2. Металев1 матриц! та композицШш матер1али на ТхнШ основ!

Зростаючий обсяг застосування композищйних MaTepianiB у вщповщальних конструкщях привернув пильну увагу до розробки i •застосування метод!в, що дозволяють передбачити поведшку таких конструкцШ пщ час навантаження. Ферми, балки, рами й тонкостшш елементи зараз е найбшьш розповсюдженими конструющями, яы виготовляютъ з композищйних MaTepianiB з металевою матрицею.

Найбшьш перспективним i широко вживаним металокомпозитом е система алюмшШ - бор.

Mamvuui на ocHoei алюмтю

Алюмшга та сплави на його ocHoei, що використовуються в якост} матриш КМ, випускаються промислов1стю у випвдй зливюв, лиспв, стр1чок, (|юльги, прутиыв, дроту й порошку. Головними вимогами, що ставляться до матриць на основ! алюмшю та його сплав1в, е сум1сшсть з материалом ирмуючих волокон за температур отримання й ексшгуатацп КМ; висои шачсння мщносп й достатнып пластичносп за нормально! i гадвищеноТ гемпфатур; висоы технолопчш властивосп й корозШна стШюсть.

У залежносп в in технолопчиих особливостей отримання КМ i типу ■■«локон для матриц! застосовують алюмжш, та його сплави — ливарш й

Taici, що деформуються.

Змщнення алюмшно високомщними i високомодульними волокнами дозволяе створити КМ з пшвшценими пито мою мщшстю i питомою жорстгастю, жаростШыстю та регульованою ашзотротею властивостей. В КМ на основ! алюмшно матрицею служать сплави ДЦ-1, АМг-6, АМЦ, АМг-3, Д16, 2024, 7075. Армуючими елементами - волокна стал!, бору, борсику, вуглецю i карбщу кремнйо. Окр^м того, розроблено КМ на основ! алюмшно з волокнами вольфраму, мол1бдену, берилйо, тиггану i Si0₂. BiflOMi КМ на основ1 алюмшйо, армоваш вусамн А1₂Оэ, SiC.

При виготовлеш КМ на ochobi алюмгаю застосовують рщинш i твердофазт методи (гаряче пресування, прокатку, екструзно, зварювання вибухом), а також процеси осаджсння. Так, за допомогою гарячого пресування отримують КМ Al-В, алюмшШ-борсик, Al-Ве, алюмшш-сталь, А1- SiC, А1- SiOj, вихщними матрнцями для котрих с фольга, сщнчка, лист чн порошок.

Процес здШснюеться у вакуум!, на noBiTpi чи в захиснШ атмосфер! i контролюеться напруженням текучосп чи повзучосп матричного MaTepiany. Для зннження температури i тнску можуть використовуватися допом1ж1п засоби - припоТ, легкоплавю чи там, що утворюють евтектику, метали. Недолк методу - прернвтсть процесу.

Параметри процесу отримання КМ з об'емною часткою волокон кору 0,5 так1: час - 1 год. тиск - близько 50 МПа, температура - 753 К. Цим способом можна отримати багатошаров1 стр1чки, листи, стрижш, профш, лопатки компресор1в i Typ6in.

Прокаткою виготовляють КМ, що армоваш металевим дротом, наприклад КМ. Al-В, алюмшй - сталь. Процес здШснюеться за температури (0,7...0,9) Т_пл i е нашвбезперервним чи гювшстю безперервним.

Недолш: при великих ступенях обтискування вибуваеться руйнування волокон. Щоб запоб1гти цьому явищу, застосовують поперечну прокатку. При цьому внкористовуеться матриця у вигляд1 фольги, стр1чки, листа чи порошку. Прокаткою можуть бути отримаш КМ у форм1 багатошаровоТ стр1чки, лисив, балок.

Методом екструзи з КМ виготовляються прутики, труби, армоваш безперервними чи дискретними, переважно металевими волокнами. Екструз1я здШснюеться як у холодному, так i в гарячому сташ заготовки. Матриця використовуеться у вигляд1 порошку, прутиюв i трубчастих заготовок. Як правило, екструз1я здШснюеться в спещальних контейнерах.

