38.1. Класифікація
Композиційні матеріали - це матеріали, армовані наповнювачами, які певним чином розташовані в матриці Наповнювачами найчастіше є речовини з високою енергієюміжатомних зв'язків, високоміцні та високомодульні, проте в поєднанні з крихкими матрицями можуть бути застосовані і високопластичні наповнювачі
Сполучні компоненти, або матриці, композиційних матеріалах можуть бути різними - полімерними, керамічними, металевими або змішаними. В останньому випадку говорять про поліматричні композиційні матеріали.
По морфології армуючих фаз композиційні матеріалиподіляють на:
нульмерні (позначення: 0,) або зміцнені частинками різної дисперсності, безладно розподіленими в матриці;
одномірні волокнисті (позначення: 1), або зміцнені односпрямованими безперервними або дискретними волокнами;
двомірні шаруваті (позначення: 2), що містять однаково орієнтовані зміцнюючі ламелі або шари (рис. 38.1).
Анізотропія композиційних матеріалів, що «проектується» заздалегідь з метою використання її у відповідних конструкціях, називається конструкційною.
За розміром армуючих фаз або розміром осередку армування композиційні матеріали поділяють таким чином:
субмікрокомпозити (розмір осередку армування, діаметр волокон або частинок<С 1 мкм), например, дисперсноупрочненные сплавы или волокнистые композиционные материалы с очень тонкими волокнами:
мікрокомпозити (розмір осередку армування, діаметр волокон, частинок або товщина шарів 1 мкм), наприклад матеріали, армовані частинками, волокнами вуглецю, карбіду кремнію, бору і т д., односпрямовані евтектичні сплави;
макрокомпозити (діаметр або товщина армуючих компонентів -100 мкм), наприклад деталі з мідних або алюмінієвих сплавів, армовані вольфрамовим або сталевим дротом або фольгою. Макрокомпозити найчастіше застосовують підвищення зносостійкості деталей тертя у технологічному оснащенні.
38.2. Міжфазна взаємодія у композиційних матеріалах
38.2.1. Фізико-хімічна та термомеханічна сумісність компонентів
Поєднання в одному матеріалі речовин, що істотно різняться за хімічним складом та фізичними властивостями, висуває на перший план при розробці, виготовленні та поєднанні композиційних матеріалів проблему термодинамічної та кінетичної сумісності компонентів. Під гермо
динамічної сумісністю розуміють здатність матриці та армуючих наповнювачів перебувати у стані термодинамічної рівноваги необмежений час при температурах отримання та експлуатації. Багато штучно створені композиційні матеріали термодинамічно несумісні. Виняток становлять лише кілька металевих систем (Сі-W, Сі-Мо, Ag-W), де немає хімічної та дифузійної взаємодії між фазами прн необмеженому часі їх контакту.
Кінетична сумісність - здатність компонентів композиційних матеріалів зберігати метастабільну рівновагу у певних температурно-часових інтервалах. Проблема кінетичної сумісності має два аспекти: 1) фізико-хімічний – забезпечення міцного зв'язку між компонентами та обмеження на поверхнях розділу процесів розчинення, гетеро – та реакційної дифузії, які ведуть до утворення крихких продуктів взаємодії та деградації міцності армуючих фаз та композиційного матеріалу в цілому; 2) термомеханічний-досягнення сприятливого розподілу внутрішніх напруг термічного та механічного походження та зниження їх рівня; забезпечення раціонального співвідношення між деформаційним зміцненням матриці та її здатністю до релаксації напруг, що запобігає перевантаженню та передчасному руйнуванню зміцнювальних фаз.
Існують такі можливості покращення фізико-хімічної сумісності металевих матриць з армуючими наповнювачами:
I. Розробка нових видів армуючих наповнювачів, стійких у контакті про метал матриць при високих температурах, наприклад керамічних волокон, ниткоподібних кристалів і дисперсних частинок з карбідів кремнію, титану, цирконію, бору, оксидів алюмінію, цирконію, нітридів кремнію, бору та ін.
II Нанесення бар'єрних покриттів на армуючі наповнювачі, наприклад, покриттів з тугоплавких металів, карбідів титану, гафнію, бору, нітридів титану, бору, оксидів ітрію на волокна вуглецю, бору, карбіду кремнію. Деякі бар'єрні покриття на волокнах, переважно металеві, є засобом поліпшення змочування волокон матричними розплавами, що особливо важливо при отриманні композиційних матеріалів рідкофазними методами. Такі покриття часто називають технологічними.
Не менш важливим є виявлений при нанесенні технологічних покриттів ефект пластифікування, що проявляється в стабілізації і навіть підвищенні міцності волокон (наприклад, при алітуванні бору бору протягуванням через ванну з розплавом або при нікелюванні волокон вуглецю з подальшою термічною обробкою).
ІІІ. Застосування в композиційних матеріалах металевих матриць, легованих елементами з більшим спорідненістю до армуючого наповнювача, ніж метал матриці, або поверхнево-активними добавками. Зміна хімічного складу меж розділу, що відбувається при цьому, повинна перешкоджати розвитку міжфазної взаємодії Легування матричних сплавів поверхнево-активними або карбідоутворюючими добавками, так само як і нанесення технологічних покриттів на волокна, може сприяти поліпшенню змочуваності металевими розплавами армуючого наповнювача.
IV. Легування матриці елементами, що підвищують хімічний потенціал армуючого наповнювача в матричному сплаві, або добавками армуючого матеріалу наповнювача до концентрацій насичення при температурах отримання илн експлуатації композиційного матеріалу. Таке легування перешкоджає розчиненню армуючої фази, тобто підвищує термічну стабільність композиції.
V. Створення «штучних» композиційних матеріалів типу «природних» евтектичних композицій шляхом вибору відповідного складу компонентів.
VI. Вибір оптимальних тривалостей контактування компонентів при тому чи іншому процесі одержання композиційних матеріалів або в умовах їхньої служби, тобто з урахуванням температурно-силових факторів. Тривалість контактування, з одного боку, має бути достатньою виникнення міцних адгезійних зв'язків між компонентами; з іншого боку, не приводити до інтенсивної хімічної взаємодії, утворення крихких проміжних фаз та зниження міцності композиційного матеріалу.
Термомеханічну сумісність компонентів у композиційних матеріалах забезпечують:
вибором матричних сплавів та наповнювачів з мінімальною відмінністю в модулях пружності, коефіцієнтах Пуассона, коефіцієнтах термічного розширення;
застосуванням проміжних шарів і покриттів іа армуючих фазах, що зменшують відмінності у фізичних властивостях матриці та фаз;
переходом від армування компонентом одного виду до поліармування - іію, тобто поєднання в одному композиційному матеріалі зміцнювальних волокон, частинок або шарів, що відрізняються за складом та фізичними властивостями;
зміною геометрії деталей, схеми та масштабу армування; морфології, розміру та об'ємної частки армуючих фаз; заміною безперервного наповнювача дискретним;
вибором способів та режимів виробництва композиційного матеріалу, що забезпечують заданий рівень міцності зв'язку його компонентів.
38.2.2. Армують наповнювачі
Для армування металевих матриць застосовують високоміцні, високомодульні наповнювачі - безперервні та дискретні металеві, неметалічні та керамічні волокна, короткі волокна та частинки, ниткоподібні кристали (табл. 38.1).
