38.1. Классификация

Композиционные материалы - это материалы, армированные наполнителями, определенным образом расположенными в матрице Наполнителями чаще всего являются вещества с высокой энергией межатомных связей, высо­копрочные и высокомодульиые, однако в сочетании с хрупкими матрицами могут быть применены и высокопластичные наполнители

Связующие компоненты, или матрицы, в композиционных материалах могут быть различными - полимерными, керамическими, металлическими или смешанными. В последнем случае говорят о полиматрнчных композицион­ных материалах.

По морфологии армирующих фаз композиционные материалы подраз­деляют на:

нульмерные (обозначение: 0,), или упрочненные частицами различной дисперсности, беспорядочно распределенными в матрице;

одномерные волокнистые (обозначение: 1), или упрочненные однона­правленными непрерывными или дискретными волокнами;

двухмерные слоистые (обозначение: 2), или содержащие одинаково ориентированные упрочняющие ламели или слои (рис. 38.1).

Анизотропия композиционных материалов, «проектируемая» заранее с целью использования ее в соответствующих конструкциях, называется кон­струкционной .

По размеру армирующих фаз или размеру ячейки армирования компо­зиционные материалы подразделяют следующим образом :

субмикрокомпозиты (размер ячейки армирования, диаметр волокон или частиц <С 1 мкм), например, дисперсноупрочненные сплавы или волокни­стые композиционные материалы с очень тонкими волокнами:

микрокомпозиты (размер ячейки армирования, диаметр волокон, час­тиц или толщина слоев ^1 мкм), например материалы, армированные час­тицами, волокнами углерода, карбида кремния, бора и т д., однонаправ­ленные эвтектические сплавы;

макрокомпозиты (диаметр или толщина армирующих компонентов -100 мкм), например детали из медных или алюминиевых сплавов, ар­мированные вольфрамовой или стальной проволокой или фольгой. Макро­композиты чаще всего применяют для повышения износостойкости деталей трения в технологической оснастке.

38.2. Межфазное взаимодействие в композиционных материалах

38.2.1. Физико-химическая и термомеханическая совместимость компонентов

Сочетание в одном материале веществ, существенно различающихся по хи­мическому составу и физическим свойствам, выдвигает на первый план при разработке, изготовлении и соединении композиционных материалов проблему термодинамической и кинетической совместимости компонентов. Под гермо­

динамической совместимостью понимают способность матрицы и армирую­щих наполнителей находиться в состоянии термодинамического равновесия неограниченное время при температурах получения и эксплуатации. Почти все искусственно созданные композиционные материалы термодинамически несовместимы. Исключение составляют лишь несколько металлических си­стем (Си-W, Си-Мо, Ag-W), где нет химического и диффузионного вза­имодействия между фазами прн неограниченном времени их контакта.

Кинетическая совместимость - способность компонентов композиционных материалов сохранять метастабильное равновесие в определенных темпера­турно-временных интервалах . Проблема кинетической совместимости имеет два аспекта: 1) физико-химический - обеспечение прочной связи между ком­понентами и ограничение на поверхностях раздела процессов растворения, гетеро - и реакционной диффузии, которые ведут к образованию хрупких продуктов взаимодействия и деградации прочности армирующих фаз и композиционного материала в целом; 2) термомеханический-достижение благоприятного распределения внутренних напряжений термического и ме­ханического происхождения и снижение их уровня; обеспечение рациональ­ного соотношения между деформационным упрочнением матрицы и ее спо­собностью к релаксации напряжений, предупреждающей перегрузку и преж­девременное разрушение упрочняющих фаз .

Существуют следующие возможности улучшения физико-химической совместимости металлических матриц с армирующими наполнителями:

I. Разработка новых видов армирующих наполнителей, стойких в кон­такте о металлом матриц при высоких температурах, например керамиче­ских волокон, нитевидных кристаллов и дисперсных частиц из карбидов кремния, титана, циркония, бора, окислов алюминия, циркония, нитридов кремния, бора и др.

II Нанесение барьерных покрытий на армирующие наполнители, на­пример покрытий из тугоплавких металлов, карбидов титана, гафния, бора, нитридов титана, бора, окислов иттрия на волокна углерода, бора, карбида кремния. Некоторые барьерные покрытия на волокнах, преимущественно металлические, служат средством улучшения смачивания волокон матрич­ными расплавами, что особенно важно при получении композиционных ма­териалов жидкофазными методами . Такие покрытия часто называют тех­нологическими

Не менее важным является обнаруженный при нанесении технологиче­ских покрытий эффект пластифицирования, проявляющийся в стабилизации и даже повышении прочности волокон (например, при алитировании во­локон бора протягиванием через ванну с расплавом или при никелирова­нии волокон углерода с последующей термической обработкой).

III. Применение в композиционных материалах металлических матриц, легированных элементами с большим сродством к армирующему наполни­телю, чем металл матрицы, или поверхностно-активными добавками. Про­исходящее при этом изменение химического состава границ раздела должно препятствовать развитию межфазного взаимодействия Легирование мат­ричных сплавов поверхностно-активными или карбидообразующими добав­ками, так же как и нанесение технологических покрытий иа волокна, может способствовать улучшению смачиваемости металлическими расплавами ар­мирующего наполнителя.

IV. Легирование матрицы элементами, повышающими химический по­тенциал армирующего наполнителя в матричном сплаве, или добавками ма­териала армирующего наполнителя до концентраций насыщения при тем­пературах получения илн эксплуатации композиционного материала. Такое легирование препятствует растворению армирующей фазы, т. е повышает термическую стабильность композиции .

V. Создание «искусственных» композиционных материалов по типу «ес­тественных» эвтектических композиций путем выбора соответствующего со­става компонентов.

VI. Выбор оптимальных длительностей контактирования компонентов при том или ином процессе получения композиционных материалов или в условиях их службы, т. е. с учетом температурно-силовых факторов. Дли­тельность контактирования, с одной стороны, должна быть достаточной для возникновения прочных адгезионных связей между компонентами; с дру­гой стороны, не приводить к интенсивному химическому взаимодействию, образованию хрупких промежуточных фаз и снижению прочности компози­ционного материала.

Термомеханическую совместимость компонентов в композиционных ма­териалах обеспечивают:

выбором матричных сплавов и наполнителей с минимальным различием в модулях упругости, коэффициентах Пуассона, коэффициентах термического расширения;

применением промежуточных слоев и покрытий иа армирующих фазах, уменьшающих различия в физических свойствах матрицы и фаз;

переходом от армирования компонентом одного вида к полиармирова - иию, т. е. сочетанию в одном композиционном материале упрочняющих во­локон, частиц или слоев, различающихся по составу и физическим свой­ствам;

изменением геометрии деталей, схемы и масштаба армирования; морфоло­гии, размера и объемной доли армирующих фаз; заменой непрерывного на­полнителя дискретным;

выбором способов и режимов производства композиционного материала, обеспечивающих заданный уровень прочности связи его компонентов.

38.2.2. Армирующие наполнители

Для армирования металлических матриц применяют высокопрочные, высо­комодульные наполнители - непрерывные и дискретные металлические, не­металлические и керамические волокна, короткие волокна и частицы, ни­тевидные кристаллы (табл. 38.1).

