Як матриця часто застосовують кольорові метали - алюміній, магній, нікель, або їх сплави. Структура композитів залежить від використовуваного наповнювача. Розрізняють такі види структур (рис.1):

зернисту (рис.1, а);

волокнисту (рис.1, б);

шаруватий з безперервним укладанням волокон наповнювача (рис.1, в);

тканинну (рис.1, г);

об'ємну (рис.1, д).

Рис.1. Схеми структур композиційних матеріалів із металевою матрицею:

а– зерниста; б- Волокниста; в– шарувата з безперервним укладанням волокон;

г- Тканинна; д– з об'ємним укладанням волокон

В волокнистих композитахнаповнювач є зміцнювачем. Якщо відношення довжини волокна до його діаметра L/ d= 10…10 3 , то волокнисті композити називають дискретними. Дискретні волокна розташовані в матриці хаотично, причому, чим більша величина відношення L/ d, Тим вище рівень зміцнення. Якщо L/ d→ ∞, то композити будуть із безперервним волокном.

Для алюмінієвих та магнієвих волокнистих композитів застосовують волокна борні, вуглецеві, з карбідів кремнію, а також з карбідів, нітридів та оксидів тугоплавких металів та високоміцної сталі. Для армування титану та його сплавів застосовують молібденовий дріт, волокна сапфіру, карбіду кремнію, бориду титану. Для жароміцних нікелевих волокнистих композитів використовують волокна з вольфрамового або молібденового дроту.

Від звичайних сплавів волокнисті композити відрізняються високими показниками міцності, зниженою схильністю до тріщиноутворення і високою питомою міцністю. Їхня міцність визначається властивостями волокон. Матриця скріплює волокна та розподіляє напруги між ними. При цьому механічні властивостіволокнистих композитів вздовж волокон значно краще, ніж у поперечному напрямі.

Волокнисті композити малопластичні, однак, швидкість поширення тріщин у них настільки мала, що практично виключається можливість їхнього раптового руйнування. Ще одна їх особливість - мала швидкість розусилля в часі. Недоліком таких композитів є також відносно низький опір міжшарового зсуву, однак цей опір значно вищий у волокнистих композитів з об'ємним укладанням волокон.

На відміну від волокністи, в диспесноупрочненних композитах матриця є основою, що сприймає навантаження, тоді як дисперсні частинки, що є наповнювачем, гальмують рух дислокацій у матриці. Найбільш оптимальним є розмір частинок 10...15 нм і відстань між ними 100...150 нм при рівномірному розподілі частинок. Подібні композити можна отримати на основі практично всіх металів і сплавів, що застосовуються в техніці, наприклад, САП – спечений алюмінієвий порошок. У САП матрицею є алюміній, а наповнювачем – дрібні частинки оксиду алюмінію Al 2 O 3 (6 – 8 %). Зі збільшенням вмісту Al 2 O 3 підвищується межа міцності САП на розтяг і зменшується відносне його подовження.

1.2. Композити з неметалевою матрицею

Як матриця у таких композитів часто застосовують такі матеріали:

полімерні (епоксидна, фенолформальдегідна, поліамідна та інші смоли),

вуглецеві,

керамічні.

Ущільнювачами служать волокна:

скляні,

вуглецеві,

• органічні,

  на основі ниткоподібних кристалів (оксиди, бориди, карбіди, нітриди),

  металевий дріт.

Властивості композитів залежить від складу композиції, поєднанні компонентів, міцності зв'язків з-поміж них. Властивості матриці визначають міцність композиту на зсув і стиснення, опір втомного зношування. Властивості зміцнювача визначають, в основному, міцність та жорсткість матеріалу.

У лабораторній роботі розглянемо профільовані вироби з склопластику.

Фахівці прогнозують: згодом цей матеріал замінить і дорогий метал, і схильну до гниття деревину. Він не має аналогів і відрізняється від традиційних матеріалів вищими властивостями та якостями:

покращені фізико-механічні характеристики,

низька питома вага (в 4 рази легша за сталі),

висока корозійна та біологічна стійкість,

висока стійкість до атмосферних впливів, ультрафіолетового випромінювання та водного середовища,

низький тепловий коефіцієнт лінійного розширення,

широкий діапазон робочих температур від -60 до +80 0 С,

сейсмостійкість - 100% пружне відновлення після деформації, стійкість до вітрових навантажень при швидкості вітру до 300 км/год,

Області застосування: будівництво, ЖКГ, ТНП, енергетика, медицина, хімічна промисловістьі т.д.

Пултрузійний склопластик – унікальний композиційний матеріал XXI століття з терміном служби щонайменше 50 років.

До цього виду композиційних матеріалів відносяться матеріали типу САП (спечена алюмінієва пудра), які є алюмінієм, зміцненим дисперсними частинками оксиду алюмінію. Алюмінієвий порошок отримують розпиленням розплавленого металу з подальшим подрібненням у шарових млинах до розміру близько 1 мкм у присутності кисню. Зі збільшенням тривалості помелу пудра стає дрібнішим і в ній підвищується вміст оксиду алюмінію. Подальша технологія виробництва виробів та напівфабрикатів із САП включає холодне пресування, попереднє спікання, гаряче пресування, прокатку або видавлювання спеченої алюмінієвої заготівлі у формі готових виробів, які можна піддавати додатковому термічному обробленню.

