что приводит к высокой относительной деформации композита Ta/TAC в сравнении с монолитным керамическим композитом TAC (рис. 5а). Также можно отметить, что при деформации ламинированного композита трещина распространяется путем повторного и многократного возникновения в следующих слоях TAC. На более детальном изображении области распространения трещины (рис. 5б) видно расслоение композита вдоль границы керамика–реакционный слой, что обусловлено присутствием хрупких силицидных фаз в этом слое вблизи слоя TAC. Как и в случае композита Nb/TAC [22], наличие большого количества границ раздела керамика–металл затрудняет распространение трещин из-за их разветвления и отклонения, а также расслоения слоев в композите Ta/TAC.

 

Рис. 5. РЭМ-изображения поперечного сечения поверхности разрушения (а) и области распространения трещины в ламинированном композите Ta/TAC–TiC (б).

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Были исследованы фазовый состав, микроструктура и механические свойства новых ламинированных композитов Ta/Ti₃Al(Si)C₂–TiC, полученных методом искрового спекания прекерамических бумаг на основе MAX-фазы Ti₃Al(Si)C₂ и фольг из тантала. На основе комплексного анализа микроструктуры и деформационного поведения композитов можно сделать следующие выводы.

Методом искрового плазменного спекания прекерамических бумаг на основе МАХ-фазы Ti₃Al(Si)C₂ и фольг из тантала получены плотные слоистые композиты, состоящие из металлических слоев Ta толщиной ~63 мкм и керамических слоев на основе Ti₃Al(Si)C₂ и TiC толщиной ~103 мкм.

При температуре спекания 1250°С в течение 5 мин на границах раздела керамических и металлических слоев формируются реакционные слои толщиной ~13 мкм, состоящие из интерметаллических соединений Ta–Al различной стехиометрии и силицидов титана и тантала. Образование реакционных слоев объясняется взаимной диффузией Ta и элементов MAX-фазы (преимущественно Al и Si) в процессе спекания.

Полученные композиты демонстрируют вязкий механизм разрушения с пределом прочности на изгиб ~430 МПа и большей абсолютной деформацией в сравнении с керамическим композитом без слоев Ta (более чем в четыре раза). Последнее связано с увеличением сопротивления распространению трещин границами раздела керамика–металл путем разветвления, отклонения трещин и частичного расслоения композита, а также с пластической деформацией слоев тантала.

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (проект № 23-19-00109).

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

Авторы данной работы заявляют, что у них нет конфликта интересов.

Об авторах

А. В. Абдульменова

Национальный исследовательский Томский политехнический университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: ava75@tpu.ru
Россия, Томск, 634050

Е. Б. Кашкаров

Национальный исследовательский Томский политехнический университет

Email: egor_kashkarov@mail.ru
Россия, Томск, 634050

Д. Г. Кроткевич

Национальный исследовательский Томский политехнический университет

Email: ava75@tpu.ru
Россия, Томск, 634050

Н. Травицкий

Friedrich-Alexander-Universitat Erlangen–Nürnberg

Email: ava75@tpu.ru

Department of Materials Science, Glass and Ceramics

Германия, Эрланген, 91054

Список литературы

Дополнительные файлы