книги / Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композиционных материалов

3. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОНСТРУКЦИИ ИЗ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ

И УГЛЕРОД-УГЛЕРОДНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ. СПОСОБЫ ОБРАБОТКИ

В копилку знаний

Прочитав эту главу, читатель сможет:

•понять и объяснить основные технологические процессы изготовления конструкций из металлокомпозитов, оце­ нить их достоинства и недостатки;

•уяснить физическую сущность жидкофазных, твердофаз­ ных и газофазных процессов, составляющих основу тех­ нологии получения металлокомпозитных деталей и по­ крытий;

•уяснить основные технологические методы получения пространственных армирующих структур из углеродных материалов;

•узнать и обсудить некоторые традиционные и новые ме­ тоды механической обработки ПКМ и МКМ.

3.1. Жидкофазные методы изготовления деталей из металлокомпозитов

Классификация процессов получения и обработки МКМ в зависимости от агрегатного состояния матрицы представлена на рис. 3.1. Газо- и парофазный методы используют в основном для нанесения технологических покрытий на волокна и детали для придания им особых свойств. В производстве конструкци­ онных композитов наибольшее развитие получили твердофаз-

нижней ее части расположен холодильник с проточной водой. Подача инертного газа —аргона —осуществляется через отверстие в запорном плунжере. Температура расплава измеряется в тигле термопарой. Установка работает следующим образом.

В заливочную камеру помещают заготовку из армирующего материала. В контейнер устанавливают графитовую пробку и плавильный тигель. В тигель, нижнее отверстие которого за­ крыто запорным плунжером, загружают материал матрицы. Контейнер закрывают крышкой, и через отверстие в плунжере его полость заполняется аргоном. Затем осуществляется нагрев и расплавление матричного материала, после чего плунжер поднимают вверх, и матрица, заполняя заливочную камеру, пропитывает заготовку из армирующего материала. Этим ме­ тодом изготавливают детали, имеющие форму тел вращения, детали коробчатого сечения и другие.

Вакуумно-компрессионная пропитка

Особенность технологии МКМ заключается в том, что при­ менение какого-либо одного из известных технологических процессов не позволяет получить компактный материал, обла­ дающий требуемыми свойствами. При изготовлении таких ма­ териалов весьма часто приходится прибегать к последователь­ ному осуществлению двух и более технологических процессов, например плазменного напыления и последующего горячего прессования, горячего прессования и последующей прокатки и т.д. К одному из таких комбинированных методов изготов­ ления МКМ относится и вакуумно-компрессионная пропитка, сочетающая в себе элементы вакуумной пропитки и литья под давлением.

Схема одной из установок, предназначенных для получения МКМ методом вакуумно-компрессионной пропитки, показана на рис. 3.3. Установка представляет собой камеру, имеющую две зоны нагрева: зону предварительного нагрева формы с упрочнителем и зону плавления матричного металла, являю­ щуюся одновременно и зоной пропитки. Нагрев этих зон осу­ ществляется с помощью двух, печей сопротивления, установ­ ленных на разных уровнях по высоте снаружи камеры. Сверху камера герметично закрыта крышкой. В крышке имеется от­ верстие с уплотнением, в котором перемещается вверх и вниз

Рис. 3.3. Последовательные стадии изготовления КМ методом вакуумно-ком­ прессорной пропитки:

1 —намотка волокна на цилиндрическую оправку; II - установка в форму; III — предварительный нагрев; IV — пропитка; V - охлаждение; VI - разборка, удаление формы и избытка металла и извлечение трубы из КМ; I - оправка; 2 —волокно; 3 —вакуумированная форма; 4 —тонкостенное дно (0,15 мм); 5 - холодильник; 6 — печь предварительного нагрева; 7 —форма с волокном; 8 - печь для плавления металла; Р —расплав матрицы; 10- иглы для прокалывания дна формы; 11 —рукоятка; 12 —шток; 13 —металл, заполнивший форму

полый шток контейнера с загруженным в него упрочнителем. Контейнер представляет собой герметичную металлическую оболочку, дно которой, по сравнению со стенками, имеет меньшую толщину. На представленном здесь рисунке контей-

нер имеет форму, позволяющую изготовить из КМ изделия в виде колец. Шток контейнера связан с вакуумным насосом.

