6.5. Особенности технологического процесса получения композиционных материалов «дискретные волокна – матрица» и «непрерывные волокна – матрица».

Матрица может быть армирована дискретными и непрерывными волокнами. Дискретные волокна (д.в.) представляют собой мерные отрезки непрерывных волокон. Если д.в. короткие и имеют малые диаметры, то способы совмещения их с матрицей не отличаются от таковых, применяемых для нитевидных кристаллов. Увеличение диаметра и длины д.в. повышает технологичность процесса изготовления композита, так как при этом устраняются специфические для нитевидных кристаллов операции сортировки, классификации и нанесения покрытий. Непрерывные волокна не имеют разрывов и определенным образом ориентированы в матрице.

Процесс получения волокнистых композиционных материалов включает следующие общие технологические операции - очистку поверхности волокон и матрицы, а также собственно их совмещение каким либо приемом.

Очистка поверхности волокон и матрицы необходима для удаления с нее оксидных пленок, примесей различных веществ, технологических смазок. Эта операция является весьма важной, так как степень чистоты контактирующих поверхностей определяет прочность соединения волокон с матрицей, а иногда и просто саму возможность их соединения. Для очистки используют следующие способы: мойку, химическую и электрохимическую очистку, механическую очистку, очистку в органических растворителях, ультразвуковую очистку.

Принято различать твердофазное и жидкофазное совмещение волокон с матрицей, а также некоторые специальные приемы их совмещения – газотермическое напыление и электрохимическое осаждение.

Методы твердофазного совмещения волокон и матрицы.

К этим методам относятся все технологические подходы, принятые в порошковой металлургии, а также совместная пластическая деформация матрицы и волокон, диффузионная сварка, динамическое горячее прессование, сварка взрывом.

Методы порошковой металлургии успешно применяются для изготовления композитов, армированных как непрерывными, так и дискретными волокнами, кроме того, они используются в случаях, когда армирующим элементом являются маты и сетки из волокон. В данном случае общая последовательность технологических операций является следующей: подготовка шихты, формование из нее изделий (путем прессования в стальных пресс-формах или гидростатическим прессованием, а также экструзией, прокаткой, шликерным литьем) и их термообработку.

Подготовка шихты заключается в получении равномерных смесей матричного порошка с дискретными волокнами. Для этого используют механическое смешивание в барабанных смесителях с эксцентрической осью, смесителе типа «пьяная бочка», в шаровой или планетарной мельнице. Для равномерного распределения в матричном порошке непрерывных волокон, последние укладывают в форме с заданным шагом, после чего производят засыпку матричного порошка.

Формование изделий является необходимой операцией, обеспечивающей получение изделий заданной формы. В случае прессования в стальных пресс-формах давление на шихту передается через пуансоны. После снятия давления изделие выпрессовывают из матрицы. Гидростатическое прессование состоит в том, что шихту помещают в эластичную оболочку (резина, свинец) и подвергают всестороннему гидростатическому сжатию. Процесс осуществляют в герметичных камерах высокого давления (100 – 1200 МПа), в качестве рабочих жидкостей используют воду, глицерин, масло. Экструзию реализуют двумя способами. По первому способу, обжимаемая в камере экструдера шихта, содержащая в своем составе пластификаторы (бакелит, парафин, метилцелюлоза), продавливается через мундштук, имеющий на выходе сечение, соответствующее форме получаемого изделия. Пластификатор связывает экструдируемые частицы шихты и создает благоприятные условия для ее истечения через мундштук. В результате последующей термообработки он удаляется из изделия. Согласно второму способу через мундштук продавливают нагретые спеченные заготовки, полученные, например, прессованием.Так получают различные профили – прутки, трубы, уголки. Прокатка шихты производится на прокатных станах, при этом, в прокатываемом слое возникает плоское напряженное состояние, приводящее к его деформации и уплотнению. Прокатка, в отличие от прессования, позволяет получать армированные изделия больших размеров по длине и ширине и характеризуется большей производительностью. Шликерное литье осуществляют из водной суспензии (водного шликера) в гипсовые формы, либо из парафинового шликера в металлические формы (это так называемый метод горячего шликерного литья). В обоих случаях наполнителем в шликерах является смесь матричного порошка и волокон. Изделия, полученные горячим шликерным литьем, подвергают предварительной термообработке в засыпке из глинозема для удаления парафина. Шликерное литье позволяет производить пропитку шликером из матричного порошка матов, сеток или других пористых каркасов, образованных волокнами.

Термообработка изделий проводится в печах сопротивления в атмосфере водорода, инертных газов, либо в вакууме. При этом происходит спекание изделий, обеспечивающее повышение их плотности и прочности. Спекание достигается при нагреве изделий до температуры 0,7 – 0,8 от температуры плавления матрицы и заданной изотермической выдержке при этой температуре. Часто применяется горячее прессование, в этом случае совмещаются процессы прессования и спекания (горячее прессование иногда называют спеканием под давлением). Температура горячего прессования обычно составляет 0,5 – 0.8 от температуры плавления матрицы. Важное преимущество горячего прессования, по сравнению со спеканием прессовок, заключается в возможности предотвращения разрушения хрупких волокон в процессе уплотнения. Это связано с гораздо меньшими давлениями (10 – 30 МПа), требуемыми для уплотнения до беспористого состояния горячепрессованных изделий.

