Разделы сайта

Читаемое

Обновления Sep-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

значения, в том числе антифрикционных на базе систем Cu-Pb, Al-i Al-Pb и некоторых других. Были детально изучены все известные попытки создания сплавов на основе систем несмешивающихся компонентов

Анализ этих методов показал, что для производства сплавов несмешивающихся компонентов без ограничений по химическому составу количеству, с контролируемой и воспроизводимой структурой необходим поиск новых альтернативных технологических решений.

Структурные превращения в сплавах несмешивающихся компонентов при ускоренном охлаждении перегретого расплава и последующем отжиге. Поскольку большинство традиционных технологий несмешивающихся компонентов включают ускоренное охлаждение расплава, более подробно был изучен этот процесс. Влияние перегрева расплава, ускоренного охлаждения и последующего отжига в интервале температур твердо-жид-кофазного равновесия на структуру и свойства сплавов несмешивающихся компонентов изучали на примере сплава Cu-Pb монотектичес-кого состава.

Влияние перегрева изучали в интервале температур 1273... 1673 К, продолжительность вьщержки расплава при заданных температурах не превышала 30 мин. После вьщержки тигли с расплавом охлаждали на спокойном воздухе, при этом скорость охлаждения составляла около 10 К/с. Эксперименты показали, что независимо от перегрева сохраняется нерегулярность в форме и размерах свинцовых включений.

Для получения медносвинцовых сплавов в режиме закалки из жидкого состояния (ЗЖС) в качестве охлаждающей жидкости применяли ин-дий-галлиевую эвтектику, в которой при комнатной температуре закаливали медносвинцовый расплав вместе с графитовым тиглем (при этом скорость охлаждения не превышала 100... 150 К/с). Температуру нафе-ва под закалку варьировали в том же интервале 1273... 1673 К. Результат ЗЖС был во всех случаях принципиально одинаковым - ни в одном поле зрения по всей высоте слитка (около 50 мм) свинец не выявлялся даже при увеличениях порядка 1000. Это противоречит всем известным данным, поскольку ранее не сообщалось о возможности фиксации в относительно больших объемах такого однородного структурного состояния при относительно небольших скоростях охлаждения. Дополнительное исследование описанного эффекта позволило установить, что фактически полное подавление ликвации по массе наблюдается в моно- и замонотектических сплавах, содержащих до 50 % (масс.) свинца. Однако ни при каких условиях не удавалось наблюдать указанный эффект в домонотектических сплавах.

Согласно полученным данным, по сравнению с литым сплавом того же состава в меди в виде твердого раствора содержится почти в 30 раз больше свинца; при этом свинец также пересыщен медью. Следует отметить, что нигде ранее не сообщалось о фиксации такого взаимного пересыщения при относительно небольших скоростях охлаждения. Уровень микронапряжений, фиксируемый ЗЖС, согласно измерениям, выполненным с помощью прибора Strainflex , превышает в 20 раз таковой у литого сплава. Косвенным подтверждением факта пересыщения служат также данные по измерению микротвердости, электросопротивления и плотности закаленных образцов: по сравнению с литым сплавом у закаленного микротвердость в среднем выше в 1,5 раза, элекфосопротивление в 1,3 раза, плотность на 7...10% ниже.

Исходя из приведенных выше данных об особенностях микросфукту-ры закаленных сплавов, можно предположить, что термодинамический стимул к сфуктурным превращениям в них при отжиге будет значительно выше, чем у литых сплавов. Для проверки этого предположения была проведена серия отжигов закаленных сплавов в интервале температур твердо-жидкофазного равновесия. Из полученных результатов следует, что охлаждение медносвинцового расплава монотектического состава с относительно небольшой скоростью позволило зафиксировать метастабиль-ное сфуктурное состояние, восприимчивое к термической обработке, в результате чего стал возможным конфоль размеров свинцовых включений, а их форма приблизилась к сферической. Так, после ЗЖС средний размер свинцовых включений становится однозначной функцией температуры отжига (при нафеве). Для уточнения схемы сфуктурных превращений, имеющих место при отжиге закаленного сплава, были также привлечены данные измерения электросопротивления, механических свойств, рентгеносфуктурного, рентгеновского фотоэлекфонного анализа и др. Снижение элекфосопротивления при отжиге естественно связать с вьщелением свинца из пересыщенного твердого раствора на основе меди, в то время как уменьшение прочности на разрыв можно объяснить только тем, что этот избыточный свинец локализуется не только изолированно в местах стыка фех зерен, но и по фаницам зерен меди, увеличивая тем самым число медных зерен, разделенных сеткой свинца.

