Підвищення механічних властивостей керамічних матеріалів на основі нітриду кремнію для обладнання нафтогазових галузей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Підвищення механічних властивостей керамічних матеріалів на основі нітриду кремнію для обладнання нафтогазових галузей

Я.А. Криль, І.Д. Гнилиця, Я.М. Дрогомирецький ІФНТУНГ

Аннотация

Проведены механические испытания материалов системы Si₃N₄-Y₂O₃-Al₂O₃, полученных высокотемпературным деформированием в диапазоне температур 1750-1850 ⁰С. Установлено, что материал имеет повышенный уровень механических свойств: твердость-18-19 ГПа, прочность при изгибе - 1200-1350 МПа, коэффициент трещиностойкости-11,0-14,0 МПа•м^1/2 и надежности: модуль Вейбулла-22-24. Показано, что метод деформирования при высокой температуре обеспечивает получение материала с высокой плотностью и направленной микро-структурой.

Ключевые слова: нитрид кремния, высокотемпературное деформирование, прочность, трещиностойкость, анизотропия.

Abstract

Mechanical testing silicon nitride based materials Si₃N₄-Y₂O₃-Al₂O₃, obtained by high temperature deformation in a temperature range 1750-1850 ⁰С was studied. The material has an increased level of mechanical properties: hardness-18-19 GPa, three point strength - 1200-1350 MPa,- 11,0-14,0 MPa•m^1/2 and increased steady level: Weibull's modulus-22-24 was achieved. It was shown what high temperature deformation provides obtaining of material with high density and directed microstructure.

Key words: silicon nitride, high temperature deformation, strenght, fracture toughness, anisotropy

В теперішній час керамічні матеріали знаходять більш ширше застосування в машинах і обладнанні нафтогазових галузей. Безпосередньо - це зносостійкі вузли тертя, в яких перевага керамічних матеріалів порівняно зі сталевими очевидна: висока твердість, висока міцність, що зберігається до 1400 ⁰С, на 30-70 % менша питома маса, широкий діапазон значень теплопровідності, висока зносостійкість в абразивному і агресивному середовищах.

Серед керамічних конструкційних матеріалів матеріали на основі нітриду кремнію сьогодні розглядаються як одні з лідерів конструкційної кераміки, кількість публікацій, присвячених цьому матеріалу, не зменшується [1-8]. Однак досягнутий рівень властивостей нітридокремнієвої кераміки і особливо їх стабільність ще недостатні для широкого промислового використання. Для реалізації потенціальних можливостей даного матеріалу, зокрема в нафтогазовій галузі, необхідне створення технології високощільних нітридокремнієвих матеріалів та виробів з них. Максимальними механічними властивостями характеризуються нітридокремнієві матеріали, одержані методом високотемпературного газостатичного ущільнення 9. Проте цей метод потребує дорогого обладнання. Напружений стан при високотемпературному деформуванні зумовлює формування направленої структури (текстури), яку можна регулювати і використовувати при отриманні виробів. При високотемпературному деформуванні можуть бути значно підвищені експлуатаційні параметри та надійність нітридокремнієвих матеріалів, а також можливе отримання осесиметричних виробів з високотемпературної нітридної кераміки : підшипники ковзання, сопла.

Спікання заготовок для деформування систем Si₃N₄-5Y₂O₃-5Al₂O₃ і Si₃N₄-5Y₂O₃-2Al₂O₃ проводили в печі СШВЛ під тиском азоту 0,03 МПа при температурі 1750 ^ОС на протязі години. Пористість отриманих матеріалів становила 5-6 %, міцність при згині Si₃N₄-5Y₂O₃-5Al₂O₃ - 720 МПа, Si₃N₄-5Y₂O₃-2Al₂O₃ - 520 МПа, коефіцієнт тріщиностійкості 5,5-6,0 МПа/м². Структура вихідних матеріалів - ізотропна.

Деформування проводили за схемою прямої, зворотної та бокової екструзії в інтервалі температур 1700-1850 ⁰С з швидкістю деформації 10^-3 с^-1 на початковому етапі і 10^-4 с^-1 на стадії стаціонарного деформування 9.

З деформованого матеріалу вирізали зразки за схемою, представленою на рисунку 1.