Вуглецеві волокна є одним з найбільш освоєних у виробництві перспективних армуючих матеріалів. Важлива перевага вуглецевих волокон - їхня низька питома вага, теплопровідність, близька до металів (Я=83,7 Вт/(м-К)), відносно низька вартість.
Волокна поставляють у вигляді рівних або закручених міогофіламентних джгутів, тканин або стрічок з них. Залежно від типу вихідної сировини діаметр філаментів змінюється від 2 до 10 мкм, кількість філамеїтів у джгуті – від сотень до десятка тисяч штук.
Вуглецеві волокна мають високу хімічну стійкість в атмосферних умовах і мінеральних кислотах. Термостійкість волокон невисока: температура тривалої експлуатації повітря не перевищує 300-400 °З. Для підвищення хімічної стійкості в контакті з металами на поверхню волокон наносять бар'єрні покриття з боридів титану та цирконію, карбідів титану, цирконію, кремнію, тугоплавких металів.
Борні волокна отримують осадженням бору з газової суміші водню і трихлористого бору іа вольфрамовий дріт або вуглецеві моноволокна, що нагрівається до температури 1100-1200 °С. При нагріванні на повітрі волокна бору починають окислюватися при температурах 300-350 ° С, при 600-800 ° С повністю втрачають міцність. Активна взаємодія з більшістю металів (Al, Mg, Ті, Fe, Ni) починається за температури 400-600 °С. Для підвищення термостійкості на волокна бору наносять газофазним способом тонкі шари (2-6 мкм) карбіду кремнію (SiC/B/W), карбіду бору (B4C/B/W), нітриду бору (BN/B/W)
Волокна карбіду кремнію діаметром 100-200 мкм виробляють осадженням при 1300 °З парогазової суміші чотирихлористого кремнію і метану, розведеної воднем у співвідношенні 1:2: 10, іа вольфрамовий дріт
|
Волокна вуглецеві
|
|
ТАБЛИЦЯ 38.2 СПЛАВИ, ЩО ВИКОРИСТОВУЮТЬСЯ В ЯКОСТІ МАТРИЧНИХ У КОМПОЗИЦІЙНИХ МАТЕРІАЛАХ
|
або пекові моїоволокна вуглецю. Найкращі зразки волокон мають міцність 3000-4000 МПа при 1100 °С.
Волокна карбіду кремнію безкернові у вигляді багатофіламеїтних джгутів, отримані з рідких органосиланів шляхом витягування та піролізу, складаються з надтонких кристалів f)-SiC.
Металеві волокна випускають у вигляді дроту діаметром 0,13; 0,25 та 0,5 мм. Волокна із високоміцних сталей, сплавів берилію призначаються в основному для армування матриць з легких сплавів та титану. Волокна з тугоплавких металів, легованих ренієм, титаном, окисими і карбідними фазами, застосовують для зміцнення жароміцних і ікельхромних, титанових та інших сплавів.
Ниткоподібні кристали, що застосовуються для армування, можуть бути металевими або керамічними. Структура таких кристалів моно-кристалічна, діаметр зазвичай до 10 мкм при відношенні довжини до діаметру 20-100. за механізмом пар - рідина - кристал, піролізом, кристалізацією з насичених розчинів, віскеризацією
38.2.3. Матричні сплави
У металевих композиційних матеріалах застосовують переважно матриці з легких деформованих та ливарних сплавів алюмінію та магнію, а також зі сплавів міді, нікелю, кобальту, цинку, олова, свинцю, срібла; жароміцних нікель-хромистих, титанових, цирконієвих, ванадієвих сплавів; сплавів тугоплавких металів хрому та ніобію (таблиця 38 2).
38.2.4. Типи зв'язку та структур поверхонь розділу у композиційних матеріалах
Залежно від матеріалу наповнювача та матриць, способів та режимів отримання поверхонь розділу композиційних матеріалів реалізуються шість видів зв'язку (табл. 38.3). Найбільш міцний зв'язок між компонентами в композиціях із металевими матрицями забезпечує хімічну взаємодію. Поширений вид зв'язку - змішаний, представлений твердими розчинами та інтерметалідними фазами (такі композиція, отримана пресуванням плазм.
38.3. Способи виробництва композиційних матеріалів
Технологія виробництва металевих композиційних матеріалів визначається конструкцією виробів, особливо якщо вони мають складну форму і вимагають підготовки місць з'єднання зварюванням, паянням, склеюванням або клепкою, і, як правило, є багатоперехідною.
Елементною основою виробництва деталей або напівфабрикатів (листів, труб, профілів) з композиційних матеріалів найчастіше є так звані препреги, або стрічки з одним шаром армуючого наповнювача, просоченим або покритим матричними сплавами; просочені металом джгути волокон або індивідуальні волокна з покриттями з матричних сплавів.
|
ВИДИ ЗВ'ЯЗКУ ПО ПОВЕРХНІ РОЗДІЛУ У КОМПОЗИЦІЙНИХ МАТЕРІАЛАХ
|
Деталі та напівфабрикати отримують з'єднанням (компактуванням) вихідних препрегів методами просочення, гарячого пресування, прокатки або волочіння пакетів з препрегів. Іноді і препреги, і вироби з композиційних матеріалів виготовляють одними і тими ж способами, наприклад по порошковій або ливарній технології, при різних режимах і на різній технологічній осіастці.
Способи отримання препрегів, напівфабрикатів і виробів з композиційних матеріалів з металевими матрицями можна розділити на п'ять основних груп: 1) парогазофазії; 2) хімічні та електрохімічні; 3) рідкофазії; 4) твердофазні; 5) твердорідкофазні.
38.4. Властивості композиційних матеріалів із металевою матрицею
Композиційні матеріали з металевими матрицями мають ряд незаперечних переваг перед іншими конструкційними матеріалами, предиазначеиими для роботи в екстремальних умовах. До цих переваг відносяться: високі міцність та. жорсткість у поєднанні з високою в'язкістю руйнування; високі питомі міцність і жорсткість (відношення межі міцності та модуля пружності до питомої ваги а/у та Е/у); високу межу втоми; висока жароміцність; мала чутливість до теплових ударів, до поверхневих дефектів, високі демпфуючі властивості, електро- та теплопровідність, технологічність при конструюванні, обробці та з'єднанні (табл. 38 4).
|
КОМПОЗИЦІЙНІ МАТЕРІАЛИ З МЕТАЛЕВИМИ МАТРИЦЯМИ ПОРІВНЯННЯ З КРАЩИМИ МЕТАЛІЧНИМИ КОНСТРУКЦІЙНИМИ МАТЕРІАЛАМИ |
|
ТАБЛИЦЯ 385 |
|
МЕХАНІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ КОМПОЗИЦІЙНИХ МАТЕРІАЛІВ З МЕТАЛЕВИМИ МАТРИЦЯМИ
|
За відсутності спеціальних вимог до матеріалів теплопровідності, електропровідності, холодостійкості та інших властивостей температурні інтервали роботи композиційних матеріалів визначають наступним чином:<250 °С - для материалов с полимерными матрицами; >1000 °С – для матеріалів з керамічними матрицями; композиційні матеріали з металевими матрицями перекривають його межі
Характеристики міцності деяких композиційних матеріалів наведені в табл 38 5.
