Получение

поверхностью волокна) слоя матрич­ ной частицы. Максимальная темпера­ тура поверхности волокна в контакте с напыленной матричной частицей может достигать 0,8-—0,9 от темпера­ туры плавления напыляемого матери­ ала. Так как матричная составляющая ленты формируется в результате после­ довательного переноса множества рас­ плавленных и быстро деформирую­ щихся (от соударения) частиц, она имеет слоистую тонкопластинчатую структуру. Между пластинами обычно располагаются дискретные цепочки дисперсных оксидов матричного ма­ териала; размер частиц матрицы, по-, крытых несплошным слоем оксидов, обычно равен 2—10 мкм. При напы­ лении алюминиевых матриц применяют в качестве плазмообразующего газа аргон [расход (7,5—8,4) 10-4 м*/с, дистанция напыления (110—120) X Х10“8 м].

При изготовлении бороалюминиевых лент плазменным напылением время воздействия плазмы на волокно со­ ставляет 8—10 с; время, в течение которого в контакте напыляемая ча­ стица — волокно поддерживается по­ стоянная температура, находится в пределах 10”*—10^с. В связи с этим химическое воздействие напыленного материала на волокно невелико. Для того чтобы активировать поверхность волокон и обеспечить хотя бы частич­ ное соединение матрицы и волокон (необходимое для нормальной транс­ портировки лент, их раскроя и сборки многослойных заготовок — пакетов), производят подогрев барабана до тем­ пературы 250—-350 °С [5,61.

На волокна бора без покрытия или с покрытием В4С плазма оказывает некоторое адсорбционно-химическое воздействие, чем и объясняется не­ большое снижение прочности волокон. Волокна карбида кремния и волокна бора с покрытием карбида кремния в результате плазменного напыления могут даже несколько упрочняться (до 10% исходной прочности), что объясняется [6] перераспределением и частичным снятием внутренних на­ пряжений в волокнах. Это различие в характере изменения исходной проч­ ности волокон связано еще и с тем, что карбид кремния обладает высокой

стойкостью против окисления [12], так как получение плазменных лент — полуфабрикатов производится в ка­ мерах с местной защитой аргоном. Для защиты поверхности волокон от окисления при этом используют плаз­ менные горелки с дополнительным кольцевым соплом, расположенным коаксиально по отношению к рабочему соплу. Через кольцевое сопло пропу­ скают струю аргона, что создает пре­ пятствие интенсивному подсосу воз­ духа в плазменную струю и снижает содержание оксидов в напыленном слое матричной составляющей компо­ зита [6].

Природа напыляемого металла (в числе других факторов) воздействует на волокна при плазменном напылении. Прочность волокон снижается после­ довательно в ряду напыляемых ме­ таллов Zn, Al, Си, Ni, Ti. Титан, яв­ ляющийся одним из основных матрич­ ных материалов для конструкционных композитов, практически полностью разупрочняет волокна бора, и в боль­ шинстве случаев разрушение волокон происходит непосредственно в про­ цессе напыления, однако и в этом случае ведущим ослабляющим фак­ тором является окисление поверх­ ности волокон.

При напылении в камерах с чистым аргоном титана прочность борволокон (особенно с покрытиями) удается почти полностью сохранить или свести по­ терю исходной прочности до нормаль ного уровря [14].

Получеине композитных полуфабри­ катов типа жгутов. Полуфабрикать этого типа представлены на рис. 4.3 Для их изготовления используют ме тоды непрерывного литья, а также про нитки в вакууме и под давленые?. [6, 13]. Схема установки для полу чення композитных полуфабрикате! методом непрерывного литья (матрмч ного материала) представлена н: рис. 4.4.

Метод'полунепрерывного литья, ши роко известный в металлургии, при меннтельно к конструкционным ком познтам используется для нзготовле ння полуфабрикатов, имеющих по стоянные поперечные сечении. Ег достоинствами (так же, как и метол: протягивания волоков иди их пучке!