Сплави типу САП застосовують в авіаційній техніці для виготовлення деталей з високою питомою міцністю та корозійною стійкістю, що працюють за температур до 300–500 °С. З них виготовляють штоки поршнів, лопатки компресорів, оболонки тепловиділяючих елементів та труби теплообмінників.

Армування алюмінію та його сплавів сталевим дротом підвищує їх міцність, збільшує модуль пружності, опір втоми та розширює температурний інтервал служби матеріалу.

Армування короткими волокнами проводять методами порошкової металургії, що складаються з пресування з подальшою гідроекструзією або прокатування заготовок. При армуванні безперервними волокнами композицій типу сендвіч, що складаються з шарів алюмінієвої фольги і волокон, що чергуються, застосовують прокатку, гаряче пресування, зварювання вибухом, дифузійне зварювання.

Дуже перспективним матеріаломє композиція «алюміній – берилієвий дріт», в якій реалізуються високі фізико-механічні властивості берилієвої арматури, і в першу чергу її низька щільність і висока питома жорсткість. Отримують композиції з берилієвим дротом дифузійним зварюванням пакетів з шарів берилієвого дроту і матричних листів. З алюмінієвих сплавів, армованих сталевим та берилієвим дротиками, виготовляють корпусні деталі ракет та паливні баки.

У композиції «алюміній – вуглецеві волокна» поєднання низької щільності арматури та матриці дозволяє створити композиційні матеріали з високою питомою міцністю та жорсткістю. Недоліком вуглецевих волокон є їхня крихкість і висока реакційна здатність. Композицію «алюміній – вуглець» одержують просоченням вуглецевих волокон рідким металом або методами порошкової металургії. Технологічно найбільш легко здійснити протягування пучків вуглецевих волокон через розплав алюмінію.

Композит "алюміній - вуглець" застосовують у конструкціях паливних баків сучасних винищувачів. Завдяки високій питомій міцності та жорсткості матеріалу маса паливних баків зменшується на
30%. Цей матеріал використовують для виготовлення лопаток турбін авіаційних газотурбінних двигунів.

38.1. Класифікація

Композиційні матеріали - це матеріали, армовані наповнювачами, певним чином розташованими в матриці Наповнювачами найчастіше є речовини з високою енергією міжатомних зв'язків, високоміцні та високомодульні, однак у поєднанні з крихкими матрицями можуть бути застосовані і високопластичні наповнювачі

Сполучні компоненти, або матриці, композиційних матеріалах можуть бути різними - полімерними, керамічними, металевими або змішаними. В останньому випадку говорять про поліматерні композиційні матеріали.

По морфології армуючих фаз композиційні матеріали поділяють на:

нульмерні (позначення: 0,) або зміцнені частинками різної дисперсності, безладно розподіленими в матриці;

одномірні волокнисті (позначення: 1), або зміцнені однонаправленими безперервними або дискретними волокнами;

двовимірні шаруваті (позначення: 2), або такі, що містять однаково орієнтовані зміцнюючі ламелі або шари (рис. 38.1).

Анізотропія композиційних матеріалів, що «проектується» заздалегідь з метою використання її у відповідних конструкціях, називається конструкційною .

За розміром армуючих фаз або розміром осередку армування композиційні матеріали поділяють таким чином:

субмікрокомпозити (розмір осередку армування, діаметр волокон або частинок<С 1 мкм), например, дисперсноупрочненные сплавы или волокни­стые композиционные материалы с очень тонкими волокнами:

мікрокомпозити (розмір осередку армування, діаметр волокон, частинок або товщина шарів 1 мкм), наприклад матеріали, армовані частинками, волокнами вуглецю, карбіду кремнію, бору і т д., односпрямовані евтектичні сплави;

макрокомпозити (діаметр або товщина армуючих компонентів -100 мкм), наприклад деталі з мідних або алюмінієвих сплавів, армовані вольфрамовим або сталевим дротом або фольгою. Макрокомпозити найчастіше застосовують підвищення зносостійкості деталей тертя у технологічному оснащенні.

38.2. Міжфазна взаємодія у композиційних матеріалах

38.2.1. Фізико-хімічна та термомеханічна сумісність компонентів

Поєднання в одному матеріалі речовин, що істотно відрізняються за хімічним складом та фізичними властивостями, висуває на перший план при розробці, виготовленні та поєднанні композиційних матеріалів проблему термодинамічної та кінетичної сумісності компонентів. Під гермо

динамічною сумісністю розуміють здатність матриці та армуючих наповнювачів перебувати у стані термодинамічної рівноваги необмежений час при температурах отримання та експлуатації. Багато штучно створені композиційні матеріали термодинамічно несумісні. Виняток становлять лише кілька металевих систем (Сі-W, Сі-Мо, Ag-W), де немає хімічної та дифузійної взаємодії між фазами прн необмеженому часу їх контакту.

Кінетична сумісність - здатність компонентів композиційних матеріалів зберігати метастабільну рівновагу у певних температурно-часових інтервалах. Проблема кінетичної сумісності має два аспекти: 1) фізико-хімічний – забезпечення міцного зв'язку між компонентами та обмеження на поверхнях розділу процесів розчинення, гетеро – та реакційної дифузії, які ведуть до утворення крихких продуктів взаємодії та деградації міцності армуючих фаз та композиційного матеріалу в цілому; 2) термомеханічний-досягнення сприятливого розподілу внутрішніх напруг термічного та механічного походження та зниження їх рівня; забезпечення раціонального співвідношення між деформаційним зміцненням матриці та її здатністю до релаксації напруг, що попереджає перевантаження та передчасне руйнування зміцнювальних фаз.

