Композиционные материалы icon

Композиционные материалы




НазваКомпозиционные материалы
Сторінка5/12
Дата15.05.2013
Розмір2.79 Mb.
ТипРеферат
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   12

Рисунок 29 – Схемы основных типов связей между компонентами: а – механическая связь; б – связь смачиванием и растворением, например Nb - W; в – реакционная связь, например Ti – C; г – обменно-реакционная связь, например Ti(Al); д – оксидная связь

Оксидная связь (рис. 29 д) также может рассматриваться как разновидность реакционной связи, которая характерна для металлов т, армированных волокнами из оксидов х. Эта связь реализуется за счет образования продуктов реакции в виде оксидной пленки тОх, через которую осуществляется связь.

Смешанный тип связи возникает в КМ псевдопервого класса после разрушения оксидных пленок и начала химического или диффузионного взаимодействия. Он реализуется, например, при частичном переходе систем псевдопервого класса в системы второго и третьего классов.



    1. ^ Получение металлических КМ, армированных

нитевидными кристаллами


Производство металлических композиционных материалов (МКМ), армированных нитевидными кристаллами («усами»), проводится в две стадии:

- подготовка нитевидных кристаллов;

- объединение волокон с матрицей.



      1. ^ Подготовка нитевидных кристаллов


Выращенные нитевидные кристаллы отличаются по степени совершенства кристаллической структуры и поверхности, размерам и механическим свойствам. В связи с этим их подвергают дополнительной переработке, которая включает следующие этапы:

- классификация нитевидных кристаллов. Проводится с целью сортировки кристаллов по площади поперечного сечения, по длине или обоим параметрам одновременно. Классификация осуществляется жидкостным или воздушным методом. Жидкостная сортировка проводится для самых тонких нитевидных кристаллов (диаметр 1-5 мкм, длина 100-1000 мкм);

- нанесение металлических покрытий. Осуществляется с целью обеспечения смачивания нитевидных кристаллов расплавом матрицы в процессе формирования МКМ, предотвращения повреждений при переработке, исключения химического взаимодействия с матрицей, возможности придания ориентировки в матрице. Покрытия не только обеспечивают технологичность формирования КМ, но и во много определяют эксплуатационные характеристики МКМ.

Применяют несколько способов нанесения покрытий:

  1. химическое парофазное осаждение;

  2. распыление;

  3. вакуумное испарение;

  4. электролиз;

  5. погружение в систему металлорганическая уда-

ляемая связка.

Наиболее распространенными являются первые два способа.

Химическое парофазное осаждение из карбонилов и галогенидов соответствующих металлов применяют нанесением покрытий Ni, Ti и W.

Методом распыления или ионной бомбардировкой в среде аргона наносят покрытия металлов и соединений - Ni, Ti, W, Cu, Re, Mo, Ta, Cr, нихрома, стали, алюминида никеля, борида вольфрама и др.;

- ориентирование нитевидных кристаллов. Ориентированию волокон и объединению их с матрицей придается огромное значение, так как расположение и направленность волокон определяют свойства композиции. Наиболее распространенными способами ориентирования волокон являются:

  1. экструзия;

  2. с помощью жидкого носителя (отмучивание, направленное истечение);

  3. под действием магнитного или электрического поля;

  4. текстильные - вытягивание, разравнивание гребенкой;

  5. вибрационный.

При экструзии нитевидные кристаллы диспергируются в вязком носителе (альгинат аммония с водой), к которому примешивают тонкие порошки другого металла (например, железа). Суспензию эксрудируют через насадку в слабокислую ванну, где альгинат аммония желатинизируется. В результате экструзии получают жгуты диаметром 6 мм, которые наматывают в несколько слоев на барабан и разрезают по образующей барабана. Полученные листы просушивают и подвергают горячему прессованию, в процессе которого связующее удаляется.

Ориентирование нитевидных кристаллов под действием электрического поля проводят в диэлектрической жидкости, в которой с помощью погруженных электродов создается электрическое поле. В качестве одного из электродов используют движущуюся полосу металлической фольги. Под действием электрического поля нитевидные кристаллы поляризуются и располагаются вдоль силовых линий поля. При выходе фольги из жидкости нитевидные кристаллы наволакиваются на нее параллельными рядами. Полученные таким образом листы высушивают и уплотняют горячим прессованием.



      1. ^ Объединение волокон с матрицей


Все способы объединения нитевидных кристаллов с матрицей делят на следующие процессы:

- твердофазные;

- жидкофазные;

- осаждения.

Твердофазные способы объединения нитевидных кристаллов и матрицы заключаются в механическом объединении матрицы в виде порошка или фольги с нитевидными кристаллами и последующем горячем прессовании, диффузионной сварке либо экструзии. Экструзия приводит к значительным повреждениям нитевидных кристаллов, а спекание композиции - к нежелательному взаимодействию компонентов композиции.

Жидкофазные процессы основаны на использовании расплавленных матриц. Наиболее широко применяют пропитку (инфильтрацию) расплавленной матрицы для пучков нитевидных кристаллов или неориентированных матов. Инфильтрация обеспечивает получение практически беспористой композиции и не приводит к значительным повреждениям армирующих элементов. Успешно подвергают пропитке каркасы из нитевидных кристаллов такими металлами, как Al, Cu, Ag. Полученные заготовки МКМ прокатывают или выдавливают в горячем состоянии. Во избежание разрушения нитевидных кристаллов формообразование проводят, учитывая ориентацию армирующих элементов.