Совместная пластическая деформация матрицы и волокон. Этот метод применяется для совмещения деформируемых матричных металлов или сплавов с металлическими волокнами, имеющими запас по пластичности. При этом, их совместная пластическая деформация не должна приводить к разрушению волокон. В этом случае для получения композита используют обработку давлением предварительно собранной заготовки. Для этого производят прокатку, прессование или экструзию заготовок. Способы их сборки зависят от конечной формы композитных изделий: листы, трубы, прутки, проволоки, профили. Например, листовые заготовки, состоящие из чередующихся слоев матричного металла и армирующих слоев из металлической проволоки (заготовки со структурой типа «сэндвич»), могут быть получены намоткой проволоки на оправку с использованием специального приспособления (рис. 6.23.).

Проволока подается с катушки 1 через прорезь 4 в укладчике 3 на съемную жесткую оправку 7 с наложенными на нее с двух сторон матричными слоями 9, закрепленными в зажимах на валу 6. После того, как слой проволоки уложится по всей площади матричных слоев, в зажим вставляют еще 2 матричных слоя поверх предыдущих и намотку продолжают. Циклы намотки проводят до заданной толщины «сэндвича». Отметим, что введение армирующих слоев данным способом позволяет получать заготовки с попеременно продольным и поперечным направлением волокон в слоях. Для этого после установки новой пары матричных слоев, сборку поворачивают на 90⁰. После завершения намотки слои фиксируют закрепками 10, витки проволоки разрезают по оси вращения, а оправку удаляют. Полученные пакеты I и II подвергают пластической деформации. Так получают композиты: Al (матрица) – Сталь (проволока); Al (матрица) – Be (проволока); Ni - Cr (матрица) – Ti (проволока).

Если армирующее волокно жесткое и поэтому невозможно применить способ намотки на плоскую оправку, тогда его укладывают на матричные слои со специальными канавками для волокон, выполненными фрезерованием, травлением или чеканкой.

При сборке заготовок, содержащих непрерывные жесткие волокна бора или карбида кремния, применяют способ монослоев (рис.6.24). Для его реализации производят намотку только одного слоя волокна (монослоя) с заданным шагом на цилиндрический барабан 1 с бухты 3. Диаметр и длину барабана выбирают в соот-

ветствии с требуемыми размерами монослоя. Равномерность укладки волокна 5 и его натяжение обеспечиваются специальным приспособлением 2, жестко связанным с суппортом намоточного станка. Для фиксации укладки, волокна закрепляют на алюминиевой фольге 4 беззольным клеем в местах, по которым в дальнейшем фольгу разрезают. Снятые с барабана монослои укладывают в стопку и уплотняют, прикладывая давление тем или иным способом. Способом монослоев изготавливают следующие композиты: Al (матрица) – В (волокно), Al (матрица) – SiC (волокно), Ti (матрица) – SiC (волокно), Mg (матрица) – В (волокно), Ti (матрица) – В (волокно).

Трубчатые и прутковые заготовки получают прокаткой, прессованием, экструзией и волочением. Схемы сборки армированных прутковых и трубчатых заготовок показаны на рис. 6.25. Возможны следующие варианты сборки. Армированный монослой (рис.6.25 а), состоящий из матричной рифленой фольги 1, матричной полосы 2 и волокон 3, либо монослой из матричной полосы 2 с наложенными на нее волокнами 3 и проволоками из матричного металла 4 (рис. 6.25 б), сворачивают в плотный рулон (рис. 6.25 в), подлежащий последующему уплотнению. Описанный второй вариант сборки используется для изготовления композита: нержавеющая сталь (матрица) – молибден или вольфрам (волокна).

Другим методом получения прутковых заготовок, в которых арматура ориентирована вдоль оси прутка (рис. 6.25 г), является укладка в трубу 6 волокон с нанесенным на них матричным покрытием (биметаллическая проволока 5). Если укладку биметаллических проволок 5 провести между внутренней и наружной трубами 6 (рис. 6.25 д), можно получить трубчатое композитное изделие. Так, например, изготавливают композиты

алюминий (матрица) – сталь (проволока). Сталеалюминиевую или другую биметаллическую проволоку в трубчатых заготовках можно расположить и в поперечном направлении за счет окружной намотки. В этом случае проволоку в один или несколько рядов наматывают на внутреннюю трубу, которую затем вкладывают в наружную трубу. Вместо биметаллической проволоки иногда применяют совместную намотку армирующей и матричной проволок.

За счет пластической деформации путем прокатки получают армированные ленты и слои (рис. 6.26). В соответствии с этим методом, между валками прокатного стана 5 уплотняют до компактного состояния послойно чередующиеся матричные ленты и арматуру в виде непрерывных волокон, сеток или матов. Возможна также совместная прокатка матричных лент 1 и 3 с расположенными между ними дискретными волоконами, подаваемыми из бункера 2.

Следует учесть, что если матрица пластичная, а волокна твердые и малодеформируемые, то волокна будут вдавливаться в матрицу и схватывание между листами матрицы может произойти даже без пластической деформации волокон. При этом, пластичный матричный металл будет заполнять участки волокон, по которым зарождаются микроповреждения. Такое «залечивание» повышает допустимую деформацию волокон. Режим прокатки определяется температурой, ее направлением и степенью деформации.

Диффузионная сварка. Диффузионная сварка является промышленным способом соединения различных однородных и разнородных металлов и сплавов. Она заключается в выдерживании сжатых деталей в вакууме под небольшим давлением при температуре, обеспечивающей интенсивное протекание диффузионных процессов. При этом, не допускается расплавление

матрицы, либо армирующих элементов. Диффузионную сварку чаще всего применяют для заготовок типа «сэндвич», содержащих хрупкие высокотвердые волокна, которые нельзя подвергать пластической деформации. Например, если в качестве матричных металлов используются пластичные алюминий или титан, а армирующие хрупкие волокна – борные или карбидкремниевые, то в процессе приложения давления при температуре сварки происходит вдавливание твердых армирующих элементов в пластичную матрицу, а затем диффузионное сваривание по контактирующим поверхностям: между матричными слоями и между волокнами и матрицей.

