Композиционные материалы на основе металлической матрицы

По структуре и геометрии армирования композиты на основе металлической матрицы могут быть представлены в виде волокнистых (МВКМ), дисперсно-упрочненных (ДКМ), псевдо- и эвтектических сплавов (ЭКМ), а в качестве материала основы наиболее широко применяют такие металлы как Al, Mg, Ti, Ni, Co.

Свойства и методы получения МВКМ на основе алюминия. МВКМ Al-стальные волокна. При получении КМ, состоящих из чередующихся слоев алюминиевой фольги и волокон, чаще всего используют прокатку, динамическое горячее прессование, сварку взрывом, диффузионную сварку. Прочность этого типа композита, в основном, определяется прочностью волокон. Введение в матрицу высокопрочных стальных проволок повышает предел выносливости композита.

МВКМ Al-кремнеземные волокна получают, пропуская волокна через расплав матрицы, с последующим горячим прессованием. Скорость ползучести этих МВКМ при температурах 473-573 К на два порядка ниже ползучести неармированной матрицы. Композиты Al – SiO₂ обладают хорошей демпфирующей способностью.

МВКМ Al-борные волокна относятся к наиболее перспективным конструкционным материалам, поскольку обладают высокими прочностью и жесткостью при температурах до 673-773 К. При изготовлении широко используется диффузионная сварка. Жидкофазные методы (пропитка, различные виды литья и т. д.), ввиду возможности химического взаимодействия бора с алюминием, применяют лишь в тех случаях, когда на волокна бора предварительно нанесены защитные покрытия – карбид кремния (волокна борсик) или нитрид бора.

МВКМ Al-углеродные волокна имеют высокие показатели прочности и жесткости при малой плотности. Однако большой недостаток углеродных волокон – их нетехнологичность, связанная с хрупкостью волокон и их высокой реакционной способностью. Обычно МВКМ Al – углеродные волокна получают пропиткой жидким металлом или методом порошковой металлургии. Пропитку используют при армировании непрерывными волокнами, а методы порошковой металлургии – при армировании дискретными волокнами.

Свойства и методы получения МВКМ на основе магния. Использование магния и магниевых сплавов в качестве матрицы, армированной высокопрочными и высокомодульными волокнами, позволяет получить легкие конструкционные материалы с повышенными удельной прочностью, жаропрочностью и модулем упругости.

МВКМ Mg-борные волокна отличаются высокими прочностными свойствами. Для изготовления МКМ можно применять методы пропитки и литья. Листовые композиции Mg – B изготовляют методом диффузионной сварки. Недостатком МКМ Mg – B является пониженная коррозионная стойкость.

МВКМ Mg-углеродные волокна получают пропиткой или горячим прессованием в присутствии жидкой фазы, растворимость углерода в магнии отсутствует. Для улучшения смачивания углеродных волокон жидким магнием их предварительно покрывают титаном (путем плазменного или вакуумного напыления), никелем (электролитически) или комбинированным покрытием Ni – B (химическим осаждением).

Свойства и методы получения МВКМ на основе титана. Армирование титана и его сплавов повышает жесткость и расширяет диапазон рабочих температур интервала до 973-1073 К. Для армирования титановой матрицы применяют металлические проволоки, а также волокна карбидов кремния и бора. Композиты на основе титана с металлическими волокнами получают прокаткой, динамическим горячим прессованием и сваркой взрывом.

МВКМ Ti – Mo (волокна) получают методом динамического горячего прессования заготовок типа «сэндвич» в вакуумированных контейнерах. Такое армирование позволяет повысить длительную прочность по сравнению с матрицей и сохранить прочность при высоких температурах. Одним из недостатков МВКМ Ti – Mo является высокая плотность, что снижает удельную прочность этих материалов.

МВКМ Ti – B, SiC (волокна) имеют повышенные не только абсолютные, но и удельные характеристики МВКМ на основе титана. Так как эти волокна хрупки, то для получения компактных композиций чаще всего используют диффузионную сварку в вакууме. Длительные выдержки МВКМ Ti – B при температурах выше 1073 К под давлением приводят к образованию хрупких боридов титана, разупрочняющих композит. Карбидокремниевые волокна более устойчивы в матрице. Композиты Ti - B обладают высокой кратковременной и длительной прочностью. Чтобы повысить термическую стабильность волокон бора их покрывают карбидом кремния (борсик). Композиты Ti – SiC имеют высокие значения внеосевой прочности предела ползучести.

В системе МВКМ Ti – Be (волокна) взаимодействие при температуре ниже 973 К отсутствует. Выше этой температуры возможно образование хрупкого интерметаллида, при этом прочность волокон практически не изменяется.

