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

рованные усами окиси кремния, помимо высокой проч­ ности, обладают повышенным сопротивлением ползу­ чести и высокой ударной вязкостью [132]. Материал А1—SiO'2 значительно превосходит САП по характеристи­ кам длительного нагружения при высоких температурах (табл. 62) и характеристикам теплой,рочности (табл. 63).

Свойства волокнистых материалов А1—Si02 зависят от многих технологических параметров. При получении

рованного волокнами Si02 (ув~50% ), нейтронным об­

221

нейтронное облучение вызывает, наоборот, разрушение материала, связанное с разрушением волокон.

Еще существеннее температурная зависимость проч­ ности алюминия изменяется при армировании волок­ нистыми монокристаллами сапфира (а-А120 3) и угле­ родными волокнами. Введение, например, 35% волокон

после чего производят пропитку расплавом алюминия. Материал, полученный литейным способом, имеет при 500°С предел прочности 385 МН/м2 (38,5 кгс/мм2) й по удельной прочности превосходит титановые сплавы. Введение в алюминий и другие легкие сплавы уголь­ ных волокон сопряжено с необходимостью применения промежуточных слоев (подслоев), которые обеспечивают удовлетворительное схватывание матричного материала и волокон. Характеристики таких волокнистых материа­ лов не отличаются стабильностью. Усредненные данные упругих испытанийпоказывают, что модуль Юнга этих

222

материалов близок к расчетному по правилу смеси [134]. Материал алюминий — углеродные волокна получа­ ют прессованием в среде аргона непосредственно после

.пропитки, т. е. 'в присутствии жидкой фазы, причем рав­ номерное распределение волокон достигается при доста­

При получении рассмотренных волокнистых материа­ лов пропиткой в зоне контакта волокон и матрицы кар­ биды не образуются, так как химическая реакция между алюминием и углеродом протекает крайне затруднитель­ но и медленно.

Армирование алюминия угольными волокнами с пределом прочности 1772—2282 МН/м2 (177,2— 228,2 кгс/мм2) диаметром 8—10 ,мкм позволяет получить материалы для изготовления лопаток компрессоров и турбин. Волокна предварительно покрывают тончай­ шим слоем матричного материала в результате осажде­ ния его паров. Затем пропитывают каркас волокон рас­ плавом алюминия или алюминиевого сплава, например

сти материала пропитку ведут в вакууме либо при дей­ ствии давления [14,06 МН/м2 (140,6 кгс/см2)] [135].

Свойства указанных материалов приведены в табл. 65. Помимо значительного разброса характеристик, приведенных в табл. 65, следует отметить, что рассмат­ риваемые материалы имеют весьма посредственные ударные характеристики -(в 5—20 раз ниже, чем у ма­ териалов, армированных стекловолокном или волокнами бора).

Армирование сплавов системы А1—Si (до 13% Si) графитными 'волокнами Thornal-50 (Ув^ 28%) позво­ ляет получать материалы с пределом прочности 400— 1000 МН/м2 (40—100 кгс/мм2), причем длительное тер-

223

моциклирование .между— 193 и -f->20°C или между— 193 и 500°С не изменяет их характеристик [136].

Подводя итог рассмотрению материалов на основе алюминия и его сплавов, армированных волокнами бора и неметаллическими волокнами, следует отметить, что в в е д е н и е у к а з а н н ы х в о л о к о н п о з в о л я е т

п р о ч н о с т н ы е и у п р у г и е х а р а к т е р и с т и к и

с к и м к о м п о з и ц и я м в п л а с т и ч н о с т и , о с о ­ б е н н о по у д а р н ы м х а р а к т е р и с т и к а м , а т а к ж е и м е ю щ и е п о н и ж е н н у ю с т а б и л ь ­ н о с т ь в с е х с в о и х м е х а н и ч е с к и х х а р а к т е ­ р и с т и к .

Л^ ^

Армирование различными видами волокон применя­ ется также для повышения механических свойств дру­ гих металлов, например магния. Волокнистые материа­ лы на основе этого металла, нашедшего широкое при­ менение в отраслях новой техники, имеют еще более высокие прочностные характеристики. Правда, следует учитывать, что армирование магния и его сплавов соп­ ряжено со значительными технологическими трудностя­ ми, что объясняется низкой свариваемостью и деформи­ руемостью, а также присутствием рыхлой окисной пленки на магниевых поверхностях. Тем не менее

224

процессы армирования магния развиваются, и уже в настоящее время можно отметить несколько серьезных достижений. Например, армированный (32% то объему)

магния, армированного (30% по объему) волокнами бо­ ра. Материал панелей при комнатной температуре имеет предел прочности 970 МН/м2 (97 кгс/мм2) и модуль упругости 135800 МН/м2 (13580 кгс/мм2). Этот материал сохраняет очень высокую прочность [ав = 770 МН/м2 (77 кгс/мм2)] даже при температуре 400°С [137].

Высокую прочность материала можно получить и при армировании сплава магния с 3% А1 нитевидными волокнистыми монокристаллами «-модификации кар­ бида кремния [131].