Крышка камеры имеет патрубок, через который в камеру под давлением подается инертный газ. Для предотвращения нагрева уплотнения штока контейнера в крышке имеется хо­ лодильник, выполненный в виде навитой на него по спирали металлической трубки, через которую непрерывно подается вода.

Рассмотрим технологический процесс вакуумно-компрес­ сионной пропитки, схема которого также показана на рис. 3.3.

Упрочняющие волокна укладывают в контейнер, внутрен­ няя часть которого изготовлена по форме будущего изделия (на приведенной схеме изображен контейнер для получения кольца и поэтому волокно в данном случае предварительно наматывается на специальную оправку, вместе с которой за­ гружается в контейнер). В нижнюю часть камеры, выполнен­ ную в виде тигля, помещают металл матрицы. Крышку вместе с контейнером устанавливают на камере и герметично закреп­ ляют. Полый шток контейнера подключают к вакуумной сис­ теме, и контейнер вакуумируется. Затем контейнер устанавли­ вают в зону предварительного нагрева, а в камеру под нужным давлением подают инертный газ. Включают печи, обогреваю­ щие зоны предварительного нагрева и плавления металла мат­ рицы, при этом в холодильник подают воду. Когда матричный металл и волокно подогреваются до нужной температуры, кон­ тейнер опускается в расплавленный металл и его дно накалы­ вается на иглы, расположенные на дне тигля с расплавом. В результате вакуума в контейнере, а также избыточного давления газа в камере, расплавленный металл заполняет контейнер с волокном. После пропитки контейнер поднимают в холодиль­ ник, где происходит кристаллизация матричного расплава. Затем изделие извлекают из контейнера и подвергают механи­ ческой обработке.

В результате подбора оптимальных температурных условий, удачной комбинации вакуума и давления, совершенствования конструкции формы можно получить плоские и кольцевые образцы для испытания при растяжении, практически не имею­ щие усадочных пор горячих трещин и непропитанных участков между волокнами. Путем вакуумирования каркаса волокон

перед пропиткой устраняют в форме отверстия для прохода металла и тем самым исключают контроль за расходом металла. В связи с этим появляется возможность получать, например, кольцевые образцы намоткой волокна на твердую оправку и пропиткой расплавленным металлом, поступающим только с наружной поверхности намотанного каркаса в результате по­ гружения оправки в расплавленный металл. Наличие избыточ­ ного давления необходимо в том случае, когда расстояния между волокнами очень малы, либо при плохой смачиваемости.

Чтобы устранить усадочную пористость, в конструкции формы делают выпоры и осуществляют подогрев ее верхней части.

Для обеспечения качественной пропитки необходим тща­ тельный расчет теплоемкости системы, учитывающий темпе­ ратуру подогрева, массу волокна, оправки или формы, объем выпоров и др. Так, например, если волокна не подогреты до необходимой температуры, то матрица затвердеет прежде, чем произойдет полная пропитка.

Пропитка расплавленной матрицей

Этим методом в основном получают заготовки деталей из углеалюминиевых композиций, поскольку применение других методов жидкофазного совмещения углеродных волокон и ме­ таллической матрицы приводит к интенсивному разрушению волокна.

Известны две схемы этого процесса. В соответствии с пер­ вой схемой (рис. 3.4) применяют две графитовые формы, по­ мещенные в индуктор, разделенные прокладкой и сжатые по концам специальными крышками, обеспечивающими необхо­ димую герметичность. В нижнюю форму помещают углеродную заготовку, в верхнюю — металл для пропитки. Пропитка осу­ ществляется в результате расплавления металла матрицы в ин­ дукторе и подачи его в форму с заготовкой под давлением аргона (0,5... 1,0 МПа). Время пропитки при этом составляет несколько минут.

Согласно второй схеме (рис. 3.5), заготовку с чередующи­ мися слоями матрицы и волокна укладывают в герметичный металлический контейнер, который вначале продувается арго­ ном, а затем вакуумируется. Контейнер помещают между обо-

ности тщательно зачищают и подгоняют, а сам процесс сварки проводят в вакууме.

