Разделы сайта

Читаемое

Обновления Nov-2017

Промышленность Ижоры -->  Керамические композиционные материалы 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 [ 33 ] 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123

ных частицами, зависят от равномерности распределения частиц в матрице. Методы количественной оценки равномерности распределения частиц в матрице базируются, в основном, на обработке метадлофафи-ческих изображений структуры КМ [6].

Изотропный дисперсионноупрочненный КМ марки ДКА-1К на основе алюминиевого сплава системы Al-Mg, армированный дисперсными тугоплавкими частицами карбида кремния, при 20%-ном объемном содержании дисперсной компоненты имеет удельную прочность и жесткость в 1,5 раза выше, чем у алюминиевых сплавов, применяемых в судостроении, и обладает исключительно высокой для материалов этого класса жаростойкостью, т. е. способен определенное время (до 30 мин) работать при температурах вплоть до 900 °С без изменения формы. Это имеет большое значение для обеспечения пожаробезопасности судов с динамическими принципами поддержания [7].

Объединение высокопластичной алюминиевой матрицы и высокопрочных нитевидных кристаллов и частиц позволяет получать антифрикционные материалы с гетерофазной структурой [6]. В табл. 3.3 дана характеристика влияния армирования частицами на сопротивление износу алюмоматричных КМ.

КМ с алюминиевой матрицей применяются для изготовления некоторых деталей транспортных средств. За рубежом они впервые были использованы для производства дизельных двигателей фирмой Toyota в 1982 г. [8]. К основным преимуществам их использования относятся в основном уменьшение массы детали, снижение износа, увеличение срока службы.

Волокнистые композиционные материалы (ВКМ) с алюминиевой матрицей отличаются высокими упруго-прочностными свойствами. Для армирования алюминиевой матрицы используют борные, углеродные,

Таблица 3.3. Влияние армирования частицами на сопротивление износу алюмоматричных КМ

Характер влияния армирования частицами

Положительный

Отрицательный

Перераспределение нагрузки (повышение несущей способности)

Повышение сопротивления схватыванию, образованию задиров

Повышение термической стабильности

Ускоренное деформационное упрочнение

Формирование мест преимущественного зарождения трещин

Ускорение распространения трещин

Формирование третьего тела , содержащего твердые частицы

карбидокремниевые и оксидные (AI2O3) волокна. При выборе материала для армирования алюминиевой матрицы следует отметить тот факт, что благодаря высокой пластичности матрицы допускается значительная разница в коэффициентах линейного термического расширения матрицы и волокон. Основными операциями технологии производства ВКМ с алюминиевой матрицей являются получение ВКМ методом плазменного напыления матричного сплава на слой армирующих волокон и компактирование собранного из них пакета в изостатических условиях. При такой технологической схеме удается полностью устранить разори-ентацию волокон отдельных монослоев и без затруднений набрать исходный пакет для формирования листов толщиной, изменяющейся в достаточно широком диапазоне. Кроме того, к достоинствам данной схемы относится возможность получения длинномерных заготовок, а также использование различных видов волокон при единой схеме технологического процесса.

Термообработка волокнистых КМ с алюминиевой матрицей приводит к уменьшению прочности и повышению модуля упругости, кроме того, прочность растет с понижением температуры нагрева заготовки. Преимущественным механизмом разрущения является сдвиговое разрушение вдоль волокна, что свидетельствует о малой прочности границы раздела матрица-волокно. Волокнистые КМ с алюминиевой матрицей отличает высокая демпфирующая способность, что обеспечивает надежность и долговечность при работе в условиях сильных вибраций.

Наибольшее распространение среди КМ благодаря лучшему комплексу технологических, коррозионных характеристик и достаточно высоким механическим свойствам получил класс конструкционных материалов, называемых боралюминием. Примером могут служить такие композиции как Д20-АД1-В, АД1-АМг6-В и др. Типичными представителями бора-люминиев являются материалы марки ВКА-1, ВКА-1Б. Конструкционные волокнистые композиционные материалы на основе свариваемого коррозионностойкого алюминиевого сплава марки 1561, армированного высокопрочными высокомодульными непрерывными волокнами бора (материал марки ВКА-1 Б) и тонкой стальной проволокой ВНС-9 (материал марки КАС-1), разработаны целенаправленно для использования их в качестве усиливающих элементов (в направлении действия главных напряжений) в высоконагруженных корпусных конструкциях из алюминиевого сплава судов [7]. Данные КМ относятся к разряду анизотропных, максимальные прочность и жесткость реализуются в направлении армирования в соответствии с законом аддитивности [7]. Ниже приве-



дены типичные физико-механические свойства КМ марок ВКА-1Б и КАС-1 в направлении армирования при объемном содержании армирующих волокон 40...45 %.

