Структурно-фазовые изменения в керамике ZrO2-MgO при термических воздействиях и её механические свойства Промахов, Владимир Васильевич

Введение к работе

Актуальность исследований. Развитие высокотемпературной техники диктует необходимость создания материалов, способных сохранять эксплуатационные характеристики при температурах выше 1500 ^оС. Наиболее жаропрочные металлические сплавы не способны противостоять механическим нагрузкам, как правило, уже при температурах выше 1200 ^оС. В большей степени требованиям термостойкости удовлетворяют материалы, относящиеся к классу керамик с температурой плавления выше 2500 ^оС. Оксидные керамики не имеют альтернативы с точки зрения функционирования в условиях длительных высокотемпературных воздействий в окислительной среде, обладают хорошей износостойкостью и высокой коррозионной стойкостью. В связи с этим, к настоящему времени сложилась устойчивая тенденция смещения приоритета в применении высокотемпературных материалов от металлов к керамикам.

Термостойкость не является фундаментальным свойством материалов и в значительной мере зависит от их структуры и фазового состава. Достигнутый к настоящему времени уровень знаний о связи структуры с устойчивостью материалов к термическим воздействиям не даёт полного ответа на вопросы о структурно - фазовых превращениях при высокотемпературном термоциклировании и при термоударных воздействиях. Подробное исследование механизмов и закономерностей изменений структуры и фазового состава при термических воздействиях позволит выявить пути увеличения термостойкости материалов. Это является актуальной задачей с позиций фундаментальных проблем физики конденсированного состояния и с точки зрения практического применения полученных в ходе исследований результатов.

Предсказать поведение материалов в сложных термомеханических условиях и сформировать совокупность представлений о термических свойствах керамики возможно только после детального изучения данных, полученных в результате проведения комплекса экспериментальных исследований влияния циклических высокотемпературных и термоударных воздействий на кристаллическую структуру, механические свойства и их связь с микро- и макроструктурными особенностями материалов.

Наибольший интерес в этой области вызывают керамические материалы на основе системы ZrO₂ - MgO, обладающие высокой температурой плавления, химической стойкостью, трещиностойкостью, прочностью и возможностью релаксации напряжений во фронтальной зоне трещины за счёт фазового тетрагонально -моноклинного превращения.

В соответствии с вышеизложенным целью данной работы явилось изучение структурно-фазовых изменений в керамиках системы ZrO2 - MgO при циклических высокотемпературных воздействиях и в условиях резких перепадов температуры.

В соответствии с целью диссертационной работы поставлены следующие задачи исследований:

1. Методом порошковой металлургии осуществить синтез керамических материалов системы ZrO₂ - MgO с различным содержанием оксида магния.

1. Изучить влияние соотношения компонентов ZrO₂ - MgO на кристаллическую структуру, микро- и макроструктуру и фазовый состав керамических материалов.

2. Выявить закономерности влияния соотношения компонентов ZrO₂ - MgO на механические свойства и коэффициент теплового расширения керамики.

3. Провести термоиспытания керамики ZrO₂ - MgO в режиме циклических изотермических воздействий при температуре 1650^оС с продолжительностью изотермической выдержки 1 час.

4. Изучить влияние циклических высокотемпературных воздействий на кристаллическую структуру, микро- и макроструктуру, фазовый состав и механические свойства керамики.

5. Провести циклические термоударные воздействия в режиме «нагрев до 1000^оС с охлаждением в воду».

6. Изучить влияние циклических термоударных воздействий на кристаллическую структуру, микро- и макроструктуру, фазовый состав и механические свойства керамики.

Научная новизна исследований. В работе впервые:

4. получены данные об изменениях макро-, микро- и тонкой кристаллической структуры керамических материалов системы ZrO₂ - MgO при циклических высокотемпературных воздействиях и в режиме «нагрев до 1000^оС с охлаждением в воду»;

5. показано, что при циклических высокотемпературных воздействиях фазовое равновесие на поверхности керамики устанавливается раньше, чем в объёме материала;

6. обнаружено, что размер структурных элементов на микро и макроуровнях - кристаллитов и зёрен фаз, формирующихся в керамических материалах системы ZrO2 - MgO при термических воздействиях, контролируется содержанием кубической фазы диоксида циркония; минимальный размер кристаллитов кубической фазы ZrO₂, независимо от количества стабилизирующей добавки составляет около 30 нм;

7. установлено, что коэффициент в уравнении Холла-Петча линейно уменьшается при увеличении скорости роста зерна, что может быть связано с большей дефектностью межзёренных границ;

8. показано, что формирование трещиноватой блочной структуры обеспечивает релаксацию напряжений, возникающих в керамике в условиях нагрева и охлаждения, и тем самым сохраняет целостность материала.

Практическая значимость работы

Формирование в керамике выделений тетрагональной фазы ZrO₂ или MgO сдерживает рост зёрен кубической фазы ZrO2, ограничивая скорость рекристаллизации. Это позволяет использовать керамику ZrO₂ - MgO в высокотемпературной технике, в частности, в качестве теплозащиты камер сгорания в современных газотурбинных установках.

Керамика системы ZrO₂ - MgO сохраняет высокие механические свойства при ударных термовоздействиях, что позволяет создавать на ее основе элементы конструкций, работающих при циклических термонагружениях, например, рабочие лопатки для газотурбинных двигателей.

Основные положения, выносимые на защиту

8. 1. Совокупность экспериментальных данных о влиянии термонагружений в режиме «нагрев - резкое охлаждение» и в режиме циклических высокотемпературных изотермических выдержек на фазовый состав, кристаллическую структуру, микро- и макроструктуру и механические свойства керамик системы ZrO₂ - MgO доэвтекто- идного, эвтектоидного и заэвтектоидных составов.