Основными параметрами процесса диффузионной сварки являются: глубина вакуума, максимальная температура нагрева, приложенное давление и время изотермической выдержки при максимальной температуре. Глубина вакуума на промышленных установках обычно составляет 10 ^–4 – 10^-5 мм рт. ст. При меньшем вакууме недопустимо усиливается окисление металла, а использование большего вакуума существенно снижает производительность процесса. Следует отметить, что при нагреве в вакууме происходит интенсивная очистка поверхностей от органических загрязнений и окислов. Кроме того, из поверхностных слоев металла происходит удаление адсорбированных молекул газов. Все это способствует улучшению качества связи между волокнами и матрицей, а также приводит к залечиванию микропор и микрощелей в металле, что значительно повышает механические свойства композита. Максимальная температура диффузионной сварки должна обеспечить достаточную пластичность матричного металла и развитие диффузионного процесса, но при этом, она не должна привести к химическому взаимодействию между волокном и матрицей, являющемуся причиной разупрочнения композита. Давление при диффузионной сварке задают в зависимости от пластических свойств матрицы и волокон. Оно должно обеспечивать контакт между ними и, в тоже время, исключить разрушение хрупких волокон. Время изотермической выдержки при максимальной температуре – очень важный параметр, поскольку определяет полноту протекания диффузионного процесса и, в конечном итоге, прочность композита.

Параметры процесса диффузионной сварки подбирают экспериментально для каждого конкретного композиционного материала. Например, для боралюминиевого композита используют температуру 580 – 600⁰С, давление 30 – 35 МПа, время выдержки – 1 – 2 минуты. Композит, состоящий из титановой матрицы и волокон бора или борсика получают диффузионной сваркой в вакууме - 10^-4 мм.рт.ст. в диапазоне температур 780 – 920⁰С при давлении 40 – 60 МПа в течение 15 – 30 минут.

Динамическое горячее прессование. В отличие от диффузионной сварки, для проведения динамического горячего прессования (ДГП) используют энергию удара. ДГП заготовки типа «сэндвич» производят следующим образом: нагревают до заданной температуры, обеспечивая равномерный прогрев пакета (за 10 – 15 минут), затем переносят его под фрикционный молот и наносят удар с фиксированной высоты. За счет удара матрица и армирующие волокна свариваются в течение долей секунды. Ясно, что в связи с весьма высокой скоротечностью сварки, важным преимуществом ДГП является возможность совмещения матрицы и волокон, между которыми трудно предотвратить взаимодействие, наблюдающееся при длительном воздействии температуры. Однако, этот метод неприменим при использовании хрупких волокон. Обычно, в качестве армирующих элементов композитов, полученных с использованием ДГП, используют проволоки тугоплавких металлов и сталей.

Разрабатывая процесс ДГП следует выбирать оптимальный режим – температуру и энергию удара. Температура должна обеспечивать достаточную пластичность материала и, в тоже время, не приводить к разупрочнению волокон. А энергию удара задают такой, чтобы получить монолитное изделие, исключая разрушение волокон.

Способ ДГП используется для получения композита, состоящего из никелевой матрицы, армированной однонаправленными вольфрамовыми проволоками или сетками из них. Тогда пакет – заготовку получают методом намотки. Далее, для предотвращения окисления в процессе нагрева, ее заворачивают в контейнер из никеля, помещают в печь и выдерживают при температуре 1000 – 1200⁰С в течение 8 – 10 минут. Затем горячую заготовку помещают под фрикционный молот и наносят удар с заданной энергией. Работу уплотнения, равную энергии удара, в этом случае определяют как произведение веса падающих частей молота на высоту их сброса. Для характеристики режима уплотнения при ДГП используют параметр – удельную работу прессования, вычисляемую как отношение энергии удара к массе уплотняемой заготовки.

Если методом ДГП уплотняют заготовки, состоящие из титана или сплава ХН60В и армирующих проволок из молибдена или вольфрама, то их предварительно вакуумируют, помещая в контейнер из нержавеющей стали или никеля. По достижении разряжения 10^-4 мм.рт.ст. контейнер помещают в электрическую муфельную печь, нагретую до требуемой температуры. Затем нагретый контейнер, не отсоединяя от вакуумной системы, переносят под молот и уплотняют. Оптимальным для композиции титан – молибден является следующий режим ДГП: температура 1050⁰С и удельная работа уплотнения 0,4 – 0,8 Дж / г . А для композиции ВЖ98 – W: температура 1200⁰С и удельная работа уплотнения 4 – 6 Дж / г .

Сварка взрывом. Она осуществляется за счет использования энергии взрыва взрывчатых веществ (ВВ), например, таких как тротил, гексоген, аммониты, а также смесей и сплавов этих веществ. Отличительной особенностью этого метода является то, что компоненты уплотняемого композита практически не подвергаются нагреву. Этот аспект требует пояснения. Несмотря на то, что под действием ударной волны температура металла в условиях адиабатического сжатия может достигать значительной величины, время воздействия температуры составляет всего лишь несколько микросекунд, поэтому эта мгновенная температура не оказывает существенного влияния на процессы взаимодействия, происходящие по границе раздела волокна с матрицей.

