книги из ГПНТБ / Колпашников, А. И. Армирование цветных металлов и сплавов волокнами

ляются соответственно при фильтрации или спекании. Роль пластической деформации (прессованием или про­ каткой) в этих случаях особенно велика, так как спечен­ ный материал имеет значительную пористость.

С применением связующих веществ можно осущест­ влять армирование волокнистыми монокристаллами. На­ пример, при введении «усов» а-А120 3 или |3-SiC в по­ рошок медного либо алюминевосо сплавов смешивают суспензии, одна из которых включает «усы», а другая — порошок матричного материала [118]. После смешения в дисковом смесителе и фильтрации производят горячее брикетирование (до плотности ~95% ), диффузионный отжиг и горячую деформацию прессованием или прокат­ кой. В результате такой обработки получают профили, содержащие 10—20% «усов» (по объему), имеющие по­ вышенные абсолютные и удельные прочностные харак­ теристики.

Примером использования летучего связующего может служить процесс армирования стали вольфрамовыми во­ локнами*. На поверхность волокон наносят суспензию (методом погружения), включающую частицы железа, платины, родия, палладия, осмия, иридия или сплавов систем Ag—-Си и Pt—Си, а также карбонил железа, лак и пентацетат. Оболочку спекают яри нагреве до 800°С и выдержке 10 мин. Затем собирают волокна вольфрама с покрытием и элементы матрицы (никелированная сталь), нагревают и подвергают заготовку прессованию или про­ катке.

Еще большую роль играет летучее связующее веще­ ство при получении плоских изделий из нержавеющих сталей, никелевых, кобальтовых, титановых, алюминие­ вых сплавов, серебра, молибдена и вольфрама «усами» Si02, А1г03, В, SiC, ВеО и др.**. Волокнистые монокри­ сталлы и порошок матричного материала смешивают в присутствии воды и летучего связующего (пластифика­ тора) в вязкую массу. После подсушивания эту массу подвергают экструзии с получением шин с отношением поперечных размеров до 100. Затем подвергают сушке и Спеканию при повышенных температурах и горячей про­ катке.

Спекание компонентов армированного - материала

*Пат. (США), кл. 29— 196, № 3510280, 1970.

**Пат. (США), кл. 75—206 (B22f), № 3432295, 1969.

182

практически не используется как самостоятельный про­ цесс, так как не удается подучить достаточно плотный полуфабрикат.

Комбинированные процессы армирования могут вклю­ чать в качестве одной из первичных стадий пропитку волокон матричным расплавом и последующую пласти­ ческую деформацию, а иногда и термическую обработку. Эти комбинированные процессы используют главным образом для получения жаропрочных армированных ма­ териалов. Например, при заливке расплавом из никеле­ вых сплавов армирующих волокон вольфрама и молибде­ на и последующем прессовании получаются прутки, зна­ чительно превышающие по жаропрочности прутки из матричных сплавов [119].

В качестве матрицы применяли сплавы на никелевой основе:

1) ХН70Ю (26—29% Сг; 2,6—3,5% А1; <1,0% Fe,

аостальное — Ni);

2)ЭП202 (17—20% Сг; 4—5% W; 4,0—5,0% Мо;

2,2—2,8 Ti; 1,0—1,5% А1; < 4,0 Fe; <0,08% С; осталь­ ное— Ni).

Для армирования применяли волокна из вольфрама и молибденового сплава ЦМ2А (0,07—0,015 % Zr; 0,07— 0,3% Ti; <0,04% С; остальное Мо).

Заливку проволоки матричным расплавом произ!Водили в индукционной вакуумной печи. Сплав марки ХН70Ю армировали молибденовой проволокой диаметром 0,37 мм (4—26,5%) и вольфрамовой проволокой диаметром 0,5 мм (14—26%), сплав марки ЭП202 армировали про^ волокой из сплава марки ЦМ2А диаметром 0,56 мм (19%) и вольфрамовой проволокой диаметром 0,36 мм (12%). Fla рис. 102 и 103 представлены зависимости пре­ дела прочности армированных материалов от температу­ ры испытаний. Существенное преимущество армирован­ ные материалы имеют и в длительной прочности (рис. 104).