Введение 10% (объемн.) волокон a-SiC повышает предел прочности до 404 МН/м2 (40,4 кгс/мм2), а вве­ дение 30% волокон — до 538 МН/м2 (53,8 кгс/мм2).

Армирование сплава на основе магния с добавками алюминия (3%) и цинка (1%) угольными волокнами также эффективно повышает прочность основного ма­

прочные и электропроводные материалы с повышенной прочностью и жесткостью.

Общеизвестным материалом рассматриваемой груп­ пы является медь, армированная проволочными волок­ нами из вольфрама. Учитывая наиболее высокие зна­ чения предела прочности тончайшей вольфрамовой проволоки, материал медь — вольфрам может иметь очень высокие прочностные характеристики как при

225

комнатной, так и при повышенных температурах. В част­ ности, материал Cu+77%W имеет при комнатной тем­

локой диаметром 0,0025—0,25 мм, получают различными способами: пропиткой расплавом меди пучка вольфра­ мовых волокон, горячим спрессовыванием сборных за­

материалов значительно снижается с повышением тем­ пературы испытаний, что объясняется повышением пластичности проволоки, в результате чего поведение отдельных нитей при нагружении армированного мате­ риала становится более идентичным.

Изменение пластическиххарактеристик материалов в зависимости от объемной доли волокон и температуры

Остаточное удлинение при комнатной температуре резко снижается при введении 10% (объемн.) волокон, а затем снижение происходит очень медленно.

Зависимость остаточного удлинения материалов Си—W при высокотемпературных испытаниях имеет более сложный характер. Это объясняется протнвояо-

226

ложным действием факторов, определяющих пластич­ ность материала:

1) с повышением объемной доли волокон при всех температурах пластичность материала снижается;

2)при повышении температуры испытания снижается пластичность медной матрицы, что уменьшает пластич­ ность армированного материала;

3)с повышением температуры возрастает пластич­ ность вольфрамовых волокон, что благоприятно сказы­ вается на пластичности армированного материала.

В результате первый фактор определяет результаты испытания при комнатной температуре. В случае ис­

пытаний материалов с объемной долей волокон до 12,5% решающими являются первый и второй факторы, а для материалов с большими объемными долями — первый и третий, причем третий фактор играет главную роль только при высокотемпературных испытаниях.

Армирование меди вольфрамовой проволокой с пре­ делом прочности 1400—2100 МН/м2 (140—-210 кгс./мм2)

позволяет повысить ее прочность и сохранить высокую

при комнатной температуре превосходит медь в 3 раза, а .при температуре 400°С — в 5 раз.

Волокнистый материал Си—W превосходит все мед­ ные материалы и по длительной прочности.

227

Наиболее интересны армированные особо жаропроч­ ные материалы на основе никеля и его сплавов.

Жаропрочные никелевые сплавы имеют удовлетво­ рительные показатели кратковременной и длительной прочности при температурах до '1000°С. Армирование никеля и его сплавов волокнами из вольфрама и его сплавов, молибдена и его сплавов, волокнистыми моно­ кристаллами окиси алюминия позволяет значительно по­ высить характеристики прочности при высоких темпе­ ратурах и максимальные рабочие температуры материа­ лов на основе никеля. После длительных выдержек ар­ мированных материалов при высоких температурах между волокнами и матрицей происходит химическое взаимодействие, ослабляющее эффект армирования,

Например, после выдержки при температуре 1200°С в течение 100 ч в структуре волокнистого материала Ni—W вокруг волокон формируются диффузионные зо­ ны шириной 70—100 мкм.

Для того чтобы избежать ослабления волокнистых материалов, можно прибегать к различным мерам.

Например, замена никелевой матрицы сплавом нике­ ля с 10% вольфрама позволяет уменьшить диффузион­ ные зоны вокруг вольфрамовых волокон до 5—7 мкм по ширине, т. е. на порядок [141]. Другой эффективный способ предупреждения взаимодействия матрицы и

миния [142]. Проволоку покрывают протягиванием через ванну с суспензией или методом катофореза.

Ликвидирует возможность образования диффузионной зоны и покрытие нитрида титана [141].

Введение в никелевую матрицу вольфрамовых воло­ кон позволяет значительно повысить прочность нике­ левых материалов, о чем свидетельствуют многочислен­ ные данные.

Если предел прочности лучших (т. е. наиболее проч­ ных) сплавов на основе никеля при температуре 1100°С составляет 310 (31), а при 1200°С 100 МН/м2

228

Ni — W этот показатель равен 150 МН/м2 (15 кгс/мм2), т. е. вдвое выше [142].

Введение в никелевые сплавы волокон из .материала на основе вольфрама 3D (W+3% Re) и NF (W-+- 1 % Th02) .позволяет повысить их длительную прочность

98 МН/м2 (9,8 кгс/мм2) —в 8 раз. Эти данные относятся

сплавов волокнистыми монокристаллами окиси алюми­ ния. Введение волокон А120 3 позволяет повысить пре­ дел прочности нихромов при комнатной температуре до

ность материала на основе сплава марки ВДУ-1, арми­

229

Влияние армирования сплава Ti—6AI—4V дискретными волокнами молибдена на его модуль упругости