Рисунок 1 - Схема механічних випробувань зразків, вирізаних з матеріалу, деформованого за схемою бокової екструзії

Твердість деформованого матеріалу визначали за методом Віккерса. Міцність деформованого матеріалу визначали при триточковому згині зразків 3,55,035 мм, оброблених до шорсткості R_a=0,06 мкм алмазним інструментом АСМ 14/10-М04 в напрямі, перпендикулярному прикладанню навантаження, з базовою довжиною 30 мм на машині ГР-10.

Для визначення K_1C застосовувався метод, 11, який полягає в тому, що в плоску поверхню зразка вдавлюється піраміда Віккерса і за розміром відбитка та довжиною радіальних тріщин K_1C визначається за формулою

,(1)

де: a - половина діагоналі відбитка; с - довжина радіальної тріщини, виміряна від центра відбитка; К=3,2 - коефіцієнт пропорційності; Ф - відношення твердості до межі текучості, яке для крихких матеріалів визначається за формулою Марша 12

,(2)

де - твердість за Віккерсом; - межа текучості,

=0,28;=0,60;, (3)

, (4)

де , (5) і , (6)

де E - модуль Юнга; - коефіцієнт Пуассона.

Відношення можна визначити за відношенням з графіка, представленого в 12.

Випробування проводили за допомогою твердоміра ТП-7Р-1 з індентором Віккерса при навантаженні 150 Н. Розміри відбитків і довжини тріщин вимірювали на оптичному мікроскопі “Неофот-2”. На кожен зразок наносили 8-10 відбитків, а для одержання середнього значення тріщиностійкості матеріалу випробували 5 зразків.

Стабільність значень міцності деформованого матеріалу оцінювали за величиною модуля Вейбулла m, який розраховували за двопараметровою схемою

,(7)

де - ймовірність руйнування при напруженні .

Константи матеріалу і m знаходили, використовуючи метод найменших квадратів за допомогою системи нелінійних рівнянь на ПЕОМ.

Після високотемпературного деформування за схемою прямої і зворотної екструзії при різних температурах спостерігається значне зростання механічних характеристик матеріалів порівняно з характеристиками вихідних матеріалів (рис. 2, 3).

Рисунок 2 - Міцність при триточковому згині деформованих зразків в напрямі паралельному напряму деформування

Рисунок 3 - Тріщиностійкість деформованих зразків

Твердість є важливою характеристикою матеріалу, що відображає енергію зв'язку і симетрію структури. Твердість зразків за Віккерсом, деформованих при температурах 1750-1850 ⁰С, становила від 16,5 до 19,3 ГПа. Після деформування при 1750 ⁰С твердість зразків на 1,1-1,2 ГПа більша, ніж твердість вихідного матеріалу (?15,5 ГПа). Для системи Si₃N₄-5Y₂O₃-5Al₂O₃ максимальне збільшення твердості спостерігається при переході до температури екструзії 1800 ⁰С. Подальше підвищення температури деформування дає в 2 рази менший приріст даної величини. Для системи Si₃N₄-5Y₂O₃-2Al₂O₃ спостерігається аналогічна картина. За абсолютною величиною твердість у всьому діапазоні температур для Si₃N₄-5Y₂O₃-2Al₂O₃ на 0,4-0,6 ГПа вища, ніж для Si₃N₄-5Y₂O₃-5Al₂O₃ і при 1850 ⁰С досягає значення 19,3 ГПа.

При низьких температурах, коли зерна нітриду кремнію і міжзернова склофаза перебувають в крихкому стані, міцність дуже чутлива до морфології зерен матеріалу і рівномірності розподілу міжзернової фази. Пори в об'ємі матеріалу є концентраторами напружень і джерелами утворення тріщин.

В процесі екструзії проходить доущільнення до пористості <1 %. Після високотемпературного деформування матеріал містить переважно орієнтовані вздовж напряму деформування видовжені зерна -Si₃N₄, присутність яких призводить до значного підвищення міцності при згині в напрямі, паралельному напряму екструзії і до деякого підвищення міцності в напрямі, перпендикулярному напряму екструзії.

Після високотемпературного деформування при 1750 ⁰С міцність при згині збільшилась і була значно вищою для Si₃N₄-5Y₂O₃-5Al₂O₃. При переході до температури екструзії 1800 ⁰С спостерігається значне (~200 МПа) збільшення, вище як за приростом, так і за абсолютною величиною для Si₃N₄-5Y₂O₃-2Al₂O₃.

