До цього виду композиційних матеріалів відносяться матеріали типу САП (спечена алюмінієва пудра), які є алюмінієм, зміцненим дисперсними частинками оксиду алюмінію. Алюмінієвий порошок отримують розпиленням розплавленого металу з подальшим подрібненням у кульових млинах до розміру близько 1 мкм у присутності кисню. Зі збільшенням тривалості помелу пудра стає дрібнішим і в ній підвищується вміст оксиду алюмінію. Подальша технологія виробництва виробів та напівфабрикатів із САП включає холодне пресування, попереднє спікання, гаряче пресування, прокатку або видавлювання спеченої алюмінієвої заготівлі у формі готових виробів, які можна піддавати додаткової термічної обробки.
Сплави типу САП застосовують в авіаційній техніці для виготовлення деталей з високою питомою міцністю та корозійною стійкістю, що працюють за температур до 300–500 °С. З них виготовляють штоки поршнів, лопатки компресорів, оболонки тепловиділяючих елементів та труби теплообмінників.
Армування алюмінію та його сплавів сталевим дротом підвищує їхню міцність, збільшує модуль пружності, опір втоми та розширює температурний інтервал служби матеріалу.
Армування короткими волокнами проводять методами порошкової металургії, що складаються з пресування з подальшою гідроекструзією або прокатування заготовок. При армуванні безперервними волокнами композицій типу сендвіч, що складаються з шарів, що чергуються. алюмінієвої фольгита волокон, застосовують прокатку, гаряче пресування, зварювання вибухом, дифузійне зварювання.
Дуже перспективним матеріалом є композиція «алюміній – берилієвий дріт», в якій реалізуються високі фізико-механічні властивості берилієвої арматури, і в першу чергу її низька щільність і висока питома жорсткість. Отримують композиції з берилієвим дротом дифузійним зварюванням пакетів з шарів берилієвого дроту і матричних листів. З алюмінієвих сплавів, армованих сталевим та берилієвим дротом, виготовляють корпусні деталі ракет і паливні баки.
У композиції «алюміній – вуглецеві волокна» поєднання низької щільності арматури та матриці дозволяє створити композиційні матеріали з високою питомою міцністю та жорсткістю. Недоліком вуглецевих волокон є їхня крихкість і висока реакційна здатність. Композицію «алюміній – вуглець» одержують просоченням вуглецевих волокон рідким металом або методами порошкової металургії. Технологічно найбільш просто можна здійснити протягування пучків вуглецевих волокон через розплав алюмінію.
Композит "алюміній - вуглець" застосовують у конструкціях паливних баків сучасних винищувачів. Завдяки високій питомій міцності та жорсткості матеріалу маса паливних баків зменшується на
30%. Цей матеріал використовують для виготовлення лопаток турбін авіаційних газотурбінних двигунів.
Композитні матеріали із металевою матрицею.Для роботи при вищих температурах застосовують металеві матриці.
Металеві КМ мають ряд переваг перед полімерними. Крім більш високої робочої температури, вони характеризуються кращою ізотропією та більшою стабільністю властивостей у процесі експлуатації, вищою ерозійною стійкістю.
Пластичність металевих матриць повідомляє конструкції необхідну в'язкість. Це сприяє швидкому вирівнюванню локальних механічних навантажень.
Важливою перевагою металевих КМ є більш висока технологічність процесу виготовлення, формування, термообробки, формування з'єднань та покриттів.
Перевагою композиційних матеріалів на металевій основі є вищі значення характеристик, що залежать від властивостей матриці. Це насамперед тимчасовий опір і модуль пружності при розтягуванні в напрямку, перпендикулярному до осі армуючих волокон, міцність при стисканні та згинанні, пластичність, в'язкість руйнування. Крім того, композиційні матеріали з металевою матрицею зберігають свої характеристики міцностідо вищих температур, ніж матеріали з неметалевою основою. Вони більш вологостійкі, негорючі, мають електричну провідність. Висока електропровідність металевих КМ добре захищає їх від електромагнітного випромінювання, блискавки, знижує небезпеку статичної електрики. Висока теплопровідність металевих КМ оберігає від локальних перегрівів, що особливо важливо для таких виробів, як наконечники ракет та провідні кромки крил.
Найбільш перспективними матеріалами для матриць металевих композиційних матеріалів є метали, що мають невелику щільність (А1, Мg, Тi), і сплави на їх основі, а також нікель - широко застосовується в даний час як основний компонент жароміцних сплавів.
Композити одержують різними методами. До них відносяться просочення пучка волокон рідкими розплавами алюмінію та магнію, плазмове напилення, застосування методів гарячого пресування іноді з подальшою гідроекструзією або прокаткою заготовок. При армуванні безперервними волокнами композицій типу "сендвіч", що складаються з шарів алюмінієвої фольги і волокон, що чергуються, застосовують прокатку, гаряче пресування, зварювання вибухом, дифузійне зварювання. Виливок прутків і труб, армованих високоміцними волокнами, одержують із рідкометалевої фази. Пучок волокон безперервно проходить через ванну з розплавом і просочується під тиском рідким алюмінієм або магнієм. При виході з просочувальної ванни волокна з'єднуються і пропускаються через фільєру, що формує дротик або трубу. Цей метод забезпечує максимальне наповнення композиту волокнами (до 85 %), їх однорідний розподіл у поперечному перерізіта безперервність процесу.
Матеріали із алюмінієвою матрицею.Матеріали з алюмінієвою матрицею в основному армують сталевим дротом (КАС), борним волокном (ВКА) та вуглецевим волокном (СКУ). Як матрицю використовують як технічний алюміній (наприклад, АД1), так і сплави (АМг6, В95, Д20 та ін).
Використання як матриця сплаву (наприклад, В95), що зміцнюється термообробкою (загартування та старіння), дає додатковий ефект зміцнення композиції. Однак у напрямку осі волокон він невеликий, тоді як у поперечному напрямку, де властивості визначаються переважно властивостями матриці, досягає 50%.
