РОЗДІЛ 2 Матеріали, обладнання та методика досліджень.
2.1. Вихідні матеріали для високотемпературного деформування.
2.1.1. Обгрунтування вибору Si3N4-системи.
Переважна більшість матеріалів на основі нітриду кремнію, які мають
застосування у промисловості, виготовляються з активаторами спікання, що
дозволяють проводити рідкофазове спікання при температурі 1700-2080 0С [4,13].
Ущільнення покращується коли рідка фаза формується при нижчих температурах і
має низьку в’язкість. В цьому відношенні ущільнення погіршується у порядку
MgO/Al2O3
лантаноїдів. Для низькотемпературного застосування використовують MgO, CaO і
Al2O3, які сприяють росту зерен в довжину, підвищуючи співвідношення L:d. Для
високотемпературного застосування використовують в основному Y2O3 або Y2O3 і
Al2O3. Найкращих результатів по механічних властивостях при низьких
температурах вдається досягти при застосуванні композицій Y2O3/Al2O3 причому
кількість Y2O3 в таких композиціях як правило знаходиться на рівні 2-7 %
[4,132,133]. Криві залежності щільності від кількості добавок мають максимум,
положення якого визначає оптимальну кількість рідкої фази при температурі
спікання. Кількість добавок, необхідна для отримання найбільшої щільності,
зменшується із збільшенням температури спікання. При введенні 3-6 % Y2O3
максимальна щільність досягається лише при введенні максимальної кількості
Al2O3, але за рахунок більшої кількості міжзернової фази високотемпературна
міцність при цьому знижується [132]. Евтектична температура добавок Al2O3 і
Y2O3 за даними [5] складає 1760 0С. За даними [133] оптимальний вміст
активуючої добавки в матеріалах на основі чистого Si3N4 складає 5-20 мас.%.
Виходячи з вищесказаного і враховуючи наведені в п.1.3 вимоги до пластичного
матеріалу з метою покращення властивостей існуючих нітридокремнієвих матеріалів
для дослідження процесів високотемпературної екструзії були вибрані
нітридокремнієві порошки відомих складів Si3N4-5мас.%Y2O3-5мас.%Al2O3 і
Si3N4-5мас.%Y2O3-2мас.%Al2O3 з високим початковим вмістом a-фази для
проходження перекристалізації і росту зерен b-фази і малим розміром зерен для
можливості проходження зернограничного ковзання. Для деформування в комірках
високого тиску крім матеріалів системи Si3N4 – Y2O3 – Al2O3 був вибраний
матеріал Si3N4 – 40мас.%TiN.
При великому вмісті a-Si3N4 на думку авторів [134] досягається перенасичення
рідкої фази нітридом, за рахунок більшої розчинності a-Si3N4. Таке
перенасичення є необхідною умовою утворення зародків з наступною кристалізацією
голкоподібних зерен b-Si3N4 з високим співвідношенням довжини до поперечного
розміру. Якщо порошок містить багато b-Si3N4, то немає перенасичення
необхідного для осадження розчиненого Si3N4. Ріст b-Si3N4 в цьому випадку
відбувається майже в рівноважних умовах з утворенням рівновісних зерен з
мінімальною поверхневою енергією. Таким чином, автори [134] прийшли до
висновку, що для одержання високощільної структури з голкоподібних зерен
необхідно використовувати порошок з максимальним вмістом a-фази.
Термодинамічний розрахунок [135] показує, що перенасичення оксинітридної рідкої
фази за рахунок розчинення a-Si3N4 складає близько 1-2 мол. %. Це надто мало
для гомогенного зародко-утворення b-Si3N4, тобто нові зерна b-фази будуть
утворюватись в незначній мірі. Експериментальні результати інших авторів
[13,51-52,136] підтверджують цей висновок. В роботі [5] показано, що високого
перенасичення в рідкій фазі можна досягнути не тільки розчиненням a-Si3N4, а й
більш дрібних частин b-Si3N4. Після завершення a®b переходу перенасичення
визначається розміром і формою кристалів b-Si3N4. При спіканні Si3N4 з високим
вмістом b-фази має місце більш висока щільність b-зародків. Крім того
голкоподібні зерна b-Si3N4 ростуть також після a®b-перетворення. Таким чином,
можливий ріст анізотропних голкоподібних кристалів, який контролюється
процесами на міжфазовій границі (аналогічно росту b-Si3N4 в рідкому кремнії).
Тому не тільки кількість, а розмір зерен b-Si3N4 визначають формування
структури при рідкофазовому спіканні Si3N4. Пізніше було підтверджено, що
формування видовжених зерен Si3N4 суттєво залежить від кількості і розміру
зерен b-Si3N4 в початковому a-Si3N4 порошку [137]. За результатами спікання
Si3N4 можна зробити висновок, що осадження розчиненого a-Si3N4 відбувається
головним чином на b-кристалах, які присутні у вихідному порошку.
2.1.2 Одержання заготовок для високотемпературного деформування.
Для одержання заготовок було проведено порівняльний аналіз кривих ущільнення і
отримуваних мікроструктур для матеріалів з високим
(Si3N4-5мас.%Y2O3-5мас.%Al2O3), середнім (Si3N4-5мас.%Y2O3-2мас.%Al2O3) і
низьким (Si3N4-2мас.%Y2O3-1мас.%Al2O3) вмістом активаторів спікання. В
досліджуваному інтервалі температур спікання 1600-1750 0C в середовищі азоту
всі зразки ущільнюються (рис. 2.1).
Рис. 2.1. Температурні залежності щільності зразків при спіканні.
Інтенсивна усадка матеріалів складу Si3N4-5мас.%Y2O3-5мас.%Al2O3 і
Si3N4-5мас.%Y2O3-2мас.%Al2O3 спостерігається при температурах понад 1600 0С.
Щільність таких зразків після спікання становила 94-95 % від теоретичної.
Зразки з малою кількістю добавок (Si3N4-2мас.%Y2O3-1мас.%Al2O3) ущільнюються
гірше і при 1750 0С щільність їх не перевищувала 88 %. Мікроструктура зразків,
зформованих при температурах 1700-1750 0С, однорідна з дрібними ізол
- Київ+380960830922