    1. ^ Получение металлических КМ,

армированных волокнами


Процессы армирования металлов короткими дискретными волокнами небольших диаметров существенно не отличаются от технологии армирования нитевидными кристаллами. Увеличение диаметра и длины волокон повышает технологичность армирующих элементов в процессах объединения их с матрицей и формования композиций. При этом устраняются такие специфические для нитевидных кристаллов операции, как классификация и нанесение покрытий. Существенно проще технология получения МКМ, армированных волокнами, и по аппаратному оформлению.

Для всех технологических процессов получения таких МКМ общими являются следующие стадии:

- очистка поверхности волокон и матрицы;

- сборка чередующихся слоев матричных и армирующих элементов или приготовление каркаса из волокон в литейной форме под заливку матричным металлом;

- объединение волокон и матрицы - получение компактных МКМ.



      1. ^ Очистка поверхности волокон и матрицы


Степень чистоты контактных участков армирующих элементов определяет прочность МКМ, а иногда саму возможность соединения волокон и матрицы. При очистке, как правило, удаляют с поверхностей компонентов оксидные пленки, примеси различных веществ и технологические смазки, использующиеся на стадии получения компонентов МКМ.

Для очистки волокон и матрицы применяют следующие способы:

- мойку;

- химическую и электрохимическую очистку;

- механическую очистку;

- очистку в органических растворителях;

- ультразвуковую очистку.



      1. ^ Объединение волокон и матрицы.

Получение компактных МКМ


На этой стадии технологического процесса выполняется ориентация волокон относительно матрицы. Как правило, эти операции проводятся совместно с получением компактного МКМ и связаны с методами их изготовления.

Они осуществляются твердо- и жидкофазными методами - обработкой давлением, литьем, с порошковой металлургией либо их комбинацией.

^ Получение МКМ методами порошковой металлургии. Способы порошковой металлургии позволяют получать МКМ с заданной пористостью и изменять в широком диапазоне концентрацию волокна. К недостаткам этих способов относят сложность равномерного распределения волокон в объеме матрицы, а также возможность повреждения хрупкой арматуры в процессе уплотнения. Методы порошковой металлургии включают следующие операции:

1 Подготовка шихты – операция, заключающаяся в получении равномерных смесей порошка матричного металла с волокнами.

Смешивание осуществляется в основном механическим и химическим способами.

Механическим смешиванием в смесительных барабанах подготовку шихты проводят в случае армирования дискретными волокнами. Значительное влияние на равномерность распределения в шихте оказывают длина и диаметр волокон. Чем меньше длина и больше диаметр волокон, тем меньше они агломерируются в шихте. К более равномерному распределению компонентов приводит мокрое смешивание в спирте, бензине или воде.

Химический способ смешивания заключается в осаждении на поверхности волокон материала матрицы из растворов химических соединений. Способ позволяет получить высокую степень равномерности распределения составляющих.

После мокрого или химического смешивания шихта подвергается сушке.

2 Формование – операция, заключающаяся в уплотнении шихты и придании ей заданной формы размеров.

Формование МКМ осуществляют традиционными способами: прессованием в пресс-формах прессами или молотами, гидростатическим способом, экструзией, прокаткой, вибрационным уплотнением, взрывом и др.

Гидростатическое прессование заключается в том, что шихту помещают в эластичную оболочку и подвергают всестороннему гидростатическому сжатию в герметичной камере с использованием в качестве рабочих жидкостей масла, воды, глицерина и др. Для гидростатического прессования характерно отсутствие внешнего трения. В связи с этим неравномерность плотности по объему значительно меньше , чем при обычном прессовании.

Формование МКМ экструзией проводят двумя способами. По первому обжимаются в матрице и продавливаются через мундштук смеси из волокон и порошков со связками – вязкими жидкостями типа раствора бакелита, парафина и др.

По второму способу продавливанию подвергаются нагретые заготовки из шихты армированного материала, полученные прессованием и спеканием либо горячим прессованием.

В последнее время для изготовления армированных изделий достаточно широкое распространение получил метод шликерного литья. Шликерное литье осуществляется двумя способами.

Первый способ заключается в заливке шликером пористой формы изделия. Шликер в этом случае представляет собой суспензию, состоящую из порошка материала матрицы, волокон и жидкости. Пористая форма обеспечивает адсорбирование жидкости из шликера и придание полученной формовки некоторой механической прочности, необходимой для транспортировки на последующую технологическую операцию. В качестве жидкости используется вода с добавками хлорного железа, соляной кислоты и др. Содержание волокон находится в пределах 5-10 %, размеры частиц порошка не превышают 5-10 мкм. Для шликерного литья тяжелых порошков используют термопластичные шликеры, в которых в качестве связующих используют легкоплавкие вещества - воск, парафин и др. Удаление связующего вещества проводят при спекании формовки.

Второй способ шликерного литья заключается в предварительной укладке в форму войлока из армирующих волокон и последующей его пропитке шликером. Пропитка шликером может осуществляться различными способами.

3 Спекание – операция, заключающаяся в термической обработке спрессованной или сформованной заготовки, которая проводится с целью обеспечения заданных механических и физико-химических свойств. Операция включает нагрев до температуры 0,7-0,8 температуры плавления матрицы и выдержку при этой температуре. Чаще всего спекание проводят в печах сопротивления в атмосфере водорода, инертных газов, производных аммиака либо в вакуумных печах. Для армированных материалов важным является ограничение спекания температурно-временными пределами, при которых достигается прочная связь волокон с матрицей и не происходит заметного растворения армирующих компонентов. Иногда после спекания изделия подвергают дополнительной обработке - повторному прессованию и спеканию, термической или химико-термической обработке.

