Аморфные металлы

Монокристаллы

Углерод-углеродные КМ

Керамические композиционные материалы

Достоинства материалов: высокая температура плавления, стойкость к окислению, термоударам и вибрации, прочность при сжатии.

В качестве матрицы применяют силикатные (SiO₂), алюмосиликатные (SiO₂ + Аl₂O₃), алюмоборосиликатные (SiO₂ + В₂O₃ + Аl₂O₃) и другие стекла, тугоплавкие оксиды (ТhO₂, ВеО, Аl₂O₃, ZrO₂), нитрид кремния (Si₃N₄), бориды (TiВ₂, ZrВ₂) и карбиды (SiС, TiС).

Для армирования керамических КМ используют металлическую проволоку из жаропрочной стали, W, Mo, Nb, а также неметаллические волокна (углеродные, керамические).

Керамические КМ обладают высокой термостойкостью. Рабочая температура углекерамического КМ со стеклянной матрицей составляет 600-800 ºС, КМ с матрицей из тугоплавких оксидов – до 1000 ºС, из боридов и нитридов - до 2000 ºС, из карбидов – свыше 2000 ºС.

Углерод-углеродные КМ представляют собой углеродную матрицу, армированную углеграфитовыми волокнами, нитями или тканями. Достоинства КМ: малая плотность (1,3 – 2,1 т/м³); высокие теплоемкость, сопротивление тепловому удару, эрозии и облучению; низкие коэффициенты трения и линейного расширения; высокие коррозионная стойкость, прочность и жесткость; увеличение прочности в 1,5-2,0 раза и модуля упругости при повышении температуры. В инертной среде и вакууме КМ работают до температуры 3000 ºС.

Исходным материалом для матриц служат синтетические органические смолы с высоким коксовым остатком (эпоксидные, фенолформальдегидные и др.) и вязкие остатки перегонки угля торфа, нефти (пеки).

Технологический процесс изготовления КМ состоит из пропитки графитовых волокон смолой или пеком, намотки заготовки, ее отверждения, механической обработки на заданный размер, карбонизации при 800-1500 ºС в нейтральной среде, графитизации при 2500 – 3000 ºС и нанесении протовоокислительных покрытий из карбидов кремния и циркония.

Монокристаллы отличаются минимальными структурными несовершенствами. Монокристаллы можно получить, если создать условия для роста кристалла только из одного центра кристаллизации.

Метод Чохральского(рис. 7.6)состоит в вытягивании монокри­сталла из расплава, нагретого в печи 1. Для этого используется готовая затравка 2— небольшой образец, вырезанный из монокристалла. Затравка вводится в поверхностный слой жидкого металла 4. Затем затравку медленно, со скоростью, не превышающей скорости кристаллизации (1 - 2 мм/мин), удаляют из расплава. Тянущийся за затравкой жидкий металл в области более низких температур над поверхностью ванны кристаллизуется, наследуя структуру затравки. Для получения симметричной формы растущего монокристалла и равномерного распределения примесей в нем ванна 5с расплавом вращается со скоростью до 100 об/мин, а навстречу ей с меньшей скоростью вращается монокристалл.

Рис.7.11. Схема получения монокристаллов по методу Чохральского

Перспективно выращивание монокристаллов в космосе, где удачно сочетаются глубокий вакуум и невесомость. Монокристаллы, выращенные в космосе, совершеннее по структуре, распределению легирующих добавок, лучше по свойствам и значительно больше по размерам.

Примером промышленного использования монокристаллической структуры является производство лопаток для газотурбинного двигателя из жаропрочного никелевого сплава. Новая технология обеспечивает получение монокристаллической практически беспористой структуры лопаток, что обеспечивают существенное повышение прочностных характеристик изделия.

Временное сопротивление, предел текучести, длительная прочность увеличиваются в 2 раза, предел усталости - в 1,5 раза.

По сравнению с лопатками с поликристаллической структурой монокристаллические лопатки также имеют повышенную жаропрочность.

При сверхвысоких скоростях охлаждения жидкого металла (> 10^{6 о}С/с) диффузионные процессы настолько замедляются, что подавляется образование зародышей и рост кристаллов. В этом случае при затвердевании образуется аморфная структура. Материалы с такой структурой получили название аморфные металлические сплавы (АМС) или металлические стекла. В настоящее время аморфная структура получена у более чем 200 сплавов и полупроводниковых материалов. Это сплавы легкоплавких, редкоземельных (Sc, Y, La и др.) и переходных металлов. Для образования аморфной структуры переходных металлов к ним необходимо добавлять так называемые аморфизаторы (С, Р, В, N, S и др.). При этом состав аморфного сплава должен отвечать формуле Ме₈₀Х₂₀,где Me— один или несколько переходных металлов, %(ат.); X— элементы, добавляемые для образования и стабилизации аморфной структуры, %(ат.). Так, известны аморфные сплавы, состав которых отвечает формулам Fe₈₀P₁₃B₇; Fe₇₀Cr₁₀P₁₅B₅ и др.

Наиболее эффективными способами получения АМС являются: охлаждение жидкого металла на внутренней поверхности вращающегося барабана, изготовленного из материала с высокой теплопроводностью; прокатку между холодными валками металла, подаваемого в виде струи; распыление струи металла газом или жидкостью с высокой охлаждающей способностью.

Тонкий слой аморфного металла получают при расплавлении поверхности изделий лазерным лучом, благодаря быстрому отводу теплоты.

АМС значительно отличаются от своих кристаллических аналогов по строению и, следовательно, по свойствам. В их структуре отсутствует дальний порядок в размещении атомов и характерные особенности структуры поликристаллических сплавов: границы зерен, дислокации и другие дефекты. У АМС нет зональной ликвации, они более однородны по структуре и химическому составу, чем их кристаллические аналоги.

Границей сохранения аморфного состояния является температура кристаллизации Т _кр = 0,5× Т _пл.

По сравнению с кристаллическими аналогами АМС имеют более низкую плотность, на 20 – 40 % ниже модуль упругости и в 2 - 4 раза больше удельное электрическое сопротивление.

АМС систем «металл — неметалл» имеют высокую прочность s_в = 2000 - 4000 МПа, что в два раза превышает s_в легированных высокопрочных сталей, но при растяжении разрушаются с малым удлинением (d< 1 % ). Относительное удлинение легированных сталей составляет 6 - 8 %.

В то же время АМС при сжатии деформируются на 40 - 50 % без разрушения, а ленты изгибаются на 180° до параллельности сторон. Осо­бенностью АМС является отсутствие наклепа при различных технологи­ческих операциях.

По сравнению с кристаллическими аналогами АМС сохраняют из­быточную энергию, которая выделяется при кристаллизации. По этой причине АМС химически активны; коррозионно-стойкими являются лишь сплавы, у которых образуется пассивирующая защитная пленка. Это, в первую очередь, сплавы железа с хромом. По сравнению с коррозионно-стойкими сталями эти АМС оказываются более стойкими и для придания им коррозионной стойкости требуется меньше хрома: 8 - 9 % против 13 % в сталях.

Дата добавления: 2017-01-13