Стали специального назначения 3 страница

КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

ML ______________________.,,,,„ ________...,.,„___ ______

Классификация композиционных материалов

 

Композиционными материалами (КМ) называют материа­лы, созданные из двух или более компонентов, различающихся по химическому составу и разделенных ярко выраженной гра­ницей. Они обладают новыми свойствами, отличающимися от свойств компонентов. Свойства, размеры, форма и распределе­ние компонентов в КМ проектируются заранее и формируются в процессе изготовления. Компонент, непрерывный в объеме КМ, называют матрицей, прерывистый — армирующим элементом.

КМ подразделяют на волокнистые, слоистые и упрочненные дисперсными частицами (рис. 8.1). Волокнистые КМ в качестве

а хху

 

 

Рис. 8.1. Схема расположения упрочнителей в композиционных материалах: а — волокнистых; б — слоистых; в — дисперсноупрочненных

 

упрочнителей содержат волокна, диаметр которых намного меньше размеров матрицы, а длина соответствует длине изде­лия. Слоистые КМ содержат пластины, длина и ширина кото­рых соответствует размерам изделия. Дисперсноупрочненные КМ содержат частицы, значительно меньшие по размеру, чем изделие.

В зависимости от геометрии армирующих элементов и их взаимного расположения свойства КМ могут быть одинаковыми во всех направлениях — изотропными (дисперсноупрочненные КМ) и различными — анизотропными (КМ, упрочненные непрерыв­ными волокнами, ориентированными в определенных направ­лениях).

Волокна — наиболее часто используемый армирующий эле­мент — несут внешнюю нагрузку. Они должны обладать низкой плотностью, высокими прочностью и модулем упругости, хими­ческой стойкостью и технологичностью изготовления, минималь­ной растворимостью в матрице, отсутствием фазовых превраще­ний, нетоксичностью.

Свойства волокон должны быть стабильны в условиях экс­плуатации. В табл. 8.1 приведены свойства некоторых упроч­няющих волокон.

Таблица 8.1

Механические свойства волокон Тип волокон Диаметр d,мкм Плотность у, г/см3 а», МПа Е, ГПа Метод изготовления В (борные)   2,6     Осаждение из газовой фазы   104...146 2,76     Осаждение из газовой фазы     3,30     Осаждение из газовой фазы УВ (ВМН-4) 6,0 1,71     Карбонизация У В (торнел-100) 9,4 1,95     Карбонизация (углеродные)   3,96     Вытягивание из рас­плава     4,90     Зонная плавка 12Х18Н10Т   7,80     Волочение ВМ (вольфрамовые)   19,30     Волочение МТ (молибденовые)   10,22     Волочение УВ (графит) 0,8 1,80     Графитизация

 

В качестве армирующего элемента используют углеродные, борные, стеклянные и органические волокна, волокна карбида кремния, борсика (борные волокна, покрытые слоем SiC) в виде нитей, жгутов, лент, а также высокопрочную стальную проволоку в виде сетки. Высокую удельную прочность имеют стекловолокна. Они способны длительное время работать при 200...300 °С.

В зависимости 6т вида армирующих волокон КМ делятся на стеклопластики (стекловолокно), металлопластики (металли­ческое волокно), боропластики (борные волокна), углепластики (углеродные волокна) и т.д.

В зависимости от материала матрицы подразделяют на ме­таллические, полимерные или керамические. Для изготовления металлических матриц используют металлы с небольшой плот­ностью — алюминий, магний, титан и сплавы на их основе, а также никель, служащий основным компонентом жаропрочных сплавов.

Роль матрицы заключается в придании формы изделию, за­щите волокна от окисления и повреждений, передаче усилия на волокна. Упрочнение алюминия, магния и титана и их сплавов высокопрочными или высокомодульными волокнами позволяет создавать КМ с высокими удельной прочностью и жесткостью И регулируемой анизотропией.

Под удельной прочностью понимают прочность материала, отнесенную к его плотности: а_уд =ajу. Под удельной жестко­стью понимают отношение модуля упругости материала к его плотности: £_уд = Е/у. Характерная структура волокнистого упроч- нителя представлена на рис. 8.2. Из волокнистых КМ изготав-

Рис. 8.2. Микроструктура волокнистого упрочнителя

 

ливают многослойные ленты, листы, стержни, трубы, профили конструкционного назначения, лопатки турбин, детали для авиа­ции и космической техники.

