Продолжение этих исследований с целью уточнения влияния хрома, титана и циркония на смачи­вание и прочность сцепления между двойными сплавами никеля и кристаллами сапфира. Последовательность событий, ведущих к сцеплению между двойным сплавом никеля и сапфиром:

Легирующий элемент сначала равномерно распределен по всему сплаву. После плавления его атомы сегрегируют у поверхности раздела, взаимодействуют с окисью алюминия, образуя новые фазы, и диффундируют в подложку. Канавки с обоих краев зоны взаимодействия на рисунке свидетельствуют о шероховатости поверхности, созда­ваемой реакциями взаимодействия у поверхности раздела. По данным рентгеновского дифракционного и флуоресцентного ана­лизов были идентифицированы фазы на поверхности раздела между металлом и керамикой. Идентификация этих фаз позво­ляет судить о тех реакциях, при которых они образовались и которые способны привести к изменению прочности сцепления. Результаты проведенной идентификации фаз согласуются с данными прежних исследований в том отношении, что хром не образует новых фаз. Но, как и в исследовании, у поверхности раздела была обнаружена зеленая окраска, выявляющая присутствие ионов Сг3+. В связи с этим было высказано предположение, что хром окисляется до трех­валентного Сг3+ кислородом, растворенным в никеле или содер­жащимся в атмосфере, так как хром не способен восстанавли­вать окись алюминия. Небольшое количество фазы, представ­ляющей собой окись титана нестехиометрического состава, было обнаружено на поверхности раздела между сплавом никеля с титаном и окисью алюминия. Эта фаза также, вероятно, обра­зовалась благодаря примеси кислорода в системе, поскольку окись алюминия не может быть источником кислорода для об­разования окиси титана, так как окись алюминия, обладая боль­шей свободной энергией, стабильнее окиси титана и удерживает свой кислород. Однако обнаруженная в больших количествах окись циркония обладает большей свободной энергией, чем окись алюминия, благодаря чему ее образование не зависит от оста­точного кислорода в системе. Повышенное содержание алюми­ния в никелевом сплаве подтвердило, что источником кислорода в этом случае являлась окись алюминия.

Если допустить, что реакция с участием легирующего элемента на поверхности раздела металл—керамика усиливает сцепление, то упоминавшиеся результаты идентификации фаз позволяют разместить элементы по убывающей эффективности их доба­вок в следующем порядке: цирконий, титан, хром. Если же проч­ность сцепления оценивать по величине сдвигового напряжения, требующегося для отрыва затвердевшей капли подложки, то эти металлы разместятся в обратном порядке. Хотя взаимодействие между металлом и керамикой на поверхностях раздела, по-ви­димому, делает силу сцепления между ними больше, тем не ме­нее интенсивное взаимодействие приводит к тому, что керамиче­ская подложка разрушается раньше, чем поверхность раздела.

Результаты упоминавшихся исследований вообще показы­вают, что разные легирующие элементы усиливают смачивание, сегрегируя на поверхности окиси алюминия и вступая в реак­цию с ней. Подобное взаимодействие и диффузия легирующих элементов в окись алюминия упрочняют сцепление. Однако разъедание поверхности или внутренние напряжения, возникаю­щие при взаимодействии, понижают прочность соединения. Та­ким образом, химическое взаимодействие и диффузия избыточ­ных атомов растворенного вещества, сконцентрированных у по­верхности раздела, способны привести к общей утрате прочности соединения. Действие этих двух противоположных процессов:

Прочность подложки понижается с ростом интенсивности взаимодействия, в то время как сила сцепления и протяженность зоны взаимодействия ста­новятся больше. Опти­мальной интенсивности взаимодействия на поверхности раздела соответствует максимальная прочность соединения. Если превы­сить эту оптимальную интенсивность взаимодействия, то хруп­кая фаза разрушается при низких уровнях прочности. Таким образом, для обеспечения максимальной прочности сцепления и минимального повреждения подложки необходимо ограничить интенсивность химического взаимодействия на поверхности раз­дела.

На основе этих результатов авторы предположили, что сцеп­ление усов окиси алюминия с металлом подвержено такому же нарушению, как и в случае вольфрамовой проволоки в компози­циях металл — металл. Проводя аналогию дальше, можно на­деяться на то, что вредное влияние легирующих элементов мож­но ослабить, заменив жидкофазные методы изготовления ком­позиций спеканием в твердом состоянии. Изменение технологии изготовления имеет целью уменьшение избыточной концентра­ции растворенного вещества на поверхности раздела металл - керамика, поскольку температура спекания обычно ниже, а ско­рость диффузии в твердом состоянии меньше, чем при жидкофазных операциях. Можно также полагать, что для улучшения сцепления волокна необходимо покрыть тонким слоем сплава, содержащего присадки легирующих элементов. Поскольку ос­новной матричный сплав не будет содержать присадок, то сегре­гация растворенных атомов на поверхности раздела должна быть меньше. Более низкая концентрация растворенного веще­ства приведет к повышению долговременной высокотемператур­ной стабильности поверхности раздела, снижая интенсивность взаимодействия в процессе эксплуатации композиции.

В литературе опубликованы результаты лишь отдельных ис­следований по вопросу о влиянии поверхностных межфазных реакций на прочность металлических композиций, армирован­ных усами боридов, нитридов или карбидов. Более сильная хи­мическая активность карбидов, нитридов и боридов по сравне­нию с окислами позволит обеспечить их сцепление с металличе­скими матрицами при использовании менее активных легирую­щих элементов. Надо полагать, что повреждение керамических подложек, обусловленное их активностью, должно носить та­кой же характер, как и в случае окислов. Можно также по­лагать, что с подобным ущербом в таких керамических системах удастся бороться надлежащими технологическими прие­мами.

Армирование кварцевыми или стеклянными волокнами. Хотя стеклянные или кварцевые волокна не обладают столь высокой прочностью, как усы, они тем не менее привлекли значительное внимание как материал для армирования метал­лов. Их большая вязкость в широком интервале температур в жидком состоянии позволяет изготовлять непрерывные во­локна вытягиванием из расплава. Прочность кварцевых волокон при комнатной тем­пературе составляет около 700 кг/мм2. Принято думать, что вы­сокая прочность этих волокон обусловлена отсутствием поверх­ностных дефектов.

При использовании кварцевых волокон возникают те же трудности, что и в случае соединения металла с керами­кой, например окисью алюминия. Таким образом, реакции взаи­модействия, приводящие к повреждению поверхностей раздела и в то же самое время способствующие усилению сцепления, должны, по-видимому, быть столь же вредны, как и для усов. Для создания прочной композиции, армированной кварцевым или стеклянным волокном, необходимо строго следить за тем, чтобы реакции взаимодействия на поверхности раздела не осла­били сцепления между стеклом и металлом. Данному требова­нию отвечает, например, композиция на основе алюминия, арми­рованная кварцевыми волокнами. Эту композицию изготов­ляли горячим прессованием волокон кварца, предварительно покрытых алюминием. Производство волокон и их покрытие алюминием осуществляли по способу: