книги / Нанотехнологии и специальные материалы

Рис. 7.2. Пример полиматрнчного (а ) и полиармированного (6 ) композиционно­

го материала

в матрице относительно друг друга. Полиармированные КМ могут содержать армирующие компоненты различной природы. Комбинированные содержат армирующие компоненты различ­ ной природы и размерности. Так, например, стекло —углеплас­ тик является простым полиармированным композиционным мате­ риалом, а боралюминий с прослойками из титановой фольги — комбинированным полиармированным. Комбинированный КМ не относится к полиармированным, если он содержит армирующие компоненты одной природы (например, композиция на основе алюминия, армированного стальной проволокой и титановой фольгой).

7.3. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

7.3.1. МЕТОДЫ СОВМЕЩЕНИЯ

Современная металлургия обладает целым арсеналом различ­ ных технологических методов получения сплавов, полуфабрика­ тов и изделий из них. Эти методы включают различные виды ли­ тья, процессы порошковой металлургии, обработки давлением, напыления и осаждения и многие другие. Основные принципы всех этих технологических способов либо уже применяются, либо могут найти применение при получении металлических КМ. Вы­ бор технологического метода получения того или иного металли­ ческого КМ определяется в основном следующими факторами:

—видом исходных материалов матрицы и упрочнителя; —возможностью введения упрочнителя в матрицу без повре­

ждения его с целью создания прочной связи на границе раздела упрочнитель —матрица и максимальной реализации в материале свойств матрицы и упрочнителя.

Пропитка волокон расплавом матрицы. Этот метод получе­ ния композиционных материалов заключается в пропитке рас­ плавленным материалом матрицы в виде отдельных волокон, пучков волокон либо матов, состоящих из волокон или нитевид­ ных кристаллов, уложенных в определенном порядке или произ­ вольно.

Основные преимущества метода пропитки следующие: —получение практически беспорпстого материала; —равномерное распределение армирующих элементов в КМ; —создание в материалах определенной ориентации арми­

рующих средств.

Большими преимуществами этого метода являются возмож­ ность получения без дополнительной механической обработки изделий практически любой конфигурации, а также возможность использования в ряде случаев существующего литейного обору­ дования.

Пропитка волокон расплавом матрицы при нормальном дав­ лении и разновидность этого метода — пропитка пучка волокон протяжкой их через расплав — является оптимальным способом изготовления изделий сложной формы и полуфабрикатов в виде прутков, труб, профилей и других длинномерных изделий. Этот метод применим в тех случаях, когда волокна термодинамически стабильны в расплавленной матрице или слабо с ней взаимодей­ ствуют, в результате чего волокна хорошо смачиваются распла­ вом матрицы.

Самый простой вариант метода пропитки заключается в ук­ ладке волокон в литейную форму и заливке в нее расплавленного металла матрицы. Существенным недостатком такого метода яв­ ляется наличие после заливки расплава пустот, сильно снижаю­ щих прочность КМ. Образование таких пустот связано с тем, что при большом содержании упрочняющих волокон (40—80 % (об.)), уложенных в литейной форме, расстояния между ними чрезвы­ чайно малы и давления заливаемого металла, обусловленного только массой металла, оказывается недостаточно для полной пропитки волокон.

Более широко применяемой разновидностью метода пропитки расплавом при нормальном давлении является непрерывная про­ питка пучка волокон. Пропитываемые волокна КМ поступают в ванну с расплавленным металлом, не соприкасаясь друг с другом, затем проходят через фильеру, формирующую пруток, который вытягивается с определенной скоростью, обеспечивающей на выходе отверждение матрицы с волокном. При вытягивании пру­ ток может иметь различную степень закрутки на единицу дли­ ны. Такая технология позволяет изменять содержание волокна,

Рнс. 7.3. Виды изделий, полученных пропиткой пучка волокон:

а —пруток: б — труба; в —профили

обеспечивая при этом равномерное распределение волокон в по­ перечном сечении. Виды и формы изделии, которые можно полу­ чить этим методом, показаны на рис. 7.3.

Методами пропитки при нормальном давлении получают главным образом материалы с алюминиевой и магниевой мат рицей.

Основные свойства материала магний—бор, полученного ме­ тодом пропитки, приведены в табл. 7.2. Полученные прутки имеют высокий предел прочности при изгибе, растяжении и сжатии, а также способны выдерживать напряжения, близкие по величине к пределу прочности при высоких деформациях.