Стекловолокниты с непрерывными волокнами, расположен­ными в одном направлении, используют для изготовления труб и различных профилей. Стекловолокниты, содержащие хаотично расположенные в плоскости короткие волокна, применяют в про­изводстве корпусов лодок, автомобилей, при облицовке бытовых железобетонных конструкций, силовых деталей электрооборудо­вания. Стекловолокниты с перекрестным армированием (волок­на расположены по различным направлениям) используют для изготовления плит, труб, сосудов высокого давления, топливных баков, пресс-форм, изоляторов для электродвигателей и транс­форматоров и других изделий.

Углеволокниты (углепластики) по удельной прочности и же­сткости превосходят стекловолокниты, сталь, алюминиевые и титановые сплавы, имеют низкий стабильный коэффициент трения, высокую износостойкость. Высокая электропроводность углепластиков используется при изготовлении электрообогре- вающих изделий. Углепластики, боропластики, бороволокниты и орговолокниты применяют в авиации, космонавтике, ядерной технике.

Жаропрочные КМ изготавливают на основе сплавов никеля и кобальта, упрочненных керамическими (SiC, Si₃Ni₄, А1₂0₃) и уг­леродными волокнами. КМ применяют для изготовления тяже- лонагруженных деталей газотурбинных двигателей, камер сго­рания, тепловых экранов, жаростойких труб и т.д.

Свойства некоторых волокнистых КМ с металлической мат­рицей представлены в табл. 8.2.

В качестве полимерных матриц применяют отвержденные эпоксидные, полиамидные, феноло-формальдегидные и другие смолы. КМ на основе полимеров отличаются от КМ на металли­ческой основе хорошей технологичностью, низкой плотностью, а в ряде случаев более высокими удельной прочностью и жест­костью. Кроме того, КМ на неметаллической основе имеют высокую стойкость к коррозии, хорошие антифрикционные и фрикционные свойства наряду с высокими теплозащитными свойствами. Однако для большинства КМ с неметаллической мат­рицей характерны низкая прочность связи волокна с матрицей,

Таблица 8.2 Компоненты Объемная доля упрочни- теляVt, % Диаметр упрочните- ляd,мкм Метод получения а„ МПа £,ГПа 5, % у, г/см3 т,°с А1-В     Диффузионная сварка     0,7 2,67   Д20-12Х18Н9Т     Прокатка   — — 4,23   А1-ВНС9     Горячее прессование   — — 4,73   В95-2Х15Н5АМЗ     Сварка взрывом   — — 4,23   А1-УВ     Пропитка     — 2,24   Al-SiC     Пропитка     0,5 2,95   Mg-B     Диффузионная сварка     0,5 2,20   Mg-Ta     Пропитка     15,7 —   Ti-B     Плазменное напыление     — 3,43   Ti-B / SiC     Горячее прессование     0,6 3,61   (Ti-Mg)-B     Горячее прессование   — — 3,44   Cu-W     Пропитка     12,3 —   Ni-W     Горячее прессование     — 12,32   Ni-AIA     Горячее прессование     — 6,40   Ni-УВ     Горячее прессование     — 5,30

Механические свойства композиционных материалов

резкая потеря прочности при повышении температуры выше 100...200 °С, плохая свариваемость.

Упрочнителями служат углеродные, борные, стеклянные и органические волокна в виде нитей, жгутов, лент.

