Свариваемость материалов

По морфологии армирующих фаз композиционные материалы подраз­ деляют [1] на:

нульмерные (обозначение: 0 *), или упрочненные частицами различной дисперсности, беспорядочно распределенными в матрице;

одномерные волокнистые (обозначение: 1), или упрочненные однона­ правленными непрерывными или дискретными волокнами;

двухмерные слоистые (обозначение: 2 ), или содержащие одинаково ориентированные упрочняющие ламели или слои (рис. 38.1).

Применяют и комбинированное армирование матриц.

По распределению армирующих фаз или схеме армирования можно вы­ делить композиционные материалы с одноосным (однонаправленным), двух­ осным (плоскостным, например, ортогональным) и трехосным (объемным) армированием. Композиционные материалы первых двух видов являются анизотропными, последнего вида — изотропными.

а — нульмерные; 6 — одномерные; в — двухмерные композиционные материалы; /

с целью использования ее в соответствующих конструкциях, называется кон-

тицами, волокнами углерода, карбида кремния, бора и т. д., однонаправ­ ленные эвтектические сплавы;

макрокомпозиты (диаметр или толщина армирующих компонентов —100 мкм), например детали из медных или алюминиевых сплавов, ар­ мированные вольфрамовой или стальной проволокой или фольгой. Макрокомпозиты чаще всего применяют для повышения износостойкости деталей трения в технологической оснастке.

38.2. Межфазное взаимодействие в композиционных материалах

38.2.1. Физико-химическая и термомеханическая совместимость компонентов

Сочетание в одном материале веществ, существенно различающихся по хи­ мическому составу и физическим свойствам, выдвигает на первый план при разработке, изготовлении и соединении композиционных материалов проблему термодинамической и кинетической совместимости компонентов. Под терМ0 -

динамической совместимостью понимают способность матрицы и армирую­ щих наполнителей находиться в состоянии термодинамического равновесия неограниченное время при температурах получения и эксплуатации. Почти все искусственно созданные композиционные материалы термодинамически несовместимы. Исключение составляют лишь несколько металлических си­ стем (Си—W, Си—Mo, Ag—W), где нет химического и диффузионного вза­ имодействия между фазами при неограниченном времени их контакта.

Кинетическая совместимость — способность компонентов композиционных материалов сохранять метастабильное равновесие в определенных темпера­ турно-временных интервалах [3]. Проблема кинетической совместимости имеет два аспекта: 1) физико-химический — обеспечение прочной связи между ком­ понентами и ограничение на поверхностях раздела процессов растворения, гетеро- и реакционной диффузии, которые ведут к образованию хрупких продуктов взаимодействия и деградации прочности армирующих фаз и композиционного материала в целом; 2 ) термомеханический — достижение благоприятного распределения внутренних напряжений термического и ме­ ханического происхождения и снижение их уровня; обеспечение рациональ­ ного соотношения между деформационным упрочнением матрицы и ее спо­ собностью к релаксации напряжений, предупреждающей перегрузку и преж­ девременное разрушение упрочняющих фаз [4].

Существуют следующие возможности улучшения физико-химической

ских волокон, нитевидных кристаллов и дисперсных частиц из карбидов кремния, титана, циркония, бора, окислов алюминия, циркония, нитридов кремния, бора и др.

II. Нанесение барьерных покрытий на армирующие наполнители, на­ пример покрытий из тугоплавких металлов, карбидов титана, гафния, бора, нитридов титана, бора, окислов иттрия на волокна углерода, бора, карбида кремния. Некоторые барьерные покрытия на волокнах, преимущественно металлические, служат средством улучшения смачивания волокон матрич­ ными расплавами, что особенно важно при получении композиционных ма­ териалов жидкофазными методами [5]. Такие покрытия часто называют тех­ нологическими.

Не менее важным является обнаруженный при нанесении технологиче­

нии волокон углерода с последующей термической обработкой).

III. Применение в композиционных материалах металлических матриц, легированных элементами с большим сродством к армирующему наполни­ телю, чем металл матрицы, или поверхностно-активными добавками. Про­ исходящее при этом изменение химического состава границ раздела должно препятствовать развитию межфазного взаимодействия [6 ]. Легирование мат­ ричных сплавов поверхностно-активными или карбидообразующими добав­ ками, так же как и нанесение технологических покрытий на волокна, может способствовать улучшению смачиваемости металлическими расплавами ар­ мирующего наполнителя.

IV. Легирование матрицы элементами, повышающими химический по­ тенциал армирующего наполнителя в матричном сплаве, или добавками ма­ териала армирующего наполнителя до концентраций насыщения при тем­ пературах получения или эксплуатации композиционного материала. Такое легирование препятствует растворению армирующей фазы, т. е. повышает термическую стабильность композиции [7].