Подальше підвищення температури до 1850 ⁰С призводить до подібного результату. Максимальне значення міцності досягнуте при 1850 ⁰С для Si₃N₄-5Y₂O₃-5Al₂O₃ і становить 1200 МПа, а для Si₃N₄-5Y₂O₃-2Al₂O₃ -1350 МПа.

Основною проблемою керамічних матеріалів взагалі і нітриду кремнію зокрема є їх висока крихкість, що зумовлює руйнування при напруженнях, значно менших, ніж межа міцності, шляхом росту тріщини понад критичний розмір, збільшення якої веде до зниження критичного напруження руйнування. Величина K_1C - в'язкість руйнування - визначає здатність матеріалу протистояти розвитку тріщини. Вище значення K_1C означає меншу небезпеку крихкого руйнування і відповідно вищу надійність деталі, виготовленої з цього матеріалу.

Величина коефіцієнта тріщиностійкості зразків, деформованих при температурах 1750- 1850 ⁰С, становила від 7 до 14 МПам^1/2. Для системи Si₃N₄-5Y₂O₃-5Al₂O₃ максимальне збільшення тріщиностійкості (приблизно на 3 МПам^1/2) спостерігається при переході до температури екструзії 1800 ⁰С. Подальше підвищення температури деформування дає менший приріст даної величини (1-2 МПам^1/2). Для системи Si₃N₄-5Y₂O₃-2Al₂O₃ характер збільшення тріщиностійкості при переході від 1750 до 1800 ⁰С не відрізняється від попередньої системи, а при переході від 1800 до 1850 ⁰С спостерігається не зменшення, а збільшення інтенсивності приросту К_1С. Це може бути свідченням більш рівномірного перерозподілу міжзернової фази і формування більш однорідної структури в деформованих зразках з меншою кількістю активуючих добавок. За абсолютною величиною більші значення тріщиностійкості у всьому діапазоні температур отримували для матеріалу Si₃N₄-5Y₂O₃-2Al₂O₃, тобто для системи з меншою кількістю компонентів, які беруть участь в утворенні рідкої фази при температурі деформування.

Таким чином, суттєвою перевагою отриманого матеріалу є значно вища тріщиностійкість, яка уможливлює його застосування у вузлах з динамічним характером навантаження.

Модуль Вейбулла деформованого матеріалу монотонно зростає з підвищенням температури деформування порівняно з початковим значенням (14-16 для матеріалів обох складів), і при 1850 ⁰С для Si₃N₄-5Y₂O₃-5Al₂O₃ його значення становить 22, а для Si₃N₄-5Y₂O₃-2Al₂O₃ - 24.

В таблиці 1 вказані отримані значення міцності і коефіцієнта тріщиностійкості в паралельному і перпендикулярному до напряму деформування перерізах при боковій екструзії. У випадку прямої та зворотної екструзії отримані значення у зразках N i N' та Т і Т' повністю ідентичні. Як випливає з представлених даних, спостерігається чітка тенденція до збільшення міцності і тріщиностійкості зразків N i T після високотемпературного деформування порівняно з вихідним матеріалом. Формування направленої структури має суттєвий вплив на властивості зразків N i T і значно менший для T' зразків. Однією з можливих причин відмінності властивостей в різних перерізах є різниця в мікроструктурі, викликана неоднорідним плином матеріалу під час деформування. Поведінка матеріалу буде різною в різних точках площини деформації. В деформованому матеріалі були виявлені аномально великі видовжені зерна та їх скупчення 9,13. На межах таких зерен може бути підвищений вміст міжзернової фази, а такі місця можна розглядати як великі дефекти, які є причиною неоднорідності механічних властивостей 13-16.

Таблиця 1 Міцність при згині та коефіцієнт тріщиностійкості до і після високотемпературного деформування композицій Si₃N₄-Y₂O₃-Al₂O₃

Визначальним параметром стосовно механічних властивостей будь-якого матеріалу є його мікроструктура. Осі більшості кристалів -Si₃N₄ після високотемпературної екструзії орієнтовані вздовж напряму деформування. Анізотропія форми зерна і певна орієнтація, які є взаємопов'язаними явищами, зумовлюють помітну направленість фізичних і механічних властивостей деформованого нітриду кремнію.

Підвищення модуля Вейбулла деформованого матеріалу від 14-16 до 20-24 пов'язане з гомогенізацією структури матеріалу.

Результати досліджень деформування при високих температурах матеріалів на основі нітриду кремнію показали, що цей метод забезпечує отримання матеріалу з високою щільністю і специфічною мікроструктурою, яка складається з видовжених зерен в-Si₃N₄, переважно орієнтованих в напрямі деформування, що є основними умовами для досягнення високих механічних характеристик.