Процессы спекания совмещены с прессованием при горячем прессовании. Температура горячего прессования обычно составляет 0,5-0,8 температуры плавления матрицы. В результате нагрева уплотнение происходит интенсивнее, чем при раздельных операциях спекания и прессования. Важное преимущество способа заключается в возможности предотвращения разрушения хрупких волокон в процессе уплотнения. К недостаткам горячего прессования относят невысокую производительность процесса и ограниченность форм и размеров изделий.

^ Получение МКМ методами обработки давлением. Методы обработки давлением при получении МКМ применяют для деформируемых матричных металлов и сплавов. При этом совместная пластическая деформация матрицы и волокон не должна приводить к разрушению армирующих компонентов, а волокна или проволоки должны обладать определенным запасом пластичности. Для получения МКМ применяют известные методы обработки давлением – прокатку, импульсное прессование, диффузионную сварку и др.

Способы сборки заготовок, уплотняемых методами обработки давлением, зависят от формы получаемого полуфабриката (лист, труба, профиль и др.).

Листовые заготовки, состоящие из чередующихся слоев матричного материала и слоев арматурных компонентов – заготовки типа «сэндвич», собирают на специальных приспособлениях (рис. 30).

Осуществляют намотку «сэндвича» следующим образом. На съемной оправке 3, 9 закрепляют с двух сторон пластины 8 из матричного материала. При включении электродвигателя 1 вращается оправка 3, армирующее волокно 6 сматывается с катушки 5 и наматывается на оправку. Равномерность укладки волокна 6 на оправке обеспечивается укладчиком 4. После намотки первого слоя армирующего волокна электродвигатель 1 останавливают, устанавливают еще две матричные пластины поверх предыдущих и повторяют цикл намотки.

Рисунок 30 – Схема намоточного приспособления для сборки заготовок типа «сэндвич»: 1 – электродвигатель; 2 – редуктор; 3 – оправка; 4 – укладчик волокон; 5 – катушка; 6 – армирующее волокно; 7 – армирующий элемент; 8 – матрица; 9 - оправка съемная

Для получения трубчатых заготовок используют цилиндрическую оправку, которую после каждого цикла намотки поверх волокон оборачивают слоем матричного материала.

Необходимая концентрация армирующих элементов в заготовке обеспечивается применением матричной фольги разных толщин и регулировкой шага намотки волокна, которая осуществляется с помощью укладчика 4.

Введение армирующих элементов способами намотки позволяет получать заготовки с попеременно продольным и поперечным направлением волокон в слоях. Для этого после установки каждой пары матричных пластин пакет поворачивают на 90 º. Если арматура жесткая и ее невозможно намотать на оправку, волокна укладывают на матричные листы с канавками для волокон, которые получают фрезерованием, травлением или чеканкой.

При сборке армированных заготовок из жестких непрерывных волокон бора или карбида кремния применяют способ монослоев (рис. 31) – намотку с бухты 3 на цилиндрический барабан 1 одного слоя (монослоя) волокон с необходимым шагом. Диаметр и длину барабана выбирают в соответствии с заданными размерами монослоя. Равномерность укладки волокна 5 и его натяжение обеспечивается специальным приспособлением 2, жестко связанным с суппортом намоточного станка. Для фиксации укладки волокна на фольге 4 закрепляют клеем в местах, по которым фольга в дальнейшем разрезается.

Рисунок 31 – Схема сборки заготовки МКМ Al – борное волокно способом монослоев: а – получение заготовки; б – прессование заготовки; в – готовое изделие; 1 – барабан; 2 –натяжное устройство; 3 – бухта с волокном; 4 – алюминиевая фольга; 5 – волокно бора

Иногда для закрепления волокна на матричном листе на него наносят плазменным напылением тонкие слои матричного материала. Снятые с барабана монослои укладывают в нужном порядке в стопку и уплотняют (рис. 31 б). Способ монослоев позволяет собирать и заготовки, в которых слои волокон ориентированы под различными углами относительно друг друга. Способом монослоев изготавливают такие МКМ, как Al – B, Al – SiC, Ti – SiC, Mg – B и Ti – B.

Трубчатые и прутковые заготовки получают прокаткой, прессованием, экструзией и волочением. Схемы получения армированных прутковых и трубчатых заготовок приведены на рисунке 32. Армированный монослой (рис. 32 а), состоящий из матричной рифленой фольги 1 и матричной полосы 2, между которыми расположены волокна 3, сворачивают в тонкий рулон (рис. 32 в), который затем подвергают уплотнению. Разновидностью исходного сворачиваемого монослоя является матричная полоса 2 с наложенным на нее армирующим компонентом 3 и проволокой 4 из матричного материала. Так получают МКМ с матрицей из коррозионностойкой стали и волокнами вольфрама и молибдена. Другим способом получения прутковых заготовок, в которых армирующие элементы расположены вдоль оси прутка, является укладка в трубу 6 волокон с нанесенным на них покрытием из матричного материала (биметаллическая проволока 5). При укладке биметаллической проволоки 5 между внутренней и наружной трубчатыми оправками 6 возможно получение трубчатого МКМ. По этой технологии получают заготовки композиций Al – сталь. Трубчатые заготовки получают также и с ориентированием биметаллической проволоки в поперечном направлении. В этом случае проволоку наматывают в один или несколько рядов на внутреннюю оправку, которую вкладывают в наружную. Иногда взамен биметаллической проволоки применяют совместную намотку армирующей проволоки и проволоки из матричного материала, которые поочередно укладывают на внутренней оправке. Уплотнение таких заготовок производят экструзией.