Найбільш дешевим, досить ефективним та доступним армуючим матеріалом є високоміцний сталевий дріт. Так, армування технічного алюмінію дротом із сталі ВНС9 діаметром 0,15 мм (σ = 3600 МПа) збільшує його міцність в 10-12 разів при об'ємному вмісті волокна 25% і в 14-15 разів при збільшенні вмісту до 40%, після чого тимчасове опір досягає відповідно 1000-1200 і 1450 МПа. Якщо для армування використовувати дріт меншого діаметра, тобто більшої міцності (в = 4200 МПа), тимчасовий опір композиційного матеріалу збільшиться до 1750 МПа. Таким чином, алюміній, армований сталевим дротом (25-40%), за основними властивостями значно перевершує навіть високоміцні алюмінієві сплави та виходить на рівень відповідних властивостей титанових сплавів. При цьому густина композицій знаходиться в межах 3900-4800 кг/м 3 .
Зміцнення алюмінію та його сплавів дорожчими волокнами В, С, А1 2 Про е підвищує вартість композиційних матеріалів, але при цьому ефективніше покращуються деякі властивості: наприклад, при армуванні борними волокнами модуль пружності збільшується а 3-4 рази, вуглецеві волокна сприяють зниженню щільності. Бор мало розміцнюється з підвищенням температури, тому композиції, армовані борними волокнами, зберігають високу міцність до 400-500 ° С. Промислове застосування знайшов матеріал, що містить 50 об.% безперервних високоміцних та високомодульних волокон бору (ВКА-1). За модулем пружності та тимчасового опору в інтервалі температур 20-500°С він перевершує всі стандартні алюмінієві сплави, у тому числі високоміцні (В95), і сплави, спеціально призначені для роботи при високих температурах (АК4-1), що наочно представлено на рис. 13.35.Висока демпфуюча здатність матеріалу забезпечує віброміцність виготовлених з нього конструкцій. Щільність сплаву дорівнює 2650 кг/м 3 а питома міцність-45 км. Це значно вище, ніж у високоміцних сталей та титанових сплавів.
Розрахунки показали, що заміна сплаву В95 на титановий сплав при виготовленні лонжерону крила літака з підкріплюючими елементами з ВКА-1 збільшує його жорсткість на 45% і економію дає в масі близько 42%.
Композиційні матеріалина алюмінієвій основі, армовані вуглецевими волокнами (СКУ), дешевше та легше, ніж матеріали з борними волокнами. І хоча вони поступаються останнім за міцністю, мають близьку питому міцність (42 км). Однак виготовлення композиційних матеріалів з вуглецевим зміцнювачем пов'язане з великими технологічними труднощами внаслідок взаємодії вуглецю з металевими матрицями при нагріванні, що викликає зниження міцності матеріалу. Для усунення цього недоліку застосовують спеціальні покриття вуглецевих волокон.
Матеріали із магнієвою матрицею.Матеріали з магнієвою матрицею (ВКМ) характеризуються меншою щільністю (1800-2200 кг/м 3), ніж з алюмінієвою, приблизно такою ж високою міцністю 1000-1200 МПа і тому більш високою питомою міцністю. Магнієві сплави (МА2 та ін), що деформуються, армовані борним волокном (50 об. %), мають питому міцність > 50 км. Хороша сумісність магнію та його сплавів з борним волокном, з одного боку, дозволяє виготовляти деталі методом просочення практично без наступного механічної обробки, з іншого - забезпечує великий ресурс роботи деталей за підвищених температур. Питома міцність цих матеріалів підвищується завдяки застосуванню як матриці сплавів, легованих легким літієм, і навіть внаслідок використання легшого вуглецевого волокна. Але, як було зазначено раніше, введення вуглецевого волокна ускладнює технологію і так нетехнологічних сплавів. Як відомо, магній і його сплави мають низьку технологічну пластичність, схильність до утворення пухкої оксидної плівки.
Композиційні матеріали на основі титану.При створенні композиційних матеріалів на титановій основі зустрічаються труднощі, спричинені необхідністю нагріву до високих температур. За високих температур титанова матриця стає дуже активною; вона набуває здатності до газопоглинання, взаємодії з багатьма зміцнювачами: бором, карбідом кремнію, оксидом алюмінію та ін. У результаті утворюються реакційні зони, знижується міцність як самих волокон, так і композиційних матеріалів загалом. І, крім того, високі температури призводять до рекристалізації та розміцнення багатьох армуючих матеріалів, що знижує ефект зміцнення від армування. Тому для зміцнення матеріалів з титановою матрицею використовують дріт з берилію та керамічних волокон тугоплавких оксидів (А1 2 0 3), карбідів (SiС), а також тугоплавких металів, що мають великий модуль пружності і високу температуру рекристалізації (Мо, W). Причому метою армування є переважно підвищення і так високої питомої міцності, а збільшення модуля пружності і підвищення робочих температур. Механічні властивості титанового сплаву ВТ6 (6 % А1, 4 % V, решта А1), армованого волокнами Мо, Ве та SiС, представлені у табл. 13.9. Як видно з. таблиці найбільш ефективно питома жорсткість підвищується при армуванні волокнами карбіду кремнію.
Армування сплаву ВТ6 молібденовим дротом сприяє збереженню високих значень модуля пружності до 800 "С. Його величина при цій температурі відповідає 124 ГПа, тобто знижується на 33%, тоді як опір тимчасового розриву при цьому зменшується до 420 МПа, тобто. більш ніж 3 разу.
Композиційні матеріали на основі нікелю. Жароміцні КМ виготовляють на основі сплавів нікелю і кобальту, зміцнених керамічними (SiC, Si 3 Ni 4 Al 2 O 3) і вуглецевими волокнами. Основне завдання при створенні композиційних матеріалів на основі нікелю (ВКН) полягає в підвищенні робочих температур вище 1000 °С. І одним із найкращих металевих зміцнювачів, здатних забезпечити хороші показники міцності за таких високих температур, є вольфрамовий дріт. Введення вольфрамового дроту в кількості від 40 до 70 об.% сплав нікелю з хромом забезпечує міцність при 1100°С протягом 100 год відповідно 130 і 250 МПа, тоді як кращий неармований нікелевий сплав, призначений для роботи в аналогічних умовах, має міцність МПа. Використання для армування дроту із сплавів вольфраму з ренією або гафнієм збільшує цей показник на 30-50%.