Для лучшего понимания сущности данного метода следует рассмотреть некоторые понятия из теории взрыва. Все (ВВ) характеризуются такими физико-химическими свойствами, как плотность, химическая и физическая стойкость, чувствительность к внешним воздействиям (удар, трение, нагрев), бризантное действие, теплота взрыва, скорость детонации, температура взрыва. Бризантное действие (ВВ) оценивают по степени обжатия свинцовых цилиндров или по отклонению баллистического маятника и измеряют в миллиметрах. Теплота взрыва – количество теплоты, выделяемой при взрыве одного килограмма вещества. Температура взрыва - максимальная температура нагрева газообразных продуктов за счет теплоты взрыва. Теплота и температура взрыва определяют мощность (ВВ). Скорость детонации – это скорость перемещения фронта химического превращения (ВВ) в газообразные продукты взрыва. Она определяет силовые и скоростные характеристики процесса деформации металлов в момент взрыва. Скорость детонации зависит от размеров заряда, его плотности, величины частиц (ВВ) и составляет несколько тысяч метров в секунду. Установлено, что лучшие результаты по сварке металлов достигаются в случае, когда скорость детонации равна или несколько меньше скорости звука в соединяемом металле.

Одна из основных схем сварки взрывом показана на рис. 6.27. На жесткую опору 5, представляющую собой массивную стальную или бетонную плиту, устанавливают заготовку типа «сэндвич» 4 для сварки взрывом. Под углом  к заготовке на заданном расстоянии h₀ располагают метаемую пластину 3. На нее укладывают заряд (ВВ) – 2 толщиной Н. В вершине угла устанавливают детонатор 1. Под воздействием импульса высокого давления, развиваемого взрывчатым веществом, метаемая пластина разгоняется, передает импульс энергии свариваемым компонентам заготовки, в результате чего и происходит сваривание слоев в «сэндвиче» между собой и с волокнами. Важно отметить, что (ВВ) непосредственно контактирует с метаемой пластиной, поэтому импульс высокой энергии, возникающей во время детонации, не рассеивается, а действует в зоне сварки концентрировано. Иногда бризантное действие (ВВ), в случае необходимости, ослабляют за счет введения между слоем (ВВ) и метаемой пластиной прослойки из резины, пластика или других инертных материалов.

После инициирования взрыва детонация распространяется в (ВВ) из точки 1 во все стороны с постоянной скоростью D. При

этом, высокое давление газов сообщает метаемой пластине значительную скорость v_н , достигающую 1000 м/с. Поэтому в месте соударения метаемой пластины 3 с заготовкой 4 образуется угол , определяемый отношением скоростей v_н и D. Соударение метаемой пластины и заготовки сопровождается значительной пластической деформацией последней, вызывающей местный адиабатический нагрев поверхностных слоев металла. Отметим также, что именно в результате деформации и нагрева происходит сваривание поверхностей составляющих компонентов заготовки.

При сварке взрывом важную роль играет выбор материала опоры. Он подбирается таким образом, чтобы его плотность и акустическое сопротивление были такими же, как и у получаемого композиционного материала, в противном случае возможно появление расслоений и разориентации волокон. Например, при изготовлении алюминиевого композиционного материала, армированного вольфрамовой проволокой (средняя плотность 4,5 г/см³), в качестве опоры может быть использована титановая плита.

Параметры процесса сварки взрывом – скорость детонации D, скорость соударения v_н и угол встречи  выбирают так, чтобы получить прочное соединение матричных и армирующих элементов и, при этом, избежать повреждений в структуре композита, вызываемых ударными волнами. Для этого задают оптимальную величину заряда (ВВ) и параметры h₀, , Н. Иногда применяют схему с двухсторонним симметричным размещением (ВВ), при которой силы, возникающие при взрыве, уравновешиваются внутри системы. Существуют схемы проведения сварки взрывом, позволяющие получать изделия в виде полых цилиндров и прутков.

Как правило, метод сварки взрывом используют для получения слоистых и волокнистых композиционных материалов, содержащих либо разнородные металлические слои, либо пластичную матрицу, упрочняемую высокопрочной металлической проволокой. Примером таких композитов являются следующие волоконно-армированные материалы: алюминий, упрочненный стальной проволокой, использующийся в качестве конструкционного материала в авиакосмической технике; магниевые сплавы, армированные стальной проволокой, применяемые для тех же целей; медь, армированная молибденовой или вольфрамовой проволокой, использующаяся для ракетных сопел; серебро, армированное стальной проволокой, применяющееся в качестве уплотнительного материала; свинец, армированный стальной проволокой, предназначенный для подшипников скольжения; титановые сплавы, упрочняемые молибденовой или вольфрамовой проволокой, для изделий авиационной техники; никелевые сплавы, упрочненные вольфрамовой проволокой, применяемые для тех же целей.

Методы жидкофазного совмещения волокон и матрицы.

Они предполагают пропитку расплавленным материалом матрицы пористого каркаса, образованного при укладке в объеме формы упрочнителя в виде отдельных волокон, пучков волокон, либо матов, состоящих из волокон или нитевидных кристаллов. Их преимуществом является возможность получения без дополнительной механической обработки изделий практически любой конфигурации с использованием, в ряде случаев, стандартного литейного оборудования. Существует несколько способов пропитки пористых каркасов из упрочнителя матричным расплавом: пропитка при нормальном давлении, вакуумное и капиллярное всасывание, пропитка под давлением, в ультразвуковом и электрическом поле, магнитодинамическая пропитка.

