Научные основы формирования многокомпонентных алюмоциркониевых керамических материалов, содержащих гексаалюминаты лантана и бария, с высокой трещиностойкостью и стойкостью к термическому удару

Объектом исследования являются керамические композиционные материалы на основе оксида алюминия и диоксида циркония, содержащие гексаалюминаты лантана и бария и полученные электроискровым спеканием, горячим прессованием, свободным спеканием. Полученные в рамках выполнения проекта материалы исследовали методами растровой электронной микроскопии, рентгеновской дифракции, а также оценивали их кажущаюся плотность, открытую пористость, трещиностойкость, твердость, стойкость к термическому удару. В результате выполнения первого года проекта получены композиционные материалы на основе оксида алюминия, содержащие различное количество гексаалюминатов бария и лантана. Экспериментальные материалы получены по технологиям горячего прессования, электроискрового спекания, свободного спекания. Проведено сравнительное исследование различных технологий спекания на структуру и свойства композитов. Наиболее высокой трещиностойкостью обладает алюмооксидная керамика, содержащая 15 масс. % гексаалюмината бария, полученная свободным спеканием и горячим прессованием. Критический коэффициент интенсивности напряжений данных материалов составляет 5,7 МПа•м1/2. Для системы оксид алюминия – оксид лантана наиболее высокая трещиностойкость получена для материала с 10 масс. % LaAl11O18. Критический коэффициент интенсивности напряжений отмеченного материала составляет 5 МПа•м1/2. В системе оксид алюминия – гексаалюминат бария зафиксированы следующие механизмы повышения трещиностойкости: перерезание пластины в поперечном направлении; в продольном направлении с последующим отклонением траектории распространения; формирование мостиков. В системе оксид алюминия – гексаалюминат лантана основной механизм повышения трещиностойкости – разрушение пластин в продольном и поперечном направлении. Следует отметить, что для системы с гексаалюминатом бария разрушения пластин в поперечном направлении не зафиксировано. Установлено, что наличие гексаалюминатов приводит к снижению размеров зерен оксида алюминия, что связано с сегрегацией Ba и La по границам алюмооксидных зерен, что препятствует их миграции и росту. Кроме того, рост зерен гексаалюминатов любого химического состава сопровождается поглощением зерен оксида алюминия и часто наблюдается уменьшение их размеров. Оценена стойкость к термическому удару алюмоциркониевой керамики, содержащей 15 масс. % гексаалюмината бария и полученной по технологии горячего прессования. Спеченные и полированные образцы устанавливали в печь, нагретую до 1200 °С на 20 минут. После проводили охлаждение в воде. После 10 циклов нагрев-охлаждение образцы не разрушались, однако зафиксировано наличие отдельных трещин и пор. Фазовый состав и структура материалов не изменились. Зафиксировано снижение твердости и трещиностойкости примерно на 20 %. Составы композитов, обладающих наиболее высокими свойствами, были выбраны для дальнейшей модификации. На втором году выполнения проекта планируется введение магний- и марганецсодержащих соединений для получения сложных легированных алюминатов.