Рис. 4.8. Сечения полуфабрикатов ком­ позитов с металлической матрицей:

а — моноволокно с металлическим матрич­ ным покрытием; б — многофиламентный жгут, пропитанный металлом; в — метал­ лический пруток, армированный моно­ волокнами или тонкими жгутами: г — профиль, армированный волокнами [6, 20]

через расплав) являются возможность изготовления длинномерных полуфаб­ рикатов, малое время контактирования расплавов металлов с волокнами, вы­ сокая производительность и эконо­ мичность. Ограничения применения процессов жидкофазной технологии вызваны повышенной химической ак­ тивностью расплавов к материалам волокон, а также повышенными ско­ ростями окисления матричных мате­ риалов; поэтому в большинстве слу­ чаев эти процессы должны выпол­ няться в вакууме или с применением за­ щитных атмосфер, а на волокна должно быть предварительно нанесено барь­ ерное покрытие.

При получении полуфабрикатов ме­ тодом непрерывного литья волокна разматываются с катушек, оснащен­ ных тормозными устройствами (для разматывания с небольшим натяже­ нием), подогреваются, проходят ти­ гель с расплавом матричной составля­ ющей композита; формируемый полу­ фабрикат проходит через полость фильеры, сечение которой (с учетом термической усадки) и определяет се­ чение полуфабриката. Скорость про­ хождения волокнами расплава нахо­ дится в соответствии с кинетикой вза­ имодействия матрицы и волокон, а также с параметрами, определяющими полное заполнение промежутков меж­ ду волокнами и затвердевание металла расплава. В частности, при изготов­ лении бороалюминиевых жгутов ско­ рости перемещения волокон не пре­ вышают 0,125 м/с. Процесс непрерыв­ ного литья может быть двухэтапным: на первом этапе получают тонкие прут­ ки или узкие ленты с малым количест­ вом волокон, на втором — полуфаб-

Рис. 4.4. Схема установка для непрерыв­ ного литья:

1 — шпуля (шпули) с волокнами, снаб­ женная тормозным устройством для натя­ жения волокна (волокон); 2 — плавиль­ ная печь; 3 — тигель с расплавом; 4 — фильера; 5 — устройство для протягива­ ния волокна н свертывания полуфабри­ ката в бунт; 6 — термопары н контрольно-

(волокон) и полуфабриката [6 ]

рикаты с поперечными сечениями в виде толков, тавров, двутавров и т. д.

6].

Другим видом полуфабриката, весьма удобным для последующего изготовления изделия, являются семи­ волоконные пропитанные жгуты, по гибкости мало уступающие исходным нитям. Жгуты используют при изго­ товлении различных деталей из сбор­ ных заготовок. Эти жгуты могут вводить в заготовки намоткой или укладкой в зависимости от формы из­ делия и требуемого характера арми­ рования [13]. Получают жгуты из волокон бороалюминия, сталеалюминия, а также с двумя этими видами волокон. Объемная доля волокон в жгутах может достигаеть 65%. В ре­ зультате получения жгутов обеспечи-

4 .4 . Прочность семиволоконных пропитанных жгутов с алюминиевой (АД1) матрицей [13]

Число армирующих

волокон жгута

Ов , МПа vf, %

3000 МПа, стальных проволочных во­ локон 3700 МПа.

4 .5 . Временное сопротивление бороалюминиевых жгутов с волокнами, имеющими покрытие карбида бора

[в]

вается наличие удобных для хранения, транспортировки, выполнения опера­ ций сборки заготовок и изготовления изделий полуфабрикатов с временным сопротивлением разрыву до 2100 МПа (табл. 4.4).

Сталеалюминиевые жгуты (Vf = = 60%) имеют высокие характеристи­ ки; например, литые жгуты, армиро­ ванные проволочными волокнами из высокопрочной стали, характери­ зуются сопротивлением разрыву 1060— 1120 МПа [4].

При изготовлении боро- и сталеалю­ миниевых жгутов температура рас­ плава матричной составляющей дол­ жна быть 665 ± 5 °С, длительность контакта волокон с расплавом 0,4— 0,8 с. Скорость перемещения жгута 0,07 м/с обеспечивает высокое ка­ чество-соединения матрицы и волокон при условии предварительного по- ' догрева волокон до температуры 600 °С

[201.