Основні види з'єднання композиційних матеріалів сьогодні - болтові, клепані, клейові, з'єднання пайкою і зварюванням і комбіновані З'єднання пайкою і зварюванням особливо перспективні, оскільки відкривають можливість найбільш повно реалізувати унікальні властивості композиційного матеріалу в конструкції, проте їх здійснення представляє складне наукове і технічне завдання багатьох випадках ще не вийшло зі стадії експерименту
38.5. Проблеми зварюваності композиційних матеріалів
Якщо під зварюваністю розуміти здатність матеріалу утворювати зварні з'єднання, що не поступаються йому за своїми властивостями, то композиційні матеріали з металевими матрицями, особливо волокнисті, слід віднести до матеріалів, що важко зварюються. До того є кілька причин.
I. Методи зварювання та паяння припускають з'єднання композиційних матеріалів за металевою матрицею. Армуючий наповнювач у зварному або паяному шві або повністю відсутній (наприклад, у стикових швах, розташованих упоперек напрямку армування у волокнистих або шаруватих композиційних матеріалах), або присутній у зменшеній об'ємній частці (при зварюванні дисперсно-зміцнених матеріалів дротом, що містить дискретну армуючу фазу або відбувається порушення безперервності та спрямованості армування (наприклад, при дифузійному зварюванні волокнистих композицій упоперек напрямку армування). Отже, зварний або паяний шов є ослабленою ділянкою конструкції з композиційного матеріалу, що вимагає обліку при конструюванні та підготовці місця з'єднання під зварювання. У літературі є пропозиції щодо автономного зварювання компонентів композиції для збереження безперервності армування (наприклад, зварювання тиском вольфрамових волокон у композиції вольфрам - мідь ), проте автономне зварювання встик волокнистих композиційних матеріалів вимагає спеціальної підготовки кромок, суворого дотримання кроку армування і придатна лише для металевими волокнами. Інша пропозиція полягає у підготовці стикових з'єднань з перекриттям волокон на довжині більше критичної, проте при цьому виникають труднощі із заповненням стику матричним матеріалом та забезпеченням міцного зв'язку по межі волокно-матриця.
ІІ. Вплив зварювального нагріву на розвиток фізико-хімічної взаємодії у композиційному матеріалі зручно розглянути на прикладі сполуки, що утворюється при проплавленні дугою волокнистого матеріалу впоперек напряму армування (рис. 38.2). Якщо метал матриці не має поліморфізму (наприклад, Al, Mg, Cu, Ni та ін.), то в поєднанні можна виділити 4 основні зони: 1 - зона, що нагрівається до температури повернення матриці (за аналогією зі зварюванням однорідних матеріалів назвемо цю ділянку основною матеріалом); 2 - зона, обмежена температурами повернення та рекристалізації металу матриці (зона повернення); 3- зона,
обмежена температурами рекристалізації та плавлення матриці (зона рекристалізації); 4 - зона нагріву вище за температуру плавлення матриці (назвемо цю зону зварним швом). Якщо матрицею в композиційному матеріалі є сплави Ті, Zr, Fe та інших металів, що мають поліморфні перетворення, то в зоні 3 з'являться підзони з повною або частковою фазовою перекристалізацією матриці, для цього розгляду цей момент несуттєвий.
Зміни властивостей композиційного матеріалу починаються в зоні 2. Тут процеси повернення знімають деформаційне зміцнення матриці, досягнуте при твердофазному компактуванні композиційного матеріалу (у композиціях, отриманих рідкофазними методами, розміцнення в цій зоні не спостерігається).
У зоні 3 відбувається рекристалізація та зростання зерен металу матриці. Внаслідок дифузійної рухливості атомів матриці стає можливим подальший розвиток міжфазної взаємодії, початок якого було покладено в процесах виробництва композиційного матеріалу, збільшується товщина крихких прошарків та погіршуються властивості композиційного матеріалу в цілому. При зварюванні плавленням матерія
лов, отриманих методами твердофазного компактування порошків або препрегів з порошковою або напиленою матрицею, можлива пористість по межі сплавлення і межфазним меж, що примикають до неї, що погіршує не тільки міцнісні властивості, але і герметичність зварного з'єднання.
У зоні 4 (зварному шві) можна виділити 3 ділянки:
Ділянка 4", що примикає до осі шва, де через сильне перегрівання під дугою металевого матричного розплаву і найбільшої тривалості перебування металу в розплавленому стані відбувається повне розчинення армуючої фази;
Ділянка 4", що характеризується нижчою температурою нагріву розплаву і меншою тривалістю контактування армуючої фази з розплавом. Тут ця фаза лише частково розчиняється в розплаві (наприклад, зменшується діаметр волокон, на їх поверхні з'являються раковини; порушується односпрямованість армування);
Ділянка 4"", де помітної зміни розмірів армуючої фази не відбувається, але розвивається інтенсивна взаємодія з розплавом, утворюються прошарки або острівці крихких продуктів взаємодії, знижується міцність армуючої фази. У результаті зона 4 стає зоною максимального пошкодження композиційного матеріалу під час зварювання.
ІІІ. Через відмінності в тепловому розширенні матеріалу матриці та армуючої фази в зварних з'єднаннях композиційних матеріалів виникають додаткові термопружні напруги, що викликають утворення різних дефектів: розтріскування, руйнування крихких армуючих фаз в найбільш нагрітій зоні 4 з'єднання, розшарування по міжфазних кордонах в зоні 3.
Для забезпечення високих властивостей зварювальних сполук композиційних матеріалів рекомендується наступне.
По-перше, з відомих методів з'єднання слід віддати перевагу методам зварювання в твердій фазі, при яких внаслідок меншої енергії, що підводиться, можна досягти мінімальної деградації властивостей компонентів у зоні з'єднання.
По-друге, режими зварювання тиском повинні бути обрані так, щоб унеможливити зміщення або дроблення армуючого компонента.
По-третє, при зварюванні плавленням композиційних матеріалів слід вибирати способи та режими, що забезпечують мінімальне теплопокладання в зону з'єднання.
По-четверте, зварювання плавленням слід рекомендувати для з'єднання композиційних матеріалів з термодинамічно сумісними компонентами, такими, як мідь - вольфрам, мідь - молібден, срібло - вольфрам, або армованих термостійкими наповнювачами, наприклад волокнами карбіду кремнію, або наповнювачами з бар'єрними покриттями бору з покриттям карбіду бору або карбіду кремнію.
По-п'яте, електродний або присадковий матеріал або матеріал проміжних прокладок для зварювання плавленням або паяння повинен містити легуючі добавки, що обмежують розчинення армуючого компонента та утворення крихких продуктів міжфазної взаємодії в процесі зварювання та при подальшій експлуатації зварних вузлів.
38.5.1. Зварювання композиційних матеріалів
Волокнисті та шаруваті композиційні матеріали найчастіше з'єднують внахлестку. Відношення довжини перекриття до товщини матеріалу зазвичай перевищує 20. Такі сполуки можуть бути додатково посилені заклепочними або болтовими сполуками. Поряд з нахлесточними з'єднаннями можливе виконання стикових і кутових зварних з'єднань у напрямку армування і, рідше, поперек напряму армування. У першому випадку при правильному виборі способів та режимів зварювання або паяння можливе досягнення рівноміцності з'єднання; у другому випадку міцність з'єднання зазвичай не перевищує міцності матричного матеріалу.
