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

Введение в никелевую матрицу волокон бора позво­ ляет достигать невиданных уровней прочности и удель­

п е шн о в ы д е р ж и в а т ь п о в ы ш е н н ы е к р а т к о ­ в р е м е н н ы е и д л и т е л ь н ы е н а г р у з к и п р и т е м п е р а т у р а х 1 1 00—1 300°С. Кр о ме т ог о , у к а з а н н ы е м а т е р и а л ы и м е ют п о в ы ш е н н у ю

при армировании титановой матрицы волокнистыми монокристаллами окиси алюминия или гранулами из бериллия [142].

Армирование титана и его сплавов молибденовыми волокнами также существенно повышает его характе­ ристики (табл. 69—71).

Глава VI

ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ АРМИРОВАННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Материалы, армированные волокнами, относятся к новейшим и находятся главным образом на стадиях исследО|вания, опытного использования и внедрения. По­ явление армированных, так же как 1более раннее появ­ ление порошковых и гранулированных материалов, главным образом связано с повышением требований к применяемым материалам в различных областях техни­ ки, в первую очередь в отраслях машиностроения. В армированных материалах используются необычно вы­

231

тивление срезу, сверхпроводимость, сопротивление изно­ су, жаростойкость и др.

В 2000 г. предполагается получение композиционных материалов с прочностью в десять раз 'больше, чем у специальных сталей. К 1980 г. в США намечено широ­ кое промышленное внедрение материалов, армирован­ ных «усами» сапфира, бериллиевой проволокой, графи­ товыми волокнами, возможно использование алмаз­

1)повышение свойств волокон;

2)совершенствование методов обработки с целью

предотвращения ослабления волокон вследствие меха­ нических и химических воздействий;

3) снижение стоимости армированных материалов.

сплуатационного. Для окончательного утверждения этих материалов они еще должны пройти длительный путь совершенствования всех стадий производства, методов обработки, опробования в различных изде­ лиях, накопления статистических данных об их эксплуа­ тационных характеристиках. Тем не менее уже сегодня известны многие примеры удачного использования во­ локнистых материалов. В частности, в работе [146] от­

ратов на 14%при сохранении эксплуатационных харак­ теристик. Для элементов фюзеляжа самолета F-111 ис­ пользуются материалы на основе алюминиевых спла­ вов марок 2219А и 6061А, армированные волокнами бо­ ра и проволокой из стали марки АМ355, имеющие предел прочности 1240—1590 МН/м2 (124—159 кгс/мм2).

Из следующих примеров видно, что армированные материалы успешно разрабатываются специально для применения в отраслях новой техники — авиастроении, ракетостроении и различной оборонной технике.

Например, никелевые сплавы, армированные высо­

232

копрочной вольфрамовой проволокой, в несколько разпревосходят по абсолютной и удельной прочности обыч­

В результате волокна сохраняют высокие свойства при

(с 34,1 до 59,8 кгс/мм2). Предел .прочности при 1100°С

лиевой проволокой, в производство деталей компрессо­ ров двигателей. Эта фирма также производит опытные

233

прочности при комнатной температуре 1230 (123), а при температуре 370°С 700 МН/м2 (70 кгс/мм2). Этот ма­ териал и ему подобные превосходят по своим характе­ ристикам титановые сплавы и могут быть использованы для оперения современных тяжелых самолетов.

Применение армированных материалов в конструк­ циях двигателей позволяет снизить их массу и повы­ сить эксплуатационные характеристики. Например, ар­ мирование основного материала волокнами бора и ис­ пользование этого материала для изготовления лопасти

лов позволяет снизить массу двигателей аппаратов вер­ тикального взлета на 33% и маршевых двигателей — на 45% [153].

В настоящее время ведутся интенсивные разработки применения армированных материалов в самых различ­ ных летательных аппаратах (планеры самолетов

«Nord American Т-39» и «Lockheed 200» винт вертолета

«Bell VH-IF», секции космических кораблей и аппара­ тов, головные участки корпусов баллистических ракет и др.) [154].

Использование волокон бора для армирования ос­ новного материала, применяемого для производства деталей ист,ребителя-бом'ба1рдировщика «Groomman F-111А» (cjmpMa-^General Dynamic»), позволяет снизить массу самолета на 225—250 кг [155].