V. Создание «искусственных» композиционных материалов по типу «ес­ тественных» эвтектических композиций путем выбора соответствующего со­ става компонентов.

для возникновения прочных адгезионных связей между компонентами; с дру­ гой стороны, не приводить к интенсивному химическому пз^имодействию, образованию хрупких промежуточных фаз и снижению прочности компози­ ционного материала.

Термомеханическую совместимость компонентов в композиционных ма­ териалах обеспечивают:

выбором матричных сплавов и наполнителей с минимальном различием в модулях упругости, коэффициентах Пуассона, коэффициентах термического расширения;

применением промежуточных слоев и покрытий на армирующих фазах, уменьшающих различия в физических свойствах матрицы и фаз;

переходом от армирования компонентом одного вида к цолиармированию, т. е. сочетанию в одном композиционном материале упрочняющих во­ локон, частиц или слоев, различающихся по составу и физическим свой­ ствам;

изменением геометрии деталей, схемы и масштаба армирования; морфоло­ гии, размера и объемной доли армирующих фаз; заменой непрерывного на­ полнителя дискретным;

выбором способов и режимов производства композиционного материала, обеспечивающих заданный уровень прочности связи его компонентов.

38.2.2. Армирующие наполнители

Для армирования металлических матриц применяют высокопрочные, высокомодульные наполнители — непрерывные и дискретные металлические, не­ металлические и керамические волокна, короткие волокна и частицы, ни­ тевидные кристаллы (табл. 38.1).

Углеродные волокна являются одним из наиболее освоенных в произ­ водстве и перспективных армирующих материалов. Важное преимущество

Волокна поставляют в виде ровных или закрученных многофиламентных жгутов, тканей или лент из них. В зависимости от типа исходного сырья

мосферных условиях и минеральных кислотах. Термостойкость волокон не­ высокая: температура длительной эксплуатации на воздухе не превышает 300—400 °С. Для повышения химической стойкости в контакте с металлами на поверхность волокон наносят барьерные покрытия из боридов титана и циркония, карбидов титана, циркония, кремния, тугоплавких металлов [4].

вольфрамовую проволоку или углеродные моноволокна. При нагреве ца

с большинством металлов (Al, Mg, Ti, Fe, Ni) начинается при температуру 400—600 °С. Для повышения термостойкости на волокна бора наносят газ0-

или пековые моноволокна углерода. Лучшие образцы волокон имеют проч­ ность 3000—4000 МПа при 1 100 °С

Волокна карбида кремния бескерновые в виде многофиламентных жгу­ тов, полученные из жидких органосиланов путем вытягивания и пиролиза, состоят из сверхтонких кристаллов 0-SiC.

Металлические волокна выпускают в виде проволоки диаметром 0,13; 0,25 и 0,5 мм. Волокна из высокопрочных сталей, сплавов бериллия пред­ назначаются в основном для армирования матриц из легких сплавов и титана. Волокна из тугоплавких металлов, легированных рением, титаном, окнсными и карбидными фазами, применяют для упрочнения жаропрочных никельхромистых, титановых и других сплавов.

Нитевидные кристаллы, применяемые для армирования, могут быть металлическими или керамическими. Структура таких кристаллов монокристаллическая, диаметр обычно до 10 мкм при отношении длины к диа­ метру 20— 100. Получают нитевидные кристаллы различными методами: вы­

38.2.3. Матричные сплавы

В металлических композиционных материалах применяют преимущественно матрицы из легких деформируемых и литейных сплавов алюминия и маг­ ния, а также из сплавов меди, никеля, кобальта, цинка, олова, свинца, се­ ребра; жаропрочных никель-хромистых, титановых, циркониевых, ванадиевых сплавов; сплавов тугоплавких металлов хрома и ниобия (таблица 38.2).

38.2.4. Типы связи и структур поверхностей раздела

вкомпозиционных материалах

Взависимости от материала наполнителя и матриц, способов и режимов получения по поверхностям раздела композиционных материалов реализу­ ются шесть видов связи (табл 38.3). Наиболее прочную связь между ком­ понентами в композициях с металлическими матрицами обеспечивает хи­ мическое взаимодействие. Распространенный вид связи — смешанный, пред­ ставленный твердыми растворами и интерметаллидными фазами (например, композиция «алюминийборные волокна», полученная методом непрерывного

38.3. Способы производства композиционных материалов

Технология производства металлических композиционных материалов опре­ деляется конструкцией изделий, особенно если они имеют сложную форму и требуют подготовки мест соединений сваркой, пайкой, склеиванием или клепкой, и, как правило, является многопереходной.

