1. Общая характеристика методов получения композитов с металлической матрицей

Металлические композиционные материалы изготавливают:

• -твердофазными методами;

• -жидкофазными методами;

• -методами осаждения - напыления;

• -возможны также комбинированные методы.

Для твердофазных методов характерно использование матрицы в твердом состоянии, преимущественно в виде порошка, фольги или компактного металла.

Жидкофазные методы предусматривают получение металлических композитов путем совмещения армирующих волокон с расплавленной матрицей. К ним относят методы пропитки волокон жидкими матричными сплавами и метод направленной кристаллизации.

При получении металлических композитов методами осаждения - напыления матричный металл наносят на волокна из растворов солей или других химических соединений, из парогазовой фазы, с помощью плазмы и т.д.

Комбинированные методы представляют собой последовательное или параллельное применение первых трех методов. Волокна в большинстве случаев вводят в металлический композит в твердофазном состоянии за исключением эвтектических композиционных материалов, в которых армирующая фаза (волокна и пластины) образуется из расплава в процессе направленной кристаллизации эвтектик.

Выбор метода получения композита с металлической матрицей зависит от вида исходных компонентов, возможности введения армирующей фазы без повреждения, обеспечения прочной связи между компонентами, равномерного распределения армирующих элементов в матрице. Учет этих факторов обеспечивает максимальную реализацию свойств арматуры и матрицы.

1.1. Классификация методов получения и обработки композитов с металлической матрицей

Методы получения и обработки композиционных материалов с металлической матрицей более детально можно подразделить на:

• химические (химического осаждения) и электрохимические (гальванические);

• газо- и парофазные (вакуумное осаждение паров, газотермическое нанесение покрытий: плазменные, газопламенные, электродуговые, высокочастотные) ;

• жидкофазные (направленная кристаллизация, протягивание жгутов и волокон через расплав, пропитка жгутов и каркасов волокон: вакуумная, компрессионная, при нормальном давлении, ваккумно- компрессионная);

• твердофазные (импульсные: сварка взрывом, магнитно- импульсное компактирование, гидроимпульсное компактирование, электроимпульсное компактирование; статические: диффузионная сварка, гидростатическое компактирование, спекание под давлением, изо- статическое компактирование, термокомпрессионное компактирование, прессование, статическая формовка; динамические: прокатка, волочение, динамическое горячее прессование, роликовая формовка, вальцовочная формовка, плазменное напыление и др).

Жидкофазные методы

Жидкофазные процессы пропитки и направленной кристаллизации получения композитов дают возможность использовать в качестве матриц недеформируемые литейные сплавы и получать изделия сложной конфигурации без дополнительного формоизменения. Недостатком является высокая реакционная способность большинства металлических расплавов в контакте с армирующими элементами.

По условиям пропитки жидкофазные методы можно разделить на несколько разновидностей:

• -свободная пропитка при нормальном давлении;

• -пропитка при повышенном давлении;

• -вакуумное всасывание;

• -комбинированная с использованием давления и вакуума, центробежных сил и др.

Условия пропитки определяются реакционной способностью расплавленной матрицы и смачиваемостью наполнителя матрицей. Чем ниже реакционная способность матрицы, тем больше вероятность сохранения формы, структуры и свойств армирующего наполнителя. Соблюдение требования хорошей смачиваемости волокон матрицей способствует обеспечению наибольшей площади контакта на границе волокно - матрица, а, следовательно, позволяет осуществлять наиболее прочную связь и эффективное перераспределение напряжений между компонентами. При несмачиваемости значительно увеличивается вероятность образования пустот и дефектных участков границы между волокном и матрицей, а технология получения качественного МВКМ существенно усложняется.

Металлические матрицы, как правило, плохо смачивают керамические волокна и усы. Увеличить способность металлов, например, никеля, смачивать керамику удается путем введения в расплав легирующих элементов Ti, Cr, Zr.

Химическое взаимодействие матричного расплава и армирующих волокон усложняет условия пропитки, как в случае смачивания, так и в случае несмачивания. При этом, из-за растворения волокна или воздействия загрязняющих примесей и атмосферы может измениться поверхностное натяжение жидкой фазы или границы раздела между твердой и жидкой фазами.

Методы осаждения - напыления

Это газофазные, химические и электрохимические процессы получения армированных металлических композитов. Главной технологической операцией процессов осаждения-напыления является нанесение на арматуру покрытий из матричного металла, который, заполняя пространство между армирующими элементами, образует матрицу композита.

Преимуществами осаждения-напыления являются: отсутствие разупрочнения армирующих элементов (волокон, частиц и др.), не подвергающихся действию высоких температур, или значительных механических напряжений при совмещении армирующих элементов и матрицы; предотвращение непосредственного контакта армирующих элементов друг с другом, возможность формирования полуфабрикатов и изделий сложной конфигурации.

Главным недостатком процессов осаждения-напыления является трудность использования в качестве матриц сложнолегированных сплавов.

В практике производства композитов на основе металлической матрицы наиболее широкое применение получило плазменное, при котором используют контролируемую дугу между двумя электродами, ионизирующую вдуваемый газ (аргон, гелий, азот, водород и их смеси). Напыляемый материал подается в плазменную горелку в виде проволоки или порошка.