Метод нанесения барьерных покрытий

Этот метод эффективен для ограничения взаимодействия как в твердофазном состоянии, так и при контакте волокна с жидкой матрицей.

Задача барьерного покрытия сводится к снижению скорости растворения волокна в матрице и подавлению роста интерметаллидных прослоек на границе волокно-матрица, т.е. к уменьшению скорости на границе волокно-матрица. При этом диффузионный барьер может обладать прочной связью с волокном и матрицей при химической инертности по отношению к ним. Рассмотрим конкретный пример: систему, состоящую из никеля, упрочненного вольфрамом или молибденом. В КМ на никелевой основе упрочненных W и Мо, этим требованиям отвечают покрытия из нитридов титана TiN.

Покрытие из TiN толщиной 3-6 мкм наносят на W и Мо-волокна на установке непрерывного действия путем восстановления тетрахлорида титана водородом в присутствии ^оптимальная температура осаждения составляет 1100 С, скорость осаждения 0.5 мкм/с, производительность установки 20 м/с.

Для проверки эффективности нитридного покрытия в качестве барьерного слоя были приготовлены образцы (путем горячего прессования из КМ на основе Ni), их отжигали при 1100-1200 С от 1 до 100 часов, затем матрицу растворяли и проволоку испытывали на прочность при комнатной температуре. При этом прочность волокон с покрытиями оказалась выше прочности волокон без покрытия в 1.5-2 раза.

Причина заключается в том, что проволока из W без покрытия заметно растворяется в никеле и во многих случаях на ней образуется широкая рекристаллизованная зона, в то время как при наличии покрытия растворимость очень незначительная и W-проволока сохраняет свою волокнистую структуру.

Результаты микрорентгеноспектрального анализа и измерения микротвердости показали, что покрытие из TiN по составу остается практически неизменным, а количество W и Мо, прошедших через эти покрытия, очень незначительно.

В чем же заключается эффект применения покрытий из нитрида титана в качестве диффузионных барьерных слоев?

В слое нитрида титана существует перепад концентраций, обеспечивающий поток вольфрама через нитридный слой. Если принять этот переход постоянным, то диффузия W будет происходить в стационарных условиях, т.е. в соответствии с 1-м законом Фика:

, где D =D_oexp(-Q/RT).

Для нашего случая, когда диффузия идет через слой TiN:

где -поток атомов W;

– коэффициент диффузии W в нитриде титана,);

- толщина слоя нитрида, (см).

Верхняя кривая – волокно без покрытия, отжиг1100 ºC

Нижняя (горизонтальная) линия – волокно с покрытием, отжиг 1000ºC.

Поток W (или Мо) через нитридный слой можно рассчитать по площади кривой распределения концентраций W (или Мо) в никеле по данным микрорентгеноспектрального анализа (см. рисунок).

В отсутствии нитридного слоя поток через границу раздела W-Ni за время т определяется уравнением:

где

C₀—предельная концентрация вольфрама в никеле;

– коэффициент диффузии вольфрама в никеле.

Сопоставление потоков W и Мо через границу раздела волокно-матрица в случае использования волокон с покрытиями и без покрытий позволяет оценить время эффективного воздействия диффузионного барьерного слоя. При оценке этого времени следует помнить, что оно зависит от толщины слоя. Для исследованного случая толщина барьерного слоя на вольфраме составляет 6, а на молибдене - 5 микрон. Таким образом, TiN в одинаковой мере способствует предотвращению диффузии W и Мо в никеле.

При использовании нитридных покрытий могут быть созданы такие условия, при которых покрытия будут находится в равновесии с жидкими никелевыми сплавами, что важно с точки зрения сохранения покрытий в процессе получения КМ способом пропитки.

Дата добавления: 2014-01-03