деформування кремній тріщиностійкість міцність

Література

1. Ralf Riedel. Handbook of Ceramic Hard Materials // Silicon Nitride Based Hard Materials. M. Herrmann, H. Klemm, Chr. Schubert.- WILEY-VCH Verlag GmbH, D-69469 Weinheim (Federal Republic of Germany).- 2000.- P. 749-801.

2. N. Kondo, T. Ohji, E. Sato and F. Wakai. Microstructures and Mechanical Properties of Anisotropic Silicon Nitride Produced by Superplastic Deformation // Key Engineering Materials Vols.- 1999.- 161-163.- P. 555-558.

3. K. Hirao, H. Imamura, K. Watari, M.E. Brito, M. Toriyama and S. Kanzaki. Seeded Silicon Nitride: Microstructure and Perfomance // Key Engineering Materials Vols.- 1999.- 161-163.- P. 471-474.

4. Thierry Chartier, Marc Ferrato and Jean-Franзois Baumard. Influence of the Debinding Method on the Mechanical Properties of Plastic Formed Ceramics // Journal of the European Ceramic Society.- 1995.- 15, № 5.- P. 899-903.

5. Bai Bingzhe and K. A. Padmanabhan. Evolution of Microstructures and Homogeneity in Superplastic Deformation // Material Science Forum Vols.- 1997.- 243-245.- P. 191-196.

6. T. Nishimura, G.-D. Zhan, M. Mitomo and H. Sato. Improvement of Mechanical Properties after Superplastic Deformation of Silicon Nitride // Material Science Forum Vols.- 1999.- 304-306.- P. 477-482.

7. Nakoi Kondo, Tatsuki Ohji. Strengthening and Toughening of Silicon Nitride by Superplastic Deformation // J. Amer. Ceram. Soc.- 1998.- 81, 3.- P. 713-716.

8. Naoki Kondo, Eiichi Sato, Fumihiro Wakai. Geometrical Microstructural Development in Superplastic Silicon Nitride with Rod-Shaped Grains // J. Amer. Ceram. Soc.- 1998.- 81, 12.- P. 3221-3227.

9. Я.А. Крыль, И.Д. Гнылыця, Н.В. Даниленко, В.М. Верещака. Высокотемпературная екструзия нитридокремниевой керамики // Современные проблемы физического материаловедения. Ч. I: Сб. науч. тр. / НАН Украины. Ин-т пробл. Материаловедения им. И.Н.Францевича; Редкол.: Скороход В.В. (отв. ред.) и др. - Киев, 1999. - С. 157-167.

10. Крыль Я.А. Высокотемпературное газостатическое уплотнение нитрида кремния.-К.: Наук. думка, 1993.- 144 с.

11. Evans A.G., Charles E.A. Fracture Toughness Determination by Indentation // J. Amer. Ceram. Soc.- 1976.- 59, 7-8.- P.371-372.

12. Marsh D.M. Prastie flow in glass // Proc. Roy. Soc. Lond. A-279.- 1964.- 1378.- P. 420-435.

13. Naoto Hirosaki and Hideaki Matsubara. Effect of Heat Treatment of Si₃N₄ on Grain Growth Behavior and Grain Boundary Structure // Journal of Ceramic Society of Japan, Int. Edition.- 1997.- 105.- P. 234-239.

14. Yusuke Okamoto, Naoto Hirosaki, Motohide Ando, Fumio Munakata and Yoshio Akimune. Influence of Phase Transformation on Grain Growth Rate of Silicon Nitride // Journal of Ceramic Society of Japan, Int. Edition.- 1997.- 105.- P. 514-516.

15. Yusuke Okamoto, Naoto Hirosaki, Motohide Ando, Fumio Munakata and Yoshio Akimune. Thermal Conductivity of Self-Reinforced Silicon Nitride Containing Large Grains Aligned by Extrusion Pressing // Journal of Ceramic Society of Japan, Int. Edition.- 1997.- 105.- P. 684-687.

16. T. Kizuka, K. Hosoki, S. Deguchi and M. Naruse. Direct Atomistic Observation of Grain Boundary Sliding. II. Silicon Including Boundary Glass Phase // Material Science Forum Vols.- 1999.- 304-306.- P. 561-566.

Размещено на Allbest.ru