Прокатка – наиболее производительный процесс производства армированных листов и лент.

Рисунок 32 – Схема получения армированных рулонных прутковых заготовок и трубчатых заготовок из биметаллической проволоки: а - армированный монослой; б – полоса с армирующими и матричными волокнами; в - сворачивание армированной полосы в рулон; г – прутковая заготовка; д – трубчатая заготовка; 1 – матричная рифленая фольга; 2 – матричная полоса; 3 – армирующее волокно; 4 – проволока из металла матрицы; 5 – биметаллическое волокно; 6 – трубчатая оправка [12]

По этой технологии между валками 5 прокатного стана уплотняют до компактного состояния либо матричную ленту и армирующие компоненты в виде сеток, матов, либо ленты 3 с расположенными между ними дискретными волокнами (рис. 33).




Рисунок 33 – Схема прокатки металлических волокон, армированных дискретными волокнами: 1 - рулон с матричной лентой; 2 – бункер с дискретными волокнами; 3 – матричная лента; 4 – ролики; 5 – рабочая клеть прокатного стана; 6 – армированная полоса

В процессе прокатки компоненты (пластичная матрица и твердые волокна) деформируются неодинаково. Волокна вдавливаются в более мягкую матрицу, и схватывание между листами матрицы может происходить без пластической деформации волокон.

Режим прокатки задают температурой, направлением и степенью пластической деформации. Так, стали Х18Н9, 2Х15Н5АМ3 разупрочняются при температурах выше 450 ºС, а стали Х18Н9Т и Х18Н10Т - при температурах выше 400 ºС. Поэтому при армировании алюминиевой матрицы проволоками из этих сталей температура прокатки составляет 380-400 ºС.

Существенное влияние на качество полученной заготовки оказывает направление деформации при прокатке. При прокатке вдоль направления волокон допустимая деформация для МКМ алюминий - стальная проволока во избежание разрыва волокон не должна превышать 25 %. При прокатке в направлении, перпендикулярном направлению волокон, возможно увеличение степени деформации до 75-80 %, однако это приводит к появлению кривизны волокон, обращенной выпуклостью в направлении прокатки. Прокаткой в направлении, перпендикулярном волокнам, получают МКМ на основе алюминия, армированного борным, стекло- и поликристаллическим волокнами.

Прокаткой производят и армированные профили. Для этого используют сортовые прокатные станы, в калибры которых подают матричные ленты вместе с волокнами.

Диффузионная сварка – один из методов термомеханического класса сварки, который заключается в выдерживании сжатых заготовок под давлением при температурах, обеспечивающих интенсивное протекание диффузионных процессов.

При получении МКМ диффузионную сварку чаще всего используют для уплотнения заготовок типа «сандвич», армированных хрупкими волокнами, которые во избежание разрушения нельзя подвергать пластической деформации. МКМ на основе титана и алюминия, армированные борными и карбидокремниевыми волокнами, уплотняют, вдавливая твердые армирующие элементы в пластичную матрицу при температуре сварки до установления физического контакта между арматурой и матричными листами. Сварка матричных листов между собой и арматуры с матрицей происходит в результате дальнейшего диффузионного взаимодействия на граничных поверхностях. Вакуум препятствует образованию оксидных пленок при нагреве, а при вдавливании волокон происходит разрушение этих пленок, что способствует схватыванию между компонентами МКМ и повышению прочности соединения.

Основные параметры этого технологического процесса – глубина вакуума, температура нагрева, давление и время выдержки.

Глубина вакуума в промышленных установках для диффузионной сварки находится в пределах 10-4-10-5 мм рт. ст. Снижение глубины вакуума увеличивает интенсивность окисления матричного материала, а увеличение глубины вакуума снижает производительность процесса.

Основным параметром является температура, которая должна обеспечивать достаточную пластичность матричного материала и не приводить к химическому взаимодействию между волокном и матрицей. Для матриц из технически чистых металлов нижний порог температур, при которых резко активизируются процессы рекристаллизации и ползучести, соответственно равен 0,4 и 0,5 Тпл. Для сплавов значения этих температур выше.

Давление при диффузионной сварке определяется в зависимости от пластических свойств матрицы и волокон. Давление считается оптимальным , если обеспечивается физический контакт компонентов МКМ и в то же время не происходит разрушения хрупких армирующих волокон.

Время процесса должно быть достаточным для формирования прочного сварного соединения.

При динамическом горячем прессовании, в отличие от диффузионной сварки, для уплотнения используется энергия удара. Заготовки нагревают предварительно, добиваясь равномерного нагрева пакета. Обычно время нагрева не превышает 10 минут. Уплотнение с заданной энергией производят падающей частью ковочного молота. Сварка компонентов МКМ происходит в течение долей секунды. В связи с этим метод динамического прессования оптимален для получения МКМ, в которых сложно предотвратить взаимодействие волокон с матрицей и разупрочнение арматуры. При этом метод не позволяет использовать в качестве арматуры хрупкие волокна. Обычно в качестве армирующих элементов в МКМ, получаемых по этому технологическому процессу, используются проволоки тугоплавких металлов и сталей.