Углеродные волокна являются одним из наиболее освоенных в произ­водстве н перспективных армирующих материалов. Важное преимущество углеродных волокон - их низкий удельный вес, теплопроводность, близкая к металлам (Я=83,7 Вт/(м-К)), относительно низкая стоимость.

Волокна поставляют в виде ровных или закрученных миогофиламентиых жгутов, тканей или лент из них. В зависимости от типа исходного сырья диаметр филаментов меняется от 2 до 10 мкм, количество филамеитов в жгуте - от сотен до десятка тысяч штук.

Углеродные волокна обладают высокой химической стойкостью в ат­мосферных условиях и минеральных кислотах. Термостойкость волокон не­высокая: температура длительной эксплуатации на воздухе не превышает 300-400 °С. Для повышения химической стойкости в контакте с металлами на поверхность волокон наносят барьерные покрытия из боридов титана и циркония, карбидов титана, циркония, кремния, тугоплавких металлов .

Борные волокна получают осаждением бора из газовой смеси водорода и треххлористого бора иа нагреваемую до температуры 1100-1200 °С вольфрамовую проволоку или углеродные моноволокна. При нагреве иа воздухе волокна бора начинают окисляться при температурах 300-350 °С, при 600-800 °С полностью теряют прочность. Активное взаимодействие с большинством металлов (Al, Mg, Ті, Fe, Ni) начинается при температурах 400-600 °С. Для повышения термостойкости иа волокна бора наносят газо­фазным способом тонкие слои (2-6 мкм) карбида кремния (SiC/B/W), карбида бора (B4C/B/W), нитрида бора (BN/B/W)

Волокна карбида кремния диаметром 100-200 мкм производят осажде­нием при 1300 °С из парогазовой смеси четыреххлористого кремния и метана, разбавленной водородом в соотношении 1:2: 10, иа вольфрамовую проволоку

или пековые моиоволокна углерода. Лучшие образцы волокон имеют проч­ность 3000-4000 МПа при 1100 °С

Волокна карбида кремния бескерновые в виде многофиламеитных жгу­тов, полученные из жидких органосиланов путем вытягивания и пиролиза, состоят из сверхтонких кристаллов f}-SiC.

Металлические волокна выпускают в виде проволоки диаметром 0,13; 0,25 и 0,5 мм. Волокна из высокопрочных сталей, сплавов бериллия пред­назначаются в основном для армирования матриц из легких сплавов и титана. Волокна из тугоплавких металлов, легированных рением, титаном, окисиыми и карбидными фазами, применяют для упрочнения жаропрочных иикельхромнстых, титановых и других сплавов.

Нитевидные кристаллы, применяемые для армирования, могут быть металлическими или керамическими. Структура таких кристаллов моно - кристаллическая, диаметр обычно до 10 мкм при отношении длины к диа­метру 20-100 Получают нитевидные кристаллы различными методами: вы­ращиванием из покрытий, электролитическим осаждением, осаждением из парогазовой среды, кристаллизацией из газовой фазы через жидкую фазу. по механизму пар - жидкость - кристалл, пиролизом, кристаллизацией из насыщенных растворов, вискеризацией

38.2.3. Матричные сплавы

В металлических композиционных материалах применяют преимущественно матрицы из легких деформируемых и литейных сплавов алюминия и маг­ния, а также из сплавов меди, никеля, кобальта, цинка, олова, свинца, се­ребра; жаропрочных никель-хромистых, титановых, циркониевых, ванадиевых сплавов; сплавов тугоплавких металлов хрома и ниобия (таблица 38 2).

38.2.4. Типы связи и структур поверхностей раздела в композиционных материалах

В зависимости от материала наполнителя и матриц, способов и режимов получения по поверхностям раздела композиционных материалов реализу­ются шесть видов связи (табл 38.3). Наиболее прочную связь между ком­понентами в композициях с металлическими матрицами обеспечивает хи­мическое взаимодействие. Распространенный вид связи - смешанный, пред­ставленный твердыми растворами и интерметаллидными фазами (например, композиция «алюминийборные волокна», полученная методом непрерывного литья) или твердыми растворами, интерметаллидными и окисными фазами (та же композиция, полученная прессованием плазменных полуфабрикатов) и т. д. .

38.3. Способы производства композиционных материалов

Технология производства металлических композиционных материалов опре­деляется конструкцией изделий, особенно если они имеют сложную форму и требуют подготовки мест соединений сваркой, пайкой, склеиванием или клепкой, и, как правило, является многопереходной.

Элементной основой производства деталей или полуфабрикатов (лис­тов, труб, профилей) из композиционных материалов чаще всего служат так называемые препреги, или ленты с одним слоем армирующего наполни­теля, пропитанным или покрытым матричными сплавами; пропитанные ме­таллом жгуты волокон или индивидуальные волокна с покрытиями из мат­ричных сплавов.

Детали и полуфабрикаты получают соединением (компактироваиием) ис­ходных препрегов методами пропитки, горячего прессования, прокатки или волочения пакетов из препрегов. Иногда и препреги, и изделия из компози­ционных материалов изготавливают одними и теми же способами, напри­мер по порошковой или литейной технологии, ио при различных режимах и на разной технологической осиастке.

Способы получения препрегов, полуфабрикатов и изделий из компози­ционных материалов с металлическими матрицами можно разделить иа пять основных групп: 1) парогазофазиые; 2) химические и электрохимиче­ские; 3) жидкофазиые; 4) твердофазные; 5) твердожидкофазные .

38.4. Свойства композиционных материалов с металлической матрицей

Композиционные материалы с металлическими матрицами имеют ряд не­оспоримых преимуществ перед другими конструкционными материалами, предиазначеииыми для работы в экстремальных условиях. К этим преиму­ществам относятся: высокие прочность и. жесткость в сочетании с высокой вязкостью разрушения; высокие удельные прочность и жесткость (отноше­ние предела прочности и модуля упругости к удельному весу а/у и Е/у); высокий предел усталости; высокая жаропрочность; малая чувствительность к тепловым ударам, к поверхностным дефектам, высокие демпфирующие свойства, электро - и теплопроводность, технологичность при конструирова­нии, обработке и соединении (табл. 38 4).

При отсутствии специальных требований к материалам по теплопровод­ности, электропроводности, хладостойкости и другим свойствам температур­ные интервалы работы композиционных материалов определяют следующим образом: <250 °С - для материалов с полимерными матрицами; >1000 °С - для материалов с керамическими матрицами; композиционные материалы с металлическими матрицами перекрывают эги пределы

Прочностные характеристики некоторых композиционных материалов приведены в табл 38 5.

Основные виды соединения композиционных материалов сегодня - бол­товые, клепаные, клеевые, соединения пайкой и сваркой и комбинирован­ные Соединения пайкой и сваркой особенно перспективны, поскольку от­крывают возможность наиболее полно реализовать уникальные свойства композиционного материала в конструкции, однако их осуществление пред­ставляет сложную научную и техническую задачу и во многих случаях еще не вышло из стадии эксперимента

38.5. Проблемы свариваемости композиционных материалов

Если под свариваемостью понимать способность материала об­разовывать сварные соединения, не уступающие ему по своим свойствам, то композиционные материалы с металлическими матрицами, особенно волокнистые, следует отнести к трудносва - риваемым материалам. К тому имеется несколько причин.

