3.3. Дисперсноупрочненные композиционные материалы на основе алюминия

К этому виду композиционных материалов относятся материалы типа САП (спеченная алюминиевая пудра), которые представляют собой алюминий, упрочненный дисперсными частицами оксида алюминия. Алюминиевый порошок получают распылением рас­плавленного металла с последующим измельчением в шаровых мельницах до размера около 1 мкм в присутствии кислорода. С увеличением, длительности помола пудра становится мельче и в ней повышается содержание оксида алюминия. Дальнейшая технология производства изделий и полуфабрикатов из САП включает холодное прессование, предварительное спекание, горя­чее прессование, прокатку или выдавливание спеченной алюмини­евой заготовки в форме готовых изделий, которые можно подвер­гать дополнительной термической обработке.

Все марки отечественных и зарубежных сплавов типа САП удовлетворительно деформируются в горячем состоянии, а сплавы с 6—9 % А1₂О₃ — и при комнатной температуре. Из сплава САП-1 холодным волочением можно получить фольгу толщиной до 0,03 мм. Эти материалы хорошо обрабатываются резанием и обладают высокой коррозионной стойкостью.

Отечественные марки САП содержат 6—23 % А1₂О₃. Разли­чают САП-1 с содержанием 6—9, САП-2 с 9—13, САП-3 с 13— 18 % А1₂О₃. С увеличением объемной концентрации оксида алю­миния возрастает прочность композиционных материалов. При комнатной температуре характеристики прочности САП-1: б_в = 280 МПа, б_0,2 = 220 МПа, САП-3: б₃ = 420 МПа, б_0,2 = 340 МПа.

Материалы типа САП обладают высокой жаропрочностью превосходят все деформируемые алюминиевые сплавы. Даже при температуре 500 °С их б_в не менее 60—11О МПа. Жаропроч­ность объясняется тормозящим действием дисперсных частиц на процесс рекристаллизации. Характеристики прочности сплавов типа САП весьма стабильны. Испытания длительной прочности образцов из САП-3 в течение двух лет практически не повлияли на уровень свойств как при комнатной температуре, так и при нагреве до 500 °С. При 400 °С прочность САП в 5 раз выше, чем у стареющих алюминиевых сплавов:

Температура испытаний, °С.	20	100	200	300	400	500
МПа	265	235	190	155	120	105
, МПа	380	315	235	175	130	105
, %	7,0	6,5	5,0	3,5	2,0	2,5

Сплавы типа САП применяют в авиационной технике для изго­товления деталей с высокой удельной прочностью и коррозионной стойкостью, работающих при температурах до 300—500 °С. Из них изготавливают штоки поршней, лопатки компрессоров, оболочки тепловыделяющих элементов и трубы теплообменников.

3.4. Армированные композиционные материалы на основе алюминия и его сплавов

Волокна, используемые в качестве арматуры, должны иметь сле­дующие свойства: высокую температуру плавления, малую плот­ность, высокую прочность во всем интервале рабочих температур, минимальную растворимость в матрице, высокую химическую стойкость, отсутствие фазовых превращений при рабочих тем­пературах, отсутствие токсичности при изготовлении и эксплу- атации. Для армирования алюминиевых сплавов используют стальную, бериллиевую или вольфрамовую проволоку, ните­видные кристаллы оксидов алюминия и магния, карбида кремния и неорганические поликристаллические волокна (углеродные, борные, алюмосиликатные).

Матрица в армированных композициях придает изделию форму и делает материал монолитным. Кроме того, матрица должна обеспечивать прочность и жесткость композиционной системы при действии растягивающей или сжимающей нагрузки.

Композиция алюминий — металлическая проволока

Армирование алюминия и его сплавов стальной проволокой по­вышает их прочность, увеличивает модуль упругости, сопротивле­ние усталости и расширяет температурный интервал службы материала.

Армирование короткими волокнами проводят методами по­рошковой металлургии, состоящими из прессования с последу­ющей гидроэкструзией или прокаткой заготовок. При армиро­вании непрерывными волокнами композиций типа сэндвич, со­стоящих из чередующихся слоев алюминиевой фольги и волокон, применяют прокатку, горячее прессование, сварку взрывом, диффузионную сварку. Прочность композиционных материалов на основе алюминия армированных стальной проволокой, а_в = = 1500 МПа при КСU = 0,4-0,6 МДж/м².

Весьма перспективным материалом является композиция алю­миний — бериллиевая проволока в которой реализуются высокие физико-механические свойства бериллиевой арматуры и в первую очередь ее низкая плотность и высокая удельная жесткость. Получают композиции с бериллиевой проволокой диффузионной сваркой пакетов из чередующихся слоев бериллиевой проволоки и матричных листов. Из алюминиевых сплавов, армированных стальной и бериллиевой проволоками, изготавливают корпусные детали ракет и топливные баки.

Композиция алюминий — волокна бора

Волокна бора являются наиболее перспективным высокопроч­ным, армирующим материалом. Волокна бора выгодно отличают сочетание высокой прочности (а_в = 2800—3500 МПа) с высоким значением модуля упругости (390 000—450 000 МПа) при относи­тельно низкой плотности (2,5—2,65 г/см³). Композиционные мате­риалы получают в виде различных полуфабрикатов: лент, прут­ков, профилей, труб и листов. Для их изготовления применяют методы: непрерывного литья или протягивания волокон через расплав, плазменного напыления, горячего прессования, волоче­ния и прокатки пакетов.

Композиционные материалы алюминия — волокна бора харак­теризуются сочетанием высоких значений прочности, предела выносливости, модуля упругости с высокой работой разрушения.

Ниже приведены значения механических свойств композиционных материалов на основе алюминия, упрочненного различными коли­чествами борных волокон.

Плотность композиций алюминий — волокна бора составляет 2,63—2,65 г/см³. Их применяют в самолетостроении для изготовле­ния горизонтальных и вертикальных стабилизаторов, рулей, обшивки крыльев, элементов хвостового оперения, лонжеронов.

Композиция алюминий — углеродные волокна

Сочетание низкой плотности арматуры и матрицы позволяет создать композиционные материалы с высокой удельной проч­ностью и жесткостью. Недостатком углеродных волокон является их хрупкость и высокая реакционная способность. Композицию алюминий — углерод получают пропиткой углеродных волокон жидким металлом или методами порошковой металлургии. Тех­нологически наиболее просто осуществимо протягивание пучков углеродных волокон через расплав алюминия.

Композит алюминий—углерод применяют в конструкциях топливных баков современных истребителей. Благодаря высокой удельной прочности и жесткости материала масса топливных баков уменьшается на 30 %. Этот материал используют также для изготовления лопаток турбин авиационных газотурбинных дви­гателей.