Трехслойная  композиционная:  сталь 60 + сталь 10 + сталь 60  получила  применение  для  изготовления                 плугов  с  соотношением  толщин  1:1:1.  Ее  изготовляют  способом  литейного  плакирования:  пластина  основного  металла  подвергается  травлению,  а  затем  в  изложницу  производится  заливка  плакированного  металла.

     Дальнейшее  увеличение  стойкости  литых  биметаллических  штампов  возможно  путем  армирования.  Оптимальное  армирование  нерасплавляемое  вставками  обеспечивает  времени  и изменения  характера  затвердевания  штамповых  заготовок,  улучшает  кристаллическую  структуру,  что  снижает  уровень  напряжений  по  сечению  штампа  в  процессе  эксплуатации (ИПЛ  и  концерн   Азовмаш).  Армирование  увеличивает  ресурсы  работ  биметаллических  штампов  в  1,3-1,5  раза.

     Методы  армирования  с  последующей  прокаткой  армирующих  заготовок, положены  в  основу  технологии  получения  армированной  квазимонолитной  стали  (АКМ).

     Армированные  вставки  оказывают  комлексное  воздействие  на  формирование  структуры  слитка:  как  внутренние  макрохолодильники  способствуют  увеличению  скорости  кристаллизации  и  развитию  объемного  затвердевания  с  образованием  однородной  дисперсной  структуры;  как  вставки  препятствуют  развитию  ликвационных  процессов.

     Многослойный  лист,  полученный  из  слитка  с  внутренними  кристаллизаторами,  при  статистических  нагрузках  не  отличается  от  обычного.  Его  можно  без  затруднений  резать,  варить,  вальцевать  и  др.  Особенности  его  внутреннего  строения  проявляются  при  динамических  нагрузках.                    

     Способность  сталей     АКМ     проявлять  свойства  монометалла (при  статистических  нагрузках)  и  многослойного (при  динамических  нагрузках)  позволяет  рекомендовать  ее  для  изготовления  газопроводных  труб.  Для  этих  целей  применяются  малоперлитные  стали  типа  09Г2  с  добавками   Nb,  V,  Ti,  Mo,  Ni:  09Г2ФБ,  09Г2ОФ,  09Г2ОФ,  09Г2БТ  и пр. 

     

     Рис4. Схемы армирования волокнистых (а) и слоистых (б) композиционных материалов

 

Способы получения

     ПРИМЕР 1. Получение композиционного материала  на основе алюминиевой матрицы, армированной дискретным углеродным волокном с объемной долей армирования 60%.

     Углеродное  волокно средним диаметром 10 мкм  и длиной 100-200 мкм размешивали  в дистиллированной воде и из полученной водной волокнистой пульпы получали преформу методом вакуумного фильтрования. Полученную преформу размещали в  пресс-форме с перфорированным  дном и производили ее уплотнение путем вертикального сжатия на расчетную  величину, обеспечивающую степень наполнения 60%. Сжатую преформу фиксировали в  пресс-форме с помощью фиксирующих  элементов, сушили, заливали расплавом  алюминия (температура расплава 800°С), и давлением пуансона на алюминий обеспечивали полную пропитку волокнистой  преформы (давление пропитки составило 1,8 МПа).

     Затем давление повышали и проводили направленную кристаллизацию полученного материала (давление кристаллизации составило 25,0 МПа). По окончании кристаллизации пресс-форму  извлекали из пресса и производили  ее разборку. Полученный металломатричный композиционный материал подвергали необходимой  механической обработке. Из полученного  материала изготавливали образцы  для исследования остаточной пористости композиционного материала гидростатическим взвешиванием и методом оптической и электронной микроскопии. (Данные по пористости приведены в таблице).

     ПРИМЕР 2. Получение композиционного материала  на основе магниевой матрицы, армированной дискретным углеродным волокном с объемной долей армирования 60%.

     Получение проводили по примеру 1, только пропитку осуществляли расплавом магниевого сплава (температура расплава 600°С) под слоем элегаза, препятствующего  окислению расплава, при давлении пропитки 1,6 МПа, и давлении направленной кристаллизации 25,0 МПа.

     ПРИМЕР 3. Получение композиционного материала  на основе алюминиевой матрицы, армированной дискретным бескерновым волокном карбида  кремния с объемной долей армирования 60%.

     Получение проводили по примеру 1, только преформу готовили из бескернового волокна SiC, сборку под пропитку нагревали до температуры 500°С, а пропитку осуществляли расплавом  алюминиевого сплава (температура расплава 800°С) при давлении пропитки 1,5 МПа, и  давлении направленной кристаллизации 25,0 МПа.

     ПРИМЕР 4 (по прототипу). Получение композиционного  материала на основе алюминиевой  матрицы, армированной дискретным углеродным волокном с объемной долей армирования 55%.