Існують такі можливості покращення фізико-хімічної сумісності металевих матриць з армуючими наповнювачами:

I. Розробка нових видів армуючих наповнювачів, стійких у контакті про метал матриць при високих температурах, наприклад керамічних волокон, ниткоподібних кристалів і дисперсних частинок з карбідів кремнію, титану, цирконію, бору, оксидів алюмінію, цирконію, нітридів кремнію, бору та ін.

II Нанесення бар'єрних покриттів на армуючі наповнювачі, наприклад, покриттів з тугоплавких металів, карбідів титану, гафнію, бору, нітридів титану, бору, оксидів ітрію на волокна вуглецю, бору, карбіду кремнію. Деякі бар'єрні покриття на волокнах, переважно металеві, є засобом поліпшення змочування волокон матричними розплавами, що особливо важливо при отриманні композиційних матеріалів рідкофазними методами. Такі покриття часто називають технологічними.

Не менш важливим є виявлений при нанесенні технологічних покриттів ефект пластифікування, що виявляється у стабілізації і навіть підвищенні міцності волокон (наприклад, при алітуванні бору бору протягуванням через ванну з розплавом або при нікелюванні волокон вуглецю з подальшою термічною обробкою).

ІІІ. Застосування у композиційних матеріалах металевих матриць, легованих елементами з більшою спорідненістю до армуючого наповнювача, ніж метал матриці, або поверхнево-активними добавками. Зміна хімічного складу меж розділу, що відбувається при цьому, повинна перешкоджати розвитку міжфазної взаємодії Легування матричних сплавів поверхнево-активними або карбідоутворюючими добавками, так само як і нанесення технологічних покриттів на волокна, може сприяти поліпшенню змочуваності металевими розплавами армуючого наповнювача.

IV. Легування матриці елементами, що підвищують хімічний потенціал армуючого наповнювача в матричному сплаві, або добавками армуючого матеріалу наповнювача до концентрацій насичення при температурах отримання илн експлуатації композиційного матеріалу. Таке легування перешкоджає розчиненню армуючої фази, тобто підвищує термічну стабільність композиції.

V. Створення «штучних» композиційних матеріалів типу «природних» евтектичних композицій шляхом вибору відповідного складу компонентів.

VI. Вибір оптимальних тривалостей контактування компонентів при тому чи іншому процесі одержання композиційних матеріалів або в умовах їхньої служби, тобто з урахуванням температурно-силових факторів. Тривалість контактування, з одного боку, має бути достатньою виникнення міцних адгезійних зв'язків між компонентами; з іншого боку, не приводити до інтенсивної хімічної взаємодії, утворення крихких проміжних фаз та зниження міцності композиційного матеріалу.

Термомеханічну сумісність компонентів у композиційних матеріалах забезпечують:

вибором матричних сплавів та наповнювачів з мінімальною відмінністю в модулях пружності, коефіцієнтах Пуассона, коефіцієнтах термічного розширення;

застосуванням проміжних шарів і покриттів на армуючих фазах, що зменшують відмінності у фізичних властивостях матриці та фаз;

переходом від армування компонентом одного виду до поліармування - іію, тобто поєднання в одному композиційному матеріалі зміцнювальних волокон, частинок або шарів, що відрізняються за складом та фізичними властивостями;

зміною геометрії деталей, схеми та масштабу армування; морфології, розміру та об'ємної частки армуючих фаз; заміною безперервного наповнювача дискретним;

вибором способів та режимів виробництва композиційного матеріалу, що забезпечують заданий рівень міцності зв'язку його компонентів.

38.2.2. Армують наповнювачі

Для армування металевих матриць застосовують високоміцні, високомодульні наповнювачі - безперервні та дискретні металеві, неметалеві та керамічні волокна, короткі волокна та частинки, ниткоподібні кристали (табл. 38.1).

Вуглецеві волокна є одним з найбільш освоєних у виробництві н перспективних армуючих матеріалів. Важлива перевага вуглецевих волокон – їх низький питома вага, Теплопровідність, близька до металів (Я = 83,7 Вт / (м-К)), відносно низька вартість.

Волокна поставляють у вигляді рівних або закручених міогофіламентних джгутів, тканин або стрічок з них. Залежно від типу вихідної сировини діаметр філаментів змінюється від 2 до 10 мкм, кількість філамеїтів у джгуті – від сотень до десятка тисяч штук.

Вуглецеві волокна мають високу хімічну стійкість в атмосферних умовах і мінеральних кислотах. Термостійкість волокон невисока: температура тривалої експлуатації повітря не перевищує 300-400 °З. Для підвищення хімічної стійкості в контакті з металами на поверхню волокон наносять бар'єрні покриття з боридів титану та цирконію, карбідів титану, цирконію, кремнію, тугоплавких металів.