В качестве керамических матриц используют силикатные (Si0₂), алюмосиликатные (Al₂0₃-Si0₂), алюмоборосиликатные (А1₂0₃—В₂0₃—Si0₂) материалы, тугоплавкие оксиды алюминия (А1₂0₃), циркония (Zr0₂), бериллия (ВеО), нитрид кремния (Si₃N₄), бориды титана (TiB₂) и циркония (ZrB₂), карбиды кремния (SiC) и титана (TiC). Композиционные материалы с керамической матрицей обладают высокими температурой плавления, стой­костью к окислению, термоударам и вибрации, прочностью при сжатии. Керамические КМ на основе карбидов и оксидов с добавками металлического порошка (< 50 об. %) называются керметами. Помимо порошков для армирования керамических КМ используют металлическую проволоку из вольфрама, молиб­дена, ниобия, жаропрочной стали, а также неметаллические во­локна (керамические и углеродные). Использование металличе­ской проволоки создает пластичный каркас, предохраняющий КМ от разрушения при растрескивании хрупкой керамической матрицы. Недостатком керамических КМ, армированных метал­лическими волокнами, является низкая жаростойкость. Высо­кой жаростойкостью обладают КМ с матрицей из тугоплавких оксидов (можно использовать при температуре до 1000 °С), боридов и нитридов (до 2000 °С), карбидов (свыше 2000 °С). При армиро­вании керамических КМ волокнами карбида кремния достига­ется высокая прочность связи между ними и матрицей в сочета­нии со стойкостью к окислению при высоких температурах, что позволяет использовать их для изготовления тяжелонагружен- ных деталей (высокотемпературные подшипники, уплотнения, рабочие лопатки газотурбинных двигателей и др.).

По способу изготовления КМ подразделяют на полученные жидко- и твердофазными методами, методами осаждения — напыления и комбинированными методами. К жидкофазным методам относят пропитку арматуры полимером или жидким металлом, а также направленную кристаллизацию. К твердо­фазным методам — прессование, прокатку, экструзию, ковку, сварку взрывом, волочение, диффузионную сварку, при которых компоненты формируются в КМ, где в качестве матрицы исполь­зуют порошки или тонкие листы (фольги). При получении КМ осаждением — напылением матрица наносится на волокна из раствора солей, парогазовой фазы, плазмы. Комбинированные методы предусматривают совмещение нескольких методов. На­пример, пропитку или плазменное распыление используют в ка­честве предварительной операции, а прокатку, прессование или диффузионную сварку — окончательной.

Получение композиционных материалов |Щ|Р[ жидкофазными методами

Выбор метода получения КМ основан на анализе межфазного взаимодействия компонентов, их химической и механической совместимости. Химическая совместимость — это способность компонентов в условиях эксплуатации не образовывать хрупких химических соединений, которые разрушаются под действием внешней нагрузки. Металлы в КМ могут образовывать твердые растворы, механические смеСи или хрупкие химические соеди­нения. Если в зоне соединения компонентов КМ не образуется хрупких интерметаллидных соединений, а формируется пла­стичный переходный слой, то такой КМ обладает высокими экс­плуатационными свойствами. Прочность связи компонентов определяется их химической и механической совместимостью по модулям упругости, коэффициентам термического расшире­ния, пределам прочности и показателям пластичности.

Пропиткой специально укладываемых волокон расплавлен­ным металлом или термореактивными смолами получают из­делия любой конфигурации без дополнительной механической обработки (рис. 8.3). Прочность связи компонентов определя­ется смачиваемостью поверхности армирующего элемента жид­кой матрицей. Пропитку проводят при нормальном давлении, вакуумным всасыванием, под давлением и комбинированным методом.

Наиболее перспективный метод — это непрерывная пропитка волокон расплавленным металлом или термореактивными смо­лами с формованием профиля протягиванием КМ через фильеру (рис. 8.4).

Рис. 8.3. Схема устройства для укладки волокон: I — непрерывные волокна; 2 — бункер для подачи пластмассы; 3 — фор­мующий ролик; 4 — нагреваемая поверхность; 5 — направляющие пазы

 

 

12 3 5 6 с полимерной матрицей:

 

1 — предварительная сушка волокон; 2 — ванна с термореактивной смолой; 3 — формующие фильеры; 4 — полимеризатор; 5,7 — печь; в — формую­щая фильера; 8 — охладитель; 9 — тянущее устройство; 10 — устройство для резки на мерные длины

Технология получения волокнистых полимерных КМ вклю­чает следующие операции:

□ предварительная сушка волокон для удаления гидратной влаги и активации поверхности;

□ пропитка волокон термореактивной смолой;

□ формование волокна с покрытием за счет протягивания че­рез фильеры с одновременной полимеризацией покрытия;

□ термообработка волокна композита в печи;

□ формование окончательного диаметра протягиванием через фильеру;

□ охлаждение в охладителе;

□ резка на мерные длины.