Пропитка в вакууме. Большинство материалов, применяю­ щихся в качестве упрочняющих волокон или нитевидных кри­ сталлов, при температурах пропитки в большей или меньшей сте­ пени склонно к окислению, в результате которого могут значи­ тельно снизиться их свойства. Кроме того, образование оксидной пленки на поверхности упрочняющих волокон изменяет условия смачиваемости волокон расплавом матрицы и влияет на величину

ТАБЛИЦА 7.2

Свойства композиционных материалов магний-борное волокно, полу­ ченных методом пропитки

и характер прочности связи на границе раздела матрица — волокно. Поэтому целесообразно изготовление КМ методом пропитки расплавом осуществлять либо в защитной атмосфе­ ре, либо в вакууме. Причем вакуум во многих случаях явля­ ется более предпочтительной средой, активирующей поверх­ ность пропитываемых волокон и улучшающей условия смачи­ ваемости.

Получение КМ методом пропитки в вакууме может произво­ диться в промышленных вакуумных плавильных печах с нагре­ вательными устройствами различного типа.

Методом пропитки в вакууме получают композиционные материалы на основе алюминия и магния, упрочненные бор­ ными волокнами и нитевидными кристаллами, а также на ос­ нове никелевых сплавов, армированные вольфрамовой прово­ локой, и др.

Диффузионная сварка под давлением. Этот метод является промышленным способом соединения различных однородных и разнородных металлов и сплавов. Процесс сварки происходит без расплавления основного металла в результате нагрева и сдавли­ вания соединяемых деталей. В месте сварки деталей происходит диффузия одного металла в другой. При соединении деталей ме­ тодом диффузионной сварки их поверхности тщательно зачища­ ют и подгоняют, а сам процесс сварки осуществляют в вакууме. Основой процесса диффузионной сварки является взаимное про­ никновение соприкасающихся веществ друг в друга вследствие теплового движения атомов вещества.

7.3.2. ОБРАБОТКА ДАВЛЕНИЕМ

Обработка металлов давлением включает группу техноло­ гических процессов: прокатка, прессование, волочение, ковка, штамповка. Перспективность применения процессов обработки давлением для изготовления композиционных материалов обу­ словлена их высокой производительностью, а при прокатке и волочении — возможностью получения полуфабрикатов из КМ большой протяженности. Благодаря высокой скорости процес­ сов происходит минимальное взаимодействие матрицы с упрочнителем.

Прокатка. В качестве примеров использования метода про­ катки для изготовления КМ рассмотрим изготовление полуфаб­ риката в виде ленты из композиционного материала на основе атюммния, упрочненного борным волокном. Предварительную за­ готовку, состоящую из чередующихся слоев алюминиевой фольги и однонаправленного, уложенного с определенным шагом борно-

го волокна, подвергали прокатке при температуре 600—650 °С. Прокатку вели с небольшими степенями деформации за несколь­ ко проходов. Для улучшения прочности связи на границе раздела матрица —волокно на поверхность волокон было нанесено тонкое покрытие из вольфрама, никеля или меди. Полученный в виде ленты КМ, содержащий около 50 % (об.) борного волокна, имел модуль упругости 250 000 МПа.

Второй процесс — изготовление КМ алюминий — стальная проволока, который заключается в холодной прокатке со степе­ нью деформации 5 % заготовки из алюминия и стальной прово­ локи диаметром 0,1 мм. Заготовка имела толщину 0,9 мм и была получена многократно чередующимися намоткой проволоки на плоскую охлаждаемую оправку и плазменным напылением на ее поверхность алюминия. Предел прочности такой композиции по­ сле прокатки составлял 1200—1400 МПа.

Горячим прессованием смеси, состоящей из порошка металла и нитевидных кристаллов, и последующей горячей прокаткой прессованных брикетов получали композиционные материалы на основе меди, упрочненной нитевидными кристаллами карбида кремния (SiC) и оксида алюминия (AI2O3). Прокатку горячепрессованиых брикетов осуществляли при температуре 500 °С на двухвалковом стане со степенью обжатия 10 % за проход и пяти­ минутным повторным нагревом между проходами. Предел проч­ ности композиций медь — 5 % (об.) нитевидных кристаллов SiC после прокатки был равен 200 МПа, композиций медь — 10 % (об.) нитевидных кристаллов АЬОз —300—330 МПа.