     Углеродные  волокна со средним диаметром 10 мкм  и длиной 600 мкм перемешивали с 2% водной суспензией целлюлозного волокна. Из полученной водной волокнистой пульпы получали преформу методом вакуумного фильтрования. Затем преформу размещали  в металлической форме и подвергали прессованию до получения степени  объемного наполнения 55%. Затем волокнистую  преформу нагревали в инертной атмосфере  в герметичном оборудовании до 500°С в течение 1 часа, перемещали в форму  для литья и заливали расплавом  чистого алюминия при температуре 800°С. После того, как преформу выдерживали  в расплаве, ее перемещали в форму  пресса, прикладывали давление 20,0 МПа  и удерживали до полной кристаллизации алюминия. После кристаллизации полученный композиционный материал подвергали окончательной  механической обработке. Так как кристаллизация алюминия происходила в замкнутом объеме и шла от периферийных зон к центру, то усадка материала в замкнутом объеме композита приводила к образованию внутри материала распределенной усадочной пористости. Данные исследования полученных образцов приведены в таблице.

     Как видно из таблицы, предложенный способ позволяет получить бездефектный композиционный материал, обладающий требуемыми эксплуатационными  свойствами, такими как низкий удельный вес, высокая теплопроводность, низкий КТР и повышенная механическая прочность, при меньшем количестве стадий технологического цикла и при отсутствии герметизации оборудования, что позволяет существенно  упростить технологический процесс  и снизить стоимость получаемого  материала.

     Композиционные  материалы на основе металлических  матриц из легких сплавов, армированных дискретными волокнами, такими как  волокна карбида кремния, углерода или графита, с высокой (более 50%) объемной долей, найдут применение в  качестве теплоотводящих оснований  изделий электронной техники  и энергетических установок, работающих в условиях знакопеременных электрических  и пульсирующих тепловых нагрузок взамен стремительно дорожающей меди и тяжелых  металлов (медь обеспечивает хороший  теплоотвод, но плохо работает в  условиях пульсации температуры, тяжелые  металлы лучше работают в условиях пульсирующего температурного потока, но имеют более низкую теплопроводность); композиционные материалы сочетают высокую теплопроводность и низкий КТЛР, что обеспечивает работоспособность  теплоотводящего узла в условиях пульсирующего теплового потока в течение всего срока службы изделия.

 

     Таблица 4.

     Свойства  материалов, изготовленных по примерам 1, 2, 3, 4.

 

Применение.

     Диапазон  применения  композиционных  материалов (композитов) чрезвычайно  широк: от  деталей  бытовой  техники  до  конструкций  современных  авиалайнеров  и  космических  кораблей. Они  находят  всё  большее  применение  в  атомной  энергетике, машиностроении  и  судостроении.

     Разнообразные композиционные материалы уже применяются  в орбитальном космическом корабле  многоразового использования "Спейс  шаттл". Трубчатые элементы конструкции  средней части корпуса этого  космического корабля изготовлены  из композиционного материала на основе алюминия и борных волокон. В  настоящее время этот корабль, по-видимому, один из примеров наиболее рационального  применения металлов, армированных волокнами.

     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.

     Наибольшие  успехи в практическом использовании  КМ достигнуты в аэрокосмической  технике (сопловые блоки ракет, носовые  конуса), производстве газотурбинных  двигателей (лопатки турбин), вертолетостроении. Уже сейчас КМ широко применяются  в строительстве скоростных автомобилей, корпусов экстремальных яхт и  гоночных судов, спортивного инвентаря  и т.п.

 

Выводы.

     В настоящее время важнейшими факторами, сдерживающими применение большинства  КМ, являются высокая стоимость армирующих волокон, в первую очередь нитевидных монокристаллов, а также серьезные  проблемы технологического характера, затрудняющие высокую степень реализации прочности армирующих волокон в  деталях из композиционных материалов.

     Поэтому основные усилия исследователей и производственников направлены на разработку эффективных, технологичных и экономичных  методов получения армирующих волокон, а также на совершенствование  технологических процессов изготовления материалов и изделий. Успешное решение  этих проблем позволит надеяться, что  преимущества, связанные с использованием КМ, будут успешно реализованы  в самом широком ассортименте изделий, с которыми нам приходится иметь дело постоянно.

 

Список  литературы

1. Справочник  по композиционным материалам: В 2 кн.: Пер. с англ.: / Под ред. Дж. Любина. М.: Машиностроение, 1988. Кн. 1. 448 с.; Кн. 2. 584 с.
2. Достижения в области композиционных материалов: Пер. с англ. / Под. ред. Дж. Пиатти. М.: Металлургия, 1982. 304 с.
3. http://www.pereplet.ru/obrazovanie/stsoros/770.html
4. http://eugene980.narod.ru/new_mat/6.htm
5. http://thesaurus.rusnano.com/wiki/article18566

 

Спейс Шатл

Лопатки турбин