Полученный волокнистый полимерный КМ является исход­ным сырьем для изготовления из него проката или штампован­ных изделий.

Использование дискретных (коротких) волокон позволяет изготавливать КМ во вращающейся форме, К волокнам для по­вышения смачиваемости расплавом прикладывают ультразву­ковые колебания. Однонаправленная структура формируется с помощью электромагнитного поля.

Подучение композиционных материалов твердофазными методами

 

В твердофазных методах получения КМ материал матрицы имеет вид порошка, фольги, листов, ленты; волокна могут быть непрерывные, дискретные, в виде ткани и жгутов. Для получе­ния КМ используют высокопроизводительные процессы обра­ботки давлением: прокатку (теплую или горячую), прессование в пресс-формах с обогреваемыми плитами, динамическое горя­чее прессование, горячее прессование, экструзию, взрывное компактирование, диффузионную сварку. В качестве исходных заготовок для обработки в твердой фазе могут использоваться также КМ, полученные литьем или методом осаждения — напы­ления.

Кроме волокон в качестве армирующего элемента использу­ют также нитевидные кристаллы, получаемые осаждением из газовой фазы, выращиванием в электрическом поле, кристал­лизацией из растворов. Волокна изготавливают с аморфной (стекловолокно, кремниевые волокна), композиционной (бор­ные) и кристаллической (углеродные) структурой. Борные во­локна получают осаждением бора на вольфрамовую проволоку (диаметром 22,5 мкм) в виде покрытия; углеродные — карбони­зацией и графитизацией полиакрилонитрильных (ПАН-В) или гидроцеллюлозных (вискозных; Гц-6) волокон. Керамические во­локна (MgO, А1₂0₃, Zr0₂, ТЮ, SiC, Si₃N₄, В₄С) получают из рас­плавов, осаждением из газовой фазы или методами порошковой металлургии. Металлические волокна (проволока) изготавливают механически, электрохимически или формованием из расплава с использованием фильер.

В зависимости от назначения и условий работы изделия вы­бирают компоненты КМ, объемную долю каждого из них, их расположение и размеры. Для двухкомпонентных КМ, арми­рованных непрерывными волокнами, прочность КМ определя­ют по уравнению аддитивности

Окм =к,о_вГУ, +k_ma'_m(1-V_r),

где a_Bf— временное сопротивление волокна, МПа; а'_т — приве­денная прочность матрицы, МПа;V_f— объемная доля волок­на, %;k_f, k_m— коэффициенты, зависящие от условий работы волокна и матрицы. В этих коэффициентах учитывается разброс прочности волокон, их разориентация, пористость матрицы, нали­чие внутренних напряжений.

Применение в КМ дискретных (коротких) волокон требует создания условий, при которых волокна не вытягиваются из матрицы, а воспринимают нагрузку. Прочное сцепление во­локна и матрицы определяется длиной волокна, которая должна превышать критические значения. Критическую длину 1_кр опре­деляют из соотношения

_о_в,d ^КР " 2т '

гдеd, а_вГ — диаметр (мм) и временное сопротивление волокна (МПа); т — прочность на сдвиг между матрицей и волокном.

Прочность КМ с дискретными волокнами достигает 90 % прочности КМ с непрерывными волокнами. Использование высо­копрочных волокон с низкой плотностью позволяет получить вы­сокие удельную прочность и удельную жесткость. По удельной Прочности КМ превосходят лучшие литые и деформированные титановые и алюминиевые сплавы.

Получение эвтектических композиционных материалов

Эвтектическими КМ называют материалы, полученные кристаллизацией из сплавов эвтектического состава, в которых армирующей фазой служат ориентированные волокна или пла­стинчатые кристаллы, образованные в процессе направленной кристаллизации. Направленную кристаллизацию осуществляют перемещением расплава в зону охлаждения с постоянным темпе­ратурным градиентом (метод Бриджмена). Эвтектические КМ по­лучают, создавая плоский фронт кристаллизации. Температурный градиент составляет 50...70 °С/см, в усовершенствованных кон­струкциях — до 500 °С/см. Если объемная доля армирующей фазы менее 12 %, образуется волокнистая структура, свыше 32 % — пластинчатая. С ростом объемной доли упрочнителя прочность эвтектических КМ повышается.

