» » Разрушение и термическое разложение карбидов переходных металлов
24.12.2014

Исследованы монокарбиды циркония, ниобия и тантала, состава, близкого к стехиометрическому, изготовленные металлокерамическим способом. Эти материалы имеют очень высокую твердость, поэтому представляло интерес найти режимы облучения, позволяющие проводить механическую обработку как с изменением структуры, так и без изменения.
Обычной схемой облучения является направление горизонтального луча на вертикальную поверхность образца. Эта схема облучения оказалась малопригодной для образцов карбидов, так как спеченные материалы имели чрезвычайно высокую хрупкость. Например, в карбиде циркония разрушение наблюдалось даже при облучении несфокусированным световым импульсом. Разработан ряд приспособлений для сохранения материала, в том числе устройства для изменения направления луча в интервале от 0 до 180°, в жидкости и т. д. Для улавливания материала, выбрасываемого при облучении, использованы стеклянные и металлические пластинки.
Исследование проводилось методами металлографического и рентгеноструктурного анализа. Применялись излучения железного и медного анодов с регистрацией интенсивности сцинтилляционными счетчиками. Точность измерения периода решетки при съемке на медном излучении составляла: для линии (111) (16°30') ±0,01 А, для линии (311) : (33°0,5')±0,006 А, для линии (531): (76°36')±0,001 А.
Измерение микротвердости проводилось с нагрузками до 200 Г.
Получено, что при облучении карбида циркония ZrC с поверхности отлетают чешуйки, вогнутые в сторону источника облучения, и большие куски, имеющие форму треугольной пирамиды. Вся поверхность разрушения имеет форму, близкую к полушаровой. Капли оплавленного материала встречаются редко. Микротвердость при облучении практически не меняется.
Для карбида ниобия NbC в районе хрупкого разрушения также не наблюдалось изменения микроструктуры. Многократное облучение позволяет получить тонкую пленку расплава с микротвердостью 2900 кГ/мм2, что в 2 раза выше микротвердости спеченного материала (1300/1500 кГ/мм2).
Прямое доказательство плавления карбида ниобия в лазерном луче получено с помощью исследования пластинок, на которые собирались продукты выброса. В частности, на стекле хорошо видны капли расплава.
Еще более четкий эффект плавления наряду с хрупким разрушением наблюдался на карбиде тантала TaC, где удалось провести металлографическое исследование слоя застывшего расплава в различных сечениях. Из микрофотографий видно, что слой имеет ориентированную вдоль действия луча структуру, что является частным случаем эффекта получения ориентированных структур при облучении, обнаруженного на ряде материалов и имеющего важное значение для создания слоев с анизотропными свойствами.
Микротвердость оплавленной зоны составляет до 2450 кГ/мм2, что гораздо больше микротвердости исходной структуры (1300/1750 кГ/мм2). Рентгеноструктурное исследование спеченных карбидов циркония, ниобия и тантала показало очень незначительный эффект изменения периода решетки, наибольшая величина эффекта получена для карбида тантала, где период после облучения равен (4,452±0,001)А по сравнению с (4,456±0,001)А до облучения, т. е. уменьшается па 0,004А.
Анализ продуктов выброса, однако, показал сильное изменение как фазового состава, так и периода решетки. Так, для карбида циркония ZrC период решетки в исходном состоянии составлял (4,696±0,001)А, а после облучения и выброса (4,684+0,001)А, т. е. уменьшался на 0,01 А.
Из карбида ниобия NbC возникает Nb2C и твердый раствор на основе ниобия. Соответствующие рентгенограммы приведены на рис. 6.9. Период решетки NbC после облучения уменьшается от (4,468±0,001)А.
При облучении карбида тантала TaC возникает карбид Ta2C и металлический тантал (рентгенограммы на рис. 6.10). Период решетки TaC уменьшается от (4,456±0,001)А.
Облучение в вакууме даже при незначительном изменении давления до 10в-/10в-2 мм рт. ст. приводит к резкому уменьшению наблюдаемых эффектов. Например, для карбида ниобия изменение периода решетки монокарбида на 0,01 А меньше, чем при облучении на воздухе, количество Nb2C после облучения гораздо меньше и образование чистого ниобия практически не наблюдается.
Таким образом, основным эффектом при облучении спеченных карбидов циркония, ниобия и тантала световыми импульсами лазера является механическое разрушение без изменения химического состава.
Разрушение и термическое разложение карбидов переходных металлов

Для практического использования этого эффекта, позволяющего заменить сложную и длительную механическую обработку высокопрочных карбидов лазерной обработкой, необходимо найти способы контроля растрескивания материала. В числе таких способов можно указать нагрев карбидов с выходом в пластическую область, изменение условий спекания и облучения, использование металлической связки и т. д.
Изменение химического состава и свойств карбидов в результате облучения может быть использовано для создания более гомогенного и не содержащего пор слоя на поверхности изделий, а также создания слоев с ориентированной структурой.
Физические процессы при облучении карбидов можно описать следующим образом. Световой импульс, попадая на облученную поверхность, может нагреть ее в принципе до температуры, превышающей температуру кипения; при этом материал проходит через стадии нагрева в твердой фазе, плавления и испарения. Реальное существование каждого из этих процессов зависит от соотношения между параметрами (продолжительностью и энергией) светового импульса, с одной стороны, и теплофизическими и механическими свойствами облученного материала — с другой.
Крайними случаями при этом являются металлы со сравнительно невысокой температурой плавления, высокой пластичностью и теплопроводностью, где наблюдаются почти только тепловые эффекты с фазовыми переходами и кристаллические диэлектрики, где наблюдаются термомеханические эффекты разрушения и пластической деформации (образования и движения дислокаций). Поведение карбидов ближе всего к последнему случаю. Хрупкость материала приводит к тому, что разрушение происходит по четко выраженному термоупругому механизму и поверхность разрушения повторяет форму поверхности, на которой амплитуда термоупругой деформации достигает максимальной величины (плоские чешуйки для поверхностной волны, полушаровая поверхность для волны в полубесконечном пространстве с точечным источником).
При некоторых условиях облучения в окислительной атмосфере удается получить химические реакции в карбидах, в основном сводящиеся к выгоранию углерода с образованием либо того же карбида с меньшим содержанием углерода (сдвиг в области гомогенности), либо другого карбида, либо, наконец, чистого металла или твердого раствора на его основе. Путем подбора условий можно получить в поверхностном слое карбида любой из этих эффектов, в том числе полную диссоциацию, обнаруженную в некоторых полупроводниковых соединениях. Важная роль атмосферы, в которой проводится облучение, следует из сравнения результатов облучения на воздухе и в невысоком вакууме.