Борні волокна отримують осадженням бору з газової суміші водню і трихлористого бору іа вольфрамовий дріт або вуглецеві моноволокна, що нагрівається до температури 1100-1200 °С. При нагріванні на повітрі волокна бору починають окислюватися при температурах 300-350 ° С, при 600-800 ° С повністю втрачають міцність. Активна взаємодія з більшістю металів (Al, Mg, Ті, Fe, Ni) починається за температури 400-600 °С. Для підвищення термостійкості на волокна бору наносять газофазним способом тонкі шари (2-6 мкм) карбіду кремнію (SiC/B/W), карбіду бору (B4C/B/W), нітриду бору (BN/B/W)

Волокна карбіду кремнію діаметром 100-200 мкм виробляють осадженням при 1300 °З парогазової суміші чотирихлористого кремнію і метану, розведеної воднем у співвідношенні 1:2: 10, иа вольфрамовий дріт

або пекові моїоволокна вуглецю. Найкращі зразки волокон мають міцність 3000-4000 МПа при 1100 °С.

Волокна карбіду кремнію безкернові у вигляді багатофіламеїтних джгутів, отримані з рідких органосиланів шляхом витягування та піролізу, складаються з надтонких кристалів f)-SiC.

Металеві волокна випускають як дроту діаметром 0,13; 0,25 та 0,5 мм. Волокна із високоміцних сталей, сплавів берилію призначаються в основному для армування матриць з легких сплавів та титану. Волокна з тугоплавких металів, легованих ренією, титаном, окисими і карбідними фазами, застосовують для зміцнення жароміцних ікельхромнстих, титанових та інших сплавів.

Ниткоподібні кристали, що застосовуються для армування, можуть бути металевими або керамічними. Структура таких кристалів моно - кристалічна, діаметр зазвичай до 10 мкм при відношенні довжини до діаметру 20-100. Отримують ниткоподібні кристали різними методами: вирощуванням з покриттів, електролітичним осадженням, осадженням з парогазового середовища, кристалізацією з газової фази через рідку фазу. за механізмом пар - рідина - кристал, піролізом, кристалізацією з насичених розчинів, віскеризацією

38.2.3. Матричні метали

У металевих композиційних матеріалах застосовують переважно матриці з легких деформованих та ливарних сплавів алюмінію та магнію, а також зі сплавів міді, нікелю, кобальту, цинку, олова, свинцю, срібла; жароміцних нікель-хромистих, титанових, цирконієвих, ванадієвих сплавів; сплавів тугоплавких металів хрому та ніобію (таблиця 38 2).

38.2.4. Типи зв'язку та структур поверхонь розділу у композиційних матеріалах

Залежно від матеріалу наповнювача та матриць, способів та режимів одержання по поверхнях розділу композиційних матеріалів реалізуються шість видів зв'язку (табл. 38.3). Найбільш міцний зв'язок між компонентами в композиціях із металевими матрицями забезпечує хімічну взаємодію. Поширений вид зв'язку - змішаний, представлений твердими розчинами та інтерметалідними фазами (та ж композиція, отримана пресуванням плазм.

38.3. Способи виробництва композиційних матеріалів

Технологія виробництва металевих композиційних матеріалів визначається конструкцією виробів, особливо якщо вони мають складну форму та вимагають підготовки місць з'єднань зварюванням, паянням, склеюванням або кліпкою, і, як правило, є багатоперехідною.

Елементною основою виробництва деталей або напівфабрикатів (листів, труб, профілів) з композиційних матеріалів найчастіше є так звані препреги, або стрічки з одним шаром армуючого наповнювача, просоченим або покритим матричними сплавами; просочені металом джгути волокон або індивідуальні волокна з покриттям із матричних сплавів.

Деталі та напівфабрикати отримують з'єднанням (компактуванням) вихідних препрегів методами просочення, гарячого пресування, прокатки або волочіння пакетів з препрегов. Іноді і препреги, і вироби з композиційних матеріалів виготовляють одними й тими ж способами, наприклад за порошковою або ливарною технологією, при різних режимах і на різній технологічній осіастці.

Способи отримання препрегів, напівфабрикатів та виробів з композиційних матеріалів з металевими матрицями можна розділити на п'ять основних груп: 1) парогазофазії; 2) хімічні та електрохімічні; 3) рідкофазії; 4) твердофазні; 5) твердорідкофазні.

38.4. Властивості композиційних матеріалів із металевою матрицею

Композиційні матеріали з металевими матрицями мають низку незаперечних переваг перед іншими конструкційними матеріалами, предіазначеіііими для роботи в екстремальних умовах. До цих переваг відносяться: високі міцність та. жорсткість у поєднанні з високою в'язкістю руйнування; високі питомі міцність і жорсткість (відношення межі міцності та модуля пружності до питомої ваги а/в та Е/у); висока межа втоми; висока жароміцність; мала чутливість до теплових ударів, до поверхневих дефектів, високі демпфуючі властивості, електро- та теплопровідність, технологічність при конструюванні, обробці та з'єднанні (табл. 38 4).

За відсутності спеціальних вимог до матеріалів теплопровідності, електропровідності, холодостійкості та інших властивостей температурні інтервали роботи композиційних матеріалів визначають наступним чином:<250 °С - для материалов с полимерными матрицами; >1000 °С – для матеріалів з керамічними матрицями; композиційні матеріали з металевими матрицями перекривають його межі

Характеристики міцності деяких композиційних матеріалів наведені в табл 38 5.