Метод непрерывного литья приме­ няется и для изготовления бормагниевых полуфабрикатов,

При наличии на волокнах барьер­ ных покрытий легче сохранить боль­ шую долю исходной прочности волокон, при этом время контакта волокон с расплавом может возрастать, что необходимо для образования проч­ ного соединения, но не сопровожда­ ется снижением характеристик ком­ позита (табл. 4.5).

Методы пропитии применяются для изготовления полуфабрикатов огра­ ниченных размеров и изделий различ­ ных конфигураций. Пропитку каркаса (или пучка) волокон осуществляют раз­ личными способами: вакуумной залив­

бежным литьем (эти процессы могут проводиться в обычной воздушной атмосфере или с применением защит­ ных атмосфер). Кроме того, возможен вариант помещения в полость формы волокон с порошком матричного ма­ териала или фольгой, а также волокон, имеющих покрытие из материала мат­ рицы, с последующим нагревом до температуры, превышающей темпера­ туру плавления матрицы композита, и опрессовкой формы. Процессы этой группы существенно отличаются от непрерывного литья большей длитель ностыо, т. е., как правило, требуют специальных мер предупреждения де­

[6], типа которых представлены на рис. 4.5. Коэффициент неплотности рассчи­ тывается следующим образом:

для типа, представленного на рис. 4.5, а:

^нп = df (4$ “ ndf)/4S (dj + fto*),

где h0i — толщина матричного слоя;

для типа, представленного на рис. 4.5, б:

*НП= *hnS p m - U ) p n + [ U fS X

X (1 — COS(pft) — dj х

X (2фЛ — sin2фЛ)] (1 — рт) х

Х[8 (Лл + Лф) « Г 1;

для типа, представленного на рис. 4.5, б;

knn = Pm (*Sha - ”af)/*S (hn + h^

где hn и Лф — толщина соответственно ленты с волокнами и фольги; рт — пористость ленты в безразмерном вы­ ражении.

Деформационный критерий харак­ теризуется также неравенством

р > a ic t,

Рис. 4.6. Схема ячейки с компактной ма­ тричной составляющей [101

где р — давление; а*с( — среднее на­

пряжение течения матричной состав­ ляющей в ячейке композита. Для определения последнего устанавли­ вают главные напряжения в ячейке, используя совместное решение диф­ ференциальных уравнений равновесия и условия пластичности:

где oz и оу — главные нормальные

напряжения, действующие по осям Z и Y (рис. 4.6), а о8ТП — предел те­ кучести матричного материала. Рас­ чет главных напряжений производится по формуле

ячейке композита при постоянном значе-

НИИ а8ТП

где rf и 5 — соответственно радиус поперечного речения и шаг укладки волокон; ф — текущее вначение угло­ вой координаты в ячейке композита (ф* — максимальное вначение ф, равное я/2); фн = arccos (1—asm/E j)—

начальное вначение угловой коорди­

наты [Ef — модуль упругости волокон при поперечном сжатии при темпера­ туре процесса (как и все остальные параметры, используемые в рассмат­ риваемом расчете)].

Характер распределения oZ(p в ячей­

ке композита определяется и скорост­ ными условиями процесса компактирования. При динамических условиях деформации втора oZ(p в ячейке ком­

позита имеет вид, представленный на рис. 4.7. В этом случае а8ТП имеет практически постоянное вначение (наи­ большее для материала). При стати­ ческом компактировании эпюра oZ(b

изменяется не только по количествен­ ным данным, но и по характеру рас­ пределения в ячейке композита (рис. 4.8).

Рис. 4.9. Изменение среднего напряжения течения матричной составляющей компо-

ЗИта Gsci в х°Дв компактирования. Шаг

Укладки волокон 160 мкм. Материал матрич­ ной составляющей — АД1 (а) и АМг2 (б). Скорость деформирования:

/ - Ю -*; 2 — 10-*; 3 — 3.10-*; 4 — 5-10—®

Зная aZq) (и аГф через условие’ пла­ стичности), легко установить о*с£; ре­ зультаты определения о*с£ и давления

Р представлены на рис. 4.9 и 4.10. Критерий сохранения .сплошности волокон. Для конструкционных ком­ позитов преимущественно используют хрупкие волокна, которые могут раз­ рушаться при действии поперечно сжи­ мающих напряжений (в первую оче­ редь эти напряжения могут вызывать

рушению при поперечном сжатии. Величина of для волокон бора состав­

ляет 86,6—376 МПа при диаметре сечения волокон 140 мкм и 79,3— 261 МПа при диаметре 100 мкм [10].

