Обработка давлением в режиме сверхпластичности

 

Проблема формоизменения при горячей обработке давлением керамических материалов до недавнего времени не рассматривалась столь же серьезно, как для металлических материалов. Причина этого в том, что в керамических материалах величины плотности подвижных дислокаций и их подвижности на несколько порядков меньше, чем в металлах. Пластичность, обусловленная диффузионными процессами, в керамических материалах проявляется лишь при высоких температурах. Существует, по крайней мере, еще одна причина, из-за которой большие пластические деформации в керамике труднодостижимы. Она заключается в низкой поверхностной энергии границ зерен в керамических поликристаллах, что обусловливает слабую когезионную прочность границ и склонность к межзеренному разрушению.

Тем не менее, проводились интенсивные исследования возможностей горячей обработки давлением керамических материалов, такой, как экструзия, прокатка, ковка, поскольку решение данной проблемы позволило бы в значительной степени снизить стоимость изделий из-за устранения дорогостоящей операции механической обработки. Успех стал возможным с открытием эффекта сверхпластичности керамики, то есть ее способности проявлять при определенных условиях сверхвысокие деформации при растяжении.

Сверхпластичность керамики может быть обусловлена ультрадисперсной (субмикронной или нанокристаллической) структурой, в которой имеются высокоугловые подвижные границы зерен (структурная сверхпластичность), либо структурными напряжениями, возникающими, например, по достижении температуры фазовой нестабильности или из-за анизотропии термического расширения фаз (трансформационная сверхпластичность).

Эффект сверхпластичности при растяжении установлен для ряда однофазных и композиционных керамических материалов. Например, заметная пластическая деформация тетрагонального диоксида циркония начинается при 1000 °С, но только при температурах выше 1350 °С достигаются относительные удлинения более 100 %.

Уменьшение размера зерна в керамике до уровня 10…100 нм может обеспечить высокую скорость пластической деформации уже при комнатной температуре. Экспериментально это продемонстрировано на образцах TiO₂-керамики (полученной окислением титана). Однако, проблемой является термическая нестабильность столь ультрадисперсных структур.

На практике явление сверхпластичности использовали при экструзии прутков из частично стабилизированного диоксида циркония (размер зерна 0,23 мкм) при температуре 1500 °С и степени вытяжки 8:1. С помощью карбидокремниевого инструмента производили гибку листов циркониевой керамики при температуре 1450 °С, а из ZrO₂-керамики с 2 мол.% Y₂O₃ и 0,3 мол.% CuO выпрессовывали при 1150 °С изделия полусферической формы. Добавка CuO обеспечивала снижение температуры плавления зернограничной стеклофазы и, тем самым, температуры проявления эффекта сверхпластичности. Известны также данные о формоизменении изделий из Al₂O₃-керамики, в частности, экструзией, при температуре 1600 °С, а также о горячей штамповке керамики в системе ZrO₂–Al₂O₃ при 1500 °С.

Поведение керамики при обработке в режиме сверхпластичности, в общем, подобно поведению металлов, однако в керамике эффект проявляется при меньших на порядок размерах зерна (менее 1 мкм) и при более низких скоростях деформирования (< 10^-4с^-1). Из-за термодинамической неустойчивости ультрадисперсных структур в процессе сверхпластической деформации происходит рост зерна, сопровождающийся потерей высоких деформационных характеристик керамики. Поэтому важнейшей задачей является стабилизация границ зерен в материалах с ультрадисперсной структурой, что, вероятно, может быть достигнуто в нанокомпозиционных материалах, компоненты которых распределены равномерно на уровне наноструктуры.

 

Резюме. Общая тенденция развития технологии создания и производства керамических материалов в настоящее время направлена на создание и применение нанокерамики.
Основными направлениями разработок являются: а) химический синтез высокочистого сырья, в том числе ультра- и нанодисперсных порошков оксидов, карбидов, нитридов, а также армирующих элементов - волокон, нитевидных кристаллов; б) эффективные технологии формования, спекания, соединения и механической обработки изделий.

 

НАНОСТРУКТУРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Ключевые слова: наноматериалы, нанотехнологии, синтеза нанопорошков, объемные наноструктурные материалы, интенсивная пластическая деформация, модели наноструктур

К наноструктурным материалам (наноматериалам) относят материалы с размером морфологических элементов менее 100 нм. Актуальность проблемы производства таких материалов определяется особенностью их физико-химических свойств, позволяющих создавать материалы с качественно и количественно новыми свойствами для использования на практике. Уже первые исследования наноматериалов показали, что в них, по сравнению с обычными материалами, изменяются такие фундаментальные характеристики, как удельная теплоемкость, модуль упругости, коэффициент диффузии, магнитные свойства. Следовательно, можно говорить о наноструктурном состоянии твердых тел, принципиально отличном от обычного кристаллического или аморфного.

По мере уменьшения размера зерен или частиц все большая доля атомов оказывается на границах или свободных поверхностях. Так как доля поверхностных атомов в наноматериалах составляет десятки процентов, ярко проявляются все особенности поверхностных состояний, и разделение свойств на «объемные» и «поверхностные» приобретает, в какой-то мере, условный характер.

Развитая поверхность оказывает влияние на решеточную и на электронную подсистемы. Появляются аномалии поведения электронов и квазичастиц, которые влекут за собой изменения физических свойств наносистем.

Поведение наноматериалов часто определяется процессами на границе частиц или зерен. Например, нанокерамика может пластически деформироваться за счет скольжения по границам. Такая деформация находится в противоречии с хрупким поведением, ассоциирующимся с обычной керамикой. Уменьшение размера зерна металла с 10 микрон до 10 нанометров дает повышение прочности примерно в 30 раз. Добавление нанопорошков к обычным порошкам при прессовании последних приводит к уменьшению температуры прессования, повышению прочности изделий. При диффузионной сварке использование между свариваемыми деталями тонкой прослойки нанопорошков позволяет сваривать разнородные материалы, в том числе некоторые трудносвариваемые сплавы металла с керамикой, снижать температуру диффузионной сварки.

В последние годы вошло в обиход понятие нанотехнологии. Этим понятием обозначают процессы получения наноматериалов, а также технологические процессы получения приборов, устройств, конструкций с использованием наноматериалов.