Технология конструкционных материалов

чеством включений бериллия и характеризуется высокой пластично­ стью. Чем больше содержится в сплавах бериллия, тем выше их проч­ ность и жесткость. Промышленное применение получили сплавы, содержащие 5...80 %Be. Всеэти сплавы эвтектические и в неравновесных условиях кристаллизации эвтектика как бы «вырождается»: структура сплавов состоит из мягкой пластичной матрицы практически чистого алюминия и включений частиц твердого и хрупкого бериллия. Сплавы бериллия и алюминия пластичнее чистого бериллия и обладают высо­ кими прочностными свойствами и жесткостью. Так, сплав, содержа­ щий 24 %А1, имеет<тв=620 МПа, о0 2 = 510 МПа, 8=3 %,Е= 260 ГПа.

Легирование двойных сплавов элементами, растворимыми в бериллиевой фазе, ухудшает свойства этой фазы и сплавов в целом, а легирование элементами, растворимыми в алюминиевой фазе, — улучшает. Наиболее благоприятно на свойства сплавов влияет допол­ нительное легирование магнием в пределах его растворимости в алю­ минии. Однако значительный эффект упрочнения при одновре­ менном повышении пластичности наблюдается у сплавов с малым количеством бериллия. При содержании в сплаве более 70 % Be резко ухудшается пластичность и практически не изменяется прочность. Добавка к сплаву с низким содержанием бериллия (30 %) 5 % Mg уве­ личивает ств с 200 до 400 МПа, 5 — с 18 до 25 % при повышении Е до 150...300 ГПа.

Легирование бериллия элементами, расширяющими температур­ ную область существования пластичной высокотемпературной моди­ фикации Вер (Ni, Со, Си и др.), увеличиваеттемпературный диапазон горячей обработки давлением. Эти элементы повышают прочность и снижают пластичность при 20 °С. Никель (< 0,5 %) и кальций (< 1 %) вызывают увеличение прочности при повышенных температурах. Однако самыми высокими показателями в этом случае обладает бе­ риллий с повышенным содержанием ВеО (до 4 %), полученный мето­ дом порошковой металлургии.

Сохраняют прочность до очень высокой температуры интерметаллидные соединения бериллия с переходными металлами (Та, Nb, Zr и др.) — так называемые бериллиды. Они имеют высокую температуру плавления (-2000 °С), высокую твердость (500...1000 HV), жесткость (Е ~ 300...350 ГПа) при сравнительно низкой платности (-2,7...5 г/см3). Однако бериллиды очень хрупкие. Из них методами порошковой ме­ таллургии изготавливают мелкие несложные по форме детали для систем управления и гироскопов.

Глава 7

КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

7.1. Классификация композиционныхматериалов

Композиционными материалами {КМ) называют материалы, создан­ ные из двух или более компонентов, различающихся по химическому составу, разделенные ярко выраженной границей с новыми свойства­ ми, отличающимися от свойств компонентов. Свойства, размеры, форма и распределение компонентов в КМ проектируются заранее и формируются в процессе изготовления. КМ подразделяют на волок­ нистые, слоистые и упрочненные дисперсными частицами (рис. 7.1). Компонент, непрерывный в объеме КМ, называютматрицей, преры­ вистый — армирующимэлементом. Взависимости от геометрии арми­ рующих элементов и их взаимного расположения свойства КМ могут быть одинаковыми во всех направлениях — изотропными (дисперс­ но-упрочненные КМ) и различными — анизотропными (КМ, упроч­ ненные непрерывными волокнами, ориентированными в определен­ ных направлениях).

КМ, армированные стекловолокнами, называют стеклопластика­ ми, металлическими волокнами — металлопластиками, борными — боропластиками, углеродистыми — углепластиками и т. д.

По способу изготовления КМ подразделяют на полученные жид­ ко- и твердофазными методами, методами осаждения — напыления и комбинированными методами. К жидкофазным методам относят пропитку арматуры полимером или жидким металлом, а также на­ правленную кристаллизацию. К твердофазным методам относятся прессование, прокатка, экструзия, ковка, сварка взрывом, волоче­ ние, диффузионная сварка, при которых компоненты формируются в КМ, где в качестве матрицы используют порошки или тонкие лис­ ты (фольги). При получении КМ осаждением — напылением матрица наносится на волокна из раствора солей, парогазовой фазы, плазмы. Комбинированные методы предусматривают совмещение нескольких методов. Например, пропитку или плазменное распыление исполь­ зуют в качестве предварительной операции, а прокатку, прессование или диффузионную сварку — окончательной.