ВКА-1Б КАС-1

Предел прочности, МПа:

при растяжении............................................................ 1100 1300

при изгибе..................................................................... 1500 1400

при сжатии....................................................................>2000 1400

Модуль нормальной упругости, ГПа............................ >200 110

Плотность, т/ж................................................................................ 2,65 4,2

Прочность при сдвиге, МПа......................................... 150 140

Ограниченный предел усталости

на базе 2-10 цикл., МПа............................................. 700 400

Удельная прочность при растяжении, км.................... >40 30

Удельная жесткость, км..................................................>7500 2600

По уровню физико-механических свойств композиционные материалы марок ВКА-1Б и КАС-1 не уступают лучшим металлокомпозитам фирм Avco Speciality Materials Div. , DWA Composite Speciality*, Dural Aluminium Composite Соф. [7]. Как видно на рис. 3.3, по удельной прочности и жесткости композиты ВКА-1Б и КАС-1 в 2-3 раза превосходят все современные судостроительные металлические конструкционные материалы (сталь, титановые и алю-

Е/у, км

CTg/y, км

П - 8000

- 6000


- 4000

- 2000

I/ КАС-1 ВКА-Тб Алюминиевый сплав 1940 Титановый сплав 58 Высокопрчная сталь

Рис. 3.3. Удельные прочность и жесткость стали, титановых, алюминиевых сплавов и композитов

миниевые сплавы). Металлоком-позит марки ВКА-1Б обладает наиболее высокой среди всех металлических гомогенных материалов прочностью при сжатии. Ограниченный предел усталости его на базе 2-10 циклов составляет = 0,7 предела прочности при растяжении (ад>700МПа), в то время как для гомогенных металлических конструкционных материалов он не превышает 0,4ад.

В ЦНИИ КМ Прометей разработана технология изготовления из данных полуфабрикатов широкого сортамента (листы длиной до 6000 мм, толщиной до 10 мм, трубы с продольным армирова-

нием диаметром до 600 мм, профили различного сечения, детали сложной формы) с использованием плазменного (в том числе двустороннего) напыления матричного материала, газостатического прессования, ва-куумно-компрессионной пропитки расплавом, механического легирования и порошковой металлургии [7].

Анализ напряженного состояния конструкции планера экраноплана показывает, что КМ с однонаправленной структурой могут быть использованы наиболее эффективно в качестве продольных силовых связей или как локальное усиление штатных элементов корпусных конструкций, работающих на сжатие: пояса лонжеронов, ребер жесткости и обшивки верхних растяжек носового крыла и стабилизатора, продольного набора обшивки и поясов шпангоутов днища и средней части корпуса, киля и т. п. Наиболее эффективным материалом для усиления корпусной конструкции из алюминиевых сплавов следует считать высокопрочный высокомодульный металлокомпозит марки ВКА-1Б [7].

Использование КМ на основе алюминиевых и магниевых сплавов с волокнами В, SiC, обладающих высоким уровнем прочности (1200...1400 МПа) и модулем упругости (230000 МПа), перспективно для изготовления рабочих и статорных лопаток вентилятора, работающих при 350...400 °С. По удельной прочности и жесткости материал превосходит эти сплавы в 2-3 раза.

КМ с магниевой матрицей. КМ с магниевой матрицей отличаются малой плотностью. В качестве матричных сплавов применяют сплавы МА2-1, МА5, МА8 и некоторые другие. При создании КМ с магниевой матрицей применяются углеродное и борное волокна и волокно карбида кремния. Для изготовления данных КМ могут быть использованы технологии пропитки, компрессионного литья и горячего изостатического прессования. В табл. 3.4 приведены свойства КМ магний/волокно SiC.

КМ с титановой матрицей. Для упрочнения титановой матрицы используется целый ряд соединений, к ним относятся TiBj, TiN, В4С, ZrC, SiC, TiB, TiC и AI2O3. В табл. 3.5 приводится сравнение свойств титана и керамических упрочняющих частиц.

TiB, В4С и TiC отличаются высокими модулями Юнга, что делает их безусловно

Таблица 3.4. Свойства композиционных материалов магний / волокно SiC

Содержание волокна, % (об.)