По технологии динамического горячего прессования лежит получают МКМ на никелевой основе, армированные однонаправленными вольфрамовыми проволоками и сетками из них. Пакет-заготовку собирают, применяя намоточное приспособление из чередующихся слоев никелевой фольги толщиной 50-100 мкм и армирующих элементов. Для предотвращения окисления материала собранные пакеты помещают в контейнер, изготовленный из никеля. Заготовку нагревают в течение 8-10 минут при температуре1100-1200 ºС. После этого по заготовке наносят удар падающими частями молота с фиксированной высоты. Назначая режимы уплотнения, используют показатель удельной работы прессования, который определяют как отношение энергии удара к массе уплотняемой заготовки. Энергию удара берут равной произведению веса падающих частей молота на высоту их сброса.

^ Получение МКМ нанесением покрытий. Метод заключается в нанесении на подложку чередующихся слоев матрицы и армирующего компонента. Подложка может иметь различную конфигурацию, в том числе и конфигурацию готового изделия. После нанесения на подложку покрытия ее удаляют. В тех случаях, когда высокий уровень свойств предъявляется только поверхностным слоям изделия, то на деталь наносится только армированное покрытие. Применяют несколько способов нанесения покрытий МКМ: плазменное напыление; электролитическое осаждение; осаждение из газовой фазы и др.

^ Литейные способы получения МКМ. Практически все существующие литейные способы получения МКМ основаны на пропитке каркаса из армирующего компонента жидкой металлической фазой. Механизм процесса пропитки обусловлен характером взаимодействия тугоплавкого каркаса с жидкой металлической фазой. Главный фактор этого взаимодействия – смачивание или несмачивание матричным материалом поверхности волокон. При изготовлении МКМ литейными способами принципиально возможны три механизма такого взаимодействия:

- матричный материал смачивает волокна и не

растворяет их;

- матричный материал смачивает волокна и ограни-

ченно растворяет их;

- матричный материал не смачивает и не растворяет

волокна.

Отсутствие взаимной растворимости компонентов и одновременно их высокая смачиваемость в практике создания МКМ встречаются редко. Например, МКМ с медной или серебряной матрицей, армированной вольфрамовой или молибденовой проволокой. Для этих систем используют полное погружение каркаса из армирующего компонента в ванну с расплавом матрицы или так называемое «капиллярное» погружение, при котором каркас частично погружается в ванну с расплавом.

Получение же большой группы МКМ литейными методами затруднено из-за отсутствия смачивания волокон матричным материалом.

Химическое взаимодействие матричного материала с волокнами, как в случае смачивания, так и при его отсутствии, усложняет условия пропитки. В результате растворения волокон и образования новых фаз они существенно изменяются.

Существует два способа увеличить способность армированных систем к смачиванию:

- нанесение покрытий на волокна;

- введение в расплав матричного материала поверхно-

стно-активных веществ.

Примером первого подхода может служить нанесение на углеродные волокна никелевых покрытий для МКМ на алюминиевой и магниевой основе, примером второго – введение в никелевый расплав матричного материала титана для улучшения смачиваемости поликристаллических волокон оксида алюминия. Однако большинство МКМ представляет собой системы, получить которые литейными способами сложно из-за интенсивного взаимодействия расплавленной матрицы и армирующих компонентов. Такие МКМ, как правило, получают твердофазными методами. В то же время, если в качестве матрицы применяются литейные сплавы, а также возникает необходимость получения изделий сложной конфигурации, используют литейные технологии (вакуумное всасывание, непрерывное литье, центробежное литье, литье под давлением и др.).

Литейные технологии положены в основу создания МКМ из жаропрочных никелевых и кобальтовых сплавов.

Для получения МКМ из магниевых сплавов, армированных волокнами бора, применяется метод непрерывного литья (рис. 34).

Рисунок 34 – Схема получения изделий из МКМ методом непрерывного литья: 1 – армирующие волокна; 2 – матричный расплав; 3 – кристаллизатор; 4 – заготовка из МКМ

Волокна 1 непрерывно пропускаются через ванну с расплавленным матричным материалом 2 и собираются в кристаллизаторе 3. При вытягивании волокон из кристаллизатора со скоростью, достаточной для кристаллизации матричного расплава, происходит формование заготовки 4.

Метод позволяет получать профили сложной геометрической формы большой длины (до 1 м).

^ Получение МКМ методами направленной кристаллизации. Метод заключается в образовании МКМ при кристаллизации его расплава за счет образования игольчатых или пластинчатых кристаллов, равномерно распределенных в матрице. Армирующий компонент имеет механические свойства, близкие к свойствам нитевидных монокристаллов, и хорошо связан с матрицей.

Геометрически регулярные структуры образуются из жидкого сплава эвтектического состава при направленной кристаллизации, обеспечивающей рост кристаллов в нужном направлении. Известно несколько способов направленной кристаллизации. Схема одного из них приведена на рисунке 35.

Рисунок 35 – Схема направленной кристаллизации эвтектических МКМ: 1 – подвижная опора; 2 – неподвижный индуктор; 3 – тигель; 4 – стеклянный корпус; 5 – расплав; 6 – фронт кристаллизации; 7 – слиток; 8 – основание; 9 - кристаллизатор

Тигель 3 с эвтектическим сплавом 5 нагревают до плавления индуктором 2, затем извлекают из зоны нагрева с постоянной скоростью с помощью подвижной опоры 1. При этом скорости извлечения тигля 5 и кристаллизации расплава 5 согласованы таким образом, что фронт кристаллизации 6 перемещается вверх. Скорость кристаллизации зависит от скорости извлечения тигля и условий теплообмена, которые регулируют выбором материалов установки, формы ее деталей, а также принудительным охлаждением водой через основание 8 и кристаллизатор 9.

Методом направленной кристаллизации получают эвтектические материалы с волокнистой и пластинчатой структурой (рис. 36).