Композиційні матеріали застосовують у багатьох галузях промисловості і насамперед в авіації, ракетній та космічної техніки, де особливо велике значення має зниження маси конструкцій при одночасному підвищенні міцності та жорсткості. Завдяки високим питомим характеристикам міцності та жорсткості їх використовують при виготовленні, наприклад, горизонтальних стабілізаторів та закрилків літаків, лопатей гвинтів та контейнерів гелікоптерів, корпусів та камер згоряння реактивних двигунів та ін. , збільшило корисне навантаження без зниження швидкості та дальності польоту
В даний час композиційні матеріали застосовують в енергетичному турбобудуванні (робочі та соплові лопатки турбіни), автомобілебудуванні (кузови автомобілів та рефрижераторів, деталі двигунів), машинобудуванні (корпуси та деталі машин), хімічної промисловості(автоклави, цистерни, ємності), суднобудуванні (корпусу човнів, катерів, гребні гвинти) та ін.
Особливі властивості композиційних матеріалів дозволяють використовувати їх як електроізоляційні матеріали (органоволокніти), радіопрозорі обтічники (скловолокніти), підшипники ковзання (карбоволокніти) та інші деталі.
Композитні матеріали із керамічною матрицею.Для найвищих робочих температур як матричний матеріал застосовують кераміку. Як керамічні матриці використовують силікатні (SiO 2), алюмосилікатні (Al 2 O 3 - SiO 2), алюмоборосилікатні (Al 2 O 3 - B 2 O 3 - SiO 2) матеріали, тугоплавкі оксиди алюмінію (Al 2 O 3), цирконію. (ZrO 2), берилію (BeO), нітрид кремнію (Si 3 N 4), бориди титану (TiB 2) та цирконію (ZrB 2), карбіди кремнію (SiC) та титану (TiC). Композити з керамічною матрицею мають високу температуру плавлення, стійкість до окислення, термоудари і вібрації, міцність при стисканні. Керамічні КМ на основі карбідів та оксидів з добавками металевого порошку (< 50об. %) называются керметами . Крім порошків для армування керамічних КМ використовують металевий дріт з вольфраму, молібдену, ніобію, жароміцної сталі, а також неметалеві волокна (керамічні та вуглецеві). Використання металевого дроту створює пластичний каркас, що оберігає КМ від руйнування при розтріскуванні крихкої керамічної матриці. Недоліком керамічних КМ, армованих металевими волокнами, є низька жаростійкість. Високу жаростійкість мають КМ з матрицею з тугоплавких оксидів (можна використовувати до 1000 ° C), боридів і нітридів (до 2000 ° C), карбідів (понад 2000 ° C). При армуванні керамічних КМ волокнами карбіду кремнію досягається висока міцність зв'язку між ними і матрицею у поєднанні зі стійкістю до окислення при високих температурах, що дозволяє використовувати їх для виготовлення важконавантажених деталей (високотемпературні підшипники, ущільнення, робочі лопатки газотурбінних двигунів). Основний недолік кераміки - відсутність пластичності - деякою мірою компенсується армуючими волокнами, що гальмують поширення тріщин у кераміці.
Вуглецю-вуглецевий композит . Використання як матричного матеріалу аморфного вуглецю, а як армуючого матеріалу - волокон з кристалічного вуглецю (графіту) дозволило створити композит, що витримує нагрівання до 2500 °С. Такий вуглець-вуглецевий композит перспективний для космонавтики та заатмосферної авіації.Нестача вуглецевої матриці полягає у можливому окисленні та абляції. Для запобігання цим явищам композит покривають тонким шаром карбіду кремнію.
Вуглецева матриця, подібна до фізико-хімічних властивостей вуглецевого волокна, забезпечує термостійкість УУКМ.
Найбільш широке застосування знайшли два способи одержання вуглець-вуглецевих композитів:
1. карбонізація полімерної матриці заздалегідь сформованої вуглепластикової заготовкишляхом високотемпературної термообробки в неокислювальному середовищі;
2. осадження з газової фази піровуглецю,утворюється при термічному розкладанні вуглеводнів у порах вуглеволокнистої підкладки.
Обидва ці способи мають свої переваги та недоліки. При створенні УУКМ їх часто комбінуютьнадання композиту необхідних властивостей.
Карбонізація полімерної матриці.Процес карбонізації являє собою термообробку виробу з вуглепластику до температури 1073 К в неокислюючому середовищі (інертний газ, вугільна засипка і т.д.). Мета термообробки - переведення сполучного в кокс. У процесі карбонізації відбувається термодеструкція матриці, що супроводжується втратою маси, усадкою, утворенням великої кількості пір і зниженням внаслідок цього фізико- механічних властивостейкомпозиту.
Карбонізація проводиться найчастіше в ретортних печах опору. Реторта, виготовлена з жароміцного сплаву, оберігає виріб від окислення киснем повітря, а нагрівальні елементи та ізоляцію - від попадання на них летючих корозійно-активних продуктів піролізу сполучного та забезпечує рівномірність обігріву реакційного об'єму печі.
Механізм і кінетика карбонізації визначаються співвідношенням швидкостей дисоціації хімічних зв'язків і рекомбінації радикалів, що утворилися. Процес супроводжується видаленням смолистих сполук, що випаровуються, і газоподібних продуктів і утворенням твердого коксу, що збагачується атомами вуглецю. Тому в процесі карбонізації ключовим моментом є вибір температурно-часового режиму, який повинен забезпечувати максимальне утворення коксового залишку з сполучного, оскільки механічна міцність карбонизированного композиту залежить, крім іншого, від кількості коксу, що утворився.
Чим більші габарити виробу, тим тривалішим має бути процес карбонізації. Швидкість підйому температури при карбонізації - від кількох градусів до кількох десятків градусів за годину, тривалість процесу карбонізації 300 год і більше. Карбонізація закінчується зазвичай в інтервалі температур 1073-1773 До, відповідних температурному інтервалу переходу вуглецю в графіт.
Властивості УУКМ значною мірою залежать від виду вихідного сполучного, як який застосовуються синтетичні органічні смоли, що дають високий коксовий залишок. Найчастіше для цієї мети застосовують фенолформальдегідні смоли внаслідок їх технологічності, доступності низької вартості, кокс, що утворився в цьому процесі, має високу міцність.
Фенолформальдегідним смолам властиві певні недоліки. Внаслідок поліконденсаційного характеру їх затвердіння та виділення при цьому летких сполук важко отримати однорідну щільну структуру. Величина усадки при карбонізації фенолформальдегідних сполучних більше, ніж для інших типів сполучних, що застосовуються при виробництві УУКМ, що призводить до виникнення внутрішніх напруг у карбонізованому композиті та зниження його фізико-механічних властивостей.
