7.2. Особенности технологического процесса получения слоистых композиционных материалов.

Для получения слоистого композиционного материала необходимо изготовить слои и соединить их в слоистую заготовку. Далее, в общем случае, слоистую заготовку, состоящую из череду-

ющихся слоев заданной толщины и химического состава, обрабатывают давлением и подвергают термообработке для обеспечения связи по поверхности слоев. Основными методами получения слоев являются: прессование или экструзия порошковой массы, прокатка заготовок в валках, литье органосуспензии на движущуюся ленту-подложку и напыление. Поскольку методы получения слоев и технологические приемы их последующего соединения в слоистую заготовку часто взаимосвязаны, то в дальнейшем, при описании конкретного способа изготовления слоев, нами сразу будут приводиться технологические операции по получению слоистой заготовки и конечного изделия -–слоистого композита.

Методы получения слоев и формирования из них слоистого композита.

Прессование. Для получения слоев прессованием заданный объем (или навеску) порошка засыпают в гнездо матрицы пресс-формы и прикладывают к нему давление (рис. 7.13). В результате происходит уплотнение засыпки порошка (характеризующееся величиной h) и формирование между его частицами контактов. Для металлических порошков, проявляющих пластичность, возможно непосредственное их прессование без применения органических пластификаторов. В случае прессования непластичных керамических порошков – оксидов, нитридов, карбидов и боридов (MeO; MeN; MeC; MeB) применяются органические пластификаторы – так называемые временные технологические связки (поливиниловый спирт, каучук, парафин), которые при последующей термообработке выгорают. Отпрессованный слой может быть извлечен из пресс-формы путем распрессовки.

Окончательной стадией этого метода является спекание или горячее прессование полученных сырых слоев, в результате чего происходит

увеличение их плотности и прочности. Недостатком метода прессования является проблематичность получения равноплотных и бездефектных слоев малой толщины (менее 1 мм) вследствие невозможности равномерного распределения в гнезде пресс-формы весьма малых объемов засыпки прессуемого порошка и съема слоя.

Рассмотрим 2 возможных варианта изготовления слоистого композита из отпрессованных порошковых слоев.

Первый вариант. Производится последовательно послойная засыпка пресс-порошков (порошок с органической связкой) состава Al₂O₃ - Cr(50%об) и Cr с приложением к каждому слою давления 50-100 МПа, составляющего 0,5 от конечного давления, приложенного, в итоге, ко всей многослойной заготовке (рис. 7.14). После выпрессовки из нее выжигают органическую связку и подвергают спеканию в среде аргона или гелия при температуре 1700C в течение 0,5-1 часа. По границе слоев, а также частиц порошков Al₂O₃ и Cr внутри слоев, образуется твердый раствор Cr₂O₃ в Al₂O₃. То есть в данном случае реализуется химический тип связи по границе раздела компонентов.

Второй вариант. Поверхность предварительно отпрессованных и спеченных слоев из Al₂O₃ (толщиной 0,5-2 мм) покрывали расплавом хлорида титана и разлагали его нагревом в вакууме при температуре 500-600С до образования слоя титана. Металлизированные титаном (2) слои из Al₂O₃ (1) собирали в многослойную заготовку, укладывая между ними фольгу из меди (3) толщиной 30-100 мкм (рис. 7.15). Далее проводили диффузионную сварку пакета в вакууме при температуре 1090-1120C в течение 10-30 мин под давлением (Р) 0,0015 – 0,024 МПа. В результате нагрева

медь расплавлялась и взаимодействовала с титаном с образованием интерметаллида CuTi, а по границам Al₂O₃ и Ti образовывался титанат алюминия (Al₂TiO₅). Это также химический тип связи по границе слоев.

Экструзия. Для экструдирования приготавливают пластифицированную порошковую массу (4) (смесь порошка с органическим веществом - пластификатором, например, метилцеллюлозой, поливинилбутиралем), которую продавливают через очко прямоугольного сечения (6) в мундштуке (5) шнекового экструдера (рис. 7.16). Полученное изделие в виде слоя толщиной 10 – 20 мм обрезают струной в плоскости А.