Рисунок 36 – Схема микроструктуры эвтектических МКМ: а – волокнистая эвтектика (поперечный разрез); б – пластинчатая эвтектика (продольный разрез)



  1. ^ МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ




    1. Требования, предъявляемые к матрицам


Матрица в армированных композициях придает изделию форму и делает материал монолитным. Объединяя в единое целое волокна, матрица должна позволять композиции воспринимать различного рода внешние нагрузки – растяжение, сжатие, изгиб, сдвиг и др. В то же время матрица принимает участие в создании несущей способности композиции, обеспечивая передачу усилий на волокна. За счет пластичности матрицы усилия от разрушенных или дискретных волокон передаются соседним волокнам, а концентрация напряжений вблизи различного рода дефектов уменьшается. Матрице отводится и роль защитного покрытия, предохраняющего волокна от механических повреждений и окисления.

Кроме того, матрица должна обеспечивать прочность и жесткость системы при действии растягивающей или сжимающей нагрузки в направлении, перпендикулярном армирующим элементам. Если растягивающая нагрузка направлена по оси параллельных между собой волокон, то для получения эффекта упрочнения предельное относительное удлинение матрицы, как минимум, должно быть равно относительному удлинению волокон. Если же нагрузка перпендикулярна к оси волокон, то этого оказывается недостаточно. В этом случае нагрузка передается только через матрицу, и чем больше концентрация волокон и отношение модулей упругости материалов волокна и матрицы, тем больше должна быть предельная деформация матрицы. Оценочные расчеты, произведенные на упругих моделях, показывают, что для обеспечения монолитности композиции при поперечном нагружении нужны матрицы, относительное удлинение которых в несколько раз превышает среднюю деформацию волокон.

Стремление получить максимальную прочность композиции вызывает тенденцию повышения объемной доли волокон Vf. Однако если относительное удлинение матрицы мало, то в случае больших значений Vf монолитность композиционного материала может нарушиться даже при небольших нагрузках (появятся трещины, расслоения). Предотвратить эти отрицательные явления при растяжении можно при условии, что толщина δ слоя матрицы между волокнами, диаметр df и их относительные удлинения при разрыве волокон εf и матрицы εm связаны соотношением

, 40

т.е., чем пластичнее матрица, тем меньше допускается толщина прослойки матрицы между волокнами и тем больше волокон может быть введено в композиционный материал.



    1. ^ Матричные материалы


Металлические композиционные материалы (МКМ) представляют собой такие материалы, в которых матрицей выступают металлы и их сплавы, а арматурой - металлические и неметаллические волокна.

В МКМ конструкционного назначения армирующие элементы (нитевидные кристаллы, поликристаллические и аморфные неметаллические волокна, металлические проволоки) воспринимают нагрузку, а металлическая матрица передает нагрузку волокнам и распределяет ее между ними. Поэтому механические свойства МКМ зависят прежде всего от свойств волокон.

Хотя прочностные характеристики металлических матриц и не имеют в МКМ решающего значения, выбор матричного металла определяется требованиями совместимости его с материалом арматуры, а также технологическими и эксплуатационными характеристиками КМ.

Совместимостью называют способность арматуры сохранять форму и структуру, а следовательно, и высокую прочность как в процессе изготовления МКМ, так и в условиях его эксплуатации. Наиболее остро проблема совместимости возникает в МКМ, где арматурой служат металлические волокна, так как они подвержены химическому взаимодействию с матрицей и взаимной диффузии. Эти явления могут привести к растворению и рекристаллизации волокон, возникновению хрупких фаз на границе раздела волокно - матрица и, как следствие, к разупрочнению арматуры и материала в целом.

К технологическим требованиям относят способность компонентов материала, и в первую очередь матрицы, подвергаться тому или иному виду пластической деформации, литья, порошковой металлургии и пр.

Эксплуатационные свойства МКМ характеризуются их способностью противостоять воздействию внешней среды (температуры, давления, вибрации, коррозии и т. п.).

Поскольку матрица оформляет конфигурацию изделия из МКМ и в большей степени, чем волокна, граничит с внешней средой, при выборе матричного материала необходимо учитывать и его сопротивление рабочим температурам, коррозии, эрозионному износу и т. п.

В качестве матричных материалов при изготовлении МКМ используют промышленные металлы и сплавы, которые применяются в различных областях техники, а также сплавы, разработанные специально для армирования их тем или иным видом волокон.

В зависимости от условий эксплуатации, и в первую очередь от рабочих температур, в МКМ используют следующие матричные материалы:

- легкие металлы и сплавы (на основе алюминия и магния);

- металлы и сплавы на основе титана;

- медь и ее сплавы;

- жаростойкие и жаропрочные сплавы на основе железа, никеля и кобальта;

- тугоплавкие металлы и сплавы.

Все перечисленные металлические матрицы по технологическому признаку делят на три класса:

- деформируемые;

- литейные;

- порошковые.

В соответствии с этим технологическим признаком, как правило, и строится технология получения армированного КМ.

К деформируемым алюминиевым сплавам относят не упрочняемые термической обработкой сплавы марок АМц, АМг, АМг3 и др., основными легирующими элементами которых являются Mg и Мn. Эти сплавы обладают хорошей пластичностью, коррозионной стойкостью и свариваемостью, но сравнительно небольшой прочностью. Механические свойства их определяются содержанием легирующих элементов и степенью упрочнения в результате пластической деформации. Большую группу деформируемых алюминиевых сплавов составляют упрочняемые термической обработкой дуралюмины (Д1, Д6, Д16, Д18 и др.) и сплавы групп АВ, АК, В95. После термической обработки (закалки и искусственного старения) эти сплавы имеют повышенную механическую прочность.