Среди ряда уникальных свойств сплавов несмешивающихся компонентов особо следует отметить низкий коэффициент фения и высокую стойкость к износу.

Монотектический сплав меди со свинцом со сферическими включениями свинца. По сравнению с базовым сплавом того же состава БрСЗО новый



сплав обладает втрое меньшим коэффициентом трения, его высокой термической стабильностью и значительно большей износостойкостью и контактной прочностью.

Ставы на основе системы Al-Sn-Pb. Сплавы на основе названной системы, содержащие около 10% Sn и 20% РЪ, обладают коэффициентом трения в три раза меньшим, чем у сплава АО-20, и значительно большей износостойкостью. Снижение прочности материала за счет введения свинца может быть с избытком компенсировано с помощью специальных методов, разработанных для повышения прочности сплавов данной группы. Так, применяя комбинированные способы упрочнения удалось повысить прочность сплавов Al-Sn-Pb, содержащих до 35 % (масс.) РЬ, до 350 МПа.

Ставы Fe-Cu-Pb с повышенньш содержанием свинца. Свойства новых сплавов на основе этой системы изучали в сравнении со свойствами сплава БрАЖ-9-4. Уже при содержании свинца 7...10% (масс.) коэффициент трения у новых материалов ниже, чем у базового сплава, и с увеличением содержания свинца эта разница возрастает, причем в режиме сухого трения роль свинца оказывается более значительной. Важно отметить, что коэффициент трения у сплава 70Fe-Cu-Pb, содержащего > 25 % (масс.) РЬ, даже в режиме сухого трения ниже, чем у базового сплава в масле. Введение свинца в железомедный сплав в количестве 10...15% (масс.) почти на 200 °С повышает критическую температуру заедания. Этой же области концентраций соответствует и максимальное значение износостойкости сплава.

Таким образом, в целом можно сделать вывод, что в работе выполнены исследования, являющиеся основой нового научного направления в металловедении, заключающегося в целенаправленном использовании обнаруженных закономерностей твердо-жидкофазного взаимодействия (ТЖВ) в системах несмешивающихся компонентов для контролируемого формирования структуры сплавов на их основе. Производство подобных материалов ранее бьшо невозможно.

Слоистые композиционные материалы

Слоистые интерметаллидные композиты (СИК) представляют собой принципиально новый класс конструкционных материалов, обладающих уникальным сочетанием физических (электрических, тепловых, магнитных и др.) и механических (жаропрочных, удельной прочности и др.) свойств. Их реализация оказалась возможной благодаря оптимальному

онструированию структуры в виде чередующихся по толщине сплошных основных и интерметаллидных слоев путем применения рассмотренной выше комплексной технологии. В качестве основных слоев используются разнородные металлы из сочетаний Ti-Fe, Mg-Al, Cu-Al, Nb-Fe и др., способные за счет реактивной диффузии при нагревах образовывать интерметаллидные прослойки заданной толщины. От их объемной доли и состава зависят физические и механические свойства композитов. Так, СИК системы Ti-Fe в диапазоне рабочих температур 600...850 С обладают жаропрочностью, превышающей в 4-9 раз жаропрочность исходных металлов, что выше жаропрочности большинства дорогостоящих высоколегированных сталей. В исследованном диапазоне температур 20...400°С титаностатьной композит является, по существу, тепловым изолятором , поскольку его теплопроводность в 48-62 раза ниже, чем у стали, в 16-18 раз ниже, чем у титана. С помощью сварки взрывом, штамповки, вальцовки, гибки, термообработки и других операций существует возможность создавать плоские и объемные титано-стальные узлы и конструкции типа ребро-настил, ребро-обечайка, тавровые и двутавровые профили и т. п. Технология сварки взрывом может быть использована и при изготовлении биметаллов, например биметалла сталь 12Х18Н10Т + титан ВТ 1-0. С помощью технологии сварки взрывом возможно изготовление плоских сталеалюминиевых переходников судовых конструкций. Для этих целей можно использовать композицию АМГ5В-АД1-СТ.4С [13].

В Волгоградском государственном техническом университете была создана комплексная технология, которая решает проблему получения данных КМ, обладающих повышенными, а в ряде случаев уникальными физико-механическими и технологическими свойствами за счет реализации высокой прочности и оптимальной структуры соединения. Комплексная технология получения данных материалов базируется на применении сварки взрывом в сочетании с обработкой давлением и специальными видами термообработки [13]. В частности, комплексная технология обеспечивает:

1) равнопрочность композиционных материалов наименее прочному из соединяемых металлов после сварки взрывом и последующей прокатки;

2) повышение деформационной способности малопластичных металлов и композита в целом за счет совместной деформации слоев при одно- и двухосном нагружении;

3) высокую технологичность прокатанного композита, позволяющую осуществлять при обработке давлением глубокую вытяжку изделий слож-



ной конфигурации при сохранении высокой исходной прочности и требуемой структуры соединения.