I. Методы сварки и пайки предполагают соединение компо­зиционных материалов по металлической матрице. Армирую­щий наполнитель в сварном или паяном шве или полностью от­сутствует (например, в стыковых швах, расположенных поперек направления армирования в волокнистых или слоистых компо­зиционных материалах), или присутствует в уменьшенной объ­емной доле (при сварке дисперсно-упрочненных материалов про­волоками, содержащими дискретную армирующую фазу), или происходит нарушение непрерывности и направленности армиро­вания (например, при диффузионной сварке волокнистых ком­позиций поперек направления армирования). Следовательно, сварной или паяный шов является ослабленным участком кон­струкции из композиционного материала, что требует учета при конструировании и подготовке места соединения под сварку. В литературе имеются предложения по автономной сварке ком­понентов композиции для сохранения непрерывности армирова­ния (например, сварка давлением вольфрамовых волокон в ком­позиции вольфрам - медь ), однако автономная сварка встык волокнистых композиционных материалов требует спе­циальной подготовки кромок, строгого соблюдения шага арми­рования и пригодна лишь для материалов, армированных ме­таллическими волокнами. Другое предложение состоит в под­готовке стыковых соединений с перекрытием волокон на длине больше критической, однако при этом возникают трудности с заполнением стыка матричным материалом и обеспечением прочной связи по границе волокно-матрица.

II. Влияние сварочного нагрева на развитие физико-химиче­ского взаимодействия в композиционном материале удобно рас­смотреть на примере соединения, образующегося при проплав­лении дугой волокнистого материала поперек направления ар­мирования (рис. 38.2). Если металл матрицы не обладает полиморфизмом (например, Al, Mg, Cu, Ni и др.), то в соедине­нии можно выделить 4 основные зоны: 1 - зона, нагреваемая до температуры возврата матрицы (по аналогии со сваркой одно­родных материалов назовем этот участок основным материа­лом); 2 - зона, ограниченная температурами возврата и ре­кристаллизации металла матрицы (зона возврата); 3- зона,

ограниченная температурами рекристаллизации и плавления матрицы (зона рекристаллизации); 4 - зона нагрева выше тем­пературы плавления матрицы (назовем эту зону сварным швом). Если матрицей в композиционном материале явля­ются сплавы Ті, Zr, Fe и других металлов, имеющих поли­морфные превращения, то в зоне 3 появятся подзоны с полной или частичной фазовой перекристаллизацией матрицы, ио для данного рассмотрения этот момент несуществен.

Изменения свойств композиционного материала начинаются в зоне 2. Здесь процессы возврата снимают деформационное упрочнение матрицы, достигнутое при твердофазном компакти - ровании композиционного материала (в композициях, получен­ных жидкофазными методами, разупрочнение в этой зоне не наблюдается).

В зоне 3 происходит рекристаллизация и рост зерен металла матрицы. Вследствие диффузионной подвижности атомов мат­рицы становится возможным дальнейшее развитие межфазного взаимодействия, начало которому было положено в процессах производства композиционного материала, увеличивается тол­щина хрупких прослоек и ухудшаются свойства компози­ционного материала в целом. При сварке плавлением материа­
лов, полученных методами твердофазного компактирования по­рошков или препрегов с порошковой или напыленной матрицей, возможна пористость по границе сплавления и примыкающим к ней межфазным границам, ухудшающая не только прочност­ные свойства, но и герметичность сварного соединения.

В зоне 4 (сварном шве) можно выделить 3 участка:

Участок 4", примыкающий к оси шва, где из-за сильного перегрева под дугой металлического матричного расплава и наи­большей длительности пребывания металла в расплавленном состоянии происходит полное растворение армирующей фазы;

Участок 4", характеризующийся более низкой температу­рой нагрева расплава и меньшей длительностью контактирова­ния армирующей фазы с расплавом. Здесь эта фаза лишь ча­стично растворяется в расплаве (например, уменьшается диа­метр волокон, на их поверхности появляются раковины; нарушается однонаправленность армирования);

Участок 4"", где заметного изменения размеров армирую­щей фазы не происходит, но развивается интенсивное взаимо­действие с расплавом, образуются прослойки или островки хрупких продуктов взаимодействия, снижается прочность арми­рующей фазы. В итоге зона 4 становится зоной максимального повреждения композиционного материала при сварке.

III. Из-за различий в тепловом расширении материала мат­рицы и армирующей фазы в сварных соединениях композици­онных материалов возникают дополнительные термоупругие на­пряжения, вызывающие образование различных дефектов: растрескивание, разрушение хрупких армирующих фаз в наи­более нагретой зоне 4 соединения, расслоения по межфазным границам в зоне 3.

Для обеспечения высоких свойств сварных соединений ком­позиционных материалов рекомендуется следующее.

Во-первых, из известных методов соединения следует отдать предпочтение методам сварки в твердой фазе, при которых вследствие меньшей подводимой энергии можно достичь мини­мальной деградации свойств компонентов в зоне соединения.

Во-вторых, режимы сварки давлением должны быть вы­браны так, чтобы исключить смещение или дробление армирую­щего компонента.

В-третьих, при сварке плавлением композиционных материа­лов следует выбирать способы и режимы, обеспечивающие ми­нимальное тепловложение в зону соединения.

В-четвертых, сварку плавлением следует рекомендовать для соединения композиционных материалов с термодинамически совместимыми компонентами, такими, как медь - вольфрам, медь - молибден, серебро - вольфрам, или армированных термостойкими наполнителями, например волокнами карбида кремния, или наполнителями с барьерными покрытиями, напри­мер волокнами бора с покрытиями карбида бора или карбида кремния.

В-пятых, электродный или присадочный материал или мате­риал промежуточных прокладок для сварки плавлением или пайки должен содержать легирующие добавки, ограничиваю­щие растворение армирующего компонента и образование хрупких продуктов межфазного взаимодействия в процессе сварки и при последующей эксплуатации сварных узлов.

38.5.1. Сварка композиционных материалов

Волокнистые и слоистые композиционные материалы чаще всего соединяют внахлестку. Отношение длины перекрытия к толщине материала обычно превышает 20. Такие соединения могут быть дополнительно усилены заклепочными или болто­выми соединениями. Наряду с нахлесточными соединениями возможно выполнение стыковых и угловых сварных соединений в направлении армирования и, реже, поперек направления ар­мирования. В первом случае при правильном выборе способов и режимов сварки или пайки возможно достижение равнопроч­ности соединения; во втором случае прочность соединения обычно не превышает прочности матричного материала.

Композиционные материалы, армированные частицами, ко­роткими волокнами, нитевидными кристаллами, сваривают с использованием тех же приемов, что и дисперсионно-твердею - щие сплавы или порошковые материалы. Равнопрочность свар­ных соединений основному материалу в этом случае может быть достигнута при условии, если композиционный материал изготовлен методами жидкофазной технологии, армирован тер­мостойкими наполнителями и при выборе соответствующих ре­жимов сварки и сварочных материалов. В ряде случаев элек­тродный или присадочный материал может быть аналогичен или близок по композиции основному материалу.