Основні види з'єднання композиційних матеріалів сьогодні - болтові, клепані, клейові, з'єднання пайкою та зварюванням та комбіновані З'єднання пайкою та зварюванням особливо перспективні, оскільки відкривають можливість найбільш повно реалізувати унікальні властивості композиційного матеріалу в конструкції, проте їх здійснення представляє складне наукове та технічне завдання багатьох випадках ще не вийшло із стадії експерименту

38.5. Проблеми зварюваності композиційних матеріалів

Якщо під зварюваністю розуміти здатність матеріалу утворювати зварні з'єднання, що не поступаються йому за своїми властивостями, то композиційні матеріали з металевими матрицями, особливо волокнисті, слід віднести до важкозварюваних матеріалів. До того є кілька причин.

I. Методи зварювання та паяння припускають з'єднання композиційних матеріалів за металевою матрицею. Армуючий наповнювач у зварному або паяному шві або повністю відсутній (наприклад, у стикових швах, розташованих упоперек напрямку армування у волокнистих або шаруватих композиційних матеріалах), або присутній у зменшеній об'ємній частці (при зварюванні дисперсно-зміцнених матеріалів дротом, що містить дискретну армувальну фазу) або відбувається порушення безперервності та спрямованості армування (наприклад, при дифузійному зварюванні волокнистих композицій упоперек напрямку армування). Отже, зварний або паяний шов є ослабленою ділянкою конструкції з композиційного матеріалу, що вимагає обліку при конструюванні та підготовці місця з'єднання під зварювання. У літературі є пропозиції щодо автономного зварювання компонентів композиції для збереження безперервності армування (наприклад, зварювання тиском вольфрамових волокон у композиції вольфрам - мідь ), однак автономне зварювання встик волокнистих композиційних матеріалів вимагає спеціальної підготовки кромок, строгого дотримання кроку армування і придатне лише для металевими волокнами. Інша пропозиція полягає у підготовці стикових з'єднань з перекриттям волокон на довжині більше критичної, проте при цьому виникають труднощі із заповненням стику матричним матеріалом та забезпеченням міцного зв'язку по межі волокно-матриця.

ІІ. Вплив зварювального нагріву на розвиток фізико-хімічної взаємодії в композиційному матеріалі зручно розглянути на прикладі сполуки, що утворюється при проплавленні дугою волокнистого матеріалу впоперек напряму армування (рис. 38.2). Якщо метал матриці не має поліморфізму (наприклад, Al, Mg, Cu, Ni та ін.), то в поєднанні можна виділити 4 основні зони: 1 - зона, що нагрівається до температури повернення матриці (за аналогією зі зварюванням однорідних матеріалів назвемо цю ділянку основною матеріалом); 2 - зона, обмежена температурами повернення та рекристалізації металу матриці (зона повернення); 3- зона,

обмежена температурами рекристалізації та плавлення матриці (зона рекристалізації); 4 - зона нагрівання вище за температуру плавлення матриці (назвемо цю зону зварним швом). Якщо матрицею в композиційному матеріалі є сплави Ті, Zr, Fe та інших металів, що мають поліморфні перетворення, то в зоні 3 з'являться підзони з повною або частковою фазовою перекристалізацією матриці, для цього розгляду цей момент несуттєвий.

Зміни властивостей композиційного матеріалу починаються в зоні 2. Тут процеси повернення знімають деформаційне зміцнення матриці, досягнуте при твердофазному компактуванні композиційного матеріалу (у композиціях, отриманих рідкофазними методами, розуміцнення в цій зоні не спостерігається).

У зоні 3 відбувається рекристалізація та зростання зерен металу матриці. Внаслідок дифузійної рухливості атомів матриці стає можливим подальший розвиток міжфазної взаємодії, початок якого було покладено у процесах виробництва композиційного матеріалу, збільшується товщина крихких прошарків та погіршуються властивості композиційного матеріалу в цілому. При зварюванні плавленням матерія
лов, отриманих методами твердофазного компактування порошків або препрегів з порошковою або напиленою матрицею, можлива пористість по межі сплавлення і межфазним межам, що примикають до неї, що погіршує не тільки міцнісні властивості, але і герметичність зварного з'єднання.

У зоні 4 (зварному шві) можна виділити 3 ділянки:

Ділянка 4", що примикає до осі шва, де через сильне перегрівання під дугою металевого матричного розплаву і найбільшої тривалості перебування металу в розплавленому стані відбувається повне розчинення армуючої фази;

Ділянка 4", що характеризується нижчою температурою нагріву розплаву і меншою тривалістю контактування армуючої фази з розплавом. Тут ця фаза лише частково розчиняється в розплаві (наприклад, зменшується діаметр волокон, на їх поверхні з'являються раковини; порушується односпрямованість армування);

Ділянка 4"", де помітної зміни розмірів армуючої фази не відбувається, але розвивається інтенсивна взаємодія з розплавом, утворюються прошарки або острівці крихких продуктів взаємодії, знижується міцність армуючої фази. Через війну зона 4 стає зоною максимального пошкодження композиційного матеріалу під час зварювання.

ІІІ. Через відмінності в тепловому розширенні матеріалу матриці та армуючої фази в зварних з'єднаннях композиційних матеріалів виникають додаткові термопружні напруги, що викликають утворення різних дефектів: розтріскування, руйнування крихких армуючих фаз в найбільш нагрітій зоні 4 з'єднання, розшарування по міжфазних кордонів в зоні 3.

Для забезпечення високих властивостей зварних з'єднань композиційних матеріалів рекомендується.

По-перше, з відомих методів з'єднання слід віддати перевагу методам зварювання у твердій фазі, при яких внаслідок меншої енергії, що підводиться, можна досягти мінімальної деградації властивостей компонентів у зоні з'єднання.