Из литейных алюминиевых сплавов наиболее распространены силумины, которые обладают хорошими литейными свойствами и в качестве основного легирующего элемента содержат 4-13 % Si. Однако они малопластичны, имеют низкую ударную вязкость и коррозионную стойкость. Теплостойкость силуминов также невелика. Так, для сплава АЛ5 при 300 °С сточасовая длительная прочность составляет 30 МПа.

Широко применяемы для жаропрочных МКМ на алюминиевой основе матричные материалы типа САП (спеченный алюминиевый порошок), которые представляют собой алюминий, упрочненный дисперсными частицами оксида алюминия А12О3. Исходным продуктом для получения этих материалов служит алюминиевая пудра, содержащая 6-22 % А12О3, из которой брикетированием, спеканием и последующей прокаткой получают листы САП. Главное преимущество САП в их высокой жаропрочности. При температуре 500 °С их прочность составляет 80-120 МПа. Кроме того, эти материалы хорошо обрабатываются давлением и резанием, обладают высокой коррозионной стойкостью.

Магний и его сплавы отличаются от других конструкционных материалов низкой плотностью, относительно высокими механическими свойствами, хорошей способностью сопротивляться ударным нагрузкам и вибрациям. Такие деформируемые магниевые сплавы, как МА5, МА8, МА2-1, технологически пластичны и хорошо обрабатываются давлением. Сплав МА2-1 легко поддается прокатке и всем операциям листовой штамповки. Кроме того, он хорошо сваривается аргонодуговой сваркой. При 20 °С этот сплав обладает прочностью 280-290 МПа, а его относительное удлинение составляет 16-18 %.

Литейные магниевые сплавы, такие, как МЛ5, МЛ12, МЛ15, обладают хорошей жидкотекучестью и малой линейной усадкой 1,3-1,6 %. После термической обработки (старения) они значительно упрочняются. Их обрабатывают методами литья в песчаные формы, в кокиль и под давлением.

Из листовых МКМ наиболее распространены тонкие листы или фольга, получаемые прокаткой. Сплавы алюминия для получения листов толщиной более 5 мм подвергают горячей прокатке в интервале температур 350-440 °С с высокими скоростями – 10 м/с и более. Тонкие листы и фольгу производят из горячекатаных листов рулонным способом. Для большинства сплавов магния температуру начала прокатки назначают в пределах 340-440 °С, а конца – 225-250 °С. Горячекатаные листы и полосы для повышения пластичности отжигают при температуре 300-350 °С в течение 2-4 ч, а затем подвергают холодной прокатке.

Титан и его сплавы обладают высокими физико-механическими свойствами: при малой плотности (4,5 т/м3) титановые сплавы могут иметь предел прочности от 500 (для нелегированного титана) до 1500 МПа (для сплавов). Поэтому по абсолютной и тем более по удельной прочности он превосходит сплавы алюминия и магния и многие легированные стали в широком диапазоне температур 20-500 °С. Технический титан ВТ1 и большинство сплавов титана, например ВТ5, ВТЗ, ВТЛ-1, имеют хорошие литейные свойства и применяются для производства фасонных и тонкостенных отливок. Мелкие фасонные отливки (до 15 кг) изготавливают литьем в оболочковые формы из графита.

Титан и его сплавы можно обрабатывать давлением, особенно в горячем состоянии в интервале 1200-600 °С, всеми известными способами. Особенно высокую пластичность сплавы титана приобретают при нагревании выше 850 °С (в области β-фазы), при объемноцентрированной кубической решетке. Технологическая пластичность титана уменьшается с увеличением степени его легирования.

Горячую прокатку титана и его сплавов проводят при температурах 700-900 °С. При этом получают полосы толщиной 5-7 мм, которые подвергают теплой прокатке при температурах 550-700 °С до получения листов толщиной 1,5-2 мм. Более тонкие листы (1,0-0,5 мм) изготавливают холодной прокаткой. Титановые сплавы ОТ4-1 и ВТ1-1 используют для производства фольги толщиной 3-200 мкм с допуском по толщине ± 20 %.

Медь, имеющая высокую электро- и теплопроводность в сочетании с высокой коррозионной стойкостью, широко применяется в электротехническом аппаратостроении. Медь имеет высокие технологические свойства – может подвергаться ковке, прокатывается в пруток, ленту, фольгу, протягивается в проволоку. В большинстве случаев обрабатывают медь в холодном состоянии с промежуточными отжигами для снятия внутренних напряжений, возникающих при ее деформации. Многие медные сплавы обладают хорошими литейными свойствами и их часто используют для получения фасонных отливок методом точного литья.

Из металлических матриц на основе железа, никеля и кобальта при создании МКМ чаще всего применяют окалиностойкие и жаропрочные стали и сплавы. Окалиностойкими (жаростойкими) обычно называют стали и сплавы, обладающие стойкостью против разрушения поверхности в газовых средах при нагревании выше 550 °С и работающие в ненагруженном или слабонагруженном состоянии. Примерами жаростойких отечественных сплавов могут быть никелевые сплавы системы никель - хром (нихромы) с добавками W, Mo, Al и Ti. Введение в эти сплавы значительного количества хрома (20-40 %) повышает сопротивление окислению, а другие легирующие добавки предназначены для увеличения термической стойкости. Армирование таких сплавов тугоплавкими волокнами позволяет резко повысить их жаропрочность и использовать их при температурах, на 150-200 °С выше, чем рабочие температуры неармированных матриц.