Кроме того, данная технология содержит целый ряд других преимуществ, ее эффективность подтверждается возможностью создания новых материалов [13].

Современные металлополимерные материалы начали разрабатываться в начале 80-х годов. К ним относится материал АЛОР, разработанный российск1гми учеными. Они предназначены для изготовления элементов конструкции летательных аппаратов. АЛОР представляет собой сочетание чередующихся, адгезионно соединенных слоев органопластика и алюминиевого сплава. Равнопрочный АЛОР имеет механические свойства на уровне алюминиевого сплава, однако за счет более низкой плотности достигается выифыш по массе. Кроме того, скорость роста усталостной трещины в АЛОРе, по сравнению с алюминиевым сплавом, значительно ниже. Прочность АЛОРа возрастает с увеличением содер-жанртя в нем органопластика.

Алюмостеклопластики (СИАЛы - в России и GLARE - в Западной Европе и США) являются новым перспективным семейством гибридных листовых КМ, предназначенных для конструкционного использования в основных элементах летательных аппаратов. Они включают тонкие (0,25...0,6 мм) алюминиевые листы и промежуточные тонкие (0,2...0,4 мм) слои полимерного композита, состоящего из термореактивных клеевых и термопластичных связующих с высокопрочными армирующими стеклянными волокнами. Данные материалы предназначены для замены алюминиевых конструкционных монолитных листов с целью снижения массы (на 15...40%), повышения надежности и, соответственно, безопасности, снижения стоимости эксплуатации конструкций нового поколения. Рекомендуются для применения в авиационной технике - для обшивок фюзеляжа, крыла (особенно в зонах, подверженных акустической усталости), обшивок люков, дверей. Они эффективны в качестве стоперов трещин при ремонтных работах обшивок и внутренних элементов самолета.

Учеными МАТИ - Российского государственного технологического университета им. К.Э.Циолковского разработан биологически и механически совместимый спонгиозоподобный слоистый композиционный материал ( СПС-ТИТАН ) на основе конструкционного титанового сплава ВТ6 и поверхностно структурированного сплава ВТ 1-0 с регламентированной пористостью для изготовления компонентов эндопроте-зов тазобедренного сустава (рис. 3.8).


Рис. 3.8. Эндопротез тазобедренного сустава

Была отработана технология ионно-плазмен-ного нанесения пористых слоев из сплава ВТ1-0 на силовые конструкции бедренного компонента из сплава ВТб (Ti-6A1-4V), обеспечившая пористость 30...50 % с размером открытых пор от 100 до 500 мкм, которые обеспечивают надежную биологическую фиксацию изделия за счет остео-интеграции в открытые поры имплантанта спон-гиозной кости.

Разработан режим термоводородной обработки, обеспечивающий достижение физико-химического контакта между спонгиозоподобным титановым слоем с регламентированной пористостью и основой. Это позволяет увеличить напряжение среза оР поверхностного слоя толщиной 0,6...1,0 мм с 60 МПа (характерное для применяющихся в настоящее время ведущими фирмами мира пористых покрытий для эн-допротезов) до 200 МПа для СПС-ТИТАНа (рис. 3.9). Разработанная технология исключает отрыв частиц или фрагментов с поверхностного слоя от основы при эксплуатации за счет создания переходной структуры на фанице раздела. СПС-ТИТАН реализован в конструкции серийно выпускаемого фирмой ИМПЛАНТ-МТ (г. Москва) импортозамещающего эндопротеза тазобедренного сустава бесцементной фиксации.

Возможности повышения рабочих температур современных жаропрочных и жаростойких сплавов на основе титана, никеля и тугоплавких металлов за счет их твердораствор-ного упрочнения или создания гетерофазных структур практически исчерпаны. Поэтому большое внимание исследователей привлекают композиционные материалы на основе интерметаллидов, тугоплавких металлов и направленно закристаллизованных эвтектик, упрочненные дисперсными включениями, дискретными или непрерывными волокнами более тугоплавких, прочных и жестких, чем мафица, фаз, в том числе керамических.

Разнообразные комбинации упрочняющих фаз и матриц, способов изготовления из них

оТ\ МПа

200-


лучшие спс-титан мировые (россия, мати) образцы

Рис. 3.9. Предел прочности при испытании на срез



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