Композиційні матеріали, армовані частинками, короткими волокнами, ниткоподібними кристалами, зварюють з використанням тих же прийомів, що і дисперсійно-твердіють сплави або порошкові матеріали. Рівноміцність зварних з'єднань основного матеріалу в цьому випадку може бути досягнута за умови, якщо композиційний матеріал виготовлений методами рідкофазної технології, армований термостійкими наповнювачами та при виборі відповідних режимів зварювання та зварювальних матеріалів. У ряді випадків електродний або присадковий матеріал може бути аналогічним або близьким по композиції основного матеріалу.
38.5.2. Дугове зварювання в середовищі захисних газів
Метод використовують для зварювання плавленням композиційних матеріалів з матрицею з хімічно активних металів та сплавів (алюмінію, магнію, титану, нікелю, хрому). Зварювання здійснюють електродом, що не плавиться, в атмосфері аргону або суміші з гелієм. Для регулювання теплового впливу зварювання на матеріали доцільно застосування імпульсної дуги, стиснутої або трифазної дуги.
Для підвищення міцності з'єднань рекомендують виконувати шви композиційними електродами або дротом присадочними з об'ємним вмістом армуючої фази 15-20%. Як армуючі фази застосовують короткі волокна бору, сапфіру, нітриду або карбіду кремнію.
38.5.3. Електронно-променеве зварювання
Переваги методу - у відсутності окислення розплавленого металу та армуючого наповнювача, вакуумної дегазації металу в зоні зварювання, високої концентрації енергії в пучку, що дозволяє отримати з'єднання з мінімальною шириною зони плавлення та навколошовної зони. Остання перевага особливо важлива при виконанні сполук волокнистих композиційних матеріалів у напрямку армування. При спеціальній підготовці з'єднань можливе зварювання з використанням присадних проставок.
38.5.4. Контактне точкове зварювання
Наявність армуючої фази в композиційному матеріалі знижує його тепло- та електропровідність порівняно з матеріалом матриці та перешкоджає формуванню литого ядра. Задовільні результати отримані при точковому зварюванні тонколистових композиційних матеріалів з шарами, що плакують. При зварюванні листів різної товщини або композиційних листів з однорідними металевими листами для того, щоб вивести ядро зварної точки в площину зіткнення листів і збалансувати різницю в електропровідності матеріалу, підбирають електроди з різною провідністю, з обтисканням периферійної зони, змінюють діаметр і радіус закруглення електродів плакуючого шару, застосовують додаткові прокладки.
Середня міцність зварної точки при зварюванні одноосноармованих борів алюмінієвих пластин товщиною 0,5 мм (з об'ємною часткою волокон 50%) становить 90% від міцності бору - люмінію еквівалентного перерізу. Міцність з'єднання листів боралюмінію з перехресним армуванням вища, ніж листів з одновісним армуванням.
38.5.5. Дифузійне зварювання
Процес проводять за високого тиску без використання припою. Так, деталі з боралюмінію, що підлягають з'єднанню, нагрівають у герметичній реторті до температури 480 °З тиском до 20 МПа і витримують в цих умовах протягом 30-90 хвилин. Технологічний процес дифузійного точкового зварювання опором боралюмінію з титаном майже не відрізняється від точкового зварювання плавленням. Різниця в тому, що режим зварювання і форма електродів підібрані так, щоб температура нагрівання алюмінієвої матриці була близька до температури плавлення, але нижче за неї. У результаті контакту утворюється дифузійна зона товщиною від 0,13 до 0,25 мкм.
Зразки, зварені внахлестку дифузним точковим зварюванням, при випробуванні на розтяг в інтервалі температур 20-120 ° С руйнуються по основному матеріалу з виривом вздовж волокон. При температурі 315 °Зразки руйнуються зсувом за місцем з'єднання.
38.5.6. Клінопресове зварювання
Для з'єднання закінчень зі звичайних конструкційних сплавів з трубами або корпусами з композиційних матеріалів розроблено спосіб зварювання різнорідних металів, що різко відрізняються за твердістю, який можна назвати мікроклінопресовим. Тиск впресування отримують за рахунок термічних напруг, що виникають при нагріванні оправки та обойми пристосування для термокомпресійного зварювання, виконаних з матеріалів з різними коефіцієнтами термічного розширення (К. ТР). Елементи закінчування, на контактну поверхню яких нанесено клинове різьблення, збирають із трубою з композиційного матеріалу, а також з оправкою та обоймою. Зібраний пристрій нагрівають у захисному середовищі до температури 0,7-0,9 від температури плавлення найбільш легкоплавкого металу. Оправлення пристрою має більший КТР, ніж обойма. У процесі нагріву відстань між робочими поверхнями оправки та обойми скорочується, і виступи («клинья») різьблення на законцювання впресовуються в плакувальні шари труби. Міцність твердофазного з'єднання не нижче міцності матричного або плакувального металу.
38.5.7. Зварювання вибухом
Зварювання вибухом застосовують для з'єднання листів, профілів і труб з металевих композиційних матеріалів, армованих металевими волокнами або шарами, що мають досить високі пластичні властивості, щоб уникнути подрібнення армуючої фази, а також для з'єднання композиційних матеріалів з закоїцовками з різних металів і сплавів. Міцність з'єднань зазвичай дорівнює або навіть вище (за рахунок деформаційного зміцнення) міцності найменш міцного матричного матеріалу, що застосовується в деталях, що з'єднуються. Для підвищення міцності з'єднань застосовують проміжні прокладки інших матеріалів.
У з'єднаннях зазвичай відсутні пори чи тріщини. Оплавлені ділянки в перехідній зоні, особливо під час вибуху різнорідних металів, являють собою суміші фаз евтектичного типу.
38.6. Пайка композиційних матеріалів
Процеси паяння дуже перспективні для з'єднання композиційних матеріалів, оскільки можуть здійснюватися при температурах, що не впливають на армуючий наповнювач і не викликають розвитку міжфазної взаємодії.
Паяння виконується звичайними технічними прийомами, тобто зануренням у припій або печі. Дуже важливим є питання якості підготовки поверхні під паяння. З'єднання, виконані твердими припоями із застосуванням флюсів, схильні до корозії, тому флюс повинен бути повністю видалений із зони з'єднання.
Паяння твердими та м'якими припоями
Розроблено кілька варіантів паяння боралюмінію. Випробовано припої для низькотемпературного паяння. Припої складу 55% Cd-45% Ag, 95% Cd-5% Ag, 82,5% Cd-17,5% Zn рекомендуються для деталей, що працюють при температурах не вище 90 °С; припій складу 95% Zn – 5% Al – для робочих температур до 315 °С. Для поліпшення змочування і розтікання припою на поверхні, що з'єднуються, наносять шар нікелю товщиною 50 мкм. Високотемпературну пайку виробляють з використанням евтектичних припоїв системи алюміній – кремній при температурах 575-615 °С. Час паяння має бути зведений до мінімуму через небезпеку деградації міцності борних волокон.
Основні труднощі при пайці вуглеалюмінієвих композицій між собою, так і з алюмінієвими сплавами пов'язані з поганою змочуваністю вуглеалюмінію припоями. Кращими припоями є сплав 718 (А1-12% Si) або шари фольги, що чергуються зі сплаву 6061. Пайку виробляють в печі в атмосфері аргону при температурі 590 °С протягом 5- 10 хв. Для з'єднання боралюмінію та вуглеалюмінію з титаном можуть бути застосовані припої системи алюміній - кремній-магній. Для підвищення міцності з'єднання рекомендують на поверхню титану наносити шар нікелю.