Більш щільний кокс дають фуранові сполучні. Усадка їх при карбонізації менше, а міцність коксу вища, ніж у фенолформальдегідних смол. Тому, незважаючи на складніший цикл затвердіння, що зв'язують на основі фурфуролу, фурфуріліденацетонів, фурилового спирту також застосовуються при виробництві УУКМ.
Дуже перспективні для отримання вуглецевої матриці кам'яновугільні та нафтові пекивнаслідок великого вмісту вуглецю (до 92-95%) та високого коксового числа. Перевагами пеків перед іншими сполучними є доступність і низька вартість, виключення розчинника з технологічного процесу, хороша графітованість коксу та його висока щільність. До недоліків пеків можна віднести утворення значної пористості, деформацію виробу, наявність у складі канцерогенних сполук, що вимагає додаткових заходівбезпеки.
Внаслідок виділення летких сполук при термодеструкції смоли в карбонізованому пластику виникає значна пористість, що знижує фізико-механічні властивості УУКМ. Тому стадією карбонізації вуглепластика завершується процес отримання лише пористих матеріалів, для яких не потрібна висока міцність, наприклад, низькощільних УУК теплоізоляційного призначення. Зазвичай для усунення пористості та підвищення щільності карбонізований матеріал знову просочується сполучною та карбонізується (цей цикл може повторюватися неодноразово). Повторне просочення проводиться в автоклавах в режимі «вакуум-тиск», тобто спочатку заготівля нагрівається у вакуумі, після чого подається сполучний та створюється надлишковий тиск до 0,6-1,0 МПа. При просоченні використовуються розчини і розплави сполучних, причому пористість композиту з кожним циклом зменшується, тому необхідно використовувати сполучні зниженою в'язкістю. Ступінь ущільнення при повторному просоченні залежить від типу сполучного, коксового числа, пористості виробу та ступеня заповнення пір. Зі зростанням щільності при повторному просоченні підвищується і міцність матеріалу. Цим методом можна отримувати УУКМ із густиною до 1800 кг/м 3 і вище. Метод карбонізації вуглепластика порівняно простий, він не вимагає складної апаратури, забезпечує хорошу відтворюваність властивостей матеріалу виробів, що отримуються. Однак необхідність багаторазового проведення операцій ущільнення значно подовжує та подорожчає процес отримання виробів із УУКМ, що є серйозним недоліком зазначеного методу.
При отриманні УУКМ з способу осадження піровуглецю з газової фазигазоподібний вуглеводень (метан, бензол, ацетилен і т. д.) або суміш вуглеводню і розбавляє газу (інертний газ або водень) дифундує через пористий вуглеволокнистий каркас, де під дією високої температури відбувається розкладання вуглеводню на нагрітій поверхні волокна. Піровуглець, що осаджується, поступово створює сполучні містки між волокнами. Кінетика осадження та структура одержуваного піровуглецю залежать від багатьох факторів: температури, швидкості потоку газу, тиску, реакційного об'єму та ін. Властивості одержуваних композитів визначаються також типом та вмістом волокна, схемою армування.
Процес осадження проводиться у вакуумі або під тиском в печах індукційних, а також в печах опору.
Розроблено кілька технологічних методів одержання піровуглецевої матриці.
При ізотермічному методізаготівля знаходиться в камері, що рівномірно обігрівається. Рівномірність обігріву в індукційній печі забезпечується за допомогою тепловиділяючого елемента - сусцептора, що виготовляється з графіту. Вуглеводневий газ подається через днище печі та дифундує через реакційний об'єм та заготівлю; газоподібні продуктиреакції видаляються через вихідний отвір кришці печі.
Процес проводиться зазвичай при температурі 1173-1423 К та тиску 130-2000 кПа. Зменшення температури призводить до зниження швидкості осадження та надмірного подовження тривалості процесу. Збільшення температури прискорює осадження піровуглецю, але при цьому газ не встигає дифундувати в об'єм заготовки і відбувається поверхневе нашарування піровуглецю. Тривалість процесу досягає сотень годин.
Ізотермічний метод зазвичай застосовується для виготовлення тонкостінних деталей, оскільки в цьому випадку заповнюються переважно пори, що знаходяться на поверхні виробу.
Для об'ємного насичення пор та отримання товстостінних виробів застосовується неізотермічний метод, що полягає у створенні в заготівлі температурного градієнта шляхом приміщення її на оправу, що обігрівається, або сердечник або прямим розігрівом її струмом. Вуглеводневий газ подається з боку, що має нижчу температуру. Тиск у печі зазвичай дорівнює атмосферному. В результаті осадження піровуглецю відбувається у найбільш гарячій зоні. Охолоджуюча дія газу, що протікає над поверхнею з високою швидкістює основним способом досягнення температурного градієнта.
Підвищення густини та теплопровідності композиту призводить до переміщення температурного фронту осадження, що забезпечує в кінцевому підсумку об'ємне ущільнення матеріалу та отримання виробів з високою густиною (1700-1800 кг/м 3 ).
Для ізотермічного методу отримання УУКМ з піровуглецевою матрицею характерні такі переваги: хороша відтворюваність властивостей; простота технічного оформлення; висока щільність і хороша графітованість матриці; можливість обробки одночасно кількох виробів.
До недоліків відносяться: мала швидкість осадження; поверхневе осадження піровуглецю; погане заповнення великих пір.
Неізотермічний метод має такі переваги: велику швидкість осадження; можливість заповнення великих пір; об'ємне ущільнення виробу.
Його недоліки полягають у наступному: складне апаратурне оформлення; обробляється лише один виріб; недостатня щільність і графітованість матриці; утворення мікротріщин.
3.4.4. Високотемпературна термообробка (графітація) УУКМ.Структура карбонізованих пластиків та композитів з піровуглецевою матрицею після ущільнення з газової фази недосконала. Міжшарове відстань d 002 , що характеризує ступінь упорядкованості вуглецевої матриці, відносно велико - понад 3,44 10 4 мкм, а розміри кристалів порівняно малі - зазвичай не більше 510 -3 мкм, що характерно для двомірного впорядкування базисних шарів вуглецю. Крім того, в ході процесу отримання в них можуть виникати внутрішні напруги, здатні призвести до деформацій і спотворень структури виробу при експлуатації цих матеріалів при температурі вище за температуру карбонізації або осадження піровуглецю. Тому при необхідності одержання більш термостабільного матеріалу проводять його високотемпературну обробку. Кінцева температура термообробки визначається умовами експлуатації, але лімітується сублімацією матеріалу, яка інтенсивно протікає при температурі понад 3273 К. Термообробка проводиться в індукційних печах або печах опору в неокислювальному середовищі (графітове засипання, вакуум, інертний газ). Зміна властивостей вуглець-вуглецевих матеріалів у процесі високотемпературної термообробки визначається багатьма факторами: типом наповнювача та матриці, кінцевою температурою та тривалістю термообробки, видом середовища та її тиском та ще іншими факторами. При високих температурах долаються енергетичні бар'єри у вуглецевому матеріалі, що перешкоджають переміщенню багатоядерних сполук, їх приєднанню та взаємній переорієнтації з більшим ступенем ущільнення.