38.5.2. Дуговая сварка в среде защитных газов

Метод используют для сварки плавлением композиционных ма­териалов с матрицей из химически активных металлов и спла­вов (алюминия, магния, титана, никеля, хрома). Сварку осуще­ствляют неплавящимся электродом в атмосфере аргона или смеси с гелием. Для регулирования теплового воздействия сварки на материалы целесообразно применение импульсной дуги, сжатой дуги или трехфазной дуги.

Для повышения прочности соединений рекомендуют выпол­нять швы композиционными электродами или присадочными проволоками с объемным содержанием армирующей фазы 15-20%. В качестве армирующих фаз применяют короткие во­локна бора, сапфира, нитрида или карбида кремния.

38.5.3. Электронно-лучевая сварка

Преимущества метода - в отсутствии окисления расплав­ленного металла и армирующего наполнителя, вакуумной дега­зации металла в зоне сварки, высокой концентрации энергии в пучке, позволяющей получить соединения с минимальной ши­риной зоны плавления и околошовной зоны. Последнее преиму­щество особенно важно при выполнении соединений волокнис­тых композиционных материалов в направлении армирования. При специальной подготовке соединений возможна сварка с ис­пользованием присадочных проставок.

38.5.4. Контактная точечная сварка

Наличие армирующей фазы в композиционном материале снижает его тепло - и электропроводность по сравнению с мате­риалом матрицы и препятствует формированию литого ядра. Удовлетворительные результаты получены при точечной сварке тонколистовых композиционных материалов с плакирующими слоями. При сварке листов различной толщины или компози­ционных листов с однородными металлическими листами для того, чтобы вывести ядро сварной точки в плоскость соприкос­новения листов и сбалансировать разницу в электропроводно­сти материала, подбирают электроды с разной проводимостью, с обжатием периферийной зоны, изменяют диаметр и радиус закругления электродов, толщину плакирующего слоя, приме­няют дополнительные прокладки .

Средняя прочность сварной точки при сварке одноосноарми - рованных бор алюминиевых пластин толщиной 0,5 мм (с объем­ной долей волокон 50%) составляет 90% от прочности бора - люминия эквивалентного сечения. Прочность соединения листов боралюминия с перекрестным армированием выше, чем листов с одноосным армированием.

38.5.5. Диффузионная сварка

Процесс проводят при высоком давлении без использования припоя. Так, детали из боралюминия, подлежащие соединению, нагревают в герметичной реторте до температуры 480 °С при давлении до 20 МПа и выдерживают в этих условиях в течение 30-90 минут. Технологический процесс диффузионной точечной сварки сопротивлением боралюминия с титаном почти не отли­чается от точечной сварки плавлением. Разница в том, что ре­жим сварки и форма электродов подобраны так, чтобы темпера­тура нагрева алюминиевой матрицы была близка к температуре плавления, но ниже ее. В результате в месте контакта образу­ется диффузионная зона толщиной от 0,13 до 0,25 мкм.

Образцы, сваренные внахлестку диффузионной точечной свар­кой, при испытании на растяжение в интервале температур 20-120 °С разрушаются по основному материалу с вырывом вдоль волокон. При температуре 315 °С образцы разрушаются сдвигом по месту соединения.

38.5.6. Клинопрессовая сварка

Для соединения законцовок из обычных конструкционных сплавов с трубами или корпусами из композиционных материа­лов разработан способ сварки разнородных металлов, резко различающихся по твердости, который можно назвать микро- клинопрессовым. Давление впрессовывания получают за счет термических напряжений, возникающих при нагреве оправки и обоймы приспособления для термокомпрессионной сварки, выполненных из материалов с различными коэффициентами термического расширения (К. ТР). Элементы законцовки, на контактную поверхность которых нанесена клиновая резьба, со­бирают с трубой из композиционного материала, а также с оп­равкой и обоймой. Собранное приспособление нагревают в за­щитной среде до температуры 0,7-0,9 от температуры плавле­ния наиболее легкоплавкого металла. Оправка приспособления имеет больший КТР, чем обойма. В процессе нагрева расстоя­ние между рабочими поверхностями оправки и обоймы сокра­щается, и выступы («клинья») резьбы на законцовке впрессо­вываются в плакировочные слои трубы. Прочность твердофаз­ного соединения не ниже прочности матричного или плакировочного металла.

38.5.7. Сварка взрывом

Сварку взрывом применяют для соединения листов, профи­лей и труб из металлических композиционных материалов, ар­мированных металлическими волокнами или слоями, имеющими достаточно высокие пластические свойства, чтобы избежать дробления армирующей фазы, а также для соединения компо­зиционных материалов с закоицовками из различных металлов и сплавов. Прочность соединений обычно равна или даже выше (за счет деформационного упрочнения) прочности наименее прочного матричного материала, применяемого в соединяемых деталях. Для повышения прочности соединений применяют промежуточные прокладки из других материалов.

В соединениях обычно отсутствуют поры или трещины. Оп­лавленные участки в переходной зоне, особенно при взрывом разнородных металлов, представляют собой смеси фаз эвтектического типа.

38.6. Пайка композиционных материалов

Процессы пайки весьма перспективны для соединения компози­ционных материалов, поскольку могут осуществляться при тем­пературах, не оказывающих влияния на армирующий наполни­тель и не вызывающих развития межфазного взаимодействия.

Пайка выполняется обычными техническими приемами, т. е. погружением в припой или в печи. Весьма важен вопрос о ка­честве подготовки поверхности под пайку. Соединения, выпол­ненные твердыми припоями с применением флюсов, подвер­жены коррозии, поэтому флюс должен быть полностью удален из зоны соединения.

Пайка твердыми и мягкими припоями

Разработано несколько вариантов пайки боралюминия. Оп­робованы припои для низкотемпературной пайки . При­пои состава 55% Cd -45% Ag, 95% Cd -5% Ag, 82,5 % Cd-17,5% Zn рекомендуются для деталей, работающих при температурах не выше 90 °С; припой состава 95% Zn - 5% Al - для рабочих температур до 315 °С. Для улучшения смачи­вания и растекания припоя на соединяемые поверхности нано­сят слой никеля толщиной 50 мкм. Высокотемпературную пайку производят с использованием эвтектических припоев системы алюминий - кремний при температурах порядка 575-615 °С. Время пайки должно быть сведено к минимуму из-за опасно­сти деградации прочности борных волокон.

Основные трудности при пайке углеалюминиевых компози­ций как между собой, так и с алюминиевыми сплавами связаны с плохой смачиваемостью углеалюминия припоями. Лучшими припоями являются сплав 718 (А1-12% Si) или чередую­щиеся слои фольги из сплава 6061. Пайку производят в печи в атмосфере аргона при температуре 590 °С в течение 5- 10 мин. Для соединения боралюминия и углеалюминия с тита­ном могут быть применены припои системы алюминий - крем­ний- магний. Для повышения прочности соединения рекомен­дуют на поверхность титана наносить слой никеля.