Пропитка алюминием и его сплавами волокон бора с последующей деформацией позволяет получать панели с пределом прочности 1310 МН/м2 (131 кгс/мм2). 'Про­ катку производили при температуре 470°С с обжатием

30 % [120].

. Весьма значительно повысить прочность можно ар­ мированием при высоких температурах расплава алюми­ ния и его сплавов «усами» окиси алюминия (сапфира),

183

на которые предварительно напылением нанесено тюкрытие нихрома толщиной 0,3 мкм. После пропитки «войло­ ка» из «усов», получаемого при продувке последних через фильтр, производят прокатку или прессование с целью

184

пления матрицы и волокон при последующей обработке. Особенно хорошие результаты получаются при образо­ вании на граничных участках хромита кальция, поэтому если матричный сплав не содержит хрома, то пропитку ведут расплавом хромосодержащих солей. В этом процес­ се вместо порошка можно использовать матричную мас­ су, состоящую из порошка матрицы и связующего вещест­ ва или пластификатора (каучук; метилцеллюлоза). В пер­ вом варианте производят спекание с последующим прес­ сованием, во втором — формовку на прессе, сушку при 350О|С, спекание в атмосфере водорода при 980—1280°С, прессование или прокатку для уплотнения со степенью деформации 10—15% и окончательный отжиг при 980— 1280°С в восстановительной атмосфере. Этим способом получают высокопрочные профили с объемным содержа­ нием волокон до 20%.

Если металлургический процесс спекания порошков с армирующими волокнами самостоятельно не использу­ ется, так как не может обеспечить должной плотности материала, то пропитка волокон расплавом матрицы ши­

в результате пропитки литьем иод давлением или ваку­ умным литьем каркаса из волокон, на которые предвари­ тельно нанесены покрытия, способствующие соединению матрицы и волокна (при армировании неметаллическими волокнами) либо препятствующие химическому взаимо­ действию между компонентами (при армировании ме­ таллическими волокнами). Покрытия на волокна наносят электролитическим способом, плазменным напылением, погружением или вакуумным осаждением [122].

Сверхжаропрочные материалы могут быть получены путем пропитки расплавом матрицы непрерывного кар­ каса из твердого тугоплавкого соединения. Матричный сплав должен содержать хотя бы один элемент, способ­ ный образовывать тугоплавкое соединение с материалом каркаса, подвергаемого пропитке. Образованию таких соединений способствует окончательная термическая об­ работка*.

* Пат. (США), кл. 29— 190, № 3235346, 1966.

Выше уже отмечалось, что металлургические и ком­ бинированные процессы применяются главным 'образом для получения армированных материалов, имеющих пре­ имущество перед матричными не только и не столько при комнатной температуре, сколько при высоких температу­ рах. Например, пропитка расплавом меди или ее сплавов

£ 320(32)

£

I200(24)

г160(16)

%

\80 (8)

Cu+12,5% W; 8 — Си+5% Ag

вольфрамовых волокон позволяет значительно повысить длительную прочность и жаропрочность, улучшить харак­ теристики ползучести (рис. 105—107) [123].

В качестве другой иллюстрации положительного влияния армирования на механические свойства матрицы

186

рассмотрим процесс пропитки пучка проволочных воло кон из тантала расплавом меди [124]. Волокна тантало­ вой проволоки очищали прогревом в индукторе (в ваку­ уме) при температуре 700°С в течение 10 мин. Форму де­ газировали при температуре 1200°С в вакууме в течение 4 ч. Пропитку производили в вакууме (давление 10-3 мм рт. от.) после подогрева формы до 1:150°С. Время кон­ такта расплава меди с волокнами тантала составляло в среднем 5 мин. В результате армирования получен высо­ копрочный армированный материал с удовлетворитель­ ной пластичностью (табл. 49).

