Типичными матричными материалами служат неорганиче­ские окислы металлов, например окиси алюминия, хрома или циркония. Столь же успешно в качестве керамических наполни­телей могут применяться и такие достаточно тугоплавкие ма­териалы, как сложные окислы, нитриды, карбиды, силициды и интерметаллиды. В качестве армирующих элементов с успе­хом применяют проволочные сетки, гофрированные полоски или различные тянутые металлы.

Типичные армирующие элементы

Металлические армирующие элементы выполняют ряд сле­дующих важных функций:

1) соединяют керамическое покрытие с металлической осно­вой (армирующие элементы связываются с основой механиче­ским путем);

2) в значительной мере воспринимают на себя термические напряжения, возникающие вследствие неодинакового теплового расширения основы и покрытия;

3) распределяют термические и механические напряжения параллельно и перпендикулярно поверхности, предохраняя тем самым покрытие от катастрофического разрушения;

4) ограничивают и направляют распространение трещин в керамике;

5) связывают между собой растрескавшиеся участки и пре­пятствуют разрушению покрытия.

Толщина покрытий, армированных гофрированными полоска ми, доходит до 76.2 мм. Обычно металлические полосы получа­ются прокаткой проволоки или нарезаются из фольги. Этим полосам придают почти полусинусоидальную форму. Гофри­рованная полоса имеет короткие плоские участки между греб­нями для упрощения ее крепления с металлической основой посредством точечной сварки. Применяются полосы толщиной 0,25—0,5 мм, шириной около 3 мм и различной длины. Высота гребня изменяется в соответствии с толщиной покрытия, необ­ходимой в каждом конкретном случае, а расстояние между ними составляет 4,0, 7,9 и 12,7 мм. Гофрированные полоски можно делать из всякого сваривающегося металла. Кроме малоугле­родистой и нержавеющей стали в этих целях исследовались тугоплавкие металлы (молибден, тантал, ниобий и вольфрам).

Были проведены испытания покрытия из двуокиси циркония, стабилизированной окисью кальция. В качестве связующего поль­зовались кремнефтористоводородной кислотой. Покрытие было армировано гофрированной танталовой полосой шириной 3,2 мм и толщиной 0,25 мм. Общая толщина покрытия составляла 6,35 мм. Испытания проводились при температурах свыше 2600°С, причем покрытие выдерживало многократные циклы на­грева и охлаждения общей продолжительностью свыше 1 часа. Температурный градиент составлял около 6 град на 0,1% толщины при температуре на поверхности свыше 2600°С.

Покрытие толщиной 6,35 мм из двуокиси циркония с добав­кой фосфата в качестве связующего, армированное гофрирован­ной полоской из молибденового сплава шириной 3,2 мм и тол­щиной 0,25 мм, показало в струе плазмы, обтекающей поверх­ность, перепад температуры 1260°С. Если наружная сторона при установившемся режиме нагревалась до 2300°С, то внутренняя поверхность покрытия имела температуру лишь 1040°С. Это покрытие было испытано на термостойкость при охлаждении от температуры 2300 до 538°С со скоростью 343 град/сек и от 538°С до комнатной температуры с несколько меньшей скоростью. По­крытие выдержало семь таких циклов.

Успешно применялись для армирования керамических по­крытий и металлические соты. В качестве матрицы с сотами из инконеля и платины брали двуокиси циркония и тория и окись алюминия. Очень хорошим покрытием при температуре около 430°С оказалась композиция из окиси алюминия с добавкой связующего, частично наполненная волокнистым изоляционным материалом и армированная сотами из инконеля, скрепленными с металлической основой. Такая композиция толщиной 12,7 мм имела температурный градиент 760°С, когда температура нагре­той поверхности составляла 1650° С. Химически связанная двуокись циркония, армированная платиновыми сотами с соответ­ствующими размерами ячеек, обнаружила отличную термостой­кость при работе в области температур около 2300°С.

МЕТОДЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

Керамические изделия. Существует два основных способа изготовления керамических изделий, армированных металличе­скими волокнами,— горячее прессование и шликерное литье. По­пытки изготовить эти композиции холодным прессованием и спеканием успехом не увенчались. Металлические волокна, бу­дучи относительно жесткими, не позволяют керамической пудре уплотняться равномерно. К тому же волокна, деформируемые при холодном прессовании, имеют тенденцию к упругому после­действию после снятия давления, что в дальнейшем приводит к образованию дефектов уплотнения.

Горячее прессование обеспечивает «ненапряженное» состоя­ние композиции при температуре спекания. Этот способ сводится к прессованию смеси керамического порошка с металлическими волокнами под давлением от 140 до 350 кг/см2 и последующей выдержке при температуре спекания до максимального уплотне­ния керамики. В процессе горячего прессования волокна рас­полагаются в плоскостях, перпендикулярных направлению уси­лия прессования, но в самих этих плоскостях они ориентируются произвольно.

Серьезная трудность, связанная со способом горячего прес­сования, заключается в необходимости обеспечения хорошего перемешивания керамического порошка с металлическими во­локнами. Самое хорошее перемешивание достигается, по-види­мому, при некотором своеобразном способе утряски, которая получается в смесителе типа двойного конуса или в смесителе со сдвоенным барабаном. В смесителях скользящего действия, например в шаровых мельницах или барабанных смесителях, происходит расслоение смеси и перепутывание волокон. Длина волокна, по-видимому, оказывает заметное влияние на степень агломерирования волокон: чем короче волокна, тем меньше сте­пень агломерации. Однако при выборе длины волокна необходимо иметь в виду, что отношение длины волокна к его диаметру должно составлять не менее 20:1, поскольку именно такая величина, как установлено, является оптимальной при армировании волок­нами.

Шликерной отливкой керамической матрицы пользуются в настоящее время в меньшей степени, чем горячим прессованием.

Однако этот способ весьма перспективен при изготовлении ком­позиций с большей концентрацией армирующего металлического волокна и крупных изделий сложной формы, когда необходимо удешевить их производство.

Существуют две выгодные разновидности шликерного литья. Первая из них заключается в смешивании нарезанных таллических волокон с керамической суспензией и заливке этой смеси в гипсовую форму с последующими операциями сушки и обжига композиций. Однако применимость этого способа огра­ничивается тем, что ввести нарезанные волокна в суспензию без образования комков удается только до 5% по объему. Так, при достаточном содержании твердого вещества в суспензии (око­ло 80% по весу) концентрация волокна в обожженной ком­позиции ограничивается приблизительно 20% по объему. Кроме того, этот способ, подобно горячему прессованию, предусматри­вает применение только нарезанных волокон. Надо отметить, что па долю нарезанных волокон падает большая часть общих рас­ходов по изготовлению композиции, армированной металличе­ским волокном. Обычная стоимость молибденовых волокон длиной от 3,2 до 12,7 мм составляет около 3,3 долл. за 1 кг прово­локи диаметром 250 мк и до 330 долл. для проволоки диаметром 25 мк.