На стадии термообработки органический пластификатор выгорает, а изделие уплотняется и приобретает значительную прочность в результате спекания. В данном случае возможен вариант формирования слоистой заготовки из чередующихся сырых слоев с последующим ее прессованием и спеканием, а также вариант с использованием предварительно спеченных слоев (аналогично описанному выше).

Прокатка. Чаще всего применяется для получения металлических слоев. Это вид обработки давлением, при котором металл пластически деформируется вращающимися валками (рис.7.17). Для изготовления листов и фольг используют продольную, ступенчатую схему прокатки. В этом случае прокатываемая заготовка (2) подается в зазор между валками (1) продольно, а зазор между валками ступенчато уменьшают, постепенно увеличивая степень обжатия.

Для осуществления процесса прокатки необходимо выполнение условия: T_x  N_x; T_x и N_x – проекции силы трения T и нормальной силы N на ось х. Из геометрических представлений

ясно, что T_x = T  cos; N_x = N  sin, где  - угол захвата. Сила трения связана с нормальной силой соотношением T =   N, где   коэффициент трения. Тогда T_x =   N  cos и   N  cos  N  sin, при этом   tg . Таким образом, для обеспечения прокатки коэффициент трения должен быть не меньше тангенса угла захвата. Обычно при холодной прокатке  = 3  4; а при горячей   = 15  22. После завершения многоступенчатой прокатки (при которой имеет место постепенное увеличение коэффициента вытяжки соответственно количеству ступеней прокатки) полученные слои охлаждают, подвергают правке в листоправильных машинах, обрезке боковых кромок и резке на мерные длины (либо скатывают в рулон).

Металлические листы или фольги могут быть соединены в многослойные изделия прокаткой предварительно набранных слоистых пакетов, либо путем их диффузионной сварки. Возможно применение прокатки с последующей диффузионной сваркой. Эти методы основаны на совместном пластическом деформировании слоев при различных температурах, вплоть до температуры плавления. При этом получается качественное соединение слоев по всей поверхности. Отметим, что при нагреве под давлением по границам слоев активизируются диффузионные процессы, приводящие к упрочнению границы. По границе слоев могут образовываться интерметаллические соединения: Al-Fe, Al-Ti, Al-Cu, Al-Ni, Cu-Ti, Fe-Ti, Co-Ti, Co-Zr, Co-Nb, Co-Ta, Co-W, Co-Mo, а также эвтектики: Cu-Ag, Ni-Ag, Cu-Mo, Agсталь, Cuсталь. Во втором случае формирование связи между слоями происходит с участием жидкой фазы.

Слоистый композит, полученный соединением листов Ti и Be (такой композит называют «тибер») сочетает в себе высокую ударную вязкость (близкую к стали), удельную прочность (близкую к титану) и пластичность (близкую к Al). Из него изготавливают облицовку корпусов космических аппаратов, виброустойчивые силовые панели, перегородки. При равной объемной доле слоев титана и бериллия плотность и модуль упругости тибера составляют  = 3,5 г/см³; E = 2  10⁵ МПа соответственно, тогда как эти характеристики для титана и бериллия являются следующими: Ti (4,5 г/см³; 1,85 10⁵ МПа), Be (1,8 г/см³; 3  10⁵ МПа)

Литье органосуспензии на движущуюся ленту-подложку. Для проведения литья приготавливают органосуспензию (смесь мелкодисперсного порошка с раствором пленкообразующего каучука в ацетоно – бензиновом растворителе). Ее также называют литьевым шликером. На рис. 7.18 схематически показан процесс отливки слоев. Для этого шликер (2) через щель (3^/) в фильере (1) выливают на движущуюся полиэтиленовую ленту-подложку (4). После испарения под вытяжной вентилляцией (6) летучего растворителя слой затвердевает, при этом частицы порошка оказываются связанными каучуковыми прослойками. Полученный порошковый слой (7) (его толщина, в зависимости от выбранного режима литья, может варьироваться от 50 до 300 мкм) отделяют от ленты-подложки и наматывают на приемную катушку (8) с прослойкой между наматываемыми витками бумажной ленты во избежание склеивания витков слоев. Количество каучука в слое, при использовании в составе шликера мелкодисперсного порошка (с размерами частиц 1-5 мкм), обычно составляет 5-7% масс.