Тривалість цих процесів невелика і ступінь перетворення визначається переважно температурою. Тому тривалість процесів високотемпературної термообробки значно менше, ніж у разі карбонізації або осадження піровуглецю, і зазвичай становить кілька годин. При високотемпературній термообробці карбонізованих пластиків відбуваються незворотні деформації виробу, поступове «заліковування» дефектів. Для матеріалів, що добре графітуються, на основі пеків при температурах понад 2473 К спостерігається інтенсивне зростання тривимірноупорядкованих вуглецевих кристаллітів аж до переходу до графітової структури. У той же час в карбонізованих пластиках на основі погано графітованих полімерних сполучних дефекти структури зберігаються до 3273 К і матеріал залишається в неграфітованій структурній формі.
Порошковий наповнювач вводять у матрицю композиційного матеріалу з метою реалізації властивих речовині наповнювача властивостей у функціональних властивостях композиту. У порошкових композитах матрицею служать головним чином метали та полімери. За порошковими композитами з полімерною матрицею закріпилася назва "Пластмаси".
Композити з металевою матрицею
Композити із металевою матрицею.Порошкові композити з металевою матрицею отримують шляхом холодного або гарячого пресування суміші порошків матриці та наповнювача з подальшим спіканням отриманого напівфабрикату в інертному або відновному середовищі при температурах близько 0,75 Т плметалу матриці. Іноді процеси пресування та спікання поєднують. Технологію отримання порошкових композитів називають "Порошкова металургія".Методами порошкової металургії виробляють кермети та сплави з особливими властивостями.
Керметаминазивають композиційні матеріали з металевою матрицею, наповнювачем якої служать дисперсні частинки кераміки, наприклад карбідів, оксидів, боридів, силіцидів, нітридів та ін. Як матрицю використовують переважно кобальт, нікель і хром. Кермети поєднують твердість, а також жароміцність та жаростійкість кераміки з високою в'язкістю та теплопровідністю металів. Тому кермети на відміну від кераміки менш тендітні і здатні витримувати великі перепади температур без руйнування.
Найбільш широке застосування кермети отримали у виробництві металообробного інструменту. Порошковими твердими металаминазивають кермети інструментального призначення.
Порошковим наповнювачем твердих сплавів є карбіди або карбонітриди в кількості 80% і більше. Залежно від типу наповнювача і металу, який служить матрицею композиту, тверді порошкові сплави ділять на чотири групи:
- 1) WC-Co - однокарбідні типу В К;
- 2) WC-TiC-Со - двокарбідні типу ТК,
- 3) WC-TiC-TaC-Co – трикарбідні типу ТТК;
- 4) TiC і TiCN-(Ni + Mo) - сплави на основі карбіду і карбонітриду титану - безвольфрамові типу ТН і КНТ.
Сплави ВК.Сплави маркуються літерами ВК та цифрою, що показує вміст кобальту. Наприклад, склад сплаву ВК6: 94% WC і 6%. Теплостійкість сплавів ВК – близько 900°С. Сплави цієї групи мають найбільшу міцність у порівнянні з іншими твердими сплавами.
Сплави ТК.Сплави позначають комбінацією літер та цифр. Цифра після Т вказує на вміст у сплаві карбіду титану, після К – кобальту. Наприклад, склад сплаву Т15К6: TiC - 15%, - 6%, інше, 79%, - WC. Твердість сплавів ТК внаслідок введення до складу його наповнювача твердішого карбіду титану більше, ніж твердість сплавів К. Вони також мають перевагу по теплостійкості - 1000°С, проте їх міцність при рівному вмісті кобальту нижче.
Сплави ТТК (ТТ7К12, ТТ8К, ТТ20К9).Позначення сплавів ТТК аналогічне ТК. Цифра після другої букви Т свідчить про сумарний вміст карбідів TiC і ТаС.
При рівній теплостійкості (1000°С) сплави ТТК перевершують сплави ТК при однаковому вмісті кобальту і твердості, і міцності. Найбільший вплив легування карбідом танталу проявляється при циклічних навантаженнях – ударна втомна довговічність підвищується до 25 разів. Тому сплави, що містять тантал, використовуються в основному для важких умов різання з великими силовими і температурними навантаженнями.
Сплави ТН, КНТ.Це безвольфрамові тверді сплави (БВТС) на основі карбіду та карбонітриду титану з нікель-молібденовим, а не кобальтовим зв'язуванням.
По теплостійкості БВТС поступаються вольфрамсодіжним сплавам, теплостійкість БВТС вбирається у 800°С. Їхня міцність і модуль пружності також нижче. Теплоємність та теплопровідність БВТС нижче, ніж у традиційних сплавів.
Незважаючи на порівняно низьку вартість, широке застосування БВТС виготовлення ріжучого інструменту проблематично. Найбільш доцільним є використання безвольфрамових сплавів для виготовлення вимірювального (кінцеві заходи, калібри) та волочильного інструменту.
Металева матриця використовується також для зв'язування порошкового наповнювача з алмазу та нітриду кубічного бору, які об'єднують загальною назвою «надтверді матеріали» (СТМ). Композиційні матеріали з наповнювачем із СТМ використовують як обробний інструмент.
Вибір матриці для порошкового алмазного наповнювача обмежений низькою теплостійкістю алмазу. Матриця повинна забезпечувати термохімічний режим надійного зв'язування зерен алмазного наповнювача, що унеможливлює згоряння або графітацію алмазу. Для зв'язування алмазного наповнювача найбільше широко використовують олов'янисті бронзи. Вища теплостійкість та хімічна інертність нітриду бору дозволяють використовувати зв'язки на основі заліза, кобальту, твердого сплаву.