Пропитка при нормальном давлении. Она применяется в тех случаях, когда волокна хорошо смачиваются расплавом матрицы, термодинамически стабильны в этом расплаве, либо слабо взаимодействуют с ним. Кроме того, в этом случае ограничивается количество волокон в объеме получаемого изделия, поскольку при их значительном содержании (40 – 80%) зазоры - пустоты между соседними волокнами, чрезвычайно малы, что не позволяет расплаву проникнуть в них при заливке только под действием силы его тяжести.

В самом простом варианте волокна укладывают в литейную форму, изготовленную из стандартного металлического сплава, а затем производят заливку расплава матрицы. После охлаждения и кристаллизации расплава волокна оказываются связанными в объеме матрицы.

Для получения композиционного материала, армированного дискретными волокнами, применяют способ их введения во вращающийся внутри печи тигель с расплавленным металлом. При этом, волокна вводят в образующуюся при вращении в расплаве воронку. В процессе вращения волокна равномерно распределяются по всей массе металла. Затем скорость вращения понижают, но до такой величины, когда дискретные волокна еще удерживаются во взвешенном состоянии внутри массы жидкого металла. И наконец, расплав, наполненный волокнами, охлаждают, получая композит.

Перспективной и широко применяемой разновидностью метода пропитки расплавом при нормальном давлении является непрерывная пропитка пучка волокон, известная также под названием метода непрерывного литья. Согласно этому методу (рис.6.28) волокна (1) непрерывно проходят через ванну с расплавом металла (2) и собираются в кристаллизаторе (3). Здесь формируется

композит (4). Отметим, что сечение кристаллизатора задает геометрическую форму изделия. Из кристаллизатора изделие вытягивают со скоростью, достаточной для кристаллизации матричного расплава. Этим способом можно получать листы и профили сложной геометрической формы (уголки, двутавры, швеллеры, листы) большой длины (до 1 м). Его широко используют для получения изделий из магниевых сплавов, армированных волокнами бора. В принципе, он перспективен для получения других композиционных материалов, компоненты которых не взаимодействуют между собой.

Вакуумное всасывание. Это процесс пропитки матричным расплавом пористого каркаса из волокон с использованием вакуума. Его характерным признаком является предварительное вакуумирование объема, занятого волокнами или нитевидными кристаллами. При этом, создание вакуума производится не только для защиты армирующих элементов и матричного расплава от окисления, а главным образом, с целью использования атмосферного давления в качестве силы, осуществляющей принудительную пропитку упрочнителя матричным расплавом. В этом случае возникает перепад давления (р) между отвакуумированным объемом и атмосферой, вследствие чего атмосферный воздух оказывает давление на поверхность расплава и обеспечивает заполнение им пространства между волокнами.

Схематически вариант реализации пропитки методом вакуумного всасывания показан на рис. 6.29. С его использованием был получен композиционный материал на основе магния, упрочненного углеродными волокнами с никелевым покрытием. Сущность процесса заключается в том, что трубчатый контейнер 7, содержащий волокна и связанный с вакуумным насосом 11,

нагревается в трубчатой печи 6 и погружается открытым концом в тигель с расплавом магния 2, размещенный в шахтной печи 1. Тогда за счет разряжения, создаваемого вакуумным насосом, расплавленный металл засасывается в контейнер и заполняет пространство между волокнами, обеспечивая пропитку.

Вакуумное всасывание в режиме самогенерирующегося вакуума. Этот процесс, предложенный Г. Лоуренсом, возможен только при использовании в качестве матричного расплава - расплава магния, смачивающего поверхность армирующих волокон. Он основан на взаимодействии расплавленного магния (2) с воздухом (5) в закрытом герметичном контейнере (4) и генерировании, вследствие этого, вакуума, обеспечивающего заполнение пространства между волокнами (1) (рис.6.30). В этом случае при погружении открытого конца герметичного контейнера, с закрепленным в нем пучком волокон, ниже уровня расплава, магний начинает активно взаимодействовать с газообразными компонентами воздуха (кислородом, азотом и углекислым газом), связывая их в твердые продукты реакции (оксид, нитрид и карбонат магния). Реакция идет до тех пор, пока весь воздух в контейнере будет связан и, в результате, в его объеме образуется почти абсолютный вакуум. После этого происходит вакуумное всасывание расплава в пористый каркас из однонаправленных волокон. Описанным способом был получен композиционный материал на основе магния, армированный 15 – 20% об волокон борсик. Основное его достоинство в том, что он позволяет без применения вакуумного оборудования получать отливки сложной формы с тонкими стенками.

Капиллярное всасывание. В отличие от вакуумного всасывания, в рассматриваемом варианте пористый каркас из

волокон и матричный расплав находятся совместно в отвакуумированном объеме, при этом р=0. Если в этом случае наблюдается весьма хорошее смачивание расплавом волокон (краевой угол смачивания  - мал), то при погружении каркаса в расплав будет наблюдаться его подъем по каналам между волокнами за счет действия капиллярных сил. Расплав поднимется до определенной высоты, при которой капиллярное давление Р_с, вызванное поверхностным натяжением расплава, уравновесится гидростатическим давлением столба жидкости. Капиллярное давление для этого случая выражается формулой: Р_с = 4 ж-п cos  / dc (ж-п - поверхностное натяжение на границе жидкость – пар, dc – эффективный диаметр канала). Методом капиллярного всасывания могут быть получены композиты с медной или серебряной матрицей, армированной вольфрамовыми или молибденовыми проволоками.