Эвтектическая диффузионная пайка. Метод состоит в нане­сении на поверхность свариваемых деталей тонкого слоя вто­рого металла, образующего эвтектику с металлом матрицы. Для матриц из сплавов алюминия используют слои из Ag, Си, Mg, Ge, Zn, температура эвтектики которых с алюминием соот­ветственно 566, 547, 438, 424 и 382 °С. В результате диффузион­ного процесса концентрация второго элемента в зоне контакта постепенно снижается, и температура плавления соединения повышается, приближаясь к температуре плавления матрицы. Таким образом, паяные соединения могут работать при темпе­ратурах, превышающих температуру панки.

При диффузионной пайке боралюминия поверхности соеди­няемых деталей покрывают серебром и медью, затем сжимают и выдерживают под давлением до 7 МПа при температуре 510-565 °С в стальной реторте в вакууме нли инертной атмо­сфере.

Композиционные материалы состоят из металлической матрицы (чаще Al, Mg, Ni и их сплавы), упрочненной высокопрочными волокнами (волокнистые материалы) или тонкодисперсными тугоплавкими частицами, не растворяющимися в основном металле (дисперсно-упрочненные материалы). Металлическая матрица связывает волокна (дисперсные частицы) в единое целое. Волокно (дисперсные частицы) плюс связка (матрица), составляющие ту или иную композицию, получили название композиционные материалы.

Композиционные материалы с неметаллической матрицей

Композиционные материалы с неметаллической матрицей нашли широкое применение. В качестве неметаллических матриц используют полимерные, углеродные и керамические материалы. Из полимерных матриц наибольшее распространение получили эпоксидная, фенолоформальдегидная и полиамидная.

Угольные матрицы коксованные или пироуглеродные получают из синтетических полимеров, подвергнутых пиролизу. Матрица связывает композицию, придавая ей форму. Упрочнителями служат волокна: стеклянные, углеродные, борные, органические, на основе нитевидных кристаллов (оксидов, карбидов, боридов, нитридов и других), а также металлические (проволоки), обладающие высокой прочностью и жесткостью.

Свойства композиционных материалов зависят от состава компонентов, их сочетания, количественного соотношения и прочности связи между ними.

Армирующие материалы могут быть в виде волокон, жгутов, нитей, лент, многослойных тканей.

Содержание упрочнителя в ориентированных материалах составляет 60-80 об.%, в неориентированных (с дискретными волокнами и нитевидными кристаллами) - 20-30 об.%. Чем выше прочность и модуль упругости волокон, тем выше прочность и жесткость композиционного материала. Свойства матрицы определяют прочность композиции при сдвиге и сжатии и сопротивление усталостному разрушению.

По виду упрочнителя композиционные материалы классифицируют на стекловолокниты, карбоволокниты с углеродными волокнами, бороволокниты и органоволокниты.

В слоистых материалах волокна, нити, ленты, пропитанные связующим, укладываются параллельно друг другу в плоскости укладки. Плоские слои собираются в пластины. Свойства получаются анизотропными. Для работы материала в изделии важно учитывать направление действующих нагрузок. Можно создать материалы как с изотропными, так и с анизотропными свойствами. Можно укладывать волокна под разными углами, варьируя свойства композиционных материалов. От порядка укладки слоев по толщине пакета зависят изгибные и крутильные жесткости материала.

Применяется укладка упрочнителей из трех, четырех и более нитей.

Наибольшее применение имеет структура из трех взаимно перпендикулярных нитей. Упрочнители могут располагаться в осевом, радиальном и окружном направлениях.

Трехмерные материалы могут быть любой толщины в виде блоков, цилиндров. Объемные ткани увеличивают прочность на отрыв и сопротивление сдвигу по сравнению со слоистыми. Система из четырех нитей строится путем разложения упрочнителя по диагоналям куба. Структура из четырех нитей равновесна, имеет повышенную жесткость при сдвиге в главных плоскостях.

Однако создание четырех направленных материалов сложнее, чем трех направленных.

Композиционные материалы состоят из металлической матрицы (чаще А1, Mg, Ni и их сплавы), упрочненной высокопрочными волокнами (волокнистые материалы) или тонкодисперсными тугоплавкими частицами , не растворяющимися в основном металле {дисперсно-упрочненные материалы). Металлическая матрица связывает волокна (дисперсные частицы) в единое целое. Волокно (дисперсные частицы) плюс связка (матрица), составляющие ту

Рис. 1

1 - зернистый (дисперсно-упрочненный) материал (l/d - I): 2 - дискретный волокнистый композиционный материал; 3 - непрерывно волокнистый композиционный материал; 4 - непрерывная укладка волокон; 5 - двухмерная укладка волокон; 6,7 - объемная укладка волокон

или иную композицию, получили название композиционные материалы (рис. 196).

Волокнистые композиционные материалы.

На рис. 196 приведены схемы армирования волокнистых композиционных материалов. Композиционные материалы с волокнистым наполнителем (упрочнителем) по механизму армирующего действия делят на дискретные, в которых отношение длины волокна к диаметру l/d « 10-тЛ03, и с непрерывным волокном, в которых l/d = со. Дискретные волокна располагаются в матрице хаотично. Диаметр волокон от долей до сотен микрометров. Чем больше отношение длины к диаметру волокна, тем выше степень упрочнения.

Часто композиционный материал представляет собой слоистую структуру, в которой каждый слой армирован большим числом параллельных непрерывных волокон. Каждый слой можно армировать также непрерывными волокнами, сотканными в ткань, которая представляет собой исходную форму, по ширине и длине соответствующую конечному материалу. Нередко волокна сплетают в трехмерные структуры.

Композиционные материалы отличаются от обычных сплавов более высокими значениями временного сопротивления и предела выносливости (на 50-100 %), модуля упругости, коэффициента жесткости (Ely) и пониженной склонностью к трещинообразова- нию. Применение композиционных материалов повышает жесткость конструкции при одновременном снижении ее металлоемкости.

Таблица 44

Механические свойства композиционных материалов на металлической основе

Прочность композиционных (волокнистых) материалов определяется свойствами волокон; матрица в основном должна перераспределять напряжения между армирующими элементами. Поэтому прочность и модуль упругости волокон должны быть значительно больше, чем прочность и модуль упругости матрицы. Жесткие армирующие волокна воспринимают напряжения, возникающие в композиции при нагружении, придают ей прочность и жесткость в направлении ориентации волокон.

Для упрочнения алюминия, магния и их сплавов применяют борные (о в = 2500-*-3500 МПа, Е = 38ч-420 ГПа) и углеродные (ст в = 1400-г-3500 МПа, Е 160-ь450 ГПа) волокна, а также волокна из тугоплавких соединений (карбидов, нитридов, боридов и оксидов), имеющих высокие прочность и модуль упругости. Так, волокна карбида кремния диаметром 100 мкм имеют ст в = = 2500-*т3500 МПа, Е = 450 ГПа. Нередко используют в качестве волокон проволоку из высокопрочных сталей.

Для армирования титана и его сплавов применяют молибденовую проволоку, волокна сапфира, карбида кремния и борида титана.

