Дисперсно-упрочненные материалы – ДУМ

Если в металлической матрице распределены частицы упрочняющей фазы размером 1-100 нм (10^-9), занимающие 1-15% объема материала, то матрица воспринимает основную часть внешней нагрузки, приложенной к КММ, а роль частиц сводится к созданию эффективного сопротивления перемещению дислокаций в объеме кристаллического зерна матрицы.

Материалы, формируемые спеканием, содержат мелкодисперсные частицы оксидов, карбидов, нитридов и др. тугоплавких соединений, а также интерметаллидов, которые при высоких температурах не растворяются в матрице.

Технология формования изделий из таких материалов (КММ) относится к области порошковой металлургии и включает операции получения порошковых смесей, их прессования в форме, спекания, формирования и термообработки заготовок.

Процесс механического смешивания порошков часто совмещают с измельчением частиц.

Формование, т.е. уплотнение порошков в форме осуществляют путем прессования при комнатной температуре. Формуемость смесей компонентов КММ мало отличается от формуемости порошков чистых металлов. Спрессованные полуфабрикаты из порошков называют формовками. Формовки в виде ленты или фольги прессуют в валках. Профильные формовки изготовляют методом непрерывного прессования путем выдавливания смеси через матрицу. В ряде случаев порошковые смеси прессуют в эластичных оболочках, давлением газа (изостатическое прессование) или жидкости (гидростатическое прессование).

Спекание формовок без приложения внешнего давления ведут при температурах (0,7-0,95) Т_пл в защитной атмосфере или в вакууме. Совмещением прессования и спекания при Т=(0,5-0,8) Т_пл получают практически беспористые заготовки.

Деформирование заготовок осуществляют для уплотнения и формирования дислокационной структуры матрицы, обеспечивающей жаропрочность КММ. Деформирование длинномерных заготовок ведут методами экструзии – непрерывного продавливания размягченного материала через отверстие требуемой формы; волочения – протягивание материала в холодном состоянии через отверстие фильеры с площадью, меньшей площади исходного сечения заготовки; ротационной ковки, представляющей собой обжимку и вытяжку заготовок в фасонных бойках. Листовые полуфабрикаты деформируют прокаткой.

Цель термообработки – устранение текстуры, повышение жаропрочности и пластичности КММ.

Номенклатура КММ, формируемых спеканием, включает группы материалов, отличающихся матрицами.

Материалы на матрице из алюминия чаще всего армируют оксидами. КММ с маркой САП (спеченный алюминиевый порошок) сформированы из алюминиевых частиц, покрытых оксидной пленкой.

В процессе термообработки смеси алюминиевого порошка и сажи происходит образование карбида Al₄C₃.

При температурах 300-500^оС КММ на основе алюминия превосходят по прочности все промышленные алюминиевые сплавы, имеют высокие показатели длительной прочности и ползучести.

КММ на основе бериллия разделяют на «естественно» упрочненные сплавы Be-BeO из окисленного порошка и «искусственно» упрочненные карбидами сплавы Be-Be₂C. Они имеют повышенные показатели длительной прочности и устойчивости и ползучести при высоких температурах.

Добавками к дисперсно-упрочненным сталям служат преимущественно оксиды Al₂O₃, TiO₂, ZrO₂ и др. Выбор в качестве упрочняющих компонентов оксидов, а не карбидрв или нитридов, обусловлен тем, что кислород значительно меньше растворяется в матричном металле, чем углерод или азот.

Для материалов на основе кобальта в качестве дисперсной добавки используют оксид тория, на основе магния – собственные оксиды и оксид бериллия. Их применяют в авиационной, ракетной и ядерной технике.

Материалы на основе меди, упрочненные оксидами, карбидами, нитридами, приобретают жаропрочность, которая сочетается с высокой электропроводностью медной матрицы. Такие КММ используются для изготовления электроконтактов, электродов для роликовой сварки, инструментов для искровой обработки и т.п.

КММ на основе никеля, наполненные оксидом тория и оксидом гафния, предназначены для работы при температурах выше 1000^оС и используются в энергомашиностроении, авиастроении, космической технике.

Псевдосплавы – это дисперсно-упрочненные КММ, состоящие из металлических и металлоподобных фаз, не образующих растворов и не вступающих в химические соединения. Технология формирования псевдосплавов относится к порошковой металлургии. Формовки подвергают пропитке или жидкофазному спеканию.

Пропитка заключается в заполнении пор формовки или спеченной заготовки из тугоплавкого компонента, расплавом легкоплавкого компонента псевдосплава. Пропитку осуществляют, погружая пористую заготовку в расплав или накладывая на нее пропитывающий брикет. Температура пропитки находится в интервале между точками плавления тугоплавкого и легкоплавкого компонентов. Если пропитка под действием капиллярного давления идет недостаточно интенсивно, применяют обработку в автоклавах, вакуумное всасывание, электромагнитное поле и т.д. Макроструктура псевдосплавов, полученных пропиткой, представляет собой взаимопроникающие непрерывные каркасы из тугоплавкой и легкоплавкой фаз.

Номенклатура псевдосплавов включает материалы, предназначенные в основном для решения задач триботехники.

Материалы на основе вольфрама W-Cu и W-Ag сочетают высокую твердость, прочность и электропроводность. Они применяются преимущественно для изготовления электрических контактов.

Такое же назначение имеют псевдосплавы на основе молибдена Mo-Cu и никеля Ni-Ag, устойчивые к электроэрозионному изнашиванию и обладающие низким электросопротивлением.

Псевдосплавы на основе железа (Fe-Cu, Fe-C-Cu, Fe-Mn-Cu и др.) износостойки, хорошо работают при воздействии ударных нагрузок; содержащие свинец и серебро – применяют для изготовления самосмазывающихся подшипников.

Из коррозионно-стойких материалов Fe-Mg изготовляют активные аноды для электрохимической защиты металлических изделий.

Псевдосплавы на основе титана Ti-Mg, Ti-Bi хорошо работают в условиях сухого трения на воздухе, в вакууме, в агрессивных средах.

Жаропрочные композиции Mg-Be, Mg-Zr, Mg-Nb применяют в атомной энергетике для изготовления оболочек тепловыделяющих элементов.