По-друге, режими зварювання тиском повинні бути обрані так, щоб унеможливити зміщення або дроблення армуючого компонента.

По-третє, при зварюванні плавленням композиційних матеріалів слід вибирати способи та режими, що забезпечують мінімальне теплопокладання в зону з'єднання.

По-четверте, зварювання плавленням слід рекомендувати для з'єднання композиційних матеріалів з термодинамічно сумісними компонентами, такими, як мідь - вольфрам, мідь - молібден, срібло - вольфрам, або армованих термостійкими наповнювачами, наприклад волокнами карбіду кремнію, або наповнювачами з бар'єрними покриттями бору з покриттям карбіду бору або карбіду кремнію.

По-п'яте, електродний або присадковий матеріал або матеріал проміжних прокладок для зварювання плавленням або паяння повинен містити легуючі добавки, що обмежують розчинення армуючого компонента та утворення крихких продуктів міжфазної взаємодії в процесі зварювання та при подальшій експлуатації зварних вузлів.

38.5.1. Зварювання композиційних матеріалів

Волокнисті та шаруваті композиційні матеріали найчастіше з'єднують внахлестку. Відношення довжини перекриття до товщини матеріалу зазвичай перевищує 20. Такі з'єднання можуть бути посилені заклепочними або болтовими з'єднаннями. Поряд з нахлесточными з'єднаннями можливе виконання стикових і кутових зварних з'єднань у напрямку армування і, рідше, поперек напряму армування. У першому випадку при правильному виборі способів та режимів зварювання або паяння можливе досягнення рівноміцності з'єднання; у другому випадку міцність з'єднання зазвичай не перевищує міцності матричного матеріалу.

Композиційні матеріали, армовані частинками, короткими волокнами, ниткоподібними кристалами, зварюють з використанням тих же прийомів, що і дисперсійно-твердіють сплави або порошкові матеріали. Рівноміцність зварних з'єднань основного матеріалу в цьому випадку може бути досягнута за умови, якщо композиційний матеріал виготовлений методами рідкофазної технології, армований термостійкими наповнювачами та при виборі відповідних режимів зварювання та зварювальних матеріалів. У ряді випадків електродний або матеріал присади може бути аналогічний або близький по композиції основного матеріалу.

38.5.2. Дугове зварювання серед захисних газів

Метод використовують для зварювання плавленням композиційних матеріалів з матрицею з хімічно активних металів та сплавів (алюмінію, магнію, титану, нікелю, хрому). Зварювання здійснюють електродом, що не плавиться, в атмосфері аргону або суміші з гелієм. Для регулювання теплового впливу зварювання на матеріали доцільно застосування імпульсної дуги, стиснутої або трифазної дуги.

Для підвищення міцності з'єднань рекомендують виконувати шви композиційними електродами або присадними дроти з об'ємним вмістом армуючої фази 15-20%. Як армуючі фази застосовують короткі волокна бору, сапфіру, нітриду або карбіду кремнію.

38.5.3. Електронно-променеве зварювання

Переваги методу - без окислення розплавленого металу і армуючого наповнювача, вакуумної дегазації металу в зоні зварювання, високої концентрації енергії в пучку, що дозволяє отримати з'єднання з мінімальною шириною зони плавлення та навколошовної зони. Остання перевага є особливо важливою при виконанні сполук волокнистих композиційних матеріалів у напрямку армування. При спеціальній підготовці з'єднань можливе зварювання з використанням присадних проставок.

38.5.4. Контактне точкове зварювання

Наявність армуючої фази в композиційному матеріалі знижує його тепло- та електропровідність порівняно з матеріалом матриці та перешкоджає формуванню литого ядра. Задовільні результати отримані при точковому зварюванні тонколистових композиційних матеріалів з шарами, що плакують. При зварюванні листів різної товщини або композиційних листів з однорідними металевими листами для того, щоб вивести ядро ​​зварної точки в площину дотику листів і збалансувати різницю в електропровідності матеріалу, підбирають електроди з різною провідністю, з обтисканням периферійної зони, змінюють діаметр і радіус закруглення електродів. плакуючого шару, застосовують додаткові прокладки.

Середня міцність зварної точки при зварюванні одноосноармованих борів алюмінієвих пластин товщиною 0,5 мм (з об'ємною часткою волокон 50%) становить 90% від міцності бору - люмінію еквівалентного перерізу. Міцність з'єднання листів боралюмінію з перехресним армуванням вища, ніж листів з одновісним армуванням.

38.5.5. Дифузійне зварювання

Процес проводять за високого тиску без використання припою. Так, деталі з боралюмінію, що підлягають з'єднанню, нагрівають у герметичній реторті до температури 480 °З тиску до 20 МПа і витримують в цих умовах протягом 30-90 хвилин. Технологічний процес дифузійного точкового зварювання опором боралюмінію з титаном майже не відрізняється від точкового зварювання плавленням. Різниця в тому, що режим зварювання і форма електродів підібрані так, щоб температура нагрівання алюмінієвої матриці була близька до температури плавлення, але нижче за неї. В результаті в місці контакту утворюється дифузійна зона завтовшки від 0,13 до 0,25 мкм.

Зразки, зварені внахлестку дифузійним точковим зварюванням, при випробуванні на розтяг в інтервалі температур 20-120 ° С руйнуються за основним матеріалом з виривом вздовж волокон. При температурі 315 °Зразки руйнуються зсувом за місцем з'єднання.