Прессование. Прессование, или экструзия, является одним из немногих методов изготовления композиционных материалов, по­ зволяющих получать из заготовки, состоящей из матрицы с рав­ номерно распределенными в ней, но хаотически ориентирован­ ными дискретными волокнами или нитевидными кристаллами полуфабрикат КМ с упрочнителем, ориентированным в направ­ лении оси прессования, в виде полосы, профиля и др.

Методом экструзии изготавливают жаропрочную композицию с матрицей из коррозионностойкой стали с упрочнителем в виде вольфрамовой проволоки.

7.3.3.МЕТОДЫ ПОРОШКОВОЙ МЕТАЛЛУРГИИ

Вкачестве исходных материалов используют металлические или металлокерамические порошки, образующие матрицу, и ар­ мирующие волокна в виде непрерывных или дискретных воло­ ком, либо в виде металлических сеток. Оборудование, применяе­ мое при изготовлении композиционных материалов, существенно

не отличается от оборудования, применяемого в порошковой ме­ таллургии. Это разного типа вибрационные столы для уплотне­ ния смеси, прессы, печи для спекания и др.

Прессование с последующим спеканием для получения во­ локнистых композиционных материалов используется в тех слу­ чаях, когда волокна обладают высокой стабильностью в контакте с материалом матрицы при температурах, достаточных для спе­ кания матриц.

Как правило, прессование и спекание используют как предва­ рительные технологические операции, позволяющие получить за­ готовку, содержащую необходимое количество определенным об­ разом расположенных волокон, хотя в целом ряде случаев воз­ можно получение композиционного материала большой плотности (95—98 %) при использовании только процессов прессования и спекания.

Окончательное формирование компактной, беспористой за­ готовки или готовой детали производится методами ковки, прокатки, экструзии и горячего прессования, а также сваркой взрывом.

7.4. ПРОЦЕССЫ НАПЫЛЕНИЯ

Отличительной особенностью напыления или газофазных ме­ тодов получения композиционных материалов является отсутст­ вие или незначительное температурное или механическое воздей­ ствие на волокна в процессе совмещения их с матрицей, а также возможность формирования изделий или полуфабрикатов слож­ ной конфигурации. Принципиальная схема изготовления компо­ зиционных материалов напылением состоит в нанесении тем или иным способом на волокна слоя материала, заполняющего меж­ волоконное пространство и составляющего собственно матрицу. В зависимости от способа нанесения может потребоваться допол­ нительная операция уплотнения материала прессованием или спе­ канием (например, при изготовлении композиций методом плаз­ менного напыления).

Газотермическое напыление —это процесс получения покры­ тий, заключающийся в нагреве материала выше температуры плавления и распылении его с помощью газовой струи.

При высокотемпературном нагреве напыляемое вещество пла­ вится, а газовая струя распыляет расплавленный материал и на­ правляет его с большой скоростью на поверхность изделия. При соударении расплавленных частиц с покрываемой поверхностью и друг с другом на поверхности образуется слой покрытия, тол­ щина которого, а также плотность и прочность сцепления с осио-

вой определяются технологическим режимом процесса напыления и природой материалов покрытия и основы.

Для получения композиционных материалов важной особен­ ностью нанесения покрытий газотермическим напылением явля­ ется то, что покрытия можно наносить без существенного повы шения температуры изделия; кроме того, отсутствуют процессы физико-химического взаимодействия покрытия с покрываемой поверхностью.

7.5. СВОЙСТВА И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

7.5.1. ДИСПЕРСНОУПРОЧНЕННЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

К наиболее исследованным и широко применяемым дисперсноупрочнеиным композиционным материалам (ДКМ) относятся материалы на основе алюминия, никеля, меди, молибдена и ряда других металлов.

ДКМ на основе алюминия —группа САП (спеченных алюми­ ниевых порошков) содержит до 15—17 % упрочняющей фазы в виде дисперсных порошков оксида алюминия АЬОз. Исходные порошки получают путем распыления сжатым воздухом при 720— 790 °С первичного алюминия. При распылении получаются гра­ нулы размером 150—200 мкм, содержащие 0,5—1,5 % оксида алюминия, которые подвергаются размолу в среде азота, бензина или спирта.

