Большое значение имеет должное уплотнение на каждой сту­пени процесса спекания, так как в противном случае покрытие может растрескаться и разрушиться при эксплуатации из-за чрезмерной усадки керамики. Частично этого достигают контро­лем за распределением частиц по их величине. Обычно отсев мелких фракций ведет к уменьшению объемной усадки керамики при обжиге.

Некоторая пористость керамической матрицы приносит поль­зу. Если покрытие имеет очень малую пористость, то это ведет к понижению его термостойкости. Приемлемым уровнем пористо­сти надо, по-видимому, считать 15—20%. Кроме того, пористость дает дополнительное преимущество, когда покрытия использу­ются в летательных аппаратах, где большое значение имеет вес.

Попытка введения керамической матрицы в композицию с помощью пламенного напыления не увенчалась успехом из-за отражающего действия армирующей среды. Однако должным образом спроектированное оборудование, возможно, позволит осуществить такой процесс.

СИСТЕМЫ КЕРАМИКА — МЕТАЛЛ

Благодаря своим превосходным прочностным свойствам ке­рамические волокна представляют большой интерес в качестве армирующего материала в композициях. Они тугоплавки, обла­дают большой удельной прочностью и высоким удельным моду­лем (по отношению к удельному весу) и хорошо сохраняют свои свойства при повышенных температурах. Керамические волокна, которые пригодны для армирования композиций, можно подраз­делить на следующие три основные категории: почти совершен­ные монокристаллы, или «усы», поликристаллические волокна из непластичной керамики и аморфное стекло, или кремнезем.

Выпускаемые поликристаллические керамические волокна чаще всего не обладают таким сочетанием прочности и пластич­ности, которое необходимо для армирования металлов. Такие керамические волокна при обычных способах изготовления ком­позиций оказывались в большинстве случаев хрупкими. Малодоступность волокон имела своим следствием ограниченность сведений о композициях, армированных хрупкими поликристал­лическими волокнами из керамики. Отдельные исследования были проведены со смесью порошка керамики в метал­лической матрице, которая после экструзии имела волокнистую структуру. Исследования таких композиций показали ориенти­рование крупинок керамики и повышение прочности по сравне­нию с неармированной матрицей. Образование свежих поверх­ностей при ориентировании керамики в контакте с выбранным металлическим связующим создает определенные преимущества в отношении улучшения сцепления и повышения прочности.

Прочность сцепления керамики с металлом, которая способ­на лимитировать свойства композиций керамическое волокно— металл, зависит от множества взаимосвязанных явлений и пара­метров. Разработано много полезных теорий, раскрывающих природу сил сцепления стекла с металлами. Однако, как это от­мечается в обзоре по этому вопросу, приемлемой атомарной теории связи керамики с металлом пока не существует. Соста­вители этого обзора подчеркивают, что этому не следует удив­ляться, так как рассмотрены лишь отдельные из многих пара­метров, от которых существенным образом зависит прочность сцепления. Поскольку фундаментальные основы сцепления раз­работаны недостаточно, приходится тратить много усилий на создание прочного сцепления между керамическими волокнами и металлической матрицей. Решение задачи обеспечения такого сцепления усугубляется дополнительно еще и тем, что некото­рые свойства, от которых зависит прочность керамических во­локон, легко ухудшаются в процессе создания сцепления. Проч­ность усов является, по крайней мере отчасти, следствием почти полного совершенства их кристаллического строения, а проч­ность волокон из стекла или кварца зависит от гладкости и без­дефектности их поверхности. Процесс же создания сцепления способен ухудшить свойства путем вредного воздействия на эти самые характеристики.