38.5.6. Клінопресове зварювання

Для з'єднання закінчень зі звичайних конструкційних сплавів з трубами або корпусами з композиційних матеріалів розроблений спосіб зварювання різнорідних металів, що різко відрізняються за твердістю, який можна назвати мікроклінопресовим. Тиск впресовування отримують за рахунок термічної напруги, що виникають при нагріванні оправки та обойми пристосування для термокомпресійного зварювання, виконаних з матеріалів з різними коефіцієнтами термічного розширення (К. ТР). Елементи законцювання, на контактну поверхню яких нанесено клинове різьблення, збирають із трубою з композиційного матеріалу, а також з оправкою та обоймою. Зібраний пристрій нагрівають у захисному середовищі до температури 0,7-0,9 від температури плавлення найбільш легкоплавкого металу. Оправлення пристрою має більший КТР, ніж обойма. У процесі нагрівання відстань між робочими поверхнями оправки та обойми скорочується, і виступи («клинання») різьблення на закінчування впресовуються в плакувальні шари труби. Міцність твердофазного з'єднання не нижче міцності матричного або плакувального металу.

38.5.7. Зварювання вибухом

Зварювання вибухом застосовують для з'єднання листів, профілів і труб з металевих композиційних матеріалів, армованих металевими волокнами або шарами, що мають досить високі пластичні властивості, щоб уникнути подрібнення армуючої фази, а також для з'єднання композиційних матеріалів із закоїцюванням з різних металів і сплавів. Міцність з'єднань зазвичай дорівнює або навіть вище (за рахунок деформаційного зміцнення) міцності найменш міцного матричного матеріалу, що застосовується в деталях, що з'єднуються. Для підвищення міцності з'єднань застосовують проміжні прокладки інших матеріалів.

У з'єднаннях зазвичай відсутні пори чи тріщини. Оплавлені ділянки в перехідній зоні, особливо під час вибуху різнорідних металів, є сумішшю фаз евтектичного типу.

38.6. Пайка композиційних матеріалів

Процеси паяння дуже перспективні для з'єднання композиційних матеріалів, оскільки можуть здійснюватися при температурах, що не впливають на армуючий наповнювач і не викликають розвитку міжфазної взаємодії.

Паяння виконується звичайними технічними прийомами, тобто зануренням у припій або печі. Дуже важливим є питання якості підготовки поверхні під пайку. З'єднання, виконані твердими припоями із застосуванням флюсів, схильні до корозії, тому флюс повинен бути повністю видалений із зони з'єднання.

Паяння твердими та м'якими припоями

Розроблено кілька варіантів паяння боралюмінію. Опробовані припої для низькотемпературного паяння. Припої складу 55% ​​Cd-45% Ag, 95% Cd-5% Ag, 82,5% Cd-17,5% Zn рекомендуються для деталей, що працюють при температурах не вище 90 °С; припій складу 95% Zn – 5% Al – для робочих температур до 315 °С. Для поліпшення змочування і розтікання припою на поверхні, що з'єднуються, наносять шар нікелю товщиною 50 мкм. Високотемпературну пайку виготовляють з використанням евтектичних припоїв системи алюміній – кремній при температурах близько 575-615 °С. Час пайки має бути зведений до мінімуму через небезпеку деградації міцності борних волокон.

Основні труднощі при паянні вуглеалюмінієвих композицій як між собою, так і з алюмінієвими сплавами пов'язані з поганою змочуваністю вуглеалюмінію припоями. Кращими припоями є сплав 718 (А1-12% Si) або шари фольги зі сплаву 6061, що чергуються. Пайку виробляють в печі в атмосфері аргону при температурі 590 ° С протягом 5- 10 хв. Для з'єднання боралюмінію та вуглеалюмінію з титаном можуть бути застосовані припої системи алюміній – кремній-магній. Для підвищення міцності з'єднання рекомендують на поверхню титану наносити шар нікелю.

Евтетична дифузійна пайка. Метод полягає в нанесенні на поверхню деталей, що зварюються тонкого шару другого металу, що утворює евтектику з металом матриці. Для матриць зі сплавів алюмінію використовують шари Ag, Си, Mg, Ge, Zn, температура евтектики яких з алюмінієм відповідно 566, 547, 438, 424 і 382 °С. В результаті дифузійного процесу концентрація другого елемента в зоні контакту поступово знижується, температура плавлення з'єднання підвищується, наближаючись до температури плавлення матриці. Таким чином, паяні з'єднання можуть працювати при температурах, що перевищують температуру панки.

При дифузійній пайці боралюмінію поверхні деталей, що з'єднуються, покривають сріблом і міддю, потім стискають і витримують під тиском до 7 МПа при температурі 510-565 °С в сталевій реторті у вакуумі або інертній атмосфері.

Композиційні матеріали складаються з металевої матриці.(частіше А1, Mg, Ni та їх сплави), зміцненою високоміцними волокнами (волокнисті матеріали) або тонкодисперсними тугоплавкими частинками, не розчиняються в основному металі (дисперсно-зміцнені матеріали).Металева матриця пов'язує волокна (дисперсні частинки) єдине ціле. Волокно (дисперсні частинки) плюс зв'язка (матриця), що становлять ту

Рис. 1

1 - зернистий (дисперсно-зміцнений) матеріал (l/d- I): 2 - дискретний волокнистий композиційний матеріал; 3 - безперервно волокнистий композиційний матеріал; 4 - безперервне укладання волокон; 5 - двомірне укладання волокон; 6,7 - об'ємне укладання волокон

або іншу композицію, отримали назву композиційні матеріали(Рис. 196).