Повышение жаропрочности никелевых сплавов достигается армированием их вольфрамовой или молибденовой проволокой. Металлические волокна используют и в тех случаях, когда требуются высокие теплопроводность и электропроводимость. Перспективными упрочнителями для высокопрочных и высокомодульных волокнистых композиционных материалов являются нитевидные кристаллы из оксида и нитрида алюминия, карбида и нитрида кремния, карбида бора и др., имеющие а в = 15 000-г-28 000 МПа и Е = 400-*-600 ГПа.

В табл. 44 приведены свойства некоторых волокнистых композиционных материалов.

Композиционные материалы на металлической основе обладают высокой прочностью (ст в, а_ х) и жаропрочностью, в то же время они малопластичны. Однако волокна в композиционных материалах уменьшают скорость распространения трещин, зарождающихся в матрице, и практически полностью исключают внезапное

Рис. 197. Зависимость модуля упругости Е (а) и временного сопротивления о в (б) бороалюминиевого композиционного материала вдоль (/) и поперек (2) оси армирования от объемного содержания борного волокна

хрупкое разрушение. Отличительной особенностью одноосных волокнистых композиционных материалов являются анизотропия механических свойств вдоль и поперек волокон и малая чувствительность к концентраторам напряжения.

На рис. 197 приведена зависимость а в и Е бороалюминиевого композиционного материала от содержания борного волокна вдоль (/) и поперек (2 ) оси армирования. Чем больше объемное содержание волокон, тем выше а в, a_ t и Е вдоль оси армирования. Однако необходимо учитывать, что матрица может передавать напряжения волокнам только в том случае, когда существует прочная связь на поверхности раздела армирующее волокно - матрица. Для предотвращения контакта между волокнами матрица должна полностью окружать все волокна, что достигается при содержании ее не менее 15-20 %.

Матрица и волокно не должны между собой взаимодействовать (должна отсутствовать взаимная диффузия) при изготовлении или эксплуатации, так как это может привести к понижению прочности композиционного материала.

Анизотропия свойств волокнистых композиционных материалов учитывается при конструировании деталей для оптимизации свойств путем согласования поля сопротивления е полями напряжения.

Армирование алюминиевых, магниевых и титановых сплавов непрерывными тугоплавкими волокнами бора, карбида кремния, диборида титана и оксида алюминия значительно повышает жаропрочность. Особенностью композиционных материалов является малая скорость разупрочнения во времени (рис. 198, а) с повышением температуры.

Рис. 198. Длительная прочность бороалюминисвого композиционного материала, содержащего 50% борного волокна, в сравнении с прочностью титановых сплавов (а) и длительная прочность никелевого композиционного материала в сравнении с прочностью дисперсионно-твердеющих сплавов (б):

/ - бороалюмнниевый композит; 2 - титановый сплав; 3 - дисперсионно-упрочненный композиционный материал; 4 - дисперсионно-твердеющие сплавы

Основным недостатком композиционных материалов с одно- и двумерным армированием является низкое сопротивление меж- слойному сдвигу и поперечному обрыву. Этого недостатка лишены материалы в объемным армированием.

• Широко применяют полимерные, керамические и другие матрицы.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И КЛАССИФИКАЦИЯ

Традиционно применяемые металлические и неметаллические материалы в значительной мере достигли своего предела конструктивной прочности. Вместе с тем развитие современной техники требует создания материалов, надежно работающих в сложной комбинации силовых и температурных полей, при воздействии агрессивных сред, излучений, глубокого вакуума и высоких давлений. Зачастую требования, предъявляемые к материалам, могут носить противоречивый характер. Решение этой задачи можно осуществить путем использования композиционных материалов.

Композиционным материалом (КМ) или композитом называют объемную гетерогенную систему, состоящую из сильно различающихся по свойствам, взаимно нерастворимых компонентов, строение которой позволяет использовать преимущества каждого из них.

Принцип построения КМ человек заимствовал у природы. Типичными композиционными материалами являются стволы деревьев, стебли растений, кости человека и животных.

КМ позволяют иметь заданное сочетание разнородных свойств: высокой удельной прочности и жесткости, жаропрочности, износостойкости, теплозащитных свойств и др. Спектр свойств КМ невозможно получить при использовании обычных материалов. Их применение дает возможность создавать ранее недоступные, принципиально новые конструкции.

Благодаря КМ стал возможен новый качественный скачок в увеличении мощности двигателей, уменьшении массы машин и конструкций и повышении весовой эффективности транспортных средств и авиационно-космических аппаратов.

Важными характеристиками материалов, работающих в этих условиях, являются удельная прочность σ в /ρ и удельная жесткость Е /ρ, где σ в - временное сопротивление, Е - модуль нормальной упругости, ρ – плотность материала.

Высокопрочные сплавы, как правило, имеют низкую пластичность, высокую чувствительность к концентраторам напряжений и сравнительно низкое сопротивление развитию трещин усталости. Хотя композиционные материалы могут иметь также невысокую пластичность, они значительно менее чувствительны к концентраторам напряжений и лучше сопротивляются усталостному разрушению. Это объясняется разным механиз-мом образования трещин у высокопрочных сталей и сплавов. В высокопрочных сталях трещина, достигнув критического размера, в дальнейшем развивается прогрессирующим темпом.

В композиционных материалах действует другой механизм. Трещина, двигаясь в матрице, встречает препятствие на границе раздела матрица-волокно. Волокна тормозят развитие трещин, и их присутствие в пластичной матрице приводит к росту вязкости разрушения.

Таким образом, в композиционной системе сочетаются два противоположных свойства, необходимых для конструкционных материалов - высокая прочность за счет высокопрочных волокон и достаточная вязкость разрушения благодаря пластичной матрице и механизму рассеяния энергии разрушения.

КМ состоят из сравнительно пластичного матричного материала-основы и более твердых и прочных компонентов, являющихся наполнителя-ми. Свойства КМ зависят от свойств основы, наполнителей и прочности связи между ними.

Матрица связывает композицию в монолит, придает ей форму и служит для передачи внешних нагрузок арматуре из наполнителей. В зависимости от материала основы различают КМ с металлической матрицей, или металлические композиционные материалы (МКМ), с полимерной - полимерные композиционные материалы (ПКМ) и с керамической - керамические композиционные материалы (ККМ).

Ведущую роль в упрочнении КМ играют наполнители, часто называемые упрочнителями . Они имеют высокую прочность, твердость и модуль упругости. По типу упрочняющих наполнителей КМ подразделяют на дисперсноупрочненные ,волокнистые и слоистые (рис. 28.2).

Рис. 28.2. Схемы строения композиционных материалов: а ) дисперсноупрочненные; б ) волокнистые; в ) слоистые

В дисперсноупрочненные КМ искусственно вводят мелкие, равномерно распределенные тугоплавкие частицы карбидов, оксидов, нитридов и др., не взаимодействующие с матрицей и не растворяющиеся в ней вплоть до температуры плавления фаз. Чем мельче частицы наполнителя и меньше расстояние между ними, тем прочнее КМ. В отличие от волокнистых, в дисперсноупрочненных КМ основным несущим элементом является матрица. Ансамбль дисперсных частиц наполнителя упрочняет материал за счет сопротивления движению дислокаций при нагружении, что затрудняет пластическую деформацию. Эффективное сопротивление движению дислокаций создается вплоть до температуры плавления матрицы, благодаря чему дисперсноупрочненные КМ отличаются высокой жаропрочностью и сопротивлением ползучести.