Армирование усами. Для изучения прочности сцепления ме­жду различными металлами и керамическими усами было исследовано несколько конкретных систем. В большей степени были исследованы усы окиси алюминия благодаря их замеча­тельным свойствам и сравнительной простоте их производства. Композиции серебро — окись алю­миния продемонстрировали свои достоинства не менее нагляд­но, чем это раньше показала медь с вольфрамовой проволокой. Хорошая пластичность, легкоплавкость и химическая инертность серебра делают его хорошим матричным материалом. Однако для улучшения смачивания серебром на усы необходимо наносить металлические покрытия: усы без покрытий вы­тягиваются из матрицы при малом напряжении.

Хорошие характеристики модельных систем стимулировали работы по созданию композиций с улучшенными свойствами при повышенных температурах. В качестве матричных материалов были выбраны никель и нихром. В обоих случаях осо­знавалась необходимость экспериментального изучения особен­ностей сцепления керамических усов с матрицей.

Смачивание керамики расплавленным металлом — главный фактор обеспечения надежного сцепления. Было исследовано влияние различных легирующих добавок к металлу на прочность сцепления, так как избирательная адсорбция добавок пли при­месей на поверхностях раздела металл—керамика усиливает смачивание вследствие понижения поверхностного натяжения между двумя фазами. В подобного пода исследованиях многие авторы измеряли контактный угол смачивания для сидячей кап­ли, что дает очень удобный способ определения величины по­верхностного натяжения. Обзор некоторых последних работ такого рода доказывает важность проблемы обеспечения сцепле­ния между металлом и керамикой и необходимость контролиро­вания реакций на поверхностях раздела фаз для повышения прочности композиции.

Также изучали реакции взаимодействия на поверхности, раздела между двумя никелевыми сплавами и моно­кристаллами окиси алюминия (сапфира). По методу сидячей капли была определена величина энергии поверхности раздела между сплавами никеля с титаном или хромом при расплавле­нии на сапфировой подложке. Эта межфазовая энергия значи­тельно уменьшалась с ростом содержания обоих легирующих элементов в никеле. Было установлено, что прочность сцепления зависит как от избыточной концентрации легирующего элемента на поверхности раздела металл—керамика, так и от взаимодей­ствия атомов избыточного элемента с окисью алюминия. При­знаком повышенной концентрации растворенных атомов на по­верхности раздела служило быстрое уменьшение величины по­верхностной энергии, которое определяли по уменьшению угла смачивания для сидячей капли. Рентгеновский флуоресцентный анализ также свидетельствовал о сегрегации растворенных ато­мов на поверхности раздела. Рентгеновский дифракционный анализ показал наличие окиси титана на поверхности раздела между керамикой и сплавом никеля с титаном. Исследования по такой же методике системы никель — хром — сапфир признаков какого-либо соединения на поверхности раздела не обнаружили, хотя зеленая окраска вблизи поверхности раздела сви­детельствовала о диффузии хрома в окись алюминия.

С учетом возможного влияния примесей на смачивание при последующем исследовании брался никель более вы­сокой степени чистоты и определял контактный угол для сидячей капли в установке с более глубоким вакуумом, чем ранее. Наряду с этим он определял относительную адгезию затвер­девших капель сплава к сапфиру путем измерения силы, необ­ходимой для отрыва таких капель. Он исследовал влияние добавок хрома, титана, алюминия, индия, меди и циркония к никелю на прочность сцепления таких сплавов с монокристаль­ной окисью алюминия. Как было установлено, наибольшее влияние на смачивание, величину поверхностной энергии между фазами и прочность сцепления оказывали добавки хрома, тита­на и циркония. Эти результаты согласуются с данными прежних исследований по изучению влияния хрома и титана па смачивание окиси алюминия бинарными сплавами никеля с эти­ми металлами. При легировании никеля титаном и цирконием, которые улучшали сцепление эффективнее хрома, были обнару­жены признаки явного химического взаимодействия с подлож­кой сапфира. Фактически присадка титана пли циркония в количествах 1 ат.% оказывала воздействие на подложку. Сниже­ние содержания титана примерно до 0,01 ат.% ослабляло хими­ческое взаимодействие и повышало сопротивление сдвигу на 300%.