Евтектична дифузійна паяння. Метод полягає в нанесенні на поверхню деталей, що зварюються тонкого шару другого металу, що утворює евтектику з металом матриці. Для матриць зі сплавів алюмінію використовують шари Ag, Си, Mg, Ge, Zn, температура евтектики яких з алюмінієм відповідно 566, 547, 438, 424 і 382 °С. В результаті дифузійного процесу концентрація другого елемента в зоні контакту поступово знижується, температура плавлення з'єднання підвищується, наближаючись до температури плавлення матриці. Таким чином, паяні з'єднання можуть працювати при температурах, що перевищують температуру панки.
При дифузійній пайці боралюмінію поверхні деталей, що з'єднуються, покривають сріблом і міддю, потім стискають і витримують під тиском до 7 МПа при температурі 510-565 °С в сталевій реторті у вакуумі або інертній атмосфері.
Композиційні матеріали на основі металевої матриці
За структурою та геометрією армування композити на базі металевої матриці бувають представлені у вигляді волокнистих (МВКМ), дисперсно-зміцнених (ДКМ), псевдо- та евтектичних сплавів (ЕКМ), а як матеріал основи найбільш широко застосовують такі метали як Al, Mg, Ti, Ni, Co.
Властивості та методи отримання МВКМ на базі алюмінію. МВКМ Al-сталеві волокна. При отриманні КМ, що складаються з шарів алюмінієвої фольги і волокон, що чергуються, найчастіше використовують прокатку, динамічне гаряче пресування, зварювання вибухом, дифузійне зварювання. Міцність цього типу композиту в основному визначається міцністю волокон. Введення в матрицю високоміцних сталевих дротів підвищує межу витривалості композиту.
МВКМ Al-кремнеземні волокна одержують, пропускаючи волокна через розплав матриці, з наступним гарячим пресуванням. Швидкість повзучості цих МВКМ при температурах 473-573 К на два порядки нижче за повзучість неармованої матриці. Композити Al - SiO 2 мають хорошу демпфуючу здатність.
МВКМ Al-борні волокна відносяться до найбільш перспективних конструкційних матеріалів, оскільки мають високу міцність і жорсткість при температурах до 673-773 К. При виготовленні широко використовується дифузійне зварювання. Рідкофазні методи (просочування, різні види лиття і т. д.), зважаючи на можливість хімічної взаємодії бору з алюмінієм, застосовують лише в тих випадках, коли на волокна бору попередньо нанесені захисні покриття - карбід кремнію (волокна борсик) або нітрид бору.
МВКМ Al-вуглецеві волокна мають високі показники міцності та жорсткості при малій щільності. При цьому великий недолік вуглецевих волокон – їхня нетехнологічність, пов'язана з крихкістю волокон та їх високою реакційною здатністю. Зазвичай МВКМ Al – вуглецеві волокна одержують просоченням рідким металом або методом порошкової металургії. Просочення використовують при армуванні безперервними волокнами, а методи порошкової металургії - при армуванні дискретними волокнами.
Властивості та методи отримання МВКМ на базі магнію.Використання магнію та магнієвих сплавів як матриця, армована високоміцними та високомодульними волокнами, дозволяє отримати легкі конструкційні матеріали з підвищеними питомою міцністю, жароміцністю та модулем пружності.
МВКМ Mg-борні волокна відрізняються високими властивостями міцності. Для виготовлення МКМ можна застосовувати методи просочення та лиття. Листові композиції Mg - B виготовляють методом дифузійного зварювання. Недоліком МКМ Mg - B є знижена корозійна стійкість.
МВКМ Mg-вуглецеві волокна отримують просоченням або гарячим пресуванням у присутності рідкої фази, розчинність вуглецю в магнії відсутня. Для поліпшення змочування вуглецевих волокон рідким магнієм їх попередньо покривають титаном (шляхом плазмового або вакуумного напилення), нікелем (електролітично) або комбінованим покриттям Ni – B (хімічним осадженням).
Властивості та методи одержання МВКМ на базі титану.Армування титану та його сплавів підвищує жорсткість та розширює діапазон робочих температур інтервалу до 973-1073 К. Для армування титанової матриці застосовують металеві дроти, а також волокна карбідів кремнію та бору. Композити на базі титану з металевими волокнами одержують прокаткою, динамічним гарячим пресуванням та зварюванням вибухом.
МВКМ Ti - Mo (волокна) отримують методом динамічного гарячого пресування заготовок типу "сендвіч" у вакуумованих контейнерах. Таке армування дозволяє підвищити тривалу міцність порівняно з матрицею та зберегти міцність за високих температур. Одним із недоліків МВКМ Ti – Mo є висока щільність, що знижує питому міцність цих матеріалів.
МВКМ Ti – B, SiC (волокна) мають підвищені як абсолютні, а й питомі характеристики МВКМ з урахуванням титану. Так як ці волокна крихкі, то для отримання компактних композицій найчастіше використовують дифузійне зварювання у вакуумі. Тривалі витримки МВКМ Ti - B при температурах вище 1073 К під тиском призводять до утворення крихких боридів титану, що зміцнюють композит. Карбідокремнієві волокна більш стійкі в матриці. Композити Ti - B мають високу короткочасну і тривалу міцність. Щоб підвищити термічну стабільність волокон бору, їх покривають карбідом кремнію (борсик). Композити Ti – SiC мають високі значення позаосьової міцності межі повзучості.
У системі МВКМ Ti – Be (волокна) взаємодія за температури нижче 973 До відсутня. Вище цієї температури можливе утворення тендітного інтерметаліду, при цьому міцність волокон практично не змінюється.
Властивості та методи отримання МВКМ на базі нікелю та кобальту.Існуючі види зміцнення промислових нікелових сплавів (дисперсне твердіння, карбідне зміцнення, складне легування і термомеханічна обробка) дозволяють зберегти їх працездатність тільки до інтервалу температур 1223-1323 К. З цієї причини важливим стало створення МВКМ нікелю, при вищих температурах. Застосовують такі зміцнювачі:
У системі МВКМ Ni - Al 2 O 3 (волокна) при нагріванні на повітрі утворюється оксид нікелю, який взаємодіє з арматурою, завдяки чому на кордоні утворюється шпинель NiAl 2 O 4 . У цьому зв'язок між компонентами порушується. Для збільшення міцності зв'язку на арматуру наносять тонкі покриття з металів (W, Ni, ніхром) та кераміки (оксиди ітрію та торію). Так як рідкий нікель не змочує Al 2 O 3 в матрицю вводять Ti, Zr, Cr, які покращують умови просочення.
При кімнатній температурі міцність композиту нікель - ниткоподібні кристали Al 2 O 3 отриманого електроосадження нікелю на волокна, істотно перевищує міцність матриці.
МВКМ Ni-C (волокна). Нікель практично не розчинний у вуглеці. У системі Ni - C утворюється метастабільний карбід Ni 3 C, стійкий при температурах вище 1673 К і нижче 723 К. Володіючи високою дифузійною рухливістю, вуглець насичує нікелеву матрицю за короткий час, у зв'язку з цим головними факторами, що зміцнюють МВКМ Ni - C є розчинення вуглецевих волокон та їх рекристалізація внаслідок проникнення нікелю у волокно. Введення в нікелеву матрицю карбідоутворювачів (Cr, Al, Ti, Mo, W, Nb) посилює взаємодію матриці з волокнами. Для підвищення структурної стабільності на волокна наносять протидифузійні бар'єрні покриття з карбіду та нітриду цирконію, титану карбіду.