Для реализации данного метода применяются различные вакуумные установки с нагревательными устройствами различного типа: резистивными, индукционными, электронно-лучевыми. Схема одной из таких установок показана на рис. 6.31. Она представляет собой кварцевую трубу 7, в которой на керамической опоре 8 размещен графитовый цилиндрический тигель 4. Верхняя часть этого тигля используется для приготовления расплава матрицы, а нижняя его часть 9 служит формой для укладки упрочняющих волокон. В середине тигля имеется цилиндрический канал, расширяющийся вблизи верхней части формы. Он обеспечивает образование прибыльной части расплава при пропитке. До пропитки отверстие в дне тигля закрыто графитовой пробкой 5, выполненной в виде штока постоянного диаметра с утолщением в верхней части,

опирающимся на стальное кольцо 14. При помощи этого кольца и постоянного магнита 1 шток может подниматься и открывать отверстие в дне тигля. Нижняя и верхняя части кварцевой трубы заглушены резиновыми пробками 2, которые изолируются от горячего тигля теплозащитными экранами 3 и 6. Нагрев тигля и расплавление металла осуществляется индуктором 12. Процесс пропитки осуществляется следующим образом. Форма, с уложенными в ней волокнами, вставляется в нижнюю часть графитового тигля, после чего производится вакуумирование системы. В верхней части тигля создают расплав матричного металла путем индукционного нагрева. Важно, что для обеспечения минимального количества воздуха в установке до вакуумирования проводят «промывку» рабочего пространства аргоном. Собственно процесс пропитки происходит после поднятия штока 5 магнитом 1. Тогда расплавленный металл заполняет форму с волокнами благодаря действию капиллярных сил. Отметим, что в данном случае используется подача матричного расплава сверху для исключения противодействия процессу пропитки гидростатического давления столба жидкости. Таким образом происходит капиллярное всасывание расплава в пористый каркас, образованный волоконным упрочнителем. С использованием приведенной схемы пропитки были получены композиционные материалы на основе алюминия и магния, армированные борными волокнами, а также с матрицей из никелевого сплава, упрочненной вольфрамовой проволокой.

Пропитка под давлением. Этот процесс предполагает использование избыточного давления (более 0,1 МПа) для подачи матричного металлического расплава в межволоконное пространство пропитываемого каркаса, составленного из волокон или нитевидных кристаллов. При этом, металлический расплав может вытесняться в форму, в которой находится пропитываемый каркас, с помощью движущегося поршня специальной установки, либо с использованием давления сжатого газа. Для изготовления изделий, имеющих форму тела вращения (трубы, втулки, кольца), широко используется центробежная пропитка, для реализации которой каркас помещают во вращающуюся форму, а затем в нее заливают расплавленный металл. Под действием центробежной силы он отбрасывается к стенкам формы и вдавливается в промежутки между волокнами, что обеспечивает пропитку. Следует отметить, что пропитку под давлением чаще всего используют в тех случаях, когда расстояния между волокнами пропитываемой заготовки очень малы или наблюдается плохое смачивание волокон расплавом.

На рис. 6.32 схематически показана установка для пропитки углеродных волокон алюминиевым расплавом под давлением инертного газа. Она состоит из двух графитовых форм 2, разделенных прокладкой 6 и помещенных в индуктор 3. В нижнюю форму помещали пучок волокон (1), а в верхнюю – металл (5) для пропитки. Для осуществления пропитки матричный металл расплавляли путем индукционного нагрева и подавали его в форму с волокнами под давлением аргона (0,5 – 1 МПа). Время пропитки было незначительным и составляло несколько минут во избежание активного взаимодействия матричного расплава с волокном. После завершения пропитки изделие быстро охлаждали.

На рис. 6.33 схематически изображен вариант пропитки, в котором давление передается гидравлическим прессом через плиты 2. В этом варианте собирают заготовку 1 из чередующихся монослоев матричной фольги со скрепленным с ней слоем ориентированных волокон. Сборку

помещают в контейнер (3) из листового металла, который продувают аргоном, а затем вакуумируют. Далее проводят нагрев до температуры, превышающей температуру плавления матрицы, и производят обжатие на прессе. Время контактирования волокон с матричным расплавом может колебаться от нескольких десятков секунд до нескольких минут, а давление, передаваемое на контейнер плитами, составляет 10 – 100 МПа. Давление снимали после полной кристаллизации металлического расплава во избежание образования пор. Описанным способом получали композит – алюминий (матрица) – углерод (волокна).

На рис. 6.34 приведена схема получения волоконно – армированного композита методом, совмещающим пропитку под давлением и вакуумную пропитку (вакуумно-компрессионная пропитка). Волокна 2, намотанные на оправку 1, укладываются в форму 3, имеющую тонкое дно 4 и соединенную с полым штоком 12, перемещающимся в вертикальном направлении. Через полый шток производится откачка воздуха и создание вакуума в форме с волокнами. В нижнюю часть камеры, выполненную в виде тигля, помещается металл матрицы, который образует расплав 9 путем нагрева в печи 8 в среде инертного газа – аргона, подающимся в камеру под определенным избыточным давлением. Далее включается печь 6 для предварительного нагрева формы с волокнами 7, а в холодильник 5 подается вода. Когда матричный металл и волокно нагреются до заданной температуры, шток 12 перемещается сверху вниз, при этом, форма 7 погружается в расплавленный металл 9 и тонким дном 4 накалывается на иглы 10, расположенные на дне тигля с расплавом. В результате происходит вакуумное всасывание расплава металла в межволоконное пространство пропитываемой заготовки. При этом, избыточное

давление (сверх атмосферного) инертного газа, способствует быстрому завершению пропитки. После завершения пропитки форму, содержащую пропитанную металлом заготовку 13, поднимают в холодильник 5, где происходит кристаллизация матричного расплава. Затем полученное композитное изделие извлекают из формы и подвергают механической обработке.