так называемые препреги, или ленты с одним слоем армирующего наполни­ теля, пропитанным или покрытым матричными сплавами; пропитанные ме­ таллом жгуты волокон или индивидуальные волокна с покрытиями из мат­ ричных сплавов.

При отсутствии специальных требований к материалам по теплопровод­ ности, электропроводности, хладостойкости и другим свойствам температур­ ные интервалы работы композиционных материалов определяют следующим образом: <250°С — для материалов с полимерными матрицами; >1000°С — для материалов с керамическими матрицами; композиционные материалы с металлическими матрицами перекрывают эти пределы.

Прочностные характеристики некоторых композиционных материалов приведены в табл. 38.5.

Основные виды соединения композиционных материалов сегодня — бол­ товые, клепаные, клеевые, соединения пайкой и сваркой и комбинирован­ ные. Соединения пайкой и сваркой особенно перспективны, поскольку от­ крывают возможность наиболее полно реализовать уникальные свойства композиционного материала в конструкции, однако их осуществление пред­ ставляет сложную научную и техническую задачу и во многих случаях еще не вышло из стадии эксперимента.

38.5. Проблемы свариваемости композиционных материалов

Если под свариваемостью понимать способность материала об­ разовывать сварные соединения, не уступающие ему по своим свойствам, то композиционные материалы с металлическими матрицами, особенно волокнистые, следует отнести к трудносвариваемым материалам. К тому имеется несколько причин.

I. Методы сварки и пайки предполагают соединение компо­ зиционных материалов по металлической матрице. Армирую­ щий наполнитель в сварном или паяном шве или полностью от­ сутствует (например, в стыковых швах, расположенных поперек направления армирования в волокнистых или слоистых компо­ зиционных материалах), или присутствует в уменьшенной объ­ емной доле (при сварке дисперсно-упрочненных материалов про­ волоками, содержащими дискретную армирующую фазу), или происходит нарушение непрерывности и направленности армиро­ вания (например, при диффузионной сварке волокнистых ком­ позиций поперек направления армирования). Следовательно, сварной или паяный шов является ослабленным участком кон­ струкции из композиционного материала, что требует учета при конструировании и подготовке места соединения под сварку. В литературе имеются предложения по автономной сварке ком­ понентов композиции для сохранения непрерывности армирова­ ния (например, сварка давлением вольфрамовых волокон в ком­ позиции вольфрам — медь [10]), однако автономная сварка встык волокнистых композиционных материалов требует спе­ циальной подготовки кромок, строгого соблюдения шага арми­ рования и пригодна лишь для материалов, армированных ме­ таллическими волокнами. Другое предложение состоит в под­ готовке стыковых соединений с перекрытием волокон на длине

прочной связи по границе волокно—матрица.

II. Влияние сварочного нагрева на развитие физико-химиче­ ского взаимодействия в композиционном материале удобно рас­ смотреть на примере соединения, образующегося при проплав­ лении дугой волокнистого материала поперек направления ар­ мирования (рис. 38.2). Если металл матрицы не обладает полиморфизмом (например, А1, Mg, Си, Ni и др.), то в соедине­ нии можно выделить 4 основные зоны: 1 — зона, нагреваемая до температуры возврата матрицы (по аналогии со сваркой однородных материалов назовем этот участок основным материа­

Рис. 38.2. Основные структурные зоны в сварном со­ единении волокнистого композиционного материала, вы­

полненного сваркой плавлением

ограниченная температурами рекристаллизации и плавления матрицы (зона рекристаллизации); 4 — зона нагрева выше тем­ пературы плавления матрицы (назовем эту зону сварным швом). Если матрицей в композиционном материале явля­ ются сплавы Ti, Zr, Fe и других металлов, имеющих поли­ морфные превращения, то в зоне 3 появятся подзоны с полной или частичной фазовой перекристаллизацией матрицы, но для данного рассмотрения этот момент несуществен.

Изменения свойств композиционного материала начинаются в зоне 2. Здесь процессы возврата снимают деформационное упрочнение матрицы, достигнутое при твердофазном компактировании композиционного материала (в композициях, получен­ ных жидкофазными методами, разупрочнение в этой зоне не

наблюдается).

В зоне 3 происходит рекристаллизация и рост зерен металла матрицы. Вследствие диффузионной подвижности атомов мат­ рицы становится возможным дальнейшее развитие межфазного взаимодействия, начало которому было положено в процессах производства композиционного материала, увеличивается тол­ щина хрупких прослоек и ухудшаются свойства компози­ ционного материала в целом. При сварке плавлением материа­