Свойства и методы получения МВКМ на основе никеля и кобальта. Существующие виды упрочнения промышленных никелевых сплавов (дисперсное твердение, карбидное упрочнение, сложное легирование и термомеханическая обработка) позволяют сохранить их работоспособность только до интервала температур 1223-1323 К. Поэтому важным явилось создание МВКМ никеля, армированных волокнами и способных работать длительное время при более высоких температурах. Применяют следующие упрочнители:

- нитевидные кристаллы («усы»); - проволоки тугоплавких металлов; - керамические и углеродные волокна.

В системе МВКМ Ni - Al₂O₃ (волокна) при нагреве на воздухе образуется оксид никеля, который взаимодействует с арматурой, в результате чего на границе образуется шпинель NiAl₂O₄. При этом связь между компонентами нарушается. Для увеличения прочности связи на арматуру наносят тонкие покрытия из металлов (W, Ni, нихром) и керамики (оксиды иттрия и тория). Так как жидкий никель не смачивает Al₂O₃, в матрицу вводят Ti, Zr, Cr, которые улучшают условия пропитки.

При комнатной температуре прочность композита никель - нитевидные кристаллы Al₂O₃, полученного электроосаждением никеля на волокна, существенно превышает прочность матрицы.

МВКМ Ni - C (волокна). Никель практически не растворим в углероде. В системе Ni – C образуется метастабильный карбид Ni₃C, устойчивый при температурах выше 1673 К и ниже 723 К. Обладая высокой диффузионной подвижностью, углерод насыщает никелевую матрицу за короткое время, поэтому главными разупрочняющими факторами в МВКМ Ni – C является растворение углеродных волокон и их рекристаллизация вследствие проникновения никеля в волокно. Введение в никелевую матрицу карбидообразователей (Cr, Al, Ti, Mo, W, Nb) усиливает взаимодействие матрицы с волокнами. Для повышения структурной стабильности на волокна наносят противодиффузионные барьерные покрытия из карбида и нитрида циркония, карбида титана.

МВКМ N – W, Mo (волокна) получают динамическим горячим прессованием, диффузионной сваркой, сваркой взрывом, прокаткой. В связи с тем, что W, Mo интенсивно окисляются при нагревах, композиты получают в вакууме или защитной атмосфере. При нагреве МВКМ на воздухе происходит окисление волокон вольфрама или молибдена, расположенных на поверхности композита. Если волокна не выходят на поверхность, то жаростойкость МВКМ определяется жаростойкостью матрицы.

Области применения МВКМ. Композиционные волокнистые материалы с металлической матрицей применяют при низких, высоких и сверхвысоких температурах, в агрессивных средах, при статических, циклических ударных, вибрационных и других нагрузках. Наиболее эффективно используются МВКМ в конструкциях, особые условия, работы которых не допускают применения традиционных металлических материалов. Однако, чаще всего, в настоящее время армированием металлов волокнами стремятся улучшить свойства матричного металла, чтобы повысить рабочие параметры тех конструкций, в которых до этого использовали неармированные материалы. Использование МВКМ на основе алюминия в конструкциях летательных аппаратов, благодаря их высокой удельной прочности, позволяет достичь важного эффекта – снижения массы. Замена традиционных материалов на МВКМ в основных деталях и узлах самолетов, вертолетов и космических аппаратов уменьшает массу изделия на 20-60 %.

Наиболее актуальна в газотурбостроении задача повышения термодинамического цикла энергетических установок. Даже малое повышение температуры перед турбиной значительно увеличивает КПД газотурбинного двигателя. Обеспечить работу газовой турбины без охлаждения или, по крайней мере, с охлаждением, не требующим больших конструктивных усложнений газотурбинного двигателя, можно, используя высокожаропрочные МВКМ на основе никеля и хрома, армированные волокнами Al₂O₃.

Алюминиевый сплав, армированный стекловолокном, содержащим оксид урана, обладает повышенной прочностью при температуре 823 К и может быть использован в качестве топливных пластин ядерных реакторов в энергетике.

Волокнистые металлические композиты используют в качестве уплотнительных материалов. Например, статические уплотнения, изготовленные из Mo или стальных волокон, пропитанных медью или серебром, выдерживают давление 3200 МПа при температуре 923 К.

Как износостойкий материал в коробках передач, дисковых муфтах, пусковых устройствах можно использовать МВКМ, армированные «усами» и волокнами. В армированных W-проволокой магнитотвердых материалах удается сочетать магнитные свойства с высоким сопротивлением ударным нагрузкам и вибрациям. Введение арматуры из W, Mo в медную и серебряную матрицу позволяет получать износостойкие электрические контакты, предназначенные для сверхмощных высоковольтных выключателей, в которых сочетаются высокие тепло- и электропроводность с повышенным сопротивлением износу и эрозии.

Принцип армирования можно положить в основу создания сверхпроводников, когда в матрицах из Al, Cu, Ti, Ni создают каркас из волокон сплавов, обладающих сверхпроводимостью, например, Nb – Sn, Nb – Zr. Такой сверхпроводящий композит может передавать ток плотностью 10⁵-10⁷ А/см².

Дата добавления: 2014-01-11