Следует отметить, что в результате подбора оптимальных температурных параметров рассматриваемого процесса, варьирования величины вакуума и избыточного давления инертного газа, а также совершенствования конструкции формы, становится возможным получать композитные изделия с различной геометрической формой, обеспечивая полное заполнение расплавом межволоконного пространства.

Ультразвуковая пропитка. При пропитке пористых волоконных каркасов металлическими расплавами, ограниченно смачивающими волокна, часто применяют ультразвуковую обработку жидкой фазы. В этом случае, например, становится возможной пропитка расплавом силумина керамических волоконных каркасов из оксида алюминия или карбида кремния, которая не реализуется вакуумным всасыванием из-за недостаточного смачивания.

Для понимания сущности этого метода необходимо уяснить следующую информацию. Промежутки между волокнами – каналы, следует рассматривать в качестве капилляров. Ранее (в 1929 году В. Ричардсом) было обнаружено, что под воздействием ультразвуковых колебаний жидкость в капиллярах может подниматься на большую высоту, чем просто под действием капиллярного давления. Дополнительный подъем - h уровня жидкости пропорционален силе звука при нормальном падении волн на вход капилляра. Явление увеличения высоты подъема (h) жидкости в капилляре под действием ультразвука носит название звукокапиллярного эффекта. Можно полагать, что звукокапиллярный эффект связан с возникновением избыточного давления внутри капилляра за счет его изгибных колебаний и поперечных колебаний его стенок, а также с существованием градиента продольной скорости колебаний стенки капилляра.

Следует также учитывать явление кавитации, возникающее при заполнении жидкостью капилляров в мощном ультразвуковом поле и способствующее процессу пропитки. Кавитация (от латинского cavitas - пустота) – это образование в жидкости пустот (так называемых кавитационных пузырьков), заполненных газом. Они образуются на кавитационных зародышах – газовых включениях в жидкости, вследствие понижения давления в ней ниже некоторого критического значения при прохождении ультразвуковой волны в течение полупериода разряжения. Во время полупериода сжатия кавитационные пузырьки захлопываются, создавая кратковременные (10^-6 сек) импульсы давления (10³ МПа), способствующие удалению газов из капилляра и заполнению его жидкостью. При этом, непрерывное колебание кавитационных пузырьков создает микропотоки жидкости, интенсифицируя процесс движения жидкой фазы в тонких сечениях межволоконного пространства. Кроме того, следует учесть, что в течение полупериода разряжения поток жидкости направлен из капилляра наружу, а при полупериоде сжатия – в капилляр. Поэтому кавитационные пузырьки, образующиеся при разряжении, будут препятствовать вытеканию жидкости из капилляра.

Как правило, ультразвуковую обработку жидкой фазы – металлического расплава, производят в процессе вакуумного всасывания или при вакуумно-компрессионной пропитке. В этом случае ультразвуковой излучатель, соединенный с генератором ультразвука, погружается в расплав, либо приводится в контакт непосредственно с пропитываемой волоконной заготовкой.

Пропитка в электрическом поле. Этот процесс возможен благодаря течению электропроводной жидкости по капиллярам при пропускании электрического тока вдоль столба жидкости. Пропускание тока сопровождается возникновением электромагнитной силы, зависящей от плотности тока и напряженности магнитного поля. Если через жидкость пропускать ток, равный суперпозиции постоянного и переменного токов, то электромагнитная сила будет обжимать столб жидкости в радиальном направлении, а ее максимальное значение будет наблюдаться у оси цилиндрической поры - капилляра. Вследствие неоднородного по сечению электромагнитного давления, а также несжимаемости и непрерывности жидкости, у оси такой поры будут происходить всплески жидкого проводника, напоминающие гейзеры. При этом, пропускание переменного тока должно вызывать скачкообразное продвижение жидкости в глубь капилляра, поскольку возвращению мениска в исходное положение после очередного всплеска будет препятствовать давление со стороны резервуара с жидкостью на входе в капилляр, а также переменное сечение и шероховатость поверхности пор в реальном материале. При пропускании постоянного тока через жидкий металл, текущий по вертикальному капилляру, происходит отделение металла от стенок капилляра, что облегчает течение, так как между боковой поверхностью жидкости и внутренней поверхностью капилляра устраняется трение. Наложение на постоянный ток переменного тока будет приводить к вибрации поверхности столба жидкости, что также способствует пропитке.

В электрическом поле была произведена пропитка пористого графита алюминием. Отметим, что такой композит невозможно получить другими способами пропитки, так как смачивание графита алюминием отсутствует (краевой угол смачивания – 142 – 157⁰ при 800 – 1100⁰С).

Магнитодинамическая пропитка. Этот вид пропитки заключается в подаче металла к пропитываемому волоконному каркасу под давлением, создаваемым электромагнитным насосом. Существенным достоинством этого метода является возможность регулирования скорости пропитки за счет изменения силы тока в электромагните. Такая пропитка может осуществляться по заданной программе.

Специальные приемы совмещения волокон и матрицы.

Здесь будут рассмотрены метод газотермического напыления и электрохимического осаждения.