Рис. 7.1. Схема расположения упрочнителей

вкомпозиционных материалах:

а— волокнистых; б —слоистых; в — дисперсно-упрочненных

Волокна — наиболее часто используемый армирующий элемент — несут внешнюю нагрузку. Они должны обладать низкой плотностью, высокими прочностью и модулем упругости, химической стойкостью

итехнологичностью изготовления, минимальной растворимостью

вматрице, отсутствием фазовых превращений, нетоксичностью. Свойства волокон должны быть стабильны в условиях эксплуатации. В табл. 7.1 приведены свойства некоторых упрочняющих волокон.

Роль матрицы — придание формы изделию, защита волокна от окисления и повреждений, передача усилия на волокна.

Упрочнение алюминия, магния и титана и их сплавов высоко­ прочными или высокомодульными волокнами позволяет создавать КМ с высокой удельной прочностью и жесткостью и регулируемой анизотропией. Под удтьнойпрочностью понимают прочность ма­ териала, отнесенную к его плотности: оуд = ojy . Под удельной же­ сткостью понимают отношение модуля упругости материала к его плотности: 2Гуд = Е/у. В качестве армирующих элементов использу­ ют волокна бора, борсика, углерода (УВ), карбида кремния, высоко­

Жаропрочные КМ изготавливают на основе сплавов никеля и ко­ бальта, упрочненных керамическими (SiC, Si3Ni4, А12Оэ) и углеродны­ ми волокнами. КМ применяют для изготовления тяжелонагруженных деталей газотурбинныхдвигателей, камер сгорания, тепловых экранов, жаростойких труб и т. д.

Свойства некоторых волокнистых КМ с металлической матрицей представлены в табл. 7.2.

7.2. Особенности получения КМ жидкофазными методами

Выбор метода получения КМ основан на анализе межфазного взаи­ модействия компонентов, их химической и механической совмести­ мости. Химическая совместимость — это способность компонентов в условиях эксплуатаций не образовывать хрупких химических со­ единений, которые разрушаются под действием внешней нагрузки. Металлы в КМ могут образовывать твердые растворы, механические смеси или хрупкие химические соединения. Если в зоне соединения компонентов КМ не образуется хрупких йнтерметаллвдных соедине­ ний, а формируется пластичный переходный слой, то такой КМ обла­ дает высокими эксплуатационными свойствами. Прочность связи компонентов определяется их химической и механической совмести­ мостью по модулям упругости, коэффициентам термического расши­ рения, пределам прочности и показателям пластичности.

Пропиткой волокон расплавленным металлом или термореак­ тивными смолами получают изделия любой конфигурации без до­ полнительной механической обработки (рис. 7.3). Прочность связи компонентов определяется смачиваемостью поверхности армирую­ щего элемента жидкой матрицей. Пропитку проводят при нормаль­ ном давлении, вакуумным всасыванием, под давлением и комбини­ рованным методом.

Наиболее перспективный метод — это непрерывная пропитка волокон расплавленным металлом или термореактивными смолами с формованием профиля протягиванием КМ через фильеру (рис. 7.4). Использование дискретных (коротких) волокон позволяет изготав­ ливать КМ во вращающейся форме. К волокнам для повышения смачиваемости расплавом прикладывают ультразвуковые колебания. Однонаправленная структура формируется с помощью электромаг­ нитного поля.

Рис. 7.3. Схема устройства для укладки волокон:

1—непрерывные волокна; 2 — бункердля подачи пластмассы; 3 —формую­ щий ролик; 4 — нагреваемая поверхность; 5 — направляющие пазы

Рис. 7.4. Схема изготовления пропиткой волокнистых КМ с полимерной матрицей:

1 — предварительная сушка волокон; 2 — ванна с термореактивной смолой; 3 — формующие фильеры; 4 — полимеризатор; 5 — печь; 6 — формующая фильера; 7— печь; 8 — охладитель; 9 —тянущее устройство; 10 —устройство для резки на мерные длины

7.3. Особенностиполучения КМ твердофазнымиметодами

В твердофазных методах получения КМ материал матрицы имеет вид порошка, фольги, листов, ленты; волокна могут быть непрерывные, дискретные, в виде ткани и жгутов. Для получения КМ используют высокопроизводительные процессы обработки давлением: прокатку

(теплую или горячую), прессование в пресс-формах с обогреваемыми плитами, динамическое горячее прессование, горячее прессование, экструзию, взрывное компактирование, диффузионную сварку. В ка­ честве исходныхзаготовокдля обработки в твердой фазе могут исполь­ зоваться КМ,полученныелитьем или методомосаждения-напыления.

