Особенности производства и сырьевого состава композиционных материалов на основе металлической матрицы

     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  композитов, в  дисперсно-упрочненных  материалах, матрица  является  основным  элементом, несущим  нагрузку, а  дисперсные  частицы  тормозят  в  ней  движение  дислокации, то  есть  являющиеся  ее  упрочняющей  фазой. Высокая  прочность  достигается  при  размере  частиц  10…500 нм  при  среднем  расстоянии  между  частицами  100…500 нм  и  равномерном  их  распределении  в  матрице. Оптимальное  содержание  2  фазы  для  различных  материалов  неодинаково, но  обычно  не  превышает  5…10 %

     Использование  в  качестве  упрочняющих  фаз  стабильных  тугоплавких  соединений (оксиды  тория, гафния, индия) сложные  соединения  оксидов  и  РЗМ), не растворяющихся  в  матричном  металле, позволяет  сохранить  высокую  прочность  материала  до  0.9…0.95  Т_пх. Поэтому  такие  материалы  применяют  как  жаропрочные. Дисперсно-упрочненные  композиты  могут  быть  получены  на  основе  большинства  применяемых  в  технике  металлов  и  сплавов.

     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, тормозящих  движение  дислокации, повышающих  прочность  сплава. Содержание Плотность  этих  материалов  равна  плотности Al; они  не  уступают  ему  по  коррозийной  стойкости; по  длительности  прочности  они  превосходят  деформированные  алюминиевые  сплавы. САП-1: σв= 300 Мпа, δ= 8%. САП-3: σв= 400 Мпа, δ=3%.

     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 % Al₂O₃ — 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 % Al₂O₃. Различают САП-1 с содержанием 6–9, САП-2 — с 9–13, САП-3 — с 13–18 % Al₂O₃. 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.

     Таблица 2

     Влияние температуры испытаний на механические свойства сплавов типа САП

     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, лопатки компрессоров, оболочки тепловыделяющих элементов и трубы теплообменников.

     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 Al₂O₃, SiO₂, BN, SiC, имеющие малую плотность и высокий модуль упругости. КМ обычно получают методом порошковой металлургии, важным преимуществом которого является изотропность свойств в различных направлениях.

     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/м³) 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.

     Таблица 3.

       Свойства КМ в зависимости от содержания порошка SiC

     Рис. 3. Температурная зависимость прочности (—) и модуля упругости (- - - -) КМ Al(Д16) — 20 % SiC

     Большие  перспективы  у  никелевых  дисперсно-упрочненных  материалов. Наиболее  высокую  жаропрочность  имеют  сплавы  на  основе  Ni  с  2…3% (об.), диоксида  тория (ThO₂) или  диоксида  гафния (HfO₂). Матрица  этих  сплавов ― γ- твёрдый  раствор (Ni + 20% Cr), (Ni + 15% Mo), или (Ni + 20% Cr и Mo). Широкое  распространение  получили  сплавы: ВДУ-1 (Ni, упрочнённый  диоксидом  тория), ВДУ-2 (Ni, упрочнённый  диоксидом  гафния) и  ВДУ-3 (Ni + 20% Cr, упрочнённый  оксидом  тория). Эти  сплавы  обладают  высокой  жаропрочностью: при  температуре 1200˚С сплав  ВДУ-1  имеет  σ₁₀₀≈ 75 Мпа (σ₁₀₀ – длительная  прочность (характеризует  склонность  металла  к  разупрочнению  при  температуре = const. за  длительное  время  испытания))  и  σ₁₀₀₀≈65Мпа, а  ВДУ-3  имеет  σ₁₀₀≈ 65 Мпа.   

     Области  применения  композитов  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  аппаратоов,      подвергающисхя  нагреву,  для  элементов  жесткости,  панелей;  в  авто -  для  облегчения  кузовов,  рессор,  рам,  бамперов  и  т.д.;  в  горнодобывающей  промышленности ―  буровой  инструмент,  детали  комбайнов  и  т.д.;  в                         строительстве ─  пролеты  мостов,  элементы  сборных  конструкций  высотных  сооружений  и  так  далее.

     Применение  композитов ─  новый  качественный  скачок  в  увеличении  мощности  двигателей,  энерго -  и  транспортных  установок,  уменьшении  массы  машин  и  приборов.

Слоистые  композиционные  материалы

     Это  важнейший  класс  композитов,  обладающих  широким  спектром  и  уникальным  сочетанием  таких  ценных  свойств,  как  высокая  прочность,  коррозионная  стойкость,  электро -  и  теплопроводность,  жаропрочность,  износостойкость  и  др.  Сегодня  эти  материалы  находят  все  большее  применение  в  судо -,  авто -,  тракторостроении,  приборостроении,  металлургической,  горнодобывающей,  нефтяной  и  др.  отраслях  машиностроения.  Из  поли-  и  биметаллов  изготавливают  листы,  ленты,  трубки,  проволоки,  трубы,  фасонные  профили,  детали  и  др.  конструкции.  Их  использование  позволяет  существенно  сократить  расход  высоколегированных  сталей,  дефицитных  и  дорогостоящих  цветных  металлов ( Ni,  Cu,  Cr,  Mo и  др.)

     По  функциональным  признакам  все  производимые  в  настоящее  время  слоистые  композиты  подразделяются  на  следующие  виды:  коррозионностойкие,  антифрикционные,  электротехнические,  инструментальные  и  др.

     Слоистые  композиционные материалы 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. Изделия  из  слоистых  композитов  производятся  различными  методами:  литья,  литейного  плакирования,    прокатки,  сварки  и  наплавки.

     Для  очень  высоких  температур, например  в  камерах  сгорания  реактивных  двигателей, используются  системы, содержащие  молибденовую  и  вольфрамовую  проволоку  в  матрицах  из  титана  и  суперсплавов. Наибольшей  прочностью (σв= 2.2 Гпа) при  температуре  1093ºС  обладает  проволока  из  сплава  W―Re―Hf―C, что  в  6  раз  выше  прочности  никелевых  или  кобальтовых  суперсплавов  при  такой  же  температуре. 

     Крупногабаритные  биметаллические  листы  размерами   100×600 ÷ 1500 × 1800 ÷8000  мм  пакетной  прокаткой  или  литейным  плакированием  с  последующей  прокаткой.  Основной  слой ─  малоуглеродистых (углеродистых)  и  низколегированных  сталей  плакируется  слоем  (Cr-Ni)  и   Cr – сталей,  сплавов  на  Ni- основе  или  цветных  металлов.

     Технология  центробежного  литья  биметаллических  заготовок (сталь 50Л+ 260Х28ВМ)  втулок  насосов  буровых  установок  позволяет  получить  высококачественные  детали,  эксплуатационная  стойкость  которых  в  2,5-3  раза  выше  серийных  из  стали  70.

     Листовой  коррозионностойкий  биметалл  находит  применение  в  судостроении,  пищевой  промышленности  и  т.д.

     Биметаллы,  основной  слой  которых ─ конструкционная  или  низколегированная сталь, а плакирующий  слой  ―          высоколегированная  аустенитная  сталь ─ применяется  для  изготовления  сосудов  атомных  электростанций.  Пример: сталь 22К+  стальО8Х18Н10Т.

     Износостойкие  биметаллы  получают  с  помощью  различных  методов  литья  и  др.  жидко -  и  твердофазными  способами.  Непрерывная  и  полунепрерывная  разливка ─ один  из  наиболее  перспективных  методов  производства  заготовок  из  слоистых  износостойких  композитов.