Е, ГПа

5, %

1000

0,83

1379

180,6

0,95

1524

209,6

0,88



Таблица 3.5. Механические свойства титана и керамических упрочняющих фаз

Материал

Модуль Юнга, ГПа

Коэффициент линейного расширения, х 10~ К

a-Ti

Ti-6AI-4V

AI2O3

привлекательными в качестве упрочнителей, однако это не является единственным критерием при выборе упрочняющих частиц. TiB и AI2O3 имеют близкие к титану коэффициенты линейного термического расширения, что решает проблему остаточных напряжений при обработке.

При выборе упрочняющей частицы следует учитывать стабильность упрочняющей фазы в титановой матрице. Проблема заключается в формировании охрупчивающихся зон реакции, вследствие высокой химической активности титана в процессе производства КМ. Например, значительные зоны реакции с образованием соединений TiC и Ti5Si3 отмечались вокруг частиц SiC. При создании волокнистых композиционных материалов Ti-SiC основной задачей была разработка покрытий, включающих углерод и TiBj, толщиной около 5 мкм, призванных уменьшить скорость реакции. Однако данный подход, из практических и экономических соображений, неприемлем к КМ с упрочняющими частицами. В результате исследований компании DERA установлено, что частицы AljOj приводят к образованию интерметаллида TiAlj [9]. Частицы TiC нестабильны при обработке, быстро растут и образовывают целый ряд соединений. Частицы TiB отличаются стабильностью, это объясняется низкой растворимостью бора в титане [< 0,001 % (ат.)]. Таким образом, упрочняющая фаза не должна вступать в реакции с матрицей и сохранять стабильность при температурах обработки. В наибольшей степени этим требованиям соответствуют частицы TiB, коэффициент термического расширения которых близок коэффициенту титана, а модуль Юнга отличается высоким значением. Поэтому в настоящее время особое внимание уделяется именно композиционным материалам Ti-TiB [9].

При производстве КМ с титановой матрицей используются различные технологии, в том числе порошковые. При использовании порошковых технологий необходимо применять компактирование, которое включает холодное прессование и спекание, горячее изостатическое прессование или прямую экструзию порошка. Холодное прессование является самым оптимальным по затратам методом. ГИП отличается более высокой стоимостью, однако обеспечивает значительно меньшую пористость, эффективность данного метода увеличивается по мере увеличения размеров обрабатываемой партии. При производстве таких КМ, как Ti-TiB, Ti-6Al-4V-TiB2, используется метод смешивания порошков. Титановый порошок смешивается с порошком бора или боридов и подвергается консолидации. Для улучшения распределения бора и боридов применяется механическое измельчение, которое основано на деформации и разрушении частиц для получения их равномерного распределения в титане [9]. Перспективным методом является вакуумный дуговой переплав. Частицы TiB формируются как первичные, так и в форме игл эвтектики. При этом следует избегать формирования крупных частиц размером 100...200 мкм, так как в процессе обработки и холодной деформации возможно их растрескивание. Быстрая кристаллизация может быть использована для получения ленты из метастабиль-ного, пересыщенного бором, твердого раствора a-Ti или для получения порошка. Однако следует отметить, что методы, связанные с быстрой кристаллизацией, являются высокозатратными и чрезвычайно трудоемкими, что затрудняет их промышленное применение. Такие методы вторичного формования, как прокатка, штамповка и экструзия, вызьшают потерю изотропии, а это может стать причиной проблем при определенном использовании данных КМ.

Если сравнивать механические и эксплуатационные свойства КМ с титановой матрицей и свойства традиционных титановых сплавов, то по ряду параметров КМ существенно их превосходят. КМ имеют повышенную жесткость, высокое сопротивление ползучести и усталостному разрушению, а также обладают износостойкостью. На рис. 3.4 сопоставлены экспериментальные результаты и данные теоретических расчетов разных авторов ]9]. Исследование свойств при испытаниях на растяжение показало, что модуль Юнга возрастает с увеличением объемной доли упрочняющей фазы. Подход Эшелби (Eshelby), основанный на соотношении Эшелби (Eshelby), подтверждается данными исследований композиционных материалов, полученных методами порошковой металлургии, в которых TiB имеет случайную ориентацию. Правило смесей ра-



1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 [ 33 ] 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123

© 2003 - 2017 Prom Izhora
При копировании текстов приветствуется обратная ссылка