Эвтектические КМ изготавливают на основе сплавов алюми­ния (Al—Al₃Ni, Al—CuA1₂, Al—Be, Al—Si), никеля (Ni—NiBe, Ni—Cr, Ni—NiMo, Ni—W), кобальта (Co—CoAl, Co—NbC, Co—Co₇N₆, Co—Ni—Cr—Al—TaC) и т.д.

Высокопрочные эвтектические KM имеют совершенную струк­туру, термически стабильную вплоть до температур плавления эвтектики.

Эвтектические КМ применяют для изготовления высокопроч­ных электрических проводов и выключателей, лопаток, крепежа и камер сгорания газотурбинных двигателей, деталей конструк­ций самолетов и ракет, в электронике и энергетических уста­новках космических аппаратов.

Получение дисперсноупрочненных 13ЕЦ композиционных материалов

Дисперсноупрочненные КМ относятся к классу порошко­вых КМ. Упрочняющей фазой являются дисперсные частицы (оксиды, карбиды, нитриды) размером менее 0,1 мкм с объемной долей до 15 %. Среди дисперсноупрочненных КМ промышленное" применение нашли КМ на основе алюминия, упрочненные час­тицами А1₂0₃ (САП), и никеля, упрочненные частицами диоксидов тория (Th0₂) и гафния (НЮ₂) (ВДУ-1 и ВДУ-2 соответственно). Методы получения дисперсноупрочненных КМ: механическое и химическое смешивание порошков, поверхностное или внут­реннее окисление, механическое легирование.

Поверхностное окисление металла упрочнителя осуществ­ляет при распылении жидкого металла в контролируемой окис­лительной атмосфере. Внутреннее окисление заключается в контролируемом окислении порошков низколегированных твердых растворов. Окисляется компонент, имеющий большее сродство к кислороду, при температуре, обеспечивающей необ­ходимую скорость диффузии кислорода. Средний размер упроч­няющей фазы составляет 0,01...0,02 мкм.

Смешиванием получают порошковые смеси, содержащие матричные и дисперсные упрочняющие частицы, которые под­вергают прессованию в металлических пресс-формах, изо- и гид­ростатическому прессованию или прокатке. Высокоплотные изделия получают спеканием при нагреве до (0,7...0,9)Г_ПЛ и вы­держке в защитной атмосфере или вакууме. Возможно совме­щение процесса прессования и спекания (горячее прессование), а также горячая экструзия и прокатка. Горячее прессование осу­ществляют при нагреве до (0,5...0,8)Г_ПЛ матричного материала. Горячая экструзия позволяет получить беспористую деталь при давлении 1000...1400 МПа. Горячую прокатку ведут с обжати­ем за проход 10...15 % при суммарном обжатии 40...60 %.

Дисперсноупрочненные КМ применяют для изготовления изделий, работающих в условиях повышенных температур.

Получение слоистых композиционных материалов

 

Слоистые материалы в виде листов, тру&, прутков, лент, за­готовок изготавливают прессованием, прокаткой, волочением, центробежным литьем, диффузионной сваркой, сваркой взры­вом, пайкой и склеиванием из исходных компонентов. Соедине­ние компонентов по большой площади контакта требует при жидкофазном методе смачиваемости компонентов, при твер­дофазном методе — определенного давления и температуры для протекания диффузионных процессов и определенного вре­мени выдержки.

Для соединения компонентов необходимо очистить поверхно­сти от загрязнений, оксидов, масел. Процессу соединения в твер­дой фазе сопутствует пластическая деформация, которая для большинства сплавов ведется в нагретом состоянии. Соединение компонентов при диффузионной сварке, основанное на процессе диффузии, осуществляется в вакууме в результате длительной выдержки при температуре (0,5...0,7)Г_ПЛ металла или сплава и незначительной пластической деформации.

Сварка взрывом слоистых КМ позволяет соединять любые материалы с высокой прочностью, в том числе без нагрева, без вакуума за счет высоких удельных давлений в условиях косого соударения свариваемых материалов и эффекта самоочистки сва­риваемых поверхностей (рис. 8.5, а, б). Установочные парамет­рыh₀, а, Н, параметры сварки у, F_Hи скорость детонацииD будут рассмотрены в 20.8. Структура зоны соединения биметал­лического инструмента из быстрорежущей стали Р6М5 и ста­ли 40Х представлена на рис. 8.5, в.

