Особливості структурного стану та фізико-механічних властивостей композита алмаз-карбід кремнію - Автореферат

Аналіз теоретичних та експериментальних досліджень алмазних полікристалічних матеріалів свідчить, що достатньо повно проаналізовано структурний стан алмазних матеріалів із кобальтовою (Co) звязкою та полікристалів, які одержують за допомогою прямого переходу графіту в алмаз у присутності каталізатора. Однак формування структурного стану композита алмаз-карбід кремнію (SIC) при високому тиску та високій температурі спікання в залежності від часу ізотермічної витримки, зміни структури вихідних порошків практично не досліджено. Вплив структури (вмісту і розподілу SIC) на капілярні характеристики в системі "композит (алмаз-SIC)-металічний розплав" для сплавів, що складають основу серійних припоїв, також не досліджувався. Для досягнення поставленої мети дисертації було визначено і розвязано такі основні задачі: Досліджено еволюцію структурних перетворень при одержанні композита алмаз-SIC, який формується в умовах одностороннього просочування кремнієм пористої пресовки алмазу при високому тиску (7-8 ГПА) та температурі; Досліджено вплив структури композита на крайовий кут змочування в системі "композит (алмаз-SIC)-металічний розплав" у температурному інтервалі 850-1000 °С для інактивних металів і сплавів, що складають основу серійних припоїв, та при додаванні до них адгезійноактивної домішки титану (Ті).Спираючись на результати досліджень структури алмазних полікристалів, було виявлено основні характеристики мікроструктури матеріалу, які забезпечують його високі фізико-механічні властивості: 1) наявність крупних зерен алмазу; 2) присутність дрібнозернистої звязуючої фази і її однорідний розподіл між зернами матричної фази, що обумовлює малу протяжність контактів алмаз-алмаз; 3) висока міцність меж сполучення алмаз-звязка для того, щоб забезпечити руйнування зерен алмазу сколенням; 4) термобаричні умови одержання таких композитів повинні забезпечувати формування в зернах алмазу високої щільності дефектів (двійників та дислокацій), що сприятимуть утворенню високої щільності виступів при руйнуванні алмазного зерна сколенням. Про високу міцність контактів алмаз-SIC свідчить характер руйнування композита при кімнатній температурі: спостерігається сколення зерен алмазу, яке проходить з утворенням високої щільності східців, що повязано з наявністю двійників та розорієнтованих областей у зернах (рис. Встановлено, що при формуванні структурного стану композита алмаз-SIC проходять такі основні процеси: 1) крихке руйнування вихідних частинок алмазу; 2) утворення суцільних прошарків SIC на поверхні алмазних зерен; 3) пластична деформація зерен алмазу; 4) збиральна рекристалізацією карбіду кремнію в прошарках. В роботі досліджувалися внутрішні напруження в композиті алмаз - SIC, які виникають при охолодженні і знятті зовнішнього тиску через різницю у коефіцієнтах лінійного температурного розширення та модулях пружності SIC і алмазу. Григорьєва, вони становлять: aa?sdijnn = - CSIC ?h ?dij aa?SSICIJNN = cd ?h ?dij , (1) де cd, CSIC - обємні концентрації алмазу і SIC; md, MSIC - їх модулі зсуву; Kd, KSIC - модулі обємного стиску компонент; ?d, ?SIC, ed, ESIC - коефіцієнти лінійного температурного розширення та зміни питомого обєму алмазу і SIC.У дисертації розвязана наукова задача фізики твердого тіла - досліджено основні процеси формування структури композита алмаз-SIC при високому тиску і температурі. Встановлено, що формування структурного стану композита алмаз-SIC в умовах одностороннього просочування при високому тиску та температурі визначається наступними основними процесами: Крихким руйнуванням вихідних частинок алмазу. Руйнування зерен алмазу проходить в дві стадії: при температурах, менших від температури просочування рідким кремнієм, та в процесі просочування. Встановлено, що найбільш високі зносостійкість та термостабільність має композит алмаз-SIC на основі порошку АСМ 40/28 із вмістом карбіду кремнію 15 об.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У дисертації розвязана наукова задача фізики твердого тіла - досліджено основні процеси формування структури композита алмаз-SIC при високому тиску і температурі. Виконано дослідження його напружено-деформованого стану, встановлено й реалізовано мікроструктуру композита алмаз-SIC, яка забезпечує його оптимальні фізико-механічні властивості.

Запропоновано модельну мікроструктуру алмазного композиційного матеріалу, яка може забезпечити його високі фізико-механічні властивості при застосуванні в буровому інструменті ріжучої дії.

2. Встановлено, що формування структурного стану композита алмаз-SIC в умовах одностороннього просочування при високому тиску та температурі визначається наступними основними процесами: Крихким руйнуванням вихідних частинок алмазу. Руйнування зерен алмазу проходить в дві стадії: при температурах, менших від температури просочування рідким кремнієм, та в процесі просочування. На другій стадії в частинках алмазу виникають тріщини, але зберігається вихідна форма, і в їх обємах по ходу тріщин формуються прошарки SIC;

Утворенням суцільних прошарків SIC на поверхні алмазних зерен. Формування звязки SIC у композиті - це також двостадійний процес: контактна взаємодія рідкого Si з поверхнею зерен алмазу і ріст зерен SIC та утворення в них дефектів пакування та мікродвійників;

Пластичною деформацією зерен алмазу, яка відбувається за рахунок ковзання та двійникування;

Збиральною рекристалізацією в прошарках карбіду кремнію.