Технология изготовления изделий из САП состоит в подго­ товке порошка алюминия и упрочняющей фазы, их механическом смешивании, холодном прессовании, предварительном спекании, горячем прессовании и выдавливании цилиндрической заготовки в форму готового изделия, которое в дальнейшем может подвер­ гаться термической обработке.

Свойства готовых изделий из САП зависят от размера упроч­ няющих частиц, расстояния между ними и их содержания. С увеличением содержания оксида алюминия от 0,5—1 до 15—17 % повышаются прочность при температуре 18—20 °С и длительная прочность при нагреве до 450—500 “С.

При нагревании САП, содержащих 10—13 % оксида алюмн ння, прочность не снижается до 550 °С, в то время как у литых алюминиевых сплавов она резко снижается уже при 400 °С. Ста­ тическая и динамическая прочность САП при 400 °С в пять раз выше прочности стареющих алюминиевых сплавов. При комнат-

ион температуре прочность СЛП имеет промежуточные значения между чистым алюминием и стареющими алюминиевыми сплава­ ми. При температуре 660 “С, соответствующей температуре плав ления алюминия, САП становится тестообразным, что позволяет простым путем выдавливать трубы, прутки, изготавливать слож­ ные по форме изделия и т. п..

Плотность САП 2,8 г/см3, электропроводность, теплопровод­ ность н коррозионная стойкость примерно такие же, как у алю­ миния. Термическое расширение САП при температуре выше 100 °С составляет примерно 80 % расширения алюминия. Оно ниже, чем для стареющих сплавов. САП не подвержены интеркристаллитной коррозии в среде воздуха, водяных паров, раз­ бавленных кислот, противостоят действию морской воды.

Впромышленности производится САП марок САП-1, САП-2

иСАГ1-3. Наиболее пластичен САП-1 (содержание оксида в нем 6—9 %). Прессованием либо прокаткой из него получают прутки, полосы, различные профили, листы, фольгу и т. п. В САП-2 и САП-3 содержание АЬОз составляет соответственно 9—13 и 13— 18 %. Они менее пластичны и идут на изготовление прутков,

труб, полос.

При обработке резанием, шлифованием и полировке САП ве­ дут себя аналогично чистому алюминию. Отдельные конструк­ тивные элементы из САП между собой могут соединяться пай­ кой, аргонодуговой сваркой, клепкой и болтами.

Повышенная жаропрочность, высокая термическая стабиль­ ность, хорошая обрабатываемость САП позволяют использовать их для изготовления лопаток турбокомпрессоров, шатунов, крыль­ чаток газовых турбин, поршней и т. п. Из-за высокой устойчиво­ сти против ползучести при высоких температурах они применя­ ются для облицовки гипер- и сверхзвуковых самолетов, а также для изготовления узлов устройств атомной энергетики, деталей крепежа и т. п.

Эффективность упрочнения алюминиевой матрицы может обес­ печиваться включениями карбидов алюминия в системе Al—С. С этой целью алюминиевый порошок в течение 0,5—4 ч смешива­ ется с тонкоднсперсной сажей и при температуре 550 °С выдер­ живается в течение 0,5 ч. в результате чего образуется карбид алюминия АЬСз. Полученную смесь подвергают горячей экстру­ зии при 520—540 °С. Получается ДКМ-С, содержащий до 2 % АЬОз и до 20—22 % АЬСз, который по устойчивости к кристал­ лизации при высоких температурах близок к материалам типа САГ1 и может подвергаться различным видам термомеханической обработки (экструзии, прокатке, ковке и др.). Увеличение кон-

центрацим АЬСз повышает прочность, но несколько снижает пла­ стичность, уменьшает коэффициент термического расширения, электропроводность и теплопроводность, повышает электросопро­ тивление и теплоемкость.

В ДКМ на железной основе в качестве упрочняющей фазы используются оксиды АЬОз, TiCb, ZrCb, которые вводятся в же­ лезо методом механического смешивания, термического разложе­ ния солей с последующим восстановлением. ДКМ получают прес­ сованием брикетов с последующей горячей экструзией, изостатическнм горячим прессованием.

Прочность ДКМ на основе железа возрастает с повышением содержания оксидов. Например, прочность ДКМ, содержащего 0,4 % AI2O3, при 20 °С равна 560 МПа, а содержащего 6,2 % AI2O3 — 710 МПа. Однако ДКМ на железной основе без допол­ нительного легирования имеют малую жаростойкость. Поэтому

вкачестве матричной основы применяют легированное железо

истали. Так, ДКМ на основе железа с 20 % хрома -г 5 % алюми­ ния + 2 % ванадия и 4 % АЬОз при 1200 °С имеет длительную прочность при 100-часовой выдержке до 42 МПа в прутках и 28 МПа в листах.