   2. Размеры зерна и размеры кристаллитов всех фаз, формирующихся в системе ZrO₂ - MgO, определяются содержанием кубической фазы ZrO₂.

   3. Коэффициент Холла-Петча линейно убывает при увеличении скорости роста зёрен кубической фазы ZrO₂.

   4. Минимальный размер кристаллитов кубической фазы ZrO₂ в керамике системы ZrO₂ - MgO, независимо от количества стабилизирующей добавки и вида термических воздействий, составляет около 30 нм.

   Достоверность результатов обеспечивается комплексным подходом к решению поставленных задач, использованием апробированных методов и методик исследования, применением статистических методов обработки данных, непротиворечивостью полученных данных и результатов, приведённых в литературе.

   Апробация работы. Основные результаты диссертации доложены на: XII Международной научно -практической конференции студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (г. Томск, 27 - 31 марта 2006 г.); Всероссийской конференции молодых ученых «Наука, технологии, инновации» (г. Новосибирск, 710 декабря 2006 г.); XIII Международной научно -практической конференции студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (г. Томск, 27 - 31 марта 2007 г.); III Всероссийской конференции молодых ученых «Физика и химия высокоэнергетических систем» (г. Томск, 24 - 27 апреля 2007 г.); Всероссийской конференции молодых ученых «Наука, технологии, инновации» (г. Новосибирск, 6 - 9 декабря 2007 г.); IV Всероссийской конференции молодых ученых «Физика и химия высокоэнергетических систем» (г. Томск, 23 - 25 апреля 2008 г.); II-ой Международной школе конференции молодых ученых «Физика и химия наноматериалов» (г. Томск, 12 - 16 октября 2009 г.); Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (г. Новосибирск, 4 - 5 декабря 2009 г.); XIX Петербургских чтениях по проблемам прочности (г. Санкт - Петербург, 13 - 15 апреля

   8. 4. 1. г.); VI Всероссийской конференции молодых ученых «Физика и химия высокоэнергетических систем» (г. Томск, 14 - 17 апреля 2010 г.); VII Всероссийской научной конференции «Керамика и композиционные материалы» (г. Сыктывкар, 21 - 25 июня 2010 г.); V Международной научно -технической конференции «Современные проблемы машиностроения» (г. Томск, 23 - 26 ноября 2010 г); Всероссийской молодёжной конференции «Успехи химической физики» (г. Черноголовка, 21 - 23 июня

         2. г.); Всероссийской молодёжной научной конференция «Химия и технология новых веществ и материалов» (г. Сыктывкар, 30 мая - 1 июня 2011 г); Международной конференции по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов (г. Томск, 5 - 9 сентября 2011 г.); VIII Международной научной школе-конференции «Фундаментальное и прикладное материаловедение» (г. Барнаул, 15 - 17 сентября 2011 г.).

         Публикации. По материалам диссертации опубликовано 19 работ, из них 2 статьи в рецензируемых журналах, 17 докладов и тезисов в материалах научных конференций различного уровня. Получено положительное решение о выдаче патента РФ «Способ получения керамического градиентного материала». Заявка на патент РФ № 2010150981/02 от 20.01.2012 г.

         Личный вклад автора состоит в получении образцов керамики ZrO₂ - MgO, проведении циклических высокотемпературных воздействий и термоиспытаний в режиме «нагрев - резкое охлаждение», проведении структурных и рентгенофазовых исследований, механических и дилатометрических исследований, сопоставлении полученных результатов с литературными данными, формулировании основных научных положений и выводов, использованных при написании статей и текста диссертации.

         Структура и объём диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести разделов, заключения, списка цитируемой литературы, включающего 144 наименования. Всего 152 страницы машинописного текста, 64 рисунка и 3 таблицы.

         Похожие диссертации на Структурно-фазовые изменения в керамике ZrO2-MgO при термических воздействиях и её механические свойства

         

         Модель нанотрубки со спиральной симметрией и её транспортные, магнитные и оптические свойстваГригорькин Алексей Александрович

         Эволюция микроструктуры и её влияние на мартенситные превращения и неупругие свойства двойных сплавов на основе никелида титана при тёплой деформацииЖапова, Доржима Юрьевна

         

         Влияние термообработки на необратимые изменения свойств аморфных магнитных металлических сплавов Докукин Максим Евгеньевич

         

         Изменение свойств структурно-неоднородных материалов под действием импульсов тока большой плотности.Пахомов Александр Борисович

         

         Закономерности изменения свойств аморфных металлических сплавов на основе Co, Pd, Zr в условиях изохронного отжига и локального лазерного воздействияЯковлев, Алексей Владимирович

         

         Взаимосвязь между изменением прочностных свойств аустенитной хромоникелевой стали 12Х18Н10Т, подвергнутой механико-термическому воздействию, и акустической эмиссиейРоганин Михаил Николаевич

         

         Закономерности изменения неупругих свойств сплава Ti49.5Ni50.5 после магнетронного осаждения и ионной модификации покрытий из молибдена и тантала на его поверхностиНейман Алексей Александрович

         

         Роль радиационно-стимулированных процессов в изменении механических свойств нержавеющих сталей Цепелев Аркадий Борисович

         Роль эффектов зернограничного охрупчивания в изменении механических свойств корпусных Cr-Ni-Mo сталей при облучении и пострадиационном отжигеНиколаев, Юрий Анатольевич

         

         Перераспределение легирующих элементов и изменение магнитных свойств при интенсивной холодной деформации Fe-Cr-Ni аустенитных сплавовЗавалишин Владимир Александрович