Дисперсно-упрочненные композиты

Структура дисперсно-упрочненного композиционного материа­ла представляет собой матрицу, в которой равномерно распределе­ны мелкодисперсные частицы второго компонента. Упрочнение та­ких материалов осуществляется за счет создания барьеров перемещению дислокаций, аналогично тому, как это происходит в металлических сплавах с дисперсионным твердением, например, в системе «Аl—Сu». Наиболее сильное торможение перемещению дислокаций достигается при использовании в качестве второй, уп­рочняющей фазы частиц химических соединений — карбидов, нит­ридов, боридов, оксидов, обладающих высокими значениями твер­дости, прочности, а также высокой химической устойчивостью.

Для эффективного торможения дислокаций суммарная поверх­ность дисперсных частиц должна быть максимальной, т. е. их раз­меры минимальными (но не менее 2÷10 нм, так как при меньших размерах частицы перерезаются движущимися дислокациями, а не задерживают их).

Наиболее распространенная технология получения дисперс­но-упрочненного композита — порошковая металлургия. Основны­ми технологическими процессами являются получение порошковых смесей, прессование порошков с последующим спеканием и пла­стическая деформация полученной массы. В процессе пластической деформации повышается плотность и уменьшается пористость ком­позита.

В промышленности нашли применение композиты с алюминие­вой, магниевой, титановой, никелевой, вольфрамовой и другими матрицами.

Композиты на основе алюминия типа САП (спеченный алюми­ниевый порошок) нашли широкое применение, в частности, в авиационной промышленности. В этих композитах алюминиевая матрица упрочнена оксидными частицами А1₂О₃. Свойства компо­зита определяются количеством А1₂О₃. Так, предел прочности ком­позита САП-1 (6÷9 % А1₂О₃) составляет 300 МПа, а композита САП-3 (13÷18 % А1₂О₃) - 400 МПа.

При цеховой температуре механические свойства САПов ниже, чем у алюминиевых сплавов. Их основное преимущество достигает­ся при температурах свыше 300 °С, когда алюминиевые сплавы ра-зупрочняются. Так, при 500 °С предел прочности сплавов САП со­ставляет 80÷120 МПа, тогда как у сплавов Д19, Д20, АК-4 не превы­шает 5 МПа.

Композиты на основе бериллия предназначены для длительной работы при высоких температурах. В качестве упрочнителя бериллиевой матрицы используют оксид или карбид бериллия — ВеО, Ве₂С. Наиболее эффективно сопротивление ползучести повышается для композитов системы Ве—Ве₂С. Так, при температуре 650 °С 100-часовая прочность композита выше прочности чистого берил­лия в 3 раза (40 и 14 МПа соответственно), а при температуре 730 °С — более, чем в 5 раз (25 и 4 МПа соответственно).

Композиты на основе магния. Незначительная растворимость ки­слорода в магнии дает возможность упрочнять его оксидами. Наи­больший эффект достигается при введении около 1 % оксида, при этом предел прочности достигает 300 МПа, тогда как предел проч­ности магния составляет 180 МПа. Композиты на основе магния обладают низкой плотностью, высокой длительной прочностью и высоким сопротивлением ползучести. Наиболее перспективно при­менение композита в авиации для изготовления деталей, от кото­рых требуется сочетание малой массы с повышенной прочностью.

Композиты на основе никеля и кобальта предназначены для экс­плуатации при высоких температурах — свыше 1000 °С. Упрочне­ние достигается за счет введения оксидов тория или гафния в коли­честве 2÷4%. Матрицы этих композитов могут состоять из чистых металлов или сплавов на их основе. Так, в качестве матрицы нашел применение нихром (80 % Ni, 20 % Сr), а также сплав кобальта с цирконием (2 %). Композиты на основе нихрома обладают более высокой прочностью по сравнению с чисто никелевым композитом при температурах до 600÷800 °С. Легирование цирконием кобальто­вой матрицы приводит к повышению механических свойств во всем диапазоне температур, однако при этом заметно снижается пла­стичность материала. Основное применение композитов — авиаци­онная и космическая техника. Пределы прочности некоторых ком­позитов приведены в табл. 16.1.

Таблица 16.1. Предел прочности композитов на основе никеля и кобальта в зависимости от температуры