а в Рис. 8.5. Схемы сварки взрывом (а, б) и микроструктура зоны соедине­ния биметалла (сталь 40Х— Р6М5), полученного сваркой взрывом (в): 1 — нижняя плакируемая пластина; 2 — верхняя плакирующая пластина; 3 — ВВ (взрывчатое вещество); 4 — ЭД (электродетонатор); 5 — основание

 

Выбор компонентов слоистых КМ осуществляют, исходя из их совместимости (механической и химической), в условиях изготов­ления и эксплуатации. Слоистые КМ применяют для изготовления биметаллического инструмента, высокопрочных и коррозион­но-стойких конструкционных материалов (например, в виде листов, панелей, биметаллических труб).

ПОРОШКОВАЯ МЕТАЛЛУРГИЯ

ж.

Производство металлических порошков

 

Сущность порошковой металлургии заключается в производ­стве порошков и изготовлении из них изделий, покрытий или материалов многофункционального назначения по безотходной технологии.

Получение изделий методом порошковой металлургии вклю­чает следующие основные технологические операции:

□ производство порошков;

□ подготовка порошков — диспергирование (размол) и клас­сификация (разделение) порошков по фракциям (размерам);

□ приготовление шихты — дозирование, введение активирую­щих и модифицирующих добавок, смешивание (при необходи­мости введение технологической связки);

□ грануляция (для труднопрессуемых порошковых материа­лов);

□ формование заготовок (изделий);

□ спекание сформованной заготовки (температурная обра­ботка);

□ механическая обработка (при необходимости).

Для труднопрессуемых порошковых материалов формование и последующее спекание заменяются горячим прессованием.

Порошки получают из металлического и неметаллического сырья, а также вторичного сырья машиностроительного и метал­лургического производства.

ш

Способы производства порошков подразделяют на механиче­ские (без изменения химического состава исходных материалов), физико-химические и комбинированные. Механическое измель­чение компактных материалов осуществляют путем дробления, размола или истирания в специальных агрегатах-мельницах (вихревых, планетарных, центробежных, шаровых, вибрацион­ных, вращающихся и т.д.). К механическим способам относят также диспергирование (распыление) порошков из расплавов.

Распыление струи расплава осуществляют потоком воды или газа под действием центробежных сил.

Физико-химические методы, получения порошков связаны с изменением химического состава исходного материала в ре­зультате физико-химических превращений. Металлические по­рошки получают восстановлением металлов из оксидов, солей, ангидридов активным веществом (водородом, магнием, алюми­нием, кальцием, углеродом, оксидом углерода). Восстановление осуществляют в твердом состоянии, парогазовой фазе, из распла­ва, в плазме. Металлические порошки получают также электро­лизом водных растворов или расплавов, термической диссоциаци­ей (разложением) карбонидов металлов, термодиффузионным насыщением, методом испарения — конденсации. Композици­онные порошки получают механическим легированием в энерго­емких размольных агрегатах — аттриторах, вибромельницах.

Поведение металлических порошков при формовании и спека­нии определяется свойствами порошков, их химическим и фа­зовым составом. Физические свойства порошков определяются размером, формой и состоянием поверхности частиц, их плотно­стью, микротвердостью, строением кристаллической решетки. Технологические свойства порошков определяются текучестью — способностью заполнять форму, насыпной плотностью — мас­сой единицы объема свободно насыпанного порошка, прессуемо- стью — способностью уплотняться под действием нагрузки, реологическими свойствами, характеризуемыми прочностью сцепления частиц, спекаемостью — способностью образовы­вать прочное соединение между частицами в результате терми­ческой обработки (спекания).

Формование порошков

Формование —это технологическая операция получения из­делия или заготовки заданной формы, размеров и плотности об­жатием сыпучих материалов (порошков). Уплотнение порошка осуществляют прессованием в металлических пресс-формах или эластичных оболочках, прокаткой, шликерным литьем суспен­зии и другими методами. Способ подготовки порошков к формо­ванию выбирают исходя из технологических характеристик порошка, метода формования и последующей термообработки (спекания), требуемых свойств в условиях эксплуатации.