Останшм часом зварюванням вибухом виготовляються КМ, армоваш металевими волокнами, наприклад алюмшй - сталь, достоинством методу е його невисока вартють i можливють отримання лиспв та вироб1в великого розм1ру; недол!ком - руйнування крихких волокон бору, карбщу кремшю i т. ш. Цим методом можна виробляти листи, плити, труби, оболонки.

Процеси осадження, що полягають у напиленi чи осадженш мат­ричного матер1алу, який застосовують звичайно у винищ порошку чи дроту, наприклад при плазмовому напилеш, не е остаточними. Вони дозволяють щрпмувати натвфабршсати для наступного ущшьнення. Найбшьш |И1 июисюджсним i доступним е нашвфабрикат системи А1 - В, отриманий и пн 1М0ВИМ розпиленням алюмшно з дроту на opieHTOBaHi волокна бору.

Рщиннофазовими процесами, що полягають у просочуванш розплавом шмомпню i його сплав'ш армуючих волокон, можна виробляти КМ А1 - В, А1 С, А1 - B/SiC, А1 - SiC, А1 - В, алюмшш - сталь. Процес здШснюеться у п.псуу vri чи контрольова!пй атмосфер! за температуря приблизно 973 К. Для |<пюб1гання взаемодп волокон бору чи стал] з розплавом застосовуються покритгя, а для полшгаення змочуемосп волокон розплавом - також покритгя чн моверхнево-активш речовини.

Системи Al-В г алюмтш-борсик

КомпозицШш матер1али А.1-В i алюмшш-борсик сполучують у co6i imcoKi MiimicTb, жорстюсть, а також невелику густину з хорошою шхиолопчшстю i конструкцШною налшшстю матриц! з алюмцйевих сплэрЛв. ( исгеми Al-В пор!вняно з пол1мерними КМ бшьш MiuHi у напрямках, що шдрпняються вщ напрямку укладання волокон. Вони мають висом електро- i гиплопровщшсть, пластичшсть, ударну в'язюсть i абразивну стШюсть. На них краще наноситься покритгя, вони уможливлюють терм1чну обробку, во- jiorocriftid, не займаються. Конструкци з цих КМ здатш працювати за иисоких температур.

Алюмшш та його сплави за пщвшцених температур xiMi4HO активш i схильн1 до взаемодп з волокнами бору в умовах отримання КМ i сксплуатаци. Взаемод1я призводить до утворення крихких реакщйних зон i шиження мщносп волокон i КМ.

Волокна бору з алюм1шевою матрицею починають реагувати вже на стад» отримання КМ рщинно- i твсрдофазовими методами. Особливо штенсивно ця реакщя вщбуваеться за температур понад 833 К. В штерват температур пресування 753...833 К зниження мщносп волокон бору не шачне. ГНсля пресування за температури 753 К лише в окремих мюцях на поверхш витравлених волокон видно сшди взаемодп. В основному поверхня rficpirae характерну для вихшних волокон структуру «кукурудзяного качана».

Для зменшення взаемодп застосовують волокна борсику. Вико- ристання волокон борсику i волокон бору, П01фиття штридом бору дожоляють значно шдвищити температуру пресування, скоротити час ироцесу, а також забезпечують отримання безпорового монолггного ма ivpiany з високою мщшетю зв'язку.

Основним методом виробництва КМ на ochobi алюмшйо i його сплавлв, мрмонаних волокнами бору, е дифузшне зварювання, HaBiTb застосовусться нросочення в вакуум! i заливання. Матриця для дифузШного зварювання шшннна мати вигляд фольги чи порошку. Здшснюеться зварювання у дв1 сшдп: за шдвищеноУ i зниженоТ температур у вакуум! i за розр1дження до fi,7 10 ’ МПа або в контрольованШ атмосфер! чи воднь

Головш параметри процесу таю: температура - 853 К, тиск - 30 МПа, витримування -120 с (високотемпературна стад1я); температура - 727...773 К, тиск 35...50 МПа, витримування - 1 800...5 400 с (низькотемпературна стад!я). Ушдльнення вшбувасться в прес-форм1 i в камер! з контрольованою атмосферою, в газостап або автоклавах. Мщшсть КМ залежить вщ режиму виготовлення. Так, при пресуванш на noehpi мщшсть волокон знижуеться приблизно на 15 %, а при пресуванш в аргош - на 13 %.