Жаропрочные сплавы также обладают значительной окалиностойкостью, но главное их качество - это способность работать в нагруженном состоянии при высоких температурах. Повышенная длительная прочность, высокое сопротивление ползучести и усталости в никелевых сплавах достигаются за счет введения Ti и Al, образующих дисперсные упрочняющие фазы Ni3Ti и Ni3Al, а также при легировании тугоплавкими элементами (W, Mo, Nb), упрочняющими твердый никелевый раствор, и малыми добавками бора, церия и других элементов, которые увеличивают стабильность межзеренных границ.

В сплавах на кобальтовой основе высокая жаропрочность обусловлена наличием в них сложных карбидов тугоплавких металлов, которые при температурах 1100-1200 °С обладают малой диффузионной подвижностью и не растворимы в твердом кобальтовом растворе.

Окалиностойкие и жаропрочные деформируемые стали и сплавы обладают низкой технологической пластичностью, высоким сопротивлением деформированию, большим упрочнением при нагреве, низкой теплопроводностью. Поэтому они значительно труднее, чем обычные конструкционные стали, поддаются пластической деформации. Чем сильнее легирован материал, тем температура его обработки давлением выше, что обусловлено более высоким порогом рекристаллизации.

В настоящее время существуют жаропрочные сплавы на никелевой и кобальтовой основе, которые легированы десятью и более элементами (иногда их называют суперсплавами), что поднимает их рабочие температуры вплоть до 1100 °С. Однако пластические свойства таких материалов весьма низки, поэтому их не подвергают пластической деформации, а применяют как жаропрочное литье.

Выплавляют жаропрочные сплавы преимущественно методами вакуумно-индукционной, вакуумно-дуговой с расходуемым электродом, электронно-лучевой и плазменной плавок. Литейные жаропрочные сплавы применяют в самых напряженных узлах и деталях высокотемпературных агрегатов, таких, как газотурбинные рабочие и сопловые лопатки, роторы, венцы. МКМ из литейных жаропрочных сплавов изготовляют преимущественно жидкофазными методами (литье, пропитка), а также методами порошковой металлургии (прессование - спекание, горячее и динамическое горячее прессование).

Методами порошковой металлургии стало возможно получать МКМ с матрицей из особо тугоплавких металлов - ниобия, вольфрама, молибдена и сплавов на их основе. Чаще всего такие матрицы подвергают дисперсному упрочнению частицами тугоплавких соединений примерно равноосной формы с размерами в пределах 0,01-0,1 мкм. Волокнистыми наполнителями (усами, волокнами тугоплавких соединений) эти матрицы армируют для того, чтобы придать им особые эксплуатационные характеристики - ударопрочность, термостойкость, специальные физические свойства. Создавая такие МКМ, используют матричный материал в виде тонких порошков с размерами 0,1-5 мкм, тонкой металлической фольги толщиной 10-100 мкм, а также применяют различные методы осаждения матрицы на волокна с последующим уплотнением покрытых волокон горячим прессованием, прокаткой и т.п.



    1. ^ Свойства МКМ

1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   12

Схожі:

Композиционные материалы iconМетодические указания к выполнению студентами лабораторного практикума по дисциплинам «Теория процессов и формирования напыленных покрытий» для специальности 090103 и «Композиционные и порошковые материалы и покрытия» для специальности 090401
«Теория процессов и формирования напыленных покрытий» для специальности 090103 и «Композиционные и
Композиционные материалы iconКомпозиционные материалы на основе модифицированной коры сосны
Фгбоу впо «Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова», 656038, Российская Федерация, Алтайский край,...
Композиционные материалы iconМеждународная научно-практическая конференция «композиционные материалы повышенной долговечности для строительства»
Содержание доклада объемом до 5 стр на одном из языков: русском, украинском или английском, оформленного согласно требованиям, приведенным...
Композиционные материалы iconТезисы международной научно-технической конференции «Функциональные и композиционные материалы»
Збірка доповiдей VІ міжнародної наукової конференції аспірантів та студентів «Охорона навколишнього середовища та раціональне використання...
Композиционные материалы iconТребования к оформлению материалов в сборнике трудов конференции материалы до четырех полных страниц
Материалы до четырех полных страниц разместить на белой бумаге формата А4 (210х297) с полями 25 мм со всех сторон. Страницы не нумеровать....
Композиционные материалы iconДокументи
1. /Уч материалы/стр 1-62 Часть 1.doc
2. /Уч...

Композиционные материалы iconСумский государственный университет учебно-методические материалы
Учебно-методические материалы по развитию связной речи для студентов подготовительного отделения цмо / Составители: Е. А. Голованенко,...
Композиционные материалы iconОбъемно-планировочные решения зданий
Их сочетание определяет характер архитектурной композиции. Различают три основные композиционные системы, которые закладывают в основу...
Композиционные материалы iconПравила оформления материалов
Оргкомитет оставляет за собой право отклонять материалы, не соответствующие условиям конференции за стилистикой и содержанием или...
Композиционные материалы iconГосударственный стандарт союза сср система стандартов безопасности труда пожаровзрывоопасность веществ и материалов
Настоящий стандарт распространяется на простые вещества, химические соединения и их смеси в различных агрегатных состояниях и комбинациях,...
Додайте кнопку на своєму сайті:
Документи


База даних захищена авторським правом ©zavantag.com 2000-2013
При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання відкритою для індексації.
звернутися до адміністрації
Документи