Если ранее рассматривали примеры использования прочных и жаропрочных армированных материалов (при нагружении растягивающими, сжимающими и изгибающими нагрузками), то следующий пример иллю­ стрирует возможности применения композитного мате­

234

риала с использованием особенностей самого его строе­ ния. В состав материала входят специальный литейный

и твердости первого из сплавов с вязкостью и пластич­ ностью последнего позволяет получить гетерогенную броню с повышенными характеристиками.*

Армированные материалы могут представлять ин­ терес и для работников атомной промышленности. Введение металлических волокон в материалы, приме­ няемые в ядерной технике, позволяет уменьшить их хрупкость, повысить теплопроводность и устойчивость против температурных колебаний. При введении ди­ скретных и беспорядочно расположенных волокон про­

рактеристики и достичь «обратного» механического эф­ фекта, т. е. повысить пластичность весьма хрупких материалов. Следует заметить, что эта сторона процесса армирования изучена наименее полно, но имеет значи­ тельные перспективы.

Волокнистые материалы могут быть использованы при производстве статических уплотнений. Для этого каркас из волокон (проволоку из нержавеющей стали или молибдена) пропитывают составом матрицы (ме­ ди). Такой материал при температуре 640°С выдержи­ вает в течение длительного времени действие нагрузки с напряжением 35 МН/м2 (3,5 кгс/мм2) [152].

Пропитка молибденового каркаса расплавом сереб­ ра позволяет получить материал для статического уп­ лотнения при температуре 650°С и давлении 320 ат

[160—162].

* Пат. (США), кл. 29— 1975 (В32в 15/20 с22с 21/00), № 3539308,

1971.

235

Армированный материал Си — Ti сплав + дискрет­ ные частицы W предназначен для использования в ваку­ умной технике*. Сначала вольфрамовые частицы раз­ мером 1 —10 мкм брикетируют на прессе под давлением 300—500 МН/м2 (30—50 кгс/мм2) в течение 10 мин при температуре 1250°С в восстановительной атмосфере во­ дорода. Затем проволочный каркас пропитывают в ва­ кууме (10-5 мм рт. ст.) расплавом Си+0,5°/о Ti при тем­ пературе 1200—1450°С. Процесс протекает около 1 ч.

Общеизвестно, что в практику сварочных процессов в течение последних 15 лет усиленно внедряют новые материалы, в частности порошковые электродные мате­ риалы, имеющие более стабильные рабочие характери­ стики и повышенный срок службы.

Аналогичное назначение могут иметь и волокнистые материалы. Например, для сварки плавлением алюми­ ния и его сплавов используется материал на основе алюминия или сплава А1+4% Си, армированный во­ локнами карбида кремния, окиси алюминия или оксинитрида алюминия. Длина волокон sg7900 мкм, попереч­ ный размер 3—30 мкм, объемная доля волокна 0,06— 0,3%. Этот материал получают литейными методами армирования и используют для производства сварочных присадочных прутков**.

В качестве электродов для обработки различных ма­ териалов электрическими разрядами*** применяют серебро, армированное дискретными волокнистыми ча­ стицами вольфрама и карбида вольфрама (объемная доля 10—85%). Этот материал получают по классиче­ ской схеме порошковой металлургии: смешивание мат­ ричного порошка и армирующих частиц^ брикетиро­

межуточным отжигом. Материал спекают при темпера­

*Пат. (США), кл. 29— 182.2, № 3353923, 1967.

**Пат. (США), кл. 75—439, № 3492119, 1970.

***Пат. (США), кл. 219—69 (Б23к), № 3459915, 1970.

236

повышенным сопротивлением ползучести. При объем­ ной доле волокон -~20% свинец даже в состоянии, весьма близком к расплавлению, не «вытекает» из кар­ каса (например, сеточного каркаса)волокон. Этот ма­ териал успешно опробован для изготовления подшипни­ ков, работающих без смазки [163].

Принцип армирования может быть с успехом ис­ пользован в электротехнике и электронике. Например, полученная многократным волочением сборной заготов­ ки (сборку вели в несколько стадий) медная проволока, армированная волокнами ниобия, имеет повышенную жесткость и не склонна к ползучести. При использова­ нии такой проволоки для проводов высоковольтной ли­ нии появилась возможность увеличивать расстояния между опорами в 2—3 раза [164]. Это важно, по-види- мому, на участках высоковольтных линий, пересекающих значительные по ширине водные преграды, а также в случае прохождения линий через лесные массивы.