3. Встановлено, що найбільш високі зносостійкість та термостабільність має композит алмаз-SIC на основі порошку АСМ 40/28 із вмістом карбіду кремнію 15 об. %. Особливістю вихідного порошку була висока щільність мікрорельєфу на поверхнях огранювання його частинок. Основні характеристики структурного стану такого композита близькі до запропонованої моделі мікроструктури: однорідний розподіл зерен матричної (алмазної) складової та звязки (SIC), що забезпечує високу протяжність суцільних контактів алмаз-SIC і малу алмаз-алмаз;

дрібнозерниста (0,2 ее 1 мкм) структура звязки з добре сформованими межами;

висока міцність меж сполучення алмаз-SIC, що обумовлює руйнування зерен алмазу при кімнатній температурі сколенням;

наявність у зернах алмазу стопорів (барєрів) для тріщин сколювання, що повязано з наявністю високої щільності деформаційних двійників та розорієнтованих областей, викликаних неоднорідними скупченнями дислокацій.

4. Встановлено, що напружено-деформований стан композита алмаз-SIC визначається прикладеним тиском і різницею констант пружності його фаз. Внесок напружень, повязаних з охолодженням і різницею коефіцієнтів лінійного температурного розширення, є незначним. Зменшення вмісту SIC у композиті від 20 об. % до 11 об. % викликає зниження напружень розтягу в алмазі від 0,70 ГПА до 0,35 ГПА та збільшення напружень стиску в карбіді від 2,5 ГПА до 2,8 ГПА. Такий напружено-деформований стан обумовлює високі фізико-механічні властивості матеріалу, оскільки менш міцна фаза SIC знаходиться в умовах всебічного стиску.

5. Одержані результати свідчать, що в алмазній фазі матеріалу мікронапруження генеруються псевдомакронапруженнями і можуть характеризуватися їх дисперсією. У SIC мікронапруження, основному, визначаються його дефектним станом (мікродвійниками і дефектами пакування). Висока термостабільність композита алмаз-SIC повязана з особливостями його структурного стану (властивостями фаз та незначною протяжністю контактів алмаз-алмаз), завдяки чому виникаючі залишкові напруження не призводять до руйнування контактів алмаз-SIC при нагріванні матеріалу до 1150°°С.

6. Показано, що експериментально визначена залежність модуля пружності композита від вмісту SIC в інтервалі 11-20 об. % має зростаючий характер на відміну від результатів, розрахованих теоретично відповідно до моделей Фойхта-Рейса та Хашина-Штрикмана. Застосування асимптотичного методу осереднення з урахуванням структури композита алмаз-SIC дозволяє підвищити точність прогнозування модуля пружності матеріалу.

7. Присутність у композиті карбід кремнієвої структурної складової призводить до незначного погіршення (за винятком розплавів, де вміст Cu становить > 70 % мас.) змочування в системі "композиційний матеріал (алмаз-SIC)-металічний розплав" в порівнянні з системою "природний алмаз - металічний розплав" для сплавів, які складають основу серійних припоїв в температурному інтервалі 800-1000°С. Додавання адгезійноактивного металу титану до інактивних сплавів викликає різке зменшення крайових кутів змочування і сильну залежність їх значень від температури розплаву.

основні результати дисертації опубліковані в роботах

Трефілов В. І., Степаненко А.В. Новий термостабільний алмазний полікристалічний матеріал // Доповіді НАН України. - 1999. - № 8. - С. 93-97.

Картузов В. В., Ротмистровский К.Е., Степаненко А.В., Трефилов В.И. Метод прогнозирования упругих характеристик алмазной керамики // Порошковая металлургия.- 2001.- № 12. - С. 85-91.

Бега Н. Д., Григорьев О.Н., Степаненко А.В. Исследование напряженно-деформированного состояния композиционного материала алмаз-SIC // Доповіді НАН України. - 2003. - № 1. С. 67-71.

Безимянний Ю. Г., Боровик В.Г., Степаненко А.В. Дослідження взаємозвязку модуля пружності композита алмаз SIC з його структурним станом // Доповіді НАН України. - 2003. - №2. С. 90-94.

Stepanenko А. V., Zyukin N.S. Study of diamond SIC composite material wetting by melted metals // Functional Materials. - 2003. - v. 10. - № 1. P. 44 - 47.

Олейник Г. С., Степаненко А. В., Верещака В.М., Котко В.А. Особенности структурного состояния композита (алмаз-SIC) с высокой износостойкостью // Электронное строение и свойства тугоплавких соединений, сплавов и металлов. Киев: ИПМ НАНУ. - 2002. - С. 174-187.

7. Grygoryev O. M., Stepanenko A. V., Bega M. D. Anallysis stress-strain state of Diamond-SIC composite material // Inter. Conf. "Scince for Materials in the Frontier of Centuries: Advantages and Challenges", November 4-8, 2002, Kyiv, Ukraine, p. 397-398.