Таблица 49

Влияние объемной доли волокон танталовой проволоки на свойства армированного материала Си—Та, получаемого методом пропитки

На стр. 175 рассмотрен процесс получения армирован­ ных волокнами полуфабрикатов из монолитной заготов­ ки путем прессования некоторых двухфазных сплавов. Среди металлургических способов получения армирован­ ных материалов известен также способ, не требующий искусственного введения отдельно изготовленных воло»- кон, — метод направленной кристаллизации расплавов.

Получение волокнистых материалов одностадийной обработкой — направленной кристаллизацией расплава осуществимо при обработке сплавов двух групп:

а) сплавы, затвердевающие при постоянной темпе­ ратуре;

б) сплавы, затвердевающие в интервале температур. 'В сплавах с изотермическим затвердеванием важную роль играют эвтектические, реже монотектические реак­

ции [125]. Контроль за протеканием этих реакций необ­ ходимый для контроля формы и размеров волокон уп­ рочняющей фазы, обеспечивается регулированием време­ ни кристаллизации и условий прохождения ' диффузи­ онных процессов. Практическое осуществление процес­ са. направленной кристаллизации расплавов во многом аналогично процессам получения монокристаллов и за­ ключаются либо в нормальном затвердевании, либо в зонной плавке. Нормальное затвердевание происходит в результате медленного выведения из печи с контролиру­ емой температурой расплавленной садки (лодочки). Возникает осевой тепловой поток, т. е. нормальный к плоскости сечения будущей волокнистой отливки. В про­ цессе вытягивания из печи лодочки каждое ее сечение проходит через сечение раздела между твердой и жид­ кой фазами. Матричная фаза непрерывна, волокна рас­ полагаются прерывистыми цепочками, причем геометрия волокон может быть различной, а наиболее це­ лесообразны волокна пластинчатой и стержнеоб­ разной формы [81]. Наиболее упорядоченная етруктупа получается при вертикальном вытягивании вниз [125].

Помимо направленного нормального затвердевания, волокнистые отливки из сплавов с изотермическим за­ твердеванием могут быть получены охлаждением в гра­ диентной печи.

Следует заметить, что в любых случаях концевые участки отливок имеют неупорядоченную структуру, что предопределяет большой процент отходов.

Процесс зонной плавки позволяет уменьшить степень загрязненности эвтектических сплавов, но температур­ ный градиент процесса трудно контролировать.

Волокнистые материалы можно получать направлен­ ной кристаллизацией многих систем А1 — СиАЬ,

А1—Ац2А1, LiF—NaF, А1—Si, Ag—Si, Bi—Ag и др.

В большинстве металлических композиций рассмат­ риваемого вида образуются пластинчатые волокна, осо­ бенно при большой объемной доле упрочняющей фазы. При наличии пластинчатых волокон получают материа­ лы с меньшим эффектом армирования, т. е. с умеренной долевой прочностью, но более изотропные, чем материа­ лы со стержнеобразными волокнами. Например, мате­ риал системы Та—С Г8% (по массе) С] после кристал­ лизации содержит 28% (объемн.) упрочняющей карбид­ ной фазы ТагС. Если волокна имеют форму пластин,

188

предел прочности этого материала 560 МН/м2 (56кгс/ /мм2), относительное удлинение 2%, в случае образова­ ния в этом же материале стержнеобразных волокон предел прочности его достигает 1100 МН/м2 (110 кгс/ /мм2), а относительное удлинение несколько понижается

стержнеобразных волокон объясняется малым количе­ ством дефектов в их строении.

Наиболее известным-материалом, получаемым на­ правленной кристаллизацией, является А1—Al3Ni. Этот материал после обычного литья, т. е. с хаотическим рас­ пределением упрочняющих частиц, имеет предел прочно­

(объемн.) Nb2C] составляет 350 МН/м2 (35 кгс/мм2), то после направленной кристаллизации увеличивается по­

но невысоких напряжений, но уступают им при малоцик­ ловом нагружении с высокими напряжениями.

Поведение волокнистых литейных материалов рас­ сматриваемого вида при повышенных температурах во многом напоминает поведение порошковых материалов.

В качестве примера материалов с повышенной темпе­ ратурной стойкостью можно привести Al+10%Al3Ni; Al-j-50%CuAl2 и Cu+2%Cr.

189