ДифузШним зварюванням виготовляються багатошаров! листи, плити, труби, прутики та mini профш. Прокатку для отримання композишйних матер1ал]в алюмшй - бор застосовують дуже рщко i провадять найчастйне з невеликими ступенями деформаци за кшька проходжень. Мйипсть КМ сплаву алюмшй - бор залежить вщ методу отримання i режтшв технолопчного процесу, властивостей MaTcpiarry, що застосовуеться для зшцнювана i матрищ, вм(сту армуючих елеменпв у КМ, напрямку Тхнын укладки, марки сплаву матриц!, д1аметра змщнюючих волокон i температури випробувань.

Композицшш матер!али на основ! алюмшю з'еднуються за допомогою паяння, дифузШного, дугового i точкового зварювання, болтових, заклепкових, клейових, клейозварювальних та клейобовтових з'еднань.

Здатшсть до формоутворення металевих КМ визначаеться природою змщнюючих волокон.

Матер1али, що змщнеш металевими волокнами, здатш до значних формозмшювань. Метали, армоваш крихкими неметалевими волокнами, або зовс1м не здатш до формозмшювання, наприклад Al-С, або ж здатш до обмежено'1 деформацп, як А1-В.

Бшышсть металевих КМ, що армоваш металевими волокнами, задовшьно поводяться шд час мехашчноТ обробки.

КомпозицШш матер1али, леговаш волокнами бору i борсику, через високу мщшсть волокон практично не шддаються мехашчнШ обробщ. Для прямолшйних розр1з'1в застосовуеться абразивне р1зання. Отвори в КМ А1 - В утворюють шляхом ультразвукового i електроерозшного прошивания. Для розр1зання лист на детага складного профшо використовують електроюкров1 верстати з рухомими дротинками, як! е рпальним шструментом.

КМ на основ! алюмшно призначеш головним чином для ашащйно? i косм1чно! техшки, де висока вартссть первинних розробок може окупатися за рахунок виграшу в досягненш кращих експлуатащйних характеристик. КМ на ochobi алюмшю можуть використовуватись за температур до 725 К. 3 них виготовляються детал1 газотурбшних двигушв лтв та шших лкальних апарапв.

В л1тератур1 повщомляеться про нов! розробки КМ з металевою матрицею. Багато уваги, звичайно, придшясться матер1алам з алюмшю i його сплав1в. Це зрозумшо, бо вш - найбшьш розповсюджений метал з низькою густиною i найбшьш дешевий, хоча в технолопчному вщношенш не дуже зручний через свою актившсть.

OicpiM борних волокон i коротких волокон карбщу кремшю зараз для металевих матриць почали застосовувати й imni волокна, наприклад иуглецевц А1₂0₃, нприди, стальний чи вольфрамовий др{т.

Багато уваги придшясться також КМ з керам1чною матрицею, в тому чиш й безкисневою. Застосовуються матриц! з штрщцв, наприклад, Si₃N₄, AIN, оксщцв (Zn0₂), а в якосп наповнювача найчаспше - нитки SiC, А1₂0₃ (волокна), техшчш алмази i т. iH.

Матер1али з керам1'чною матрицею широко застосовуються в якосгп шструментальних, а також в ав1абудуванш, автомобшьнШ промисловостд - для пщшипниюв, турбшних лопаток i багатьох шших вироб!в.

Великий штерес до композищйних Maxepijuiie визвано тим, що Тх можна створювати з багатьма попередньо визначеними властивостями, при цьому економити також вихщш ресурси для отримання Тх i знижувати спергстичш затрата [9,18 - 24].