Армированные материалы, кроме того, могут обла­ дать свойствами сверхпроводимости и применяться в мощных, электромагнитных системах. Наиболее распро­ странены проволочные полуфабрикаты на основе алю­ миния, меди, титана и никеля со сверхпроводящими во­

систем Nb—Zn, Nb—Ti, Nb—Zr*. Выплавленные в вакууме слитки после ковки и переплава подвергают го­ рячему прессованию в .вакууме или защитной атмосфе­ ре, затем горячей прокатке, холодному волочению с промежуточными отжигами, меднению и стабилизи­ рующей термической обработке при 400—480°С. На­ пример, при производстве сверхпроводящей проволоки из сплава марки 65БТ (63—68% Nb, 22—26% Ti, 8,5—

товарные знаки», 1968, № 5.

237

подвергают горячей прокатке при 1000°С на среднесорт-

ную' и ротационную ковку, выход годного снижается на

изводят стабилизирующую термическую обработку при

сплав на основе алюминия (10—13% Si, 4,5—5,5% Си и 0,5% Fe), упрочняемый термической обработкой. Пос­ ле закалки с 500±5°С в воде и искусственного старения при 180±5°С в течение 12 ч достигается предел прочно­

личить глубину бурения скважин.

Выделяются из группы волокнистых материалов материалы, полученные в результате схватывания на

238

множестве участков -клубка или пучка из волокон. В этом случае волокна могут иметь самые различные прочностные и пластические характеристики, могут иметь или не иметь .покрытия. Эти материалы могут быть пористыми или с вязким наполнителем. В част­ ности, сушка суспензии образцов .проволоки из меди,

вом спирте при -комнатной температуре в течение суток позволяет получать высококачественные -металлические фильтры [99]. Фильтровые элементы получают также виброуплотнением проволочного нихромового или мо­ либденового «войлока», состоящего из волокон диамет­ ром 40—100 мкм, длиной 5—12 мм. Наиболее эффектив­ но процесс вибрационного уплотнения протекает при использовании вибрационно-импульсного вибратора, работающего при частоте 150—100 Г-ц, амплитуде 40— 50 мм и пиковой форме импульса колебаний. Волокни­ стые фильтры имеют пористость до 98% и значитель­ но превосходят по этому показателю пористые по­ рошковые фильтры (пористость до 47%). При равной пористости прочность и проницаемость волокнистых фильтров намного выше, чем порошковых. Например, при пористости 32% проницаемость у волокнистых фильтров в 4 раза выше, чем у порошковых. Максималь­ ная проницаемость волокнистых фильтров повышается

239

при использовании волокон с совершенной поверхно­ стью. Поэтому в фильтрах лучше применять проволоку, чем волокна, получаемые резкой из полос, экструдированием, и металлическую «шерсть». Наиболее стой­ ки двухслойные фильтры. Слой, обращенный к очища­ емой жидкости, лучше выполнять из волокон большего сечения.

Спрессовывание волокон позволяет получить по­ мимо фильтров материалы других назначений. Напри­ мер, спрессовывание волокон из бронзы или нержа­ веющей стали диаметром 0,6—1,2 мм позволяет полу­ чать транспирационный материал, пропускающий газы и жидкости и используемый в противообледенительных системах. В частности, пластины из этого материала, имеющие пористость 15—20%, устанавливают на лобо­ вых участках «рыла и на хвостовом оперении самолета

[166].

В указанных противообледенительных системах ис­ пользуют либо горячий воздух (-~'350°С), либо специ­ альную жидкость — антифриз.

Кроме того, волокнистые транспирационные мате­ риалы используют для охлаждения высокотемператур­ ных узлов, для проведения химических реакций в кипя­ щем слое, для смешивания газов либо жидкости, в системах сушки, а также в процессах обогащения по­ лезных искомаемых.

Использование пористых волокнистых материалов для охлаждения может быть весьма эффективным. На­ пример, пористая тазоохлаждаемая нержавеющая сталь успешно работает в атмосфере продуктов сжигания тя­

Другим видом пористых волокнистых материалов являются «потеющие» материалы. Их используют в самолетной и ракетной технике для охлаждения быстро испаряющимися жидкостями. В частности, «потеющие» материалы из нержавеющей стали, никелевых и кобаль­ товых сплавов используют для охлаждения камер сго­ рания газовых турбин ракетных двигателей и МГ'Д-ге-

240