Взаимодействие элементов в системе Al-(Fe, Co, Ni)-N при 1400 К Русина, Наталья Евгеньевна

Введение к работе

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. В последнее время проводятся интенсивные исследования, связанные с разработкой новых композиционных материалов на основе бескислородной керамики: A1N, S13N4, а- и [3-сиалонов и др. Особое внимание уделяется материалам с участием нитрида алюминия, который обладает уникальными физико-химическими свойствами, такими, как высокая теплопроводность (140-170 Вт/м*К) в сочетании с хорошими диэлектрическими характеристиками (ипробоя= 10-25 кВ/мм), высокой жаропрочностью, стойкостью к тепловому удару и т.п..

Однако материалы этого класса характеризуются наличием термодинамически нестабильной поверхности раздела, что значительно ограничивает их эксплуатационные возможности (ресурс работоспособности, рабочие температуры и т.д.). Поэтому при разработке способов соединения металлов и керамики в конструкцию необходимо решить две основные проблемы. Во-первых, поскольку материал должен работать при переменных термических нагрузках, из-за большой разницы в коэффициентах термического линейного расширения (КТЛР) возникают механические напряжения, зачастую приводящие к разрушению деталей. Во-вторых, при повышенных температурах на поверхности раздела протекает ряд процессов, связанных с взаимодиффузией компонентов, в результате чего происходит химическое взаимодействие элементов, вызывающее разрушение керамической составляющей и выделение азота, что значительно снижает прочностные характеристики композиции.

К сожалению, большинство исследований, проводящихся в настоящее время по разработке способов соединения керамики с металлами, зачастую носит эмпирический характер без учета химических реакций, происходящих на поверхности раздела.

Наиболее перспективными для создания композиций из нитрида алюминия с переходными металлами являются сплавы на основе системы Fe-Co- Ni (инвар, ковар и т.д.), которые согласуются по КТЛР с нитридом алюминия (KTJIP_Ain = 4.03* 10"⁶К''; КТЛР_кивар = 4.5* 10'⁶К'¹).

Предварительные исследования, проведенные на кафедре общей химии МГУ, показали, что A1N находится в равновесии с твердым раствором на основе Fc-Co-Ni, и на поверхности раздела не должно происходить образования промежуточных фаз, ухудшающих прочностные характеристики композиции. Однако для оптимизации состава металлической составляющей необходима информация о строении пятикомпоисятной системы Al-Fe-Co-Ni-N, а также данные о кинетике твердофазных процессов, протекающих на поверхностях

раздела металлокерамических композиций. К сожалению информация о строении пятикомпонентной системы в литературе отсутствует. Имеются только неполные сведения о строении некоторых тройных и четверных диаграмм состояния систем: Al-Fe-Ni, Al-Fe-Co, Al-Fe-Ni-Со, Al-Ni-N, Al-Co-Ni-N. Информация о кинетике процессов, протекающих на поверхностях раздела крайне скудна. ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Исследование строения тройных и четверных диаграмм состояния на основе элементов AI, Fe, Со, Ni, N при 1400 К и различном парциальном давлении азота, изучение механизма и кинетики твердофазных процессов, протекающих на поверхности раздела A1N-сплав. Разработка материалов барьерных прослоек, обеспечивающих максимальііую физико- химическую совместимость компонентов в композиционных материалах на основе нитрида алюминия и сложнолегированных сталей и никелевых сплавов. НАУЧНАЯ НОВИЗНА. В настоящей работе впервые: -построены изотермические сечения диаграмм состояния тройных систем Al-Fe-Ni, Al-Fe-Co, а также чегырехкомпонснтных систем А1-Fe-Ni-Co, Al-Ni-Fe-N, Al-Fe-Co-N при 1400 К и р_ад= 5*10⁶-10⁷ Из; -исследована кинетика процесса азотирования сплавов на основе систем Al-Fe-Ni и Al-Fe-Co при различном давлении азота; изучена морфология образующихся азотированных слоев и предложен механизм образования зародышей нитрида алюминия в данных сплавах;

-исследована кинетика реакций нитрида алюминия со сплавами на основе у- твердого раствора системы Al-Fe-Co-Ni в слоистых композициях при 1400 К;

-определена область оптимальных составов сплавов, обеспечивающих максимальную физико- химическую совместимость компонентов в композициях на основе нитрида алюминия и никелевых сплавов и сталей.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ. Информация о строении изотермических сечений диаграмм состояния систем Al-Fe-Ni-N, А1-Fe-Co-N, Al-Fe-Ni-Co-N, а также о механизме и кинетике твердофазных процессов, протекающих на поверхностях раздела A1N-Ме(сплав) необходима для исследователей, работающих в области создания новых композиционных материалов для микроэлектроники, а также авиационной и ракетной техники. В результате проведенных исследований определены составы сплавов на основе системы Al-Fe-Co-Mi и предложены режимы их химико- термической обработки. Применение таких материалов в качестве барьерных прослоек в композициях типа AlN-сплав обеспечит максимальную физико-

химическую совместимость металлической и керамической

составляющих.

1. Строение изотермических сечений диаграмм состояния металлических систем Al-Fe-Ni, Al-Fe-Co и Al-Fe-Co-Ni при 1400 К.

2. Характер фазовых равновесий в системах Al-Fe-Ni-N, Al-Fe-Co-N при 1400 К и р«-5*10⁶-10⁷Па.

3. Кинетика и механизм процесса азотирования сплавов на основе систем Al-Fe-Ni и Al-Fe-Co.

4. Характер твердофазного взаимодействия элементов на границах раздела в слоистых композиционных материалах "нитрид алюминня-сплав".

5. Рекомендации по достижению физико-химической совместимости компонентов композиций на основе нитрида алюминия при повышенных температурах.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ И ПУБЛИКАЦИИ. Основные результаты работы докладывались на Международной конференции по химии интерметаллидов (г.Львоа, 1995г.) и Российской научно-технической конференции "Новые материалы и технологии" (г.Москва. 1995г.); по материалам диссертации опубликовано четыре печатные работы. ОБЪЕМ И СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, обсуждения результатов, выводов и списка литературы в количестве 136 наименований. Работа изложена на 154 страницах машинописного текста, включая 60 рисунков и 20 таблиц,