Арматурой в волокнистых КМ могут быть волокна различной формы: нити, ленты, сетки разного плетения. Армирование волокнистых КМ может осуществляться по одноосной, двухосной и трехосной схеме (рис. 28.3, а ).

Прочность и жесткость таких материалов определяется свойствами армирующих волокон, воспринимающих основную нагрузку. Армирование дает больший прирост прочности, но дисперсное упрочнение технологически легче осуществимо.

Слоистые композиционные материалы (рис. 28.3, б ) набираются из чередующихся слоев наполнителя и матричного материала (типа «сэндвич»). Слои наполнителя в таких КМ могут иметь различную ориентацию. Возможно поочередное использование слоев наполнителя из разных материалов с разными механическими свойствами. Для слоистых композиций обычно используют неметаллические материалы.

Рис. 28.3. Схемы армирования волокнистых (а ) и слоистых (б ) композиционных материалов

ДИСПЕРСНОУПРОЧНЕННЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

При дисперсном упрочнении частицы блокируют процессы скольжения в матрице. Эффективность упрочнения, при условии минимального взаимодействия с матрицей, зависит от вида частиц, их объемной концентрации, а также равномерности распределения в матрице. Применяют дисперсные частицы тугоплавких фаз типа Al 2 O 3 , SiO 2 , BN, SiC, имеющие малую плотность и высокий модуль упругости. КМ обычно получают методом порошковой металлургии, важным преимуществом которого является изотропность свойств в различных направлениях.

В промышленности обычно применяют дисперсноупрочненные КМ на алюминиевой и, реже, никелевой основах. Характерными представителями этого вида композиционных материалов являются материалы типа САП (спеченная алюминиевая пудра), которые состоят из алюминиевой матрицы, упрочненной дисперсными частицами оксида алюминия. Алюминиевый порошок получают распылением расплавленного металла с последующим измельчением в шаровых мельницах до размера около 1 мкм в присутствии кислорода. С увеличением длительности помола пудра становится мельче и в ней повышается содержание оксида алюминия. Дальнейшая технология производства изделий и полуфабрикатов из САП включает холодное прессование, предварительное спекание, горячее прессование, прокатку или выдавливание спеченной алюминиевой заготовки в форме готовых изделий, которые можно подвергать дополнительной термической обработке.

Сплавы типа САП удовлетворительно деформируются в горячем состоянии, а сплавы с 6–9 % Al 2 O 3 - и при комнатной температуре. Из них холодным волочением можно получить фольгу толщиной до 0,03 мм. Эти материалы хорошо обрабатываются резанием и обладают высокой коррозионной стойкостью.

Марки САП, применяемые в России, содержат 6–23 % Al 2 O 3 . Различают САП-1 с содержанием 6–9, САП-2 - с 9–13, САП-3 - с 13–18 % Al 2 O 3 . С увеличением объемной концентрации оксида алюминия возрастает прочность композиционных материалов. При комнатной температуре характеристики прочности САП-1 таковы: σ в = 280 МПа, σ 0,2 = 220 МПа; САП-3 таковы: σ в = 420 МПа, σ 0,2 = 340 МПа.

Материалы типа САП обладают высокой жаропрочностью и превосходят все деформируемые алюминиевые сплавы. Даже при температуре 500 °С их σ в не менее 60–110 МПа. Жаропрочность объясняется тормозящим действием дисперсных частиц на процесс рекристаллизации. Характеристики прочности сплавов типа САП весьма стабильны. Испытания длительной прочности сплавов типа САП-3 в течение 2 лет практически не повлияли на уровень свойств как при комнатной температуре, так и при нагреве до 500 °С. При 400 °С прочность САП в 5 раз выше прочности стареющих алюминиевых сплавов.

Сплавы типа САП применяют в авиационной технике для изготовления деталей с высокой удельной прочностью и коррозионной стойкостью, работающих при температурах до 300–500 °С. Из них изготавливают штоки поршней, ло-патки компрессоров, оболочки тепловыделяющих элементов и трубы теплообменников.

Методом порошковой металлургии получают КМ с использованием дисперсных частиц карбида кремния SiC. Химическое соединение SiC обладает рядом положительных свойств: высокой температурой плавления (более 2650 °С), высокой прочностью (около 2000 МПа) и модулем упругости (» 450 ГПа), малой плотностью (3200 кг/м 3) и хорошей коррозионной стойкостью. Выпуск абразивных порошков кремния освоен промышленностью.

Порошки алюминиевого сплава и SiC смешивают, подвергают предварительному компактированию под небольшим давлением, затем горячему прессованию в стальных контейнерах в вакууме при температуре плавления матричного сплава, т. е. в твердо-жидком состоянии. Полученную заготовку подвергают вторичной деформации с целью получения полуфабрикатов необходимой формы и размера: листов, прутков, профилей и др.

Композиционные материалы состоят из металлической матрицы (чаще Al, Mg, Ni и их сплавы), упрочненной высокопрочными волокнами (волокнистые материалы) или тонкодисперсными тугоплавкими частицами, не растворяющимися в основном металле {дисперсно-упрочненные материалы). Металлическая матрица связывает волокна (дисперсные частицы) в единое целое. Волокно (дисперсные частицы) плюс связка (матрица), составляющие ту

Рис. 196. Схема структуры (а) и армирования непрерывными волокнами (б) композиционных материалов: 1 - зернистый (дисперсно-упрочненный) материал (l/d =1); 2 - дискретный волокнистый композиционный материал; 3 - непрерывно волокнистый композиционный материал; 4 - непрерывная укладка волокон; 5 - двухмерная укладка волокон; 6,7 - объемная укладка волокон

или иную композицию, получили название композиционные материалы (рис. 196).

Волокнистые композиционные материалы. На рис. 196 приведены схемы армирования волокнистых композиционных материалов. Композиционные материалы с волокнистым наполнителем (упрочнителем) по механизму армирующего действия делят на дискретные, в которых отношение длины волокна к диаметру и с непрерывным волокном, в которых Дискретные волокна располагаются в матрице хаотично. Диаметр волокон от долей до сотен микрометров. Чем больше отношение длины к диаметру волокна, тем выше степень упрочнения.

Часто композиционный материал представляет собой слоистую етруктуру, в которой каждый слой армирован большим числом параллельных непрерывных волокон. Каждый слой можно армировать также непрерывными волокнами, сотканными в ткань, которая представляет собой исходную форму, по ширине и длине соответствующую конечному материалу. Нередко волокна сплетают в трехмерные структуры.

Композиционные материалы отличаются от обычных сплавов более высокими значениями временного сопротивления и предела выносливости (на 50-100 %), модуля упругости, коэффициента жесткости () и пониженной склонностью к трещинообразованию. Применение композиционных материалов повышает жесткость конструкции при одновременном снижении ее металлоемкости.