МВКМ N – W, Mo (волокна) одержують динамічним гарячим пресуванням, дифузійним зварюванням, зварюванням вибухом, прокаткою. Через те, що W, Mo інтенсивно окислюються при нагріваннях, композити одержують у вакуумі або захисній атмосфері. При нагріванні МВКМ на повітрі відбувається окиснення волокон вольфраму або молібдену, які розташовані на поверхні композиту. Якщо волокна не виходять на поверхню, то жаростійкість МВКМ визначається жаростійкістю матриці.
Області застосування МВКМ.Композиційні волокнисті матеріали з металевою матрицею застосовують при низьких, високих і надвисоких температурах, в агресивних середовищах, статичних, циклічних ударних, вібраційних та інших навантаженнях. Найбільше ефективно використовуються МВКМ у конструкціях, особливі умови, роботи яких не допускають застосування традиційних металевих матеріалів. При цьому найчастіше в даний час армуванням металів волокнами прагнуть поліпшити властивості матричного металу, щоб підвищити робочі параметри тих конструкцій, в яких до цього використовували неармовані матеріали. Використання МВКМ на базі алюмінію в конструкціях літальних апаратів, завдяки їх високій питомій міцності, дозволяє досягти важливого ефекту - зниження маси. Заміна традиційних матеріалів на МВКМ у базових деталях та вузлах літаків, вертольотів та космічних апаратів зменшує масу виробу на 20-60 %.
Найбільш актуальним у газотурбобудуванні є завдання підвищення термодинамічного циклу енергетичних установок. Навіть мале підвищення температури перед турбіною значно збільшує ККД газотурбінного двигуна. Забезпечити роботу газової турбіни без охолодження або, принаймні, з охолодженням, яке не потребує великих конструктивних ускладнень газотурбінного двигуна, можна, використовуючи високожароміцні МВКМ на базі нікелю та хрому, армовані волокнами Al 2 O 3 .
Алюмінієвий сплав, армований скловолокном, що містить оксид урану, має підвищену міцність при температурі 823 К і має бути використаний як паливні пластини ядерних реакторів в енергетиці.
Волокнисті металеві композити використовують як ущільнювальні матеріали. Наприклад, статичні ущільнення, виготовлені з Mo або сталевих волокон, просочених міддю або сріблом, витримують тиск 3200 МПа при температурі 923 До.
Як зносостійкий матеріал у коробках передач, дискових муфтах, пускових пристроях можна використовувати МВКМ, армовані «вусами» та волокнами. В армованих W-дротом магнітотвердих матеріалах вдається поєднувати магнітні властивості з високим опором ударним навантаженням та вібраціям. Введення арматури з W, Mo в мідну та срібну матрицю дозволяє отримувати зносостійкі електричні контакти, призначені для надпотужних високовольтних вимикачів, в яких поєднуються високі тепло- та електропровідність з підвищеним опором зносу та ерозії.
Принцип армування можна покласти основою створення надпровідників, як у матрицях з Al, Cu, Ti, Ni виробляють каркас з волокон сплавів, які мають надпровідністю, наприклад, Nb – Sn, Nb – Zr. Такий надпровідний композит може передавати струм щільністю 105-107 А/см 2 .
Композиційні матеріали на основі металевої матриці - поняття та види. Класифікація та особливості категорії "Композиційні матеріали на основі металевої матриці" 2017, 2018.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА ТА КЛАСИФІКАЦІЯ
Традиційно застосовувані металеві та неметалеві матеріали значною мірою досягли своєї межі конструктивної міцності. Разом з тим розвиток сучасної техніки потребує створення матеріалів, що надійно працюють у складній комбінації силових та температурних полів, при впливі агресивних середовищ, випромінювань, глибокого вакууму та високих тисків. Найчастіше вимоги до матеріалів можуть носити суперечливий характер. Вирішення цієї задачі можна здійснити шляхом використання композиційних матеріалів.
Композиційним матеріалом(КМ) або композитом називають об'ємну гетерогенну систему, що складається з сильно різняться за властивостями, взаємно нерозчинних компонентів, будова якої дозволяє використовувати переваги кожного з них.
Принцип побудови КМ людина запозичив у природи. Типовими композиційними матеріалами є стовбури дерев, стебла рослин, кістки людини та тварин.
КМ дозволяють мати задане поєднання різнорідних властивостей: високої питомої міцності та жорсткості, жароміцності, зносостійкості, теплозахисних властивостей та ін. Спектр властивостей КМ неможливо отримати при використанні звичайних матеріалів. Їх застосування дозволяє створювати раніше недоступні, принципово нові конструкції.
Завдяки КМ став можливий новий якісний стрибок у збільшенні потужності двигунів, зменшенні маси машин та конструкцій та підвищенні вагової ефективності транспортних засобів та авіаційно-космічних апаратів.
Важливими характеристиками матеріалів, що працюють у цих умовах, є питома міцність у /ρ і питома жорсткість Е/ρ де σ в - тимчасовий опір, Е- модуль нормальної пружності, ρ – густина матеріалу.
Високоміцні сплави, як правило, мають низьку пластичність, високу чутливість до концентраторів напруги та порівняно низький опір розвитку тріщин втоми. Хоча композиційні матеріали можуть мати також невисоку пластичність, вони значно менш чутливі до концентраторів напруг і краще опираються руйнуванню втоми. Це пояснюється різним механізмом утворення тріщин у високоміцних сталей і сплавів. У високоміцних сталях тріщина, досягнувши критичного розміру, надалі розвивається прогресуючим темпом.
У композиційних матеріалах діє інший механізм. Тріщина, рухаючись у матриці, зустрічає перешкоду межі розділу матриця-волокно. Волокна гальмують розвиток тріщин, і їхня присутність у пластичній матриці призводить до зростання в'язкості руйнування.
Таким чином, у композиційній системі поєднуються дві протилежні властивості, необхідні для конструкційних матеріалів - висока міцність за рахунок високоміцних волокон і достатня в'язкість руйнування завдяки пластичній матриці та механізму розсіювання енергії руйнування.
КМ складаються з порівняно пластичного матричного матеріалу-основи і твердіших і міцніших компонентів, що є наповнювачами. Властивості КМ залежать від властивостей основи, наповнювачів та міцності зв'язку між ними.
Матриця пов'язує композицію в моноліт, надає їй форми і служить передачі зовнішніх навантажень арматурі з наповнювачів. Залежно від матеріалу основи розрізняють КМ з металевою матрицею або металеві композиційні матеріали (МКМ), з полімерної - полімерні композиційні матеріали (ПКМ) і з керамічної - керамічні композиційні матеріали (ККМ).
Провідну роль у зміцненні КМ грають наповнювачі, які часто називають зміцнювачами. Вони мають високу міцність, твердість та модуль пружності. За типом зміцнюючих наповнювачів КМ поділяють на дисперснозміцнені,волокнистіі шаруваті(Рис. 28.2).
Мал. 28.2.Схеми будови композиційних матеріалів: а) дисперснозміцнені; б) волокнисті; в) шаруваті
У дисперснозміцнені КМ штучно вводять дрібні, рівномірно розподілені тугоплавкі частинки карбідів, оксидів, нітридів та ін, що не взаємодіють з матрицею і не розчиняються в ній аж до температури плавлення фаз. Чим дрібніші частки наповнювача і менше відстань між ними, тим міцніше КМ. На відміну від волокнистих, дисперснозміцнених КМ основним несучим елементом є матриця. Ансамбль дисперсних частинок наповнювача зміцнює матеріал за рахунок опору руху дислокацій при навантаженні, що ускладнює пластичну деформацію. Ефективний опір руху дислокацій створюється аж до температури плавлення матриці, завдяки чому дисперснозміцнені КМ відрізняються високою жароміцністю та опором повзучості.