Процесс диффузионной сварки под давлением является одним из наиболее часто применяемых методов изготовления МКМ. Этот процесс по технологическим параметрам и аппа­ ратному оформлению незначительно отличается от процесса диффузионной сварки как метода соединения двух деталей из однородных или разнородных материалов.

В данном случае суть метода состоит в получении компакт­ ного материала или готовой детали из нескольких разнородных по составу, форме и размерам элементов, образующих матрицу и упрочнитель КМ.

Поскольку в состав КМ обычно входят пластичная мало­ прочная матрица и упрочнитель, обладающий, как правило, более высокой твердостью по сравнению с твердостью матри­ цы, то этот упрочнитель в процессе диффузионной сварки под давлением может разрушать оксидные слои, покрывающие по­ верхность металлической матрицы. В связи с этим процесс диффузионной сварки упрощается: если для соединения дета­ лей методом диффузионной сварки почти всегда необходимо создавать вакуум над поверхностями соединяемых деталей, то для изготовления деталей этим методом не всегда необходим вакуум, и процесс можно проводить в инертной, а иногда и в воздушной среде. Следует отметить, что и в случае получения КМ методом диффузионной сварки под давлением наличие вакуума является фактором, интенсифицирующим процесс и улучшающим его качество.

Другой важный отличительный признак этого процесса со­ стоит в том, что процесс получения КМ обычно связан с пластическим течением матрицы, необходимым для заполне­ ния пространства между элементами упрочнителя, происходя­ щим обычно в замкнутом объеме. При соединении деталей диффузионным методом пластическая деформация отсутствует.

Для изготовления методом диффузионной сварки различ­ ных полуфабрикатов и деталей из КМ необходимо использовать специальное оборудование и оснастку, а также мощные прессы, автоклавы, изостаты и др.

В процессе изготовления КМ необходимым условием яв­ ляется обеспечение пластической деформации, что связано со

значительным повышением технологических параметров про­ цесса - температуры, давления и времени выдержки при прес­ совании по сравнению с аналогичными параметрами процесса соединения диффузионной сваркой двух деталей. Однако в целом технологическому процессу изготовления КМ диффузи­ онной сваркой под давлением присущи все основные показа­ тели, характеризующие собственно процесс диффузионной сварки двух деталей, такие как подготовка соединяемых кон­ тактирующих поверхностей, нагрев соединяемых элементов, создание давления, время выдерживания параметров при этих условиях и др.

Принципиальная схема изготовления этим методом КМ представлена на рис. 3.6. Основными операциями технологи­ ческого процесса являются подготовка поверхности контакти­ рующих материалов, изготовление предварительных заготовок, раскрой и сборка пакетов и прессование.

Исходные материалы. Матрицу в исходном состоянии чаще всего используют в виде фольги металлов или сплавов. Иногда матрицу применяют в виде слоев, нанесенных на упрочнитель тем или иным методом. Упрочнителями в этом случае являются нитевидные кристаллы, волокна и проволоки из различных металлов или сплавов. Нитевидные кристаллы, волокна и про­ волоки можно применять как в виде отдельных кристаллов, моноволокон и проволок, так и в виде различных полуфабри­ катов: матов, жгутов, тканей, сеток и др. Кроме того, упрочнители часто применяют в виде своеобразного предваритель­ ного КМ, представляющего собой отдельные кристаллы, во­ локна или проволоки, объединенные в матрицу. При этом материал матрицы можно наносить на упрочнитель, используя методы плазменного напыления, химического и электрохими­ ческого осаждения, осаждения из газовой фазы, протяжки во­ локна через расплав матрицы и др.

Подготовка поверхности контактирующих материалов. Тех­ нологический процесс получения КМ методом диффузионной сварки под давлением основан на диффузии элементов, вхо­ дящих в состав матрицы и упрочнителя. Диффузионные про­ цессы, способствующие образованию компактного материала из компонентов матрицы и упрочнителя, протекают главным образом на границах раздела матрица—упрочнитель и матри-