Волокнисті композиційні матеріали.

На рис. 196 наведено схеми армування волокнистих композиційних матеріалів. Композиційні матеріали з волокнистим наповнювачем (зміцнювачем) за механізмом армуючої дії ділять на дискретні, у яких відношення довжини волокна до діаметра l/d « 10-тЛ03, і ​​безперервним волокном, в яких l/d = с. Дискретні волокна розташовуються у матриці хаотично. Діаметр волокон від часток до сотень мікрометрів. Чим більше відношення довжини до діаметра волокна, тим вищий рівень зміцнення.

Часто композиційний матеріал є шаруватою структурою, в якій кожен шар армований великою кількістю паралельних безперервних волокон. Кожен шар можна армувати також безперервними волокнами, зітканими в тканину, яка є вихідною формою, по ширині і довжині, що відповідає кінцевому матеріалу. Нерідко волокна сплітають у тривимірні структури.

Композиційні матеріали відрізняються від звичайних сплавів вищими значеннями тимчасового опору та межі витривалості (на 50-100 %), модуля пружності, коефіцієнта жорсткості (Ely)і зниженою схильністю до тріщиноутворення. Застосування композиційних матеріалів підвищує жорсткість конструкції за одночасного зниження її металоємності.

Таблиця 44

Механічні властивості композиційних матеріалів на металевій основі

Міцність композиційних (волокнистих) матеріалів визначається властивостями волокон; матриця переважно повинна перерозподіляти напруги між армуючими елементами. Тому міцність і модуль пружності волокон повинні бути значно більшими, ніж міцність і модуль пружності матриці. Жорсткі армуючі волокна сприймають напруги, що у композиції при навантаженні, надають їй міцність і жорсткість у бік орієнтації волокон.

Для зміцнення алюмінію, магнію та їх сплавів застосовують борні (о = 2500-*-3500 МПа, Е = 38ч-420 гПа) і вуглецеві (ст = 1400-г-3500 МПа, Е 160-450 ГПа) волокна, а також волокна з тугоплавких сполук (карбідів, нітридів, боридів і оксидів), що мають високу міцність і модуль пружності. Так, волокна карбіду кремнію діаметром 100 мкм мають ст = 2500-*т3500 МПа, Е= 450 гПа. Нерідко використовують як волокна дріт із високоміцних сталей.

Для армування титану та його сплавів застосовують молібденовий дріт, волокна сапфіру, карбіду кремнію та бориду титану.

Підвищення жароміцності нікелевих сплавів досягається армуванням їх вольфрамовим або молібденовим дротом. Металеві волокна використовують і в тих випадках, коли потрібні високі теплопровідність та електропровідність. Перспективними зміцнювачами для високоміцних та високомодульних волокнистих композиційних матеріалів є ниткоподібні кристали з оксиду та нітриду алюмінію, карбіду та нітриду кремнію, карбіду бору та ін., що мають а = 15 000-г-28 000 МПа Е= 400-*-600 гПа.

У табл. 44 наведено властивості деяких волокнистих композиційних матеріалів.

Композиційні матеріали на металевій основі мають високу міцність (ст в, а_ х) і жароміцність, в той же час вони малопластичні. Однак волокна в композиційних матеріалах зменшують швидкість розповсюдження тріщин, що зароджуються в матриці, і практично повністю виключають раптове

Рис. 197. Залежність модуля пружності Е(а)і тимчасового опору в (б) бороалюмінієвого композиційного матеріалу вздовж (/) і поперек (2) осі армування від об'ємного вмісту борного волокна

тендітна руйнація. Відмінною особливістю одновісних волокнистих композиційних матеріалів є анізотропія механічних властивостей вздовж та впоперек волокон та мала чутливість до концентраторів напруги.

На рис. 197 наведена залежність а в і Ебороалюмінієвого композиційного матеріалу від вмісту борного волокна вздовж (/) та поперек ( 2 ) Осі армування. Чим більший об'ємний вміст волокон, тим вище а, a_ t і Евздовж осі армування. Однак необхідно враховувати, що матриця може передавати напруги волокнам тільки в тому випадку, коли існує міцний зв'язок на поверхні розділу волокна - матриця. Для запобігання контакту між волокнами матриця повинна повністю оточувати всі волокна, що досягається при вмісті її не менше 15-20%.

Матриця і волокно не повинні між собою взаємодіяти (повинна бути відсутня взаємна дифузія) при виготовленні або експлуатації, оскільки це може призвести до зниження міцності композиційного матеріалу.

Анізотропія властивостей волокнистих композиційних матеріалів враховується при конструюванні деталей для оптимізації властивостей шляхом узгодження поля опору полями напруги.

Армування алюмінієвих, магнієвих та титанових сплавів безперервними тугоплавкими волокнами бору, карбіду кремнію, дибориду титану та оксиду алюмінію значно підвищує жароміцність. Особливістю композиційних матеріалів є мала швидкість розусилля в часі (рис. 198, а)із підвищенням температури.

Рис. 198. Тривала міцність бороалюмінісвого композиційного матеріалу, що містить 50