Інструмент з СТМ виготовляють переважно у вигляді кіл, обробка якими проводиться шляхом сточування поверхні оброблюваного матеріалу обертовим колом. Абразивні круги на основі алмазу та нітриду бору широко використовують для заточування та доведення ріжучого інструменту.
При порівнянні абразивних інструментів на основі алмазу і нітриду бору слід зазначити, що ці дві групи не конкурують один з одним, а мають власні області раціонального застосування. Це визначається відмінностями їх фізико-механічних та хімічних властивостей.
До переваг алмазу як інструментального матеріалу перед нітридом бору відноситься те, що його теплопровідність вища, а коефіцієнт термічного розширення нижче. Однак визначальними є висока дифузійна здатність алмазу стосовно сплавів на основі заліза - сталей і чавунів і, навпаки, інертність до цих матеріалів нітриду бору.
При високій температурі спостерігається активна дифузійна взаємодія алмазу зі сплавами на основі заліза. При температурах нижче ос
Застосовність алмазу повітря має температурні обмеження. Діамант починає окислюватися з помітною швидкістю при температурі 400°С. За більш високих температур він згоряє з виділенням Вуглекислий газ. Це також обмежує експлуатаційні можливості алмазного інструменту порівняно з інструментом на основі нітриду кубічного бору. Помітне окислення нітриду бору на повітрі спостерігається тільки після витримки годинника при температурі 1200°С.
Температурна межа працездатності алмазу в інертному середовищі обмежена його перетворенням на термодинамічно стабільну форму вуглецю - графіт, що починається при нагріванні до 1000°С.
Інший великою сферою застосування керметів є їх використання як конструкційний матеріал високотемпературного призначення для об'єктів нової техніки.
Службові властивості порошкових композитів з металевою матрицею визначаються переважно властивостями наповнювача. Тому для порошкових композиційних матеріалів з особливою властивістю найбільш поширена класифікація з областей застосування.
Композиційні матеріали складаються з металевої матриці (частіше Al, Mg, Ni та їх сплави), зміцненої високоміцними волокнами (волокнисті матеріали) або тонкодисперсними тугоплавкими частинками, які не розчиняються в основному металі (дисперсно-зміцнені матеріали). Металева матриця пов'язує волокна (дисперсні частинки) єдине ціле. Волокно (дисперсні частинки) плюс зв'язка (матриця), що становлять ту
Рис. 196. Схема структури (а) та армування безперервними волокнами (б) композиційних матеріалів: 1 - зернистий (дисперсно-зміцнений) матеріал (l/d =1); 2 - дискретний композиційний волокнистий матеріал; 3 - безперервно волокнистий композиційний матеріал; 4 - безперервне укладання волокон; 5 - двомірне укладання волокон; 6,7 - об'ємне укладання волокон
або іншу композицію, одержали назву композиційні матеріали (рис. 196).
Волокнисті композиційні матеріали.На рис. 196 наведено схеми армування волокнистих композиційних матеріалів. Композиційні матеріали з волокнистим наповнювачем (зміцнювачем) за механізмом армуючої дії ділять на дискретні, в яких відношення довжини волокна до діаметра і безперервним волокном, в яких Дискретні волокна розташовуються в матриці хаотично. Діаметр волокон від часток до сотень мікрометрів. Чим більше відношення довжини до діаметру волокна, тим вищий рівень зміцнення.
Часто композиційний матеріал є шаруватою етруктурою, в якій кожен шар армований великою кількістю паралельних безперервних волокон. Кожен шар можна армувати також безперервними волокнами, зітканими в тканину, яка є вихідною формою, по ширині і довжині, що відповідає кінцевому матеріалу. Нерідко волокна сплітають у тривимірні структури.
Композиційні матеріали відрізняються від звичайних сплавів. високими значеннямитимчасового опору та межі витривалості (на 50-100 %), модуля пружності, коефіцієнта жорсткості () та зниженою схильністю до тріщиноутворення. Застосування композиційних матеріалів підвищує жорсткість конструкції за одночасного зниження її металоємності.
Таблиця 44 (див. скан) Механічні властивості композиційних матеріалів на металевій основі
Міцність композиційних (волокнистих) матеріалів визначається властивостями волокон; матриця переважно повинна перерозподіляти напруги між армуючими елементами. Тому міцність і модуль пружності волокон повинні бути значно більшими, ніж міцність і модуль пружності матриці. Жорсткі армуючі волокна сприймають напруги, що виникають у композиції при навантаженні, надають їй міцність та жорсткість у напрямку орієнтації волокон.
Для зміцнення алюмінію, магнію та їх сплавів застосовують борні та вуглецеві волокна, а також волокна з тугоплавких сполук (карбідів, нітридів, боридів та оксидів), що мають високу міцність та модуль пружності. Так, волокна карбіду кремнію діаметром 100 мкм мають нерідко використовують як волокна дріт з високоміцних сталей.
Для армування титану та його сплавів застосовують молібденовий дріт, волокна сапфіру, карбіду кремнію та бориду титану.
Підвищення жароміцності нікелевих сплавів досягається армуванням їх вольфрамовим або молібденовим дротом. Металеві волокна використовують і в тих випадках, коли потрібні високі теплопровідність та електропровідність. Перспективними зміцнювачами для високоміцних та високомодульних волокнистих композиційних матеріалів є ниткоподібні кристали з оксиду та нітриду алюмінію, карбіду та нітриду кремнію, карбіду бору та ін.
У табл. 44 наведено властивості деяких волокнистих композиційних матеріалів.
Композиційні матеріали на металевій основі мають високу міцність і жароміцність, в той же час вони малопластичні. Однак волокна в композиційних матеріалах зменшують швидкість поширення тріщин, що зароджуються в матриці, і практично повністю виключають раптове
Рис. 197. Залежність модуля пружності Е (а) та тимчасового опору (б) бороалюмінієвого композиційного матеріалу вздовж (1) та поперек (2) осі армування від об'ємного вмісту борного волокна
тендітна руйнація. Відмінною особливістюОдновісними волокнистими композиційними матеріалами є анізотропія механічних властивостей вздовж і поперек волокон і мала чутливість до концентраторів напруги.