Если в композит вводят проволоч­ ные волокна, правильнее пользова­ ться критериальным неравенством

Р « * ф

где о*^ — предел текучести материала

металлических проволочных волокон при поперечном сжатии (при темпе­ ратуре, соответствующей температуре процесса компактирования ВКМ).

Критерий формирования прочного со­ единения составляющих композицион­ ного материала. Время деформирова­ ния заготовки tK не должно быть меньше времени /с, необходимого для формирования прочного соединения матричной составляющей и волокон,

т. е. должно соблюдаться критериаль­ ное условие [10]

^*с*

Вобщем случае формирование проч­ ного соединения разнородных мате­ риалов происходит по трехстадийной

схеме [6 J:

= ^ф. н + *а + *р»

где tфt к — длительность образования полного физического контакта (сбли­ жения атомов соединяемых поверх­ ностей» обеспечивающего полное уплот­ нение материала), характеризуемого действием на межкомпонентных поверх­ ностях сил Ван-дер-Ваальса и сла­ бым химическим взаимодействием; /а — длительность активации контак­ тирующих поверхностей с образова­ нием «активных центров» (поле упру­ гих искажений в местах выхода в зону контакта дислокаций, их скоплений, пачек скольжения, а также в местах расположения деформационных микровысгупов), благодаря которым фор­ мируется прочная химическая связь; /р — длительность реакционного (хи­ мического объема) взаимодействия, в том числе гетеродиффузии, образова­ ния промежуточных фазовых про­ слоек, прохождения рекристаллиза­ ции в зоне соединения взаимодействия компонентов композита.

При получении конструкционных композитов сопротивления, деформации матрицы и волокон различаются, как минимум, на порядок, поэтому в ин­ женерных расчетах длительностью пе­ риода /ф. к можно пренебрегать [6], а формирование продуктов химического объемного взаимодействия недопусти­ мо, так как это вызывает значитель­ ное снижение прочностных характе­ ристик при нагружении вдоль волокон [6]. Поэтому можно считать, что в рассматриваемой области композитов необходимо выполнение равенства

*с ~ *а- ___

Для большинства деформационных процессов характерно интенсивное си­ ловое воздействие; в таких условиях

где v — частотный фактор (частота колебаний атомов в решетке деформи­ руемого металла при температуре про­ цесса); k — постоянная Больцмана; Т — температура процесса. Число разрывов связей N связано с числом образующихся связей N0 на единице поверхности соотношением N « 0,9Л'о.

В случаях чисто термической акти­ вации соединяемых поверхностей (от­ жиг) или при малой интенсивности силового воздействия (диффузионная сварка) [6] величина эффективной энергии образования соединения £ Эфф практически равна энергии образо­ вания единичной связи £ а.

Для процессов с интенсивным сило­ вым воздействием на участки контакт­ ных поверхностей составляющих ком­ позитов указанные величины различны, они связаны следующим выражением:

£вфф = £а — где (о — показа­ тель структурного фактора; тк —

контактное касательное напряжение на межкомпонентной границе в про­ цессе компактирования [его предель­ ная (н реализуемая в процессе дефор­ мирования заготовок) величина равна

(И — коэффициент межкомпо­ нентного трения, равный в условиях горячего деформирования 0,5)].

Решение вопроса об определении оптимальной длительности компактировання заготовок может быть осуще­ ствлено н на основе другого подхода [6], основанного на теоретическом и экспериментальном определении кине­ тики увеличения прочности ти соеди­ нения, которая описывается уравне­ нием функции

где (т^шах— максимальная прочность соединения составляющих рассматри­ ваемого материала; К = г 0КфК*К?- константа скорости реакции [Z0 — фиксированное число зародышей с прочной связью (очагов взаимодейст­ вия на активных центрах); /Сф, Л’я и /Ср — соответственно константы с к о ­ ростей процессов образования ф изи ­ ческого контакта, зарождения очагов взаимодействия и их увеличения до слияния]; t — время; п — показатель степени, характеризующий порядок химической реакции. Величина К мо-