Кроме волокон в качествеармирующего элемента используюттак­ же нитевидные кристаллы, получаемые осаждением из газовой фазы, выращиванием в электрическом пбле, кристаллизацией из раство­ ров. Волокна изготавливают с аморфной (стекловолокно, кремние­ вые волокна), композиционной (борные) и кристаллической (угле­ родные) структурой. Борные волокна получают’осаждением бора на вольфрамовую проволоку (диаметром 22,5 мкм) в виде покрытия; уг­ леродные — карбонизацией и графитизацией полиакрилонитрильных (ПАН-В) или гидроцеллюлозых (вискозных; Гц-6) волокон. Кера­ мические волокна (MgO, А120 3, Zr02, НО, SiC, Si3N4, В4С) получают из расплавов, осаждением из газовой фазы или методами порошко­ вой металлургии. Металлические волокна (проволока) изготавлива­ ют механически, электрохимически или формованием из расплава

сиспользованием фильер.

Вкачестве металлической матрицы используют сплавы алюми­ ния, магния, меди, кобальта. Керамической матрицей могут быть ок­ сиды алюминия, циркония, магния, карбиды титана, кремния, бора, нитриды кремния, бора, титана, алюминия и т. д. Основой полимер­ ной матрицы являются термореактивные смолы (фенолформальдегидные, эпоксидные).

Взависимости от назначения и условий работы изделия выбирают компоненты КМ, объемную долю каждого из них, их расположение и размеры. Для двухкомпонентных КМ, армированных непрерыв­ ными волокнами, прочность КМ определяют по уравнению адди­ тивности

<*км

где о#— временное сопротивление волокна, МПа; ош— приведенная прочность матрицы, МПа; Vf — объемная доля волокна, %; кр кт— коэффициенты, зависящие от условий работы волокна и матрицы. В этихкоэффициентахучитывается разброс прочности волокон, их разориентация, пористость матрицы, наличие внутренних напряжений.

Применение в КМ дискретных (коротких) волокон требует созда­ ния условий, при которых волокна не вытягиваются из матрицы,

а воспринимают нагрузку. Прочное сцепление волокна и матрицы определяется длиной волокна, которая должна превышать критиче­ ские значения. Критическую длину 1кропределяют из соотношения

LP=^d/2x,

где d, av —диаметр (мм) и временное сопротивление волокна (МПа); т — прочность на сдвиг между матрицей и волокном.

Прочность КМ с дискретными волокнамидостигает 90 % прочности КМ с непрерывными волокнами. Использование высокопрочных воло­ кон с низкой плотностью позволяет получить высокие удельную проч­ ность и удельную жесткость. По удельной прочности КМ превосходят лучшие литые и деформированные титановые и алюминиевые сплавы.

7.4. Методы и условияполучения эвтектических КМ

Эвтектическими КМ называют материалы, полученные кристаллиза­ цией из сплавов эвтектическогосостава, в которыхармирующей фазой служат ориентированные волокна или пластинчатые кристаллы, об­ разованные в процессе направленной кристаллизации. Направлен­ ную кристаллизацию осуществляют перемещением расплава в зону охлаждения с постоянным температурным градиентом (метод Бридж­ мена). Эвтектические КМ получают, создавая плоский фронт кристал­ лизации. Температурный градиент составляет 50...70 °С/см, в усовер­ шенствованных конструкциях — до 500 °С/см. Если объемная доля армирующей фазы менее 12%, образуется волокнистая структура, свыше 32 % — пластинчатая. С ростом объемной доли упрочнителя прочность эвтектических КМ повышается.

Эвтектические КМ изготавливают на основе сплавов алюминия (Al-AljNi, A1- C UA12, Al—Be, Al-Si), никеля (Ni—NiBe, Ni—Сг, Ni-NiM o, Ni-W), кобальта (Co-CoAI, Co—NbC, Co-Co7N6, (Co—Ni—Cr-Al-TaC) и т. д.

Высокопрочные эвтектические КМ имеют совершенную структуру, термически стабильную вплоть до температур плавления эвтектики.

Эвтектические КМ применяют для изготовления высокопроч­ ных электрических проводов и выключателей, лопаток, крепежа и камер сгорания газотурбинных двигателей, деталей конструкций са­ молетов и ракет, в электронике и энергетических установках косми­ ческих аппаратов.