Таблица 44 (см. скан) Механические свойства композиционных материалов на металлической основе

Прочность композиционных (волокнистых) материалов определяется свойствами волокон; матрица в основном должна перераспределять напряжения между армирующими элементами. Поэтому прочность и модуль упругости волокон должны быть значительно больше, чем прочность и модуль упругости матрицы. Жесткие армирующие волокна воспринимают напряжения, возникающие в композиции при нагружении, придают ей прочность и жесткость в направлении ориентации волокон.

Для упрочнения алюминия, магния и их сплавов применяют борные и углеродные волокна, а также волокна из тугоплавких соединений (карбидов, нитридов, боридов и оксидов), имеющих высокие прочность и модуль упругости. Так, волокна карбида кремния диаметром 100 мкм имеют Нередко используют в качестве волокон проволоку из высокопрочных сталей.

Для армирования титана и его сплавов применяют молибденовую проволоку, волокна сапфира, карбида кремния и борида титана.

Повышение жаропрочности никелевых сплавов достигается армированием их вольфрамовой или молибденовой проволокой. Металлические волокна используют и в тех случаях, когда требуются высокие теплопроводность и электропроводимость. Перспективными упрочнителями для высокопрочных и высокомодульных волокнистых композиционных материалов являются нитевидные кристаллы из оксида и нитрида алюминия, карбида и нитрида кремния, карбида бора и др., имеющие

В табл. 44 приведены свойства некоторых волокнистых композиционных материалов.

Композиционные материалы на металлической основе обладают высокой прочностью и жаропрочностью, в то же время они малопластичны. Однако волокна в композиционных материалах уменьшают скорость распространения трещин, зарождающихся в матрице, и практически полностью исключают внезапное

Рис. 197. Зависимость модуля упругости Е (а) и временного сопротивления (б) бороалюминиевого композиционного материала вдоль (1) и поперек (2) оси армирования от объемного содержания борного волокна

хрупкое разрушение. Отличительной особенностью одноосных волокнистых композиционных материалов являются анизотропия механических свойств вдоль и поперек волокон и малая чувствительность к концентраторам напряжения.

На рис. 197 приведена зависимость и Е бороалюминиевого композиционного материала от содержания борного волокна вдоль (1) и поперек оси армирования. Чем больше объемное содержание волокон, тем выше и Е вдоль оси армирования. Однако необходимо учитывать, что матрица может передавать напряжения волокнам только в том случае, когда существует прочная связь на поверхности раздела армирующее волокно - матрица. Для предотвращения контакта между волокнами матрица должна полностью окружать все волокна, что достигается при содержании ее не менее 15-20 %.

Матрица и волокно не должны между собой взаимодействовать (должна отсутствовать взаимная диффузия) при изготовлении или эксплуатации, так как это может привести к понижению прочности композиционного материала.

Анизотропия свойств волокнистых композиционных материалов учитывается при конструировании деталей для оптимизации свойств путем согласования поля сопротивления 6 полями напряжения.

Армирование алюминиевых, магниевых и титановых сплавов непрерывными тугоплавкими волокнами бора, карбида кремния, диборида титана и оксида алюминия значительно повышает жаропрочность. Особенностью композиционных материалов является малая скорость разупрочнения во времени (рис. 198, а) с повышением температуры.

Рис. 198. Длительная прочность бороалюминиевого композиционного материала, содержащего 50% борного волокна, в сравнении с прочностью титановых сплавов (а) и длительная прочность никелевого композиционного материала в сравнении с прочностью дисперсионно-твердеющих сплавов (б): 1 - бороалюминиевый композит; 2 - титановый сплав; 3 - дисперсионно-упрочненный композиционный материал; 4 - дисперснонно-твердеющие сплавы

Основным недостатком композиционных материалов одно- и двумерным армированием является низкое сопротивление межслойному сдвигу и поперечному обрыву. Этого недостатка лишены материалы в объемным армированием.

Дисперсно-упрочненные композиционные материалы. В отличие от волокнистых композиционных материалов в дисперсно-упрочненных композиционных материалах матрица является основным элементом, несущим нагрузку, а дисперсные частицы тормозят движение в ней дислокаций. Высокая прочность достигается при размере частиц 10-500 нм при среднем расстоянии между ними 100-500 нм и равномерном распределении их в матрице. Прочность и жаропрочность в зависимости от объемного содержания упрочняющих фаз не подчиняются закону аддитивности. Оптимальное содержание второй фазы для различных металлов неодинаково, но обычно не превышает

Использование в качестве упрочняющих фаз стабильных тугоплавких соединений (оксиды тория, гафния, иттрия, сложные соединения оксидов и редкоземельных металлов), нерастворяющихся в матричном металле, позволяет сохранить высокую прочность материала до . В связи с этим такие материалы чаще применяют как жаропрочные. Дисперсно-упрочненные композиционные материалы могут быть получены на основе большинства применяемых в технике металлов и сплавов.

Наиболее широко используют сплавы на основе алюминия - САП (спеченный алюминиевый порошок). САП состоит из алюминия и дисперсных чешуек Частицы эффективно тормозят движение дислокаций и тем самым повышают прочность

сплава. Содержание в САП колеблется от и до С увеличением содержания повышается от 300 для до для а относительное удлинение соответственно снижается с 8 до 3 %. Плотность этих материалов равна плотности алюминия, они не уступают ему по коррозионной стойкости и даже могут заменять титан и коррозионно-стойкие стали при работе в интервале температур По длительной прочности они превосходят деформируемые алюминиевые сплавы. Длительная прочность для сплавов при составляет

Большие перспективы у никелевых дисперсно-упрочненных материалов. Наиболее высокую жаропрочность имеют сплавы на основе никеля с 2-3 об. двуоксида тория или двуоксида гафния. Матрица этих сплавов обычно -твердый раствор Широкое применение получили сплавы (никель, упрочненный двуокисью тория), (никель, упрочненный двуокисью гафния) и (матрица упрочненная окисью тория). Эти сплавы обладают высокой жаропрочностью. При температуре сплав имеет сплав Дисперсно-упрочненные композиционные материалы, так же как волокнистые, стойки к разупрочнению с повышением температуры и длительности выдержки при данной температуре (см. рис. 198).

Области применения композиционных материалов не ограничены. Они применяются в авиации для высоконагруженных деталей самолетов (обшивки, лонжеронов, нервюр, панелей и т. д.) и двигателей (лопаток компрессора и турбины и т. д.), в космической технике для узлов силовых конструкций аппаратов, подвергающихся нагреву, для элементов жесткости, панелей, в автомобилестроении для облегчения кузовов, рессор, рам, панелей кузовов, бамперов и т. д., в горной промышленности (буровой инструмент, детали комбайнов и т. д.), в гражданском строительстве (пролеты мостов, элементы сборных конструкций высотных сооружений и т. д.) и в других областях народного хозяйства.

Применение композиционных материалов обеспечивает новый качественный скачок в увеличении мощности двигателей, энергетических и транспортных установок, уменьшении массы машин и приборов.

Технология получения полуфабрикатов и изделий из композиционных материалов достаточно хорошо отработана.