На рис. 197 наведена залежність і Е бороалюмінієвого композиційного матеріалу від вмісту борного волокна вздовж (1) і поперек осі армування. Чим більший об'ємний вміст волокон, тим вище і Е вздовж осі армування. Однак необхідно враховувати, що матриця може передавати напруги волокнам тільки в тому випадку, коли існує міцний зв'язок на поверхні розділу волокна, що армує, - матриця. Для запобігання контакту між волокнами матриця повинна повністю оточувати всі волокна, що досягається при її вмісті не менше 15-20 %.
Матриця і волокно не повинні між собою взаємодіяти (повинна бути відсутня взаємна дифузія) при виготовленні або експлуатації, оскільки це може призвести до зниження міцності композиційного матеріалу.
Анізотропія властивостей волокнистих композиційних матеріалів враховується при конструюванні деталей для оптимізації властивостей шляхом узгодження поля опору полями 6 напруги.
Армування алюмінієвих, магнієвих та титанових сплавів безперервними тугоплавкими волокнами бору, карбіду кремнію, дибориду титану та оксиду алюмінію значно підвищує жароміцність. Особливістю композиційних матеріалів є мала швидкість розміцнення в часі (рис. 198 а) з підвищенням температури.
Рис. 198. Тривала міцність бороалюмінієвого композиційного матеріалу, що містить 50% борного волокна, у порівнянні з міцністю титанових сплавів (а) і тривала міцність нікелевого композиційного матеріалу в порівнянні з міцністю дисперсійно-твердіючих сплавів (б): 1 - 1 2 – титановий сплав; 3 – дисперсійно-зміцнений композиційний матеріал; 4 - дисперснонно-твердні сплави
Основним недоліком композиційних матеріалів одно-і двомірним армуванням є низький опір міжшарового зсуву та поперечного обриву. Цього недоліку позбавлені матеріали об'ємним армуванням.
Дисперсно-зміцнені композиційні матеріали. На відміну від волокнистих композиційних матеріалів дисперсно-зміцнених композиційних матеріалах матриця є основним елементом, що несе навантаження, а дисперсні частинки гальмують рух у ній дислокацій. Висока міцність досягається при розмірі частинок 10-500 нм при середній відстані між ними 100-500 нм та рівномірному розподілі їх у матриці. Міцність та жароміцність залежно від об'ємного вмісту зміцнювальних фаз не підкоряються закону адитивності. Оптимальний вміст другої фази для різних металів неоднаковий, але зазвичай не перевищує
Використання як зміцнювальних фаз стабільних тугоплавких сполук (оксиди торію, гафнію, ітрію, складні сполуки оксидів і рідкісноземельних металів), що не розчиняються в матричному металі, дозволяє зберегти високу міцність матеріалу до . У зв'язку з цим такі матеріали найчастіше застосовують як жароміцні. Дисперсно-зміцнені композиційні матеріали можуть бути отримані на основі більшості металів і сплавів, що застосовуються в техніці.
Найбільш широко використовують сплави на основі алюмінію – САП (спечений алюмінієвий порошок). САП складається з алюмінію та дисперсних лусочок Частинки ефективно гальмують рух дислокацій і тим самим підвищують міцність
сплаву. Зміст в САП коливається від і до З збільшенням вмісту підвищується від 300 до до а відносне подовження відповідно знижується з 8 до 3 %. Щільність цих матеріалів дорівнює щільності алюмінію, вони не поступаються йому корозійною стійкістю і навіть можуть замінювати титан і корозійно-стійкі сталі при роботі в інтервалі температур По тривалій міцності вони перевершують алюмінієві сплави, що деформуються. Тривала міцність для сплавів при складанні
Великі перспективи у нікелевих дисперсно-зміцнених матеріалів. Найбільш високу жароміцність мають сплави на основі нікелю з 2-3 про. двооксиду торію або двооксиду гафнію. Матриця цих сплавів зазвичай -твердий розчин. Широке застосування отримали сплави (нікель, зміцнений двоокисом торію), (нікель, зміцнений двоокисом гафнію) і (матриця зміцнена окисом торію). Ці сплави мають високу жароміцність. При температурі сплав має сплав Дисперсно-зміцнені композиційні матеріали, так само як волокнисті, стійкі до зміцнення з підвищенням температури та тривалості витримки при даній температурі (див. рис. 198).
Області застосування композиційних матеріалів не обмежені. Вони застосовуються в авіації для високонавантажених деталей літаків (обшивки, лонжеронів, нервюр, панелей і т. д.) і двигунів (лопаток компресора і турбіни і т. д.), в космічній техніці для вузлів силових конструкцій апаратів, що піддаються нагріванню, для елементів жорсткості, панелей, в автомобілебудуванні для полегшення кузовів, ресор, рам, панелей кузовів, бамперів і т. д., у гірській промисловості (буровий інструмент, деталі комбайнів тощо), у цивільному будівництві (прольоти мостів, елементи збірних конструкцій висотних споруд і т. д.) та в інших галузях народного господарства.
Застосування композиційних матеріалів забезпечує новий якісний стрибок у збільшенні потужності двигунів, енергетичних та транспортних установок, зменшенні маси машин та приладів.
Технологія отримання напівфабрикатів та виробів із композиційних матеріалів досить добре відпрацьована.
До цього виду композиційних матеріалів відносяться матеріали типу САП (спечена алюмінієва пудра), які є алюмінієм, зміцненим дисперсними частинками оксиду алюмінію. Алюмінієвий порошок отримують розпиленням розплавленого металу з подальшим подрібненням у кульових млинах до розміру близько 1 мкм у присутності кисню. Зі збільшенням тривалості помелу пудра стає дрібнішим і в ній підвищується вміст оксиду алюмінію. Подальша технологія виробництва виробів та напівфабрикатів із САП включає холодне пресування, попереднє спікання, гаряче пресування, прокатку або видавлювання спеченої алюмінієвої заготівлі у формі готових виробів, які можна піддавати додаткової термічної обробки.
Сплави типу САП застосовують в авіаційній техніці для виготовлення деталей з високою питомою міцністю та корозійною стійкістю, що працюють за температур до 300 - 500 °С. З них виготовляють штоки поршнів, лопатки компресорів, оболонки тепловиділяючих елементів та труби теплообмінників.
Армування алюмінію та його сплавів сталевим дротом підвищує їхню міцність, збільшує модуль пружності, опір втоми та розширює температурний інтервал служби матеріалу.