Весьма перспективными ДКМ являются материалы на основе никеля, упрочненные (2—3 % (об.)) оксидами алюминия, тория, гафния, циркония и ванадия, реже карбидами титана и тантала. Наиболее эффективен оксид тория TI1O2, который в количестве 1—2 % используется для упрочнения никеля и нихрома. Основ­ ными марками таких ДКМ являются ВДУ-1, ТД-ннкель, ДБникель, ТД-нихром состава (80 % Ni + 20 % Сг) + 2 % TI1O2. Однако токсичность оксида тория ограничивает его применение. Оксид гафния НЮ2, однако не токсичен, но при упрочнении ни­ келя 2 % ШО2 (ДКМ ВДУ-2) снижается прочность.

Упрочняющие частицы в никель и его сплавы вводятся путем механического смешивания тончайших порошков основы и уп­ рочняющих частиц, химического смешивания, внутреннего окис­ ления, совместного осаждения солей из раствора с последующим восстановлением. Полученная смесь подвергается гидростатиче­ скому прессованию, а затем спеканию в водороде или вакууме при 1450—1300 “С в течение часа. Полученные спеченные брике­ ты обрабатываются методом горячей экструзии. Превращение за­ готовок в различные виды фасонного полуфабриката достигается ковкой, штамповкой, протяжкой, прокаткой.

Дисперсноупрочненный никель хорошо куется и штампуется при комнатной температуре. Он нечувствителен к перегреву и надрезам, хорошо обрабатывается резанием, характеризуется вы-

соким сопротивлением ударным и циклическим нагрузкам, кор­ розионностоек, не подвержен межкристаллитному и высокотем­ пературному окислению. Установлено, что ДКМ на никелевой основе при температуре выше 1000 °С имеют в 2—4 раза более высокую прочность и жаростойкость, чем жаропрочные сплавы на основе никеля и кобальта, уступая только тугоплавким ме­ таллам.

Введение в медь оксидов алюминия, бериллия, тория, а также карбидов, нитридов и других тугоплавких соединений повышает ее жаропрочность, термическую стабильность при сохранении высокой электропроводности. Структура ДКМ на основе меди представляет собой мелкозернистую матрицу с равномерно рас­ пределенными в ней частицами упрочняющей фазы. При введе­ нии оксидов в ДКМ на основе меди для сохранения пластичности и электропроводности их содержание не должно превышать 1,5— 2 % (об.). Такие материалы характеризуются высоким сопротив­ лением ползучести, высокой жаропрочностью и применяются для изготовления обмоток роторов двигателей, работающих при по­ вышенных температурах, электровакуумных приборов, контактов и т. п. При наличии в меди дисперсных включений тугоплавких соединений она может применяться для изготовления электродов точечной и роликовой сварки. Эрозионная стойкость ДКМ на основе меди с 3 % нитрида бора в 3—б раз выше, чем меди и ла­ туни.

Наименьшей плотностью обладает ДКМ на основе магния, сочетающий высокую прочность с высокой вибрационной стойко­ стью. Наибольший эффект упрочнения достигается за счет собст­ венного оксида MgO, который образуется на поверхности частиц магния при его размоле в контролируемой оксидной окислитель­ ной среде. Оптимальное содержание MgO 1,0—1,1 %.

ДКМ Mg—MgO получают брикетированием и горячей экстру­ зией окисленных порошков магния при 350—550 °С. Эти ДКМ имеют повышенную длительную прочность и сопротивление пол­ зучести при температурах до 500 °С. Длительная работа при 500 °С не приводит к их разупрочнению.

В ДКМ с матрицей на основе вольфрама упрочняющими фа­ зами выступают оксид тория, реже оксид циркония и нитриды гафния и циркония. При производстве ДКМ с вольфрамовой матрицей и упрочняющей фазой 2 % ThCb смешивание произво­ дится механически. После спекания и уплотняющей обработки прочность ДКМ при 25 °С составляет 1100 МПа и 8 МПа при 2760 °С (для проволоки); для листов — более 10 МПа при 2200 °С.