Для получения многослойных изделий, как правило, применяют два технологических приема. Согласно первому приему,

отрезки порошковых слоев заданной длины укладывают на керамические подложки и подвергают термообработке – нагреву для выжига органической связки (500 – 800⁰С) и последующему спеканию. Далее, из спеченных слоев собирают слоистый пакет и подвергают его диффузионной сварке либо горячему прессованию. Согласно второму приему, отрезки порошковых слоев, содержащих каучуковую связку, собирают в пакет, который затем уплотняют путем прокатки в валках. В этом случае соединение слоев происходит благодаря пластической деформации каучуковой связки. Из полученной слоистой заготовки выжигают органическую связку, а затем спекают, либо подвергают горячему прессованию.

Рассмотренный выше метод получения слоев литьем из органосуспензии позволяет изготавливать слоистый композит с квази-изотропной структурой, показанной на рис. 7.11 и 7.12. Особенности технологии такого композита рассмотрены ниже.

Изготовление квази-изотропного слоистого композита с использованием метода литья органосуспензии на движущуюся ленту-подложку. Квази-изотропный слоистый композит может быть получен благодаря реализации следующей последовательности технологических операций: литье слоев, сборка из них многослойного пакета и его прокатка в валках, резка прокатанной заготовки на слоистые кубические гранулы, прессование засыпки слоистых кубических гранул в пресс-форме и термообработка.

Литье слоев. Этот процесс описан ранее и схематически показан на 7.18. Из отлитых слоев собирают многослойный пакет толщиной 1-5 мм, чередуя слои, содержащие порошки отличного химического состава (например, металла - Ме и оксида металла - МеО) (рис.7.19 а). Многослойный пакет прокатывают до конечной толщины 0.5-3 мм (рис.7.19 б). При этом слои в пакете соединяются

за счет пластической деформации каучуковой связки. Полученную после прокатки многослойную заготовку режут на кубические слоистые гранулы высотой 0.5 – 3 мм (рис. 7.20). Затем их засыпают в пресс-форму и прикладывают давление прессования (100 – 500 МПа) (рис. 7.21). Приложение давления прессования приводит к вытягиванию гранул (рис. 7.21 б), их соединение в объеме прессовки происходит также благодаря пластической деформации каучуковой связки в гранулах. Термообработку прессовки проводят в два этапа: выжиг каучуковой связки и спекание в защитной газовой среде (аргон, гелий, вакуум). В слоистых квази-изотропных композитах состава Al₂O₃ – Mo (W), ZrO₂ - Mo (W) реализуется механический тип связи между слоями. В композите состава Y₂O₃ – Cr имеет место химический тип связи между слоями за счет образования по границе раздела между ними хромита иттрия (YCr₃), в композите Al₂O₃ – Cr – также химический тип связи с образованием твердого раствора оксида хрома в оксиде алюминия.

Напыление. Суть метода заключается в следующем (рис. 7.22): металлическую ленту (2) (чаще алюминиевую или медную толщиной 0,05 – 0,1 мм) протягивают над вакуумным испарителем (5) с заданной скоростью. Из испарителя ведут осаждение пленок на поверхность протягиваемой ленты, которую сматывают на приемный барабан (4). Испарение металлов (например, никеля, алюминия, железа) проводят путем индукционного или резистивного нагрева. Возможно также лазерное испарение тугоплавких соединений (Al₂O₃; Si₃N₄; SiC). Испаряемые вещества конденсируются на поверхности металлической ленты и образуют весьма тонкие пленки (0,05-2 мкм). Ленту с напыленной пленкой (3) сворачивают в рулон на оправке (1), а затем подвергают обжатию и диффузионной сварке (рис. 7.23). Изделия со слоистой структурой

могут быть получены также путем нарезки из ленты с напыленной пленкой слоев заданной длины, сборки из них многослойного пакета и последующей его диффузионной сварки.