Армування короткими волокнами проводять методами порошкової металургії, що складаються з пресування з подальшою гідроекструзією або прокатування заготовок. При армуванні безперервними волокнами композицій типу сендвіч, що складаються з шарів алюмінієвої фольги і волокон, що чергуються, застосовують прокатку, гаряче пресування, зварювання вибухом, дифузійне зварювання.
Дуже перспективним матеріалом є композиція алюміній-берилієвий дріт, в якій реалізуються високі фізико-механічні властивості берилієвої арматури і, в першу чергу, її низька щільність і висока питома жорсткість. Отримують композиції з берилієвим дротом дифузійним зварюванням пакетів з шарів берилієвого дроту і матричних листів. З алюмінієвих сплавів, армованих сталевим та берилієвим дротом, виготовляють корпусні деталі ракет і паливні баки.
У композиції «алюміній - вуглецеві волокна» поєднання низької щільності арматури та матриці дозволяє створити композиційні матеріали з високою питомою міцністю та жорсткістю. Недоліком вуглецевих волокон є їхня крихкість і висока реакційна здатність. Композицію алюміній - вуглець одержують просоченням вуглецевих волокон рідким металом або методами порошкової металургії. Технологічно найбільш просто можна здійснити протягування пучків вуглецевих волокон через розплав алюмінію.
Композит алюміній-вуглець застосовують у конструкціях паливних баків сучасних винищувачів. Завдяки високій питомій міцності та жорсткості матеріалу маса паливних баків зменшується на 30 %. Цей матеріал використовують для виготовлення лопаток турбін авіаційних газотурбінних двигунів.
Композиційні матеріали з неметалевою матрицею
Композиційні матеріали з неметалевою матрицею знайшли широке застосування у промисловості. В якості неметалевих матриць використовують полімерні, вуглецеві та керамічні матеріали. З полімерних матриць найбільшого поширення набули епоксидна, фенолоформальдегідна, поліамідна. Вугільні матриці коксовані або одержують із синтетичних полімерів, підданих піролізу (розкладання, розпад). Матриця пов'язує композицію, надаючи їй форму. Зміцнювачами служать волокна: скляні, вуглецеві, борні, органічні, на основі ниткоподібних кристалів (оксидів, карбідів, боридів, нітридів та ін), а також металеві (дроти), що мають високу міцність і жорсткість.
Властивості композиційних матеріалів залежать від складу компонентів, їх поєднання, кількісного співвідношення та міцності зв'язку між ними.
Зміст зміцнювача в орієнтованих матеріалах становить 60 - 80 об. %, у неорієнтованих (з дискретними волокнами та ниткоподібними кристалами) – 20 - 30 об. %. Чим вище міцність і модуль пружності волокон, тим вища міцність та жорсткість композиційного матеріалу. Властивості матриці визначають міцність композиції при зсуві та стиску та опір втомному руйнуванню.
На вигляд зміцнювача композиційні матеріали класифікують на скловолокніти, карбоволокніти з вуглецевими волокнами, бороволокніти і органоволокніти.
У шаруватих матеріалах волокна, нитки, стрічки, просочені сполучною, укладаються паралельно один одному в площині укладання. Площинні шари збираються у пластини. Властивості виходять анізотропними. Для роботи матеріалу у виробі важливо враховувати напрямок діючих навантажень. Можна створювати матеріали як із ізотропними, так і з анізотропними властивостями. Можна укладати волокна під різними кутами, варіюючи властивості композиційних матеріалів. Від порядку укладання шарів за товщиною пакета залежать згинальні та крутильні жорсткості матеріалу.
Застосовується укладання зміцнювачів із трьох, чотирьох і більше ниток (рис. 7). Найбільше застосування має структура із трьох взаємно перпендикулярних ниток. Зміцнювачі можуть розташовуватися в осьовому, радіальному та окружному напрямках.
Тривимірні матеріали можуть бути будь-якої товщини у вигляді блоків, циліндрів. Об'ємні тканини збільшують міцність на відрив і опір зсуву в порівнянні з шаруватими. Система із чотирьох ниток будується шляхом розташування зміцнювача по діагоналях куба. Структура з чотирьох ниток рівноважна, має підвищену жорсткість при зсуві головних площинах. Однак створення чотирьох спрямованих матеріалів складніше, ніж три спрямовані.
Рис. 7. Схема армування композиційних матеріалів: 1 - прямокутна, 2-гексагональна, 3 - косокутна, 4 - з викривленими волокнами, 5 - система з n ниток
Найбільш ефективними з точки зору використання в найжорсткіших умовах сухого тертя є антифрикційні матеріали на основі політетрафторетилену (ПТФЕ).
Для ПТФЕ характерний досить високий статичний коефіцієнт тертя, проте в процесі тертя ковзання на поверхні ПТФЕ утворюється дуже тонкий шар високо-орієнтованого полімеру, що сприяє вирівнюванню статичного та динамічного коефіцієнтів тертя та плавного руху при ковзанні. При зміні напрямку ковзання наявність орієнтованої поверхневої плівки викликає тимчасове збільшення коефіцієнта тертя, значення якого знову зменшується з переорієнтацією поверхневого шару. Така поведінка ПТФЕ при терті зумовила його широке застосування у промисловості, де переважно використовують не наповнений ПТФЕ для підшипників. У багатьох випадках підшипники, що не змащуються, повинні працювати при більш високих швидкостях тертя. При цьому для не наповненого ПТФЕ характерні високі значення коефіцієнта тертя та швидкості зносу. В якості матеріалів для підшипників, що не змащуються, що працюють в таких умовах, широке застосування знайшли композиційні матеріали, найчастіше на основі ПТФЕ.
Найбільш простим шляхом зменшення відносно високої швидкості зношування ПТФЕ при сухому терті є введення порошкоподібних наповнювачів. При цьому підвищується опір повзучості при стиску та спостерігається значне збільшення зносостійкості при сухому терті. Введення оптимальної кількості наповнювача дозволяє підвищити опір зношування до 10 4 разів.
Полімери та композиційні матеріали на їх основі мають унікальний комплекс фізико-механічних властивостей, завдяки яким вони успішно конкурують з традиційними конструкційними сталями та сплавами, а в ряді випадків без застосування полімерних матеріалів неможливо забезпечити необхідні функціональні характеристики та працездатність спеціальних виробів та машин. Висока технологічність і мала енергоємність технологій переробки пластмас у вироби разом із вище названими достоїнствами ПКМ роблять їх дуже перспективними матеріалами для деталей машин різного призначення.
