Композиционные материалы на металлической основе

Наиболее перспективными материалами для металлических матриц KM являются металлы с невысокой плотностью (Al, Mg, Ti) и сплавы на их основе, а также никель, широко применяемый в настоящее время в качестве основного компонента жаропрочных сплавов.

Алюминий и сплавы на его основе, используемые в качестве матрицы КМ, должны обладать:

• совместимостью с материалом армирующих волокон при температурах изготовления и эксплуатации композитов;

• высокими прочностью и пластичностью при нормальных и повышенных температурах;

• высокими технологическими свойствами и коррозионной стойкостью.

Большим преимуществом магниевых сплавов как матриц KM является то, что они практически не образуют хрупких соединений с армирующими волокнами. Однако магниевые сплавы отличаются пониженной коррозионной стойкостью.

Для изготовления KM с титановой матрицей используют преимущественно технически чистый титан (ВТ6с, ВТ22 и др.) в виде фольги или порошка. Армирование титана и его сплавов высокомодульными волокнами проводят главным образом с целью повышения жесткости, поскольку по остальным показателям титан является одним из наиболее перспективных материалов для авиационной и космической техники.

Никель и его сплавы, пригодные для применения в качестве матрицы, промышленность выпускает в виде листов, лент и порошков. Технически чистый никель используют при изготовлении RM, армированных проволоками тугоплавких металлов, керамическими и углеродными волокнами. Однако жаростойкость композитов на основе технически чистого никеля низкая. Более широко применяют KM на основе промышленных жаростойких и жаропрочных никелевых сплавов.

Для упрочнения матриц на основе Al, Mg, Ti и их сплавов применяют в качестве наполнителей волокна и нитевидные кристаллы технически чистых металлов или тугоплавких соединений (В, С, Al2O3, SiC), а также проволоку. Прочность KM зависит от прочности армирующих элементов, объемной доли волокон, механических свойств зоны соединения матрицы и наполнителя, а также схемы армирования. Прочность волокнистых KM пропорциональна объемной доле наполнителя, содержание которого варьируется от 5 до 80 %.

Волокнистые KM превосходят самые высокопрочные сплавы, получаемые традиционным способом, по уровню прочности и удельной прочности, особенно по пределу выносливости. Усталостные трещины, возникая на поверхности, распространяются в пластичной матрице с малой скоростью: когда трещина доходит до границы с высокопрочным волокном, ее развитие прекращается.

Для сравнения в табл. 18.4 приведены механические свойства алюминия, высокопрочного алюминиевого сплава В95 и композиционных материалов с алюминиевой матрицей. В композите, армированном стальной проволокой (марка КАС), по сравнению с высокопрочным сплавом В95 повышаются модуль упругости, временное сопротивление разрыву, удельная прочность ов/р и предел выносливости. Однако плотность композита KAC выше, чем у других KM на алюминиевой основе (см. табл. 18.4).

При армировании алюминия высокомодульными и легкими волокнами углерода (марка ВКУ) плотность материала снижается при одновременном повышении модуля упругости, а предел выносливости увеличивается почти вчетверо. Наибольшее преимущество по сравнению со сплавом В95 имеет композит марки ВКА, в котором использованы борные волокна: значения ов и ов/р повышаются в 2 раза; E — более чем в 3 раза; о-1 — на порядок (см. табл. 18.4).

Дисперсно-упрочненные композиты относятся к классу порошковых КМ. Структура их представляет матрицу из технически чистого металла или сплава, в котором равномерно распределены тонкодисперсные частицы упрочняющей фазы размером менее 0,1 мкм. Объемная доля этих частиц (включений) составляет 10...15 %. В качестве упрочняющей фазы используют дисперсные порошки оксидов, карбидов, нитридов, боридов и других тугоплавких соединений. Особенность порошковых KM состоит в изотропности механических и физических свойств.

Одним из представителей ДКМ, который используют в авиационной промышленности, является композит на алюминиевой основе, называемый спеченной алюминиевой пудрой (САП). Технология изготовления САП включает следующие этапы: из алюминия в жидком состоянии путем распыления получают порошок, затем поверхность частиц окисляют, брикетируют, спекают, прессуют, подвергают горячей и холодной прокатке. Частицы, на поверхности которых образуется оксид Аl2O3, называют пудрой.

Композит САП отличается высокими коррозионной стойкостью и жаропрочностью, обладает технологическими свойствами, которые позволяют при изготовлении изделий применять технологические процессы обработки давлением, резанием и сварки. В двигателестроении САП применяют для изготовления поршневых штоков компрессоров, тарелок клапанных пружин и др.

Одной из разновидностей MKM являются эвтектические композиты, которыми называют сплавы эвтектического или близкого к нему состава. В этих KM армирующей фазой служат ориентированные волокнистые или пластинчатые кристаллы, образованные в процессе направленной кристаллизации. Форма выделяющейся фазы — волокнистая или пластинчатая — зависит от ее объемной доли в эвтектическом КМ. Как правило, при объемной доле армирующей фазы менее 32 % образуется композит с волокнистыми кристаллами, а при большей концентрации — с пластинчатыми.

Эвтектическая структура создается в этих композитах естественным путем, а не в результате искусственного внедрения армирующей фазы в матрицу, такие KM называют естественными. Композиты характеризуются высокой прочностью и термически стабильной структурой — вплоть до значений температуры, близких к температуре плавления эвтектики. Из эвтектических KM можно изготовлять изделия за одну операцию при отсутствии трудоемких процессов получения армирующих элементов и их введения в матрицу.

По комплексу физико-механических свойств эвтектические KM условно подразделяют на материалы конструкционного назначения и материалы с особыми физическими свойствами (ферромагнитные, полупроводниковые и др.).

Эвтектические KM на основе алюминия обладают низким электрическим сопротивлением, их используют для изготовления электрических проводов в тех случаях, когда требуется оптимальное сочетание прочности и электропроводности. Материалы на основе никеля и кобальта служат для изготовления литых рабочих и сопловых лопаток газотурбинных двигателей.

Композиты на основе тантала и ниобия применяют для изготовления турбинных лопаток двигателей, кромок крыльев и др. Композиты на основе ферромагнитных материалов служат для производства роторов энергетических установок космических летательных аппаратов, работающих в условиях высоких температур и механических напряжений.