Газотермическое напыление. В основе этого процесса, используемого для совмещения волокон и матрицы, лежит метод получения покрытия 4 на волокнах 3, уложенных на подложке 2 (например, на металлической фольге), путем нагрева матричного материала выше температуры плавления и распыления его с помощью газовой струи (рис. 6.35). При этом, газовая струя распыляет расплавленный материал и направляет его с большой скоростью (60 – 140 м/с) на поверхность напыляемого объекта. При соударении расплавленных частиц с этой поверхностью и друг с другом образуется слой покрытия, соответствующий составу матрицы, скрепляющий между собой волокна и подложку. Его толщина, плотность, а также прочность сцепления с основой

(волокнами и подложкой), определяются технологическим режимом процесса напыления и природой материалов покрытия и основы. Отметим, что прочность сцепления покрытия с основой определяется тремя видами связи: механическим сцеплением распыляемых частиц с шероховатой поверхностью, адгезией и химической связью в результате взаимодействия покрытия и основы. Кроме того, возможна микросварка в очень тонком поверхностном слое основы. После завершения процесса напыления, скрепленные с подложкой волокна легко снимаются с опоры 1.

Наиболее распространенной разновидностью метода газотермического напыления является плазменное напыление. В специальных аппаратах – плазменных горелках, позволяющих реализовать данный метод, для плавления и распыления материала покрытия используется струя дуговой плазмы. Она представляет собой поток газообразного вещества, состоящего из свободных электронов, положительных ионов и нейтральных атомов. Плазменную струю получают путем вдувания плазмообразующего газа (аргона, гелия, азота, водорода или их смеси) в электрическую дугу, возбуждаемую между двумя электродами. Напыляемый материал подается в плазменную горелку в виде порошка, либо в виде проволоки. Принципиальные схемы устройства головок плазменных горелок показаны на рис. 6.36. На рис. 6.36 а напыляемый порошок вводится в дуговую плазму, образуемую между вольфрамовым электродом (катодом) и соплом (анодом), а на рис. 6.36 б сопло остается электрически нейтральным, при этом, дуговой разряд возникает между вольфрамовым электродом горелки и напыляемой проволокой, которая является расходуемым анодом.

Общая технологическая схема изготовления волокнистых композиционных материалов с использованием метода плазменного

напыления матрицы состоит из следующих операций: укладки волокон на подложку – металлическую фольгу, плазменного напыления матричного слоя, сборки многослойного пакета из полученных слоев, укладки его в форму и диффузионной сварки под давлением, приводящей к образованию плотного материала. Прочность связи матричного покрытия с волокнами и фольгой определяют следующие технологические параметры: состояние поверхности волокон и фольги (чистота, шероховатость), состав газовой среды, температура напыляемой поверхности (подложки), расстояние от дуги до подложки, напряжение и плотность тока дуги, расход плазмообразующего газа, скорость подачи напыляемого материала (порошка или проволоки), размер частиц напыляемого порошка, скорость перемещения факела относительно напыляемой поверхности.

Варианты реализации метода плазменного напыления для совмещения матрицы с волокнами, позволяющие получать различные композитные изделия, показаны на рис. 6.37. Чаще всего таким методом получают бороалюминиевые композиты, напыляя алюминий на борные волокна, уложенные на алюминиевую фольгу, в атмосфере аргона. Аналогичным образом изготавливают композит, состоящий из алюминиевой матрицы и армирующей стальной проволоки.

Электрохимическое осаждение. Этот процесс, позволяющий совмещать волокна с матрицей, может быть представлен следующим образом (рис.6.38). Непрерывное волокно перематывается с катушки (3) через натяжное приспособление на специальную металлическую оправку (5), служащую катодом. Оправка частично погружена в электролит и совершает вращательное движение с заданной скоростью. Анод (2) изготавливается из осаждаемого

металла высокой чистоты и помещается на определенном расстоянии от вращающейся оправки. Частота ее вращения определяется, в основном, скоростью осаждения покрытия. Характер процесса осаждения при формировании монослойных и многослойных изделий зависит от диаметра волокон, расстояния между витками волокон на оправке, их электропроводности и состава электролита. Плотный материал, не содержащий пор, получается тогда, когда покрытие равномерно покрывает поверхность волокон и промежутки между ними. В этом случае изготовленный композит не требует дальнейшего уплотнения методом прессования, спекания или прокатки.

Основными технологическими параметрами, определяющими качество покрытия, равномерность и скорость осаждения (при выбранном составе электролита), являются температура ванны, плотность тока, кислотность электролита, геометрические размеры и расположение электродов. При осаждении никелевого покрытия на поверхность углеродных волокон используют электролит, включающий сульфат никеля, хлорид никеля и борную кислоту (рН=3,5 – 4,0), его температура составляет 37 – 60⁰С, плотность тока 0,24 – 1,5 А/дм². Перед нанесением покрытия углеродные волокна обезжиривают изопропиловым спиртом.

Специалистами научно-исследовательского центра NASA в Льюисе электрохимическим методом получен композит, состоящий из никелевой матрицы, армированной высокопрочной стальной проволокой. Он успешно прошел испытания в качестве камеры высокого давления ракетного двигателя. Армирование стальной проволокой повышает прочность материала не менее, чем на 50%.

Процесс электроосаждения может также быть применен для формирования композита в случае, когда в качестве упрочнителей используются дискретные волокна или нитевидные кристаллы. Тогда упрочнитель вводится в электролит и равномерно диспергируется в нем при помощи мешалки или путем воздействия ультразвукового поля. Далее, в процессе электроосаждения дискретные волокна или нитевидные кристаллы осаждаются на аноде вместе с материалом матрицы.