Арматурою у волокнистих КМ можуть бути волокна різної форми: нитки, стрічки, сітки різного плетіння. Армування волокнистих КМ може здійснюватися за одновісною, двовісною та тривісною схемою (рис. 28.3, а).
Міцність та жорсткість таких матеріалів визначається властивостями армуючих волокон, що сприймають основне навантаження. Армування дає більший приріст міцності, але дисперсне зміцнення технологічно легше можна здійснити.
Шаруваті композиційні матеріали (рис. 28.3, б) набираються з шарів наповнювача, що чергуються, і матричного матеріалу (типу «сендвіч»). Шари наповнювача таких КМ можуть мати різну орієнтацію. Можливе почергове використання шарів наповнювача з різних матеріалів із різними механічними властивостями. Для шаруватих композицій зазвичай використовують неметалеві матеріали.
Мал. 28.3.Схеми армування волокнистих ( а) та шаруватих ( б) композиційних матеріалів
ДИСПЕРСНОЗміцнені композиційні матеріали
При дисперсному зміцненні частки блокують ковзання в матриці. Ефективність зміцнення за умови мінімальної взаємодії з матрицею залежить від виду частинок, їх об'ємної концентрації, а також рівномірності розподілу в матриці. Застосовують дисперсні частинки тугоплавких фаз типу Al 2 O 3 SiO 2 BN, SiC, що мають малу щільність і високий модуль пружності. КМ зазвичай отримують методом порошкової металургії, важливою перевагою якого є ізотропність властивостей у різних напрямках.
У промисловості зазвичай застосовують дисперснозміцнені КМ на алюмінієвій та, рідше, нікелевій основах. Характерними представниками цього виду композиційних матеріалів є матеріали типу САП (спечена алюмінієва пудра), які складаються з алюмінієвої матриці, яка зміцнена дисперсними частинками оксиду алюмінію. Алюмінієвий порошок отримують розпиленням розплавленого металу з подальшим подрібненням у кульових млинах до розміру близько 1 мкм у присутності кисню. Зі збільшенням тривалості помелу пудра стає дрібнішим і в ній підвищується вміст оксиду алюмінію. Подальша технологія виробництва виробів та напівфабрикатів із САП включає холодне пресування, попереднє спікання, гаряче пресування, прокатку або видавлювання спеченої алюмінієвої заготівлі у формі готових виробів, які можна піддавати додатковому термічному обробленню.
Сплави типу САП задовільно деформуються у гарячому стані, а сплави з 6–9 % Al 2 O 3 - та при кімнатній температурі. З них холодним волочінням можна отримати фольгу завтовшки до 0,03 мм. Ці матеріали добре обробляються різанням і мають високу корозійну стійкість.
Марки САП, застосовувані у Росії, містять 6–23 % Al 2 O 3 . Розрізняють САП-1 із вмістом 6–9, САП-2 – з 9–13, САП-3 – з 13–18 % Al 2 O 3 . Зі збільшенням об'ємної концентрації оксиду алюмінію зростає міцність композиційних матеріалів. При кімнатній температурі характеристики міцності САП-1 такі: у = 280 МПа, 0,2 = 220 МПа; САП-3 такі: у = 420 МПа, 0,2 = 340 МПа.
Матеріали типу САП мають високу жароміцність і перевершують всі деформовані алюмінієві сплави. Навіть при температурі 500 °С їх у не менше 60–110 МПа. Жароміцність пояснюється гальмуючим дією дисперсних частинок на процес рекристалізації. Показники міцності сплавів типу САП дуже стабільні. Випробування тривалої міцності сплавів типу САП-3 протягом 2 років практично не вплинули на рівень властивостей при кімнатній температурі, так і при нагріванні до 500 °С. При 400 °С міцність САП в 5 разів вища за міцність старіючих алюмінієвих сплавів.
Сплави типу САП застосовують в авіаційній техніці для виготовлення деталей з високою питомою міцністю та корозійною стійкістю, що працюють за температур до 300–500 °С. З них виготовляють штоки поршнів, лопатки компресорів, оболонки тепловиділяючих елементів та труби теплообмінників.
Методом порошкової металургії одержують КМ з використанням дисперсних частинок карбіду кремнію SiC. Хімічна сполука SiC має низку позитивних властивостей: високу температуру плавлення (понад 2650 °С), високу міцність (близько 2000 МПа) і модуль пружності (» 450 ГПа), малу щільність (3200 кг/м 3 ) і хорошу корозійну стійкість. Випуск абразивних порошків кремнію освоєно промисловістю.
Порошки алюмінієвого сплаву і SiC змішують, піддають попередньому компактування під невеликим тиском, потім гарячого пресування сталевих контейнерах у вакуумі при температурі плавлення матричного сплаву, тобто в твердо-рідкому стані. Отриману заготовку піддають вторинної деформації з метою отримання напівфабрикатів необхідної форми та розміру: листів, прутків, профілів та ін.
До цього виду композиційних матеріалів відносяться матеріали типу САП (спечена алюмінієва пудра), які є алюмінієм, зміцненим дисперсними частинками оксиду алюмінію. Алюмінієвий порошок отримують розпиленням розплавленого металу з подальшим подрібненням у кульових млинах до розміру близько 1 мкм у присутності кисню. Зі збільшенням тривалості помелу пудра стає дрібнішим і в ній підвищується вміст оксиду алюмінію. Подальша технологія виробництва виробів та напівфабрикатів із САП включає холодне пресування, попереднє спікання, гаряче пресування, прокатку або видавлювання спеченої алюмінієвої заготівлі у формі готових виробів, які можна піддавати додатковому термічному обробленню.
Сплави типу САП застосовують в авіаційній техніці для виготовлення деталей з високою питомою міцністю та корозійною стійкістю, що працюють за температур до 300–500 °С. З них виготовляють штоки поршнів, лопатки компресорів, оболонки тепловиділяючих елементів та труби теплообмінників.
Армування алюмінію та його сплавів сталевим дротом підвищує їхню міцність, збільшує модуль пружності, опір втоми та розширює температурний інтервал служби матеріалу.
Армування короткими волокнами проводять методами порошкової металургії, що складаються з пресування з подальшою гідроекструзією або прокатування заготовок. При армуванні безперервними волокнами композицій типу сендвіч, що складаються з шарів алюмінієвої фольги і волокон, що чергуються, застосовують прокатку, гаряче пресування, зварювання вибухом, дифузійне зварювання.
Дуже перспективним матеріалом є композиція «алюміній – берилієвий дріт», в якій реалізуються високі фізико-механічні властивості берилієвої арматури, і в першу чергу її низька щільність і висока питома жорсткість. Отримують композиції з берилієвим дротом дифузійним зварюванням пакетів з шарів берилієвого дроту і матричних листів. З алюмінієвих сплавів, армованих сталевим і берилієвим дротом, виготовляють корпусні деталі ракет і паливні баки.
