В.В.Скороход, ИПМ им. И.Н. Францевича НАН Украины, Киев
Материаловедение принято определять как науку, изучающую химический состав, структуру и свойства веществ, главным образом, твердых тел, закономерные взаимосвязи между этими характеристиками, а также их изменение при разнообразных внешних воздействиях. Вещественный объект в процессе синтеза и целенаправленной обработки становится материалом тогда, когда ему предписана определенная, заранее заданная функция.
Материаловедение аккумулирует достижения как целого ряда естественных и точных наук – физики и химии твердого тела, физической химии, механики сплошных сред, так и технологии в самом широком смысле этого слова. Следуя этой научной методологии, основоположником которой по праву считается Иван Никитович Францевич, удается создавать и в настоящее время новые эффективные материалы, в том числе и для экстремальных условий эксплуатации, характерных для многих видов современной техники.
Во многих случаях экстремальность условий определяется в первую очередь высокой температурой и значительными механическими напряжениями, часто в сочетании с другими факторами: химической агрессивностью внешней среды, мощным электромагнитным, радиационным, абразивно-эрозионным или другим воздействием.
Характерными примерами объектов, работающих при экстремальных тепловых нагрузках, являются рабочие лопатки высокотемпературных газовых турбин, оболочки тепловыделяющих элементов ядерных реакторов, детали камеры сгорания и соплового тракта ракетных двигателей, высокотемпературные печные нагреватели, термоэлектронные эмиторы и излучатели, а также: электрические контакты прерывателей больших токов высокого напряжения, нерасходуемые сварочные электроды для дуговой сварки, электроды контактной сварки и электроэрозионной обработки, сопла плазмотронов, мишени для лазерного или электронно-лучевого испарения и т. п.
Причиной аварийного разрушения изделий первой группы, работающих всем объемом при высоких температурах, обычно является постепенное накопление дефектов в объеме материала, которое происходит на третьей стадии ползучести, при термоциклировании или термоусталости, при химическом или радиационном распухании.
Традиционно выбор основы материалов этих изделий осуществляется по критериям механической и термодинамической стабильности структуры тугоплавкого вещества, или прочности сил межатомной связи: модулей упругости, энтальпии образования, температур плавления и испарения, диффузионной подвижности атомов. Материалы для этих объектов создаются на основе высокотемпературных гетерофазных систем (металлических или керамических), содержащих только тугоплавкие фазы, по технологии твердофазного спекания (горячего прессования), реакционного спекания или плавления и эвтектической кристаллизации.
Для второй группы изделий характерно преимущественно поверхностное воздействие внешней среды на материал, такая система по определению является открытой и подчиняется законам неравновесной термодинамики, причем процессы переноса в таких системах, как правило, носят неустановившийся характер. Поэтому для выбора материалов, которые должны эксплуатироваться в таких условиях, главными становятся кинетические критерии живучести, далеко не всегда совпадающие с критериями термодинамической стабильности.
Основными видами поверхностного, в том числе локального, катастрофического разрушения материалов этой группы следует считать: абляцию, т.е. тепловое разрушение под действием сверхкритических тепловых потоков за счет изменения агрегатного состояния вещества материала (плавление, испарение, сублимация); абразивную эрозию, т.е. механическое разрушение при соударении с быстро движущимися дисперсными частицами; высокотемпературную коррозию, т.е. химическое разрушение при реакциях с агрессивными жидкими или газообразными средами с образованием легко удаляемых продуктов; катодное ионное распыление.
В отличие от материалов предыдущей группы, материалы изделий, работающих в условиях поверхностного и относительно кратковременного контакта с высокоэнтальпийными средами, могут иметь в своей структуре легкоплавкие фазы, причем это положительно сказывается на их работоспособности и живучести. Это дает возможность использовать при их изготовлении сравнительно низкотемпературные технологические процессы жидкофазного спекания и пропитки.
Особую опасность с точки зрения живучести материалов представляет комбинирование воздействий, например, теплового и механического, химического и механического, радиационного и теплового, теплового и химического и др. Так, скорость высокотемпературной коррозии (окисления) жаростойких сплавов может резко возрасти при одновременном эрозионном действии абразивных твердых частиц, разрушающих защитную оксидную пленку. Электроэрозионное разрушение контактов и электродов под действием дугового разряда в реальных условиях происходит не только за счет электропереноса ионов металлов в плазме дуги, но и за счет выброса пондеромоторными силами расплавленного металла из ванны, образующейся в опорном пятне, а также за счет возникновения и разрыва мостиков. Такие же процессы наблюдаются при воздействии на мишень лазерного луча или электронного пучка.
В каждом из вышеприведенных случаев можно найти конкретные меры борьбы с поверхностным катастрофическим разрушением и продлить срок надежной эксплуатации материала и изделия в целом. Необходимо подчеркнуть, что в термодинамике необратимых сильно неравновесных процессов предполагается возможность существования в открытых системах динамически устойчивых состояний, в которых система может пребывать достаточно длительное время. Поиск условий возникновения таких состояний применительно к системе «материал-среда» является одной из наиболее сложных и актуальных проблем современного высокотемпературного материаловедения.
Не менее сложно решить проблему предотвращении накопления повреждений в объеме материала, рассматриваемого как термодинамическая закрытая система. Еще более заманчив поиск условий реализации возможных механизмов активного «самозалечивания» дефектов, т.е. создания в далекой перспективе самовосстанавливающихся материалов.
Наконец, одной из самых важных общих проблем в создании высокотемпературных материалов является проблема управления процессами формирования их микроструктуры на всех стадиях технологии синтеза и обработки. Здесь идеалом, к которому нужно стремиться, можно считать так называемую структурную «самоорганизацию», т. е. осуществление условий, при которых структура с заранее заданными геометрическими параметрами при запрограммированных определенным способом режимах обработки материала формируется самопроизвольно. Ярким примером такой самоорганизации является направленная кристаллизация тугоплавких эвтектик, а также реакционное жидкофазное спекание с образованием «самосвязанного» каркаса. Значительный интерес представляет образование вторичных градиентных структур под воздействием рабочей среды на поверхность материала, полезных с точки зрения выполнения им заданной функции. В этом случае процесс структурной самоорганизации продолжается и во время адаптации материала к внешним условиям эксплуатации.
Использование в практике конструирования и технологического воплощения материалов высокотемпературного назначения общих принципов, часть из которых обсуждена в настоящем докладе, позволит материаловедам и технологам успешнее решать сложные задачи, которые ставит перед высокотемпературным материаловедением современная техника.