У композиції «алюміній – вуглецеві волокна» поєднання низької щільності арматури та матриці дозволяє створити композиційні матеріали з високою питомою міцністю та жорсткістю. Недоліком вуглецевих волокон є їхня крихкість і висока реакційна здатність. Композицію «алюміній – вуглець» одержують просоченням вуглецевих волокон рідким металом або методами порошкової металургії. Технологічно найбільш просто можна здійснити протягування пучків вуглецевих волокон через розплав алюмінію.
Композит "алюміній - вуглець" застосовують у конструкціях паливних баків сучасних винищувачів. Завдяки високій питомій міцності та жорсткості матеріалу маса паливних баків зменшується на
30%. Цей матеріал використовують для виготовлення лопаток турбін авіаційних газотурбінних двигунів.
Порошковий наповнювач вводять у матрицю композиційного матеріалу з метою реалізації властивих речовині наповнювача властивостей у функціональних властивостях композиту. У порошкових композитах матрицею служать головним чином метали та полімери. За порошковими композитами з полімерною матрицею закріпилася назва "Пластмаси".
Композити з металевою матрицею
Композити із металевою матрицею.Порошкові композити з металевою матрицею отримують шляхом холодного або гарячого пресування суміші порошків матриці та наповнювача з подальшим спіканням отриманого напівфабрикату в інертному або відновному середовищі при температурах близько 0,75 Т плметалу матриці. Іноді процеси пресування та спікання поєднують. Технологію отримання порошкових композитів називають "Порошкова металургія".Методами порошкової металургії виробляють кермети та сплави з особливими властивостями.
Керметаминазивають композиційні матеріали з металевою матрицею, наповнювачем якої служать дисперсні частинки кераміки, наприклад карбідів, оксидів, боридів, силіцидів, нітридів та ін. Як матрицю використовують переважно кобальт, нікель і хром. Кермети поєднують твердість, а також жароміцність та жаростійкість кераміки з високою в'язкістю та теплопровідністю металів. Тому кермети на відміну від кераміки менш тендітні і здатні витримувати великі перепади температур без руйнування.
Найбільш широке застосування кермети отримали у виробництві металообробного інструменту. Порошковими твердими металаминазивають кермети інструментального призначення.
Порошковим наповнювачем твердих сплавів є карбіди або карбонітриди в кількості 80% і більше. Залежно від типу наповнювача і металу, який служить матрицею композиту, тверді порошкові сплави ділять на чотири групи:
- 1) WC-Co - однокарбідні типу В К;
- 2) WC-TiC-Со - двокарбідні типу ТК,
- 3) WC-TiC-TaC-Co – трикарбідні типу ТТК;
- 4) TiC і TiCN-(Ni + Mo) - сплави на основі карбіду і карбонітриду титану - безвольфрамові типу ТН і КНТ.
Сплави ВК.Сплави маркуються літерами ВК та цифрою, що показує вміст кобальту. Наприклад, склад сплаву ВК6: 94% WC і 6%. Теплостійкість сплавів ВК – близько 900°С. Сплави цієї групи мають найбільшу міцність у порівнянні з іншими твердими сплавами.
Сплави ТК.Сплави позначають комбінацією літер та цифр. Цифра після Т вказує на вміст у сплаві карбіду титану, після К – кобальту. Наприклад, склад сплаву Т15К6: TiC - 15%, - 6%, інше, 79%, - WC. Твердість сплавів ТК внаслідок введення до складу його наповнювача твердішого карбіду титану більше, ніж твердість сплавів К. Вони також мають перевагу по теплостійкості - 1000°С, проте їх міцність при рівному вмісті кобальту нижче.
Сплави ТТК (ТТ7К12, ТТ8К, ТТ20К9).Позначення сплавів ТТК аналогічне ТК. Цифра після другої букви Т свідчить про сумарний вміст карбідів TiC і ТаС.
При рівній теплостійкості (1000°С) сплави ТТК перевершують сплави ТК при однаковому вмісті кобальту і твердості, і міцності. Найбільший вплив легування карбідом танталу проявляється при циклічних навантаженнях – ударна втомна довговічність підвищується до 25 разів. Тому сплави, що містять тантал, використовуються в основному для важких умов різання з великими силовими і температурними навантаженнями.
Сплави ТН, КНТ.Це безвольфрамові тверді сплави (БВТС) на основі карбіду та карбонітриду титану з нікель-молібденовим, а не кобальтовим зв'язуванням.
По теплостійкості БВТС поступаються вольфрамсодіжним сплавам, теплостійкість БВТС вбирається у 800°С. Їхня міцність і модуль пружності також нижче. Теплоємність та теплопровідність БВТС нижче, ніж у традиційних сплавів.
Незважаючи на порівняно низьку вартість, широке застосування БВТС виготовлення ріжучого інструменту проблематично. Найбільш доцільним є використання безвольфрамових сплавів для виготовлення вимірювального (кінцеві заходи, калібри) та волочильного інструменту.
Металева матриця використовується також для зв'язування порошкового наповнювача з алмазу та нітриду кубічного бору, які об'єднують загальною назвою «надтверді матеріали» (СТМ). Композиційні матеріали з наповнювачем із СТМ використовують як обробний інструмент.
Вибір матриці для порошкового алмазного наповнювача обмежений низькою теплостійкістю алмазу. Матриця повинна забезпечувати термохімічний режим надійного зв'язування зерен алмазного наповнювача, що унеможливлює згоряння або графітацію алмазу. Для зв'язування алмазного наповнювача найбільше широко використовують олов'янисті бронзи. Вища теплостійкість та хімічна інертність нітриду бору дозволяють використовувати зв'язки на основі заліза, кобальту, твердого сплаву.
Інструмент з СТМ виготовляють переважно у вигляді кіл, обробка якими проводиться шляхом сточування поверхні оброблюваного матеріалу обертовим колом. Абразивні круги на основі алмазу та нітриду бору широко використовують для заточування та доведення ріжучого інструменту.
При порівнянні абразивних інструментів на основі алмазу і нітриду бору слід зазначити, що ці дві групи не конкурують один з одним, а мають власні області раціонального застосування. Це визначається відмінностями їх фізико-механічних та хімічних властивостей.
До переваг алмазу як інструментального матеріалу перед нітридом бору відноситься те, що його теплопровідність вища, а коефіцієнт термічного розширення нижче. Однак визначальними є висока дифузійна здатність алмазу стосовно сплавів на основі заліза - сталей і чавунів і, навпаки, інертність до цих матеріалів нітриду бору.
При високій температурі спостерігається активна дифузійна взаємодія алмазу зі сплавами на основі заліза. При температурах нижче ос
Застосовність алмазу повітря має температурні обмеження. Діамант починає окислюватися з помітною швидкістю при температурі 400°С. За більш високих температур він згоряє з виділенням вуглекислого газу. Це також обмежує експлуатаційні можливості алмазного інструменту порівняно з інструментом на основі нітриду кубічного бору. Помітне окислення нітриду бору на повітрі спостерігається тільки після витримки годинника при температурі 1200°С.
Температурна межа працездатності алмазу в інертному середовищі обмежена його перетворенням на термодинамічно стабільну форму вуглецю - графіт, що починається при нагріванні до 1000°С.
Інший великою сферою застосування керметів є їх використання як конструкційний матеріал високотемпературного призначення для об'єктів нової техніки.
Службові властивості порошкових композитів з металевою матрицею визначаються переважно властивостями наповнювача. Тому для порошкових композиційних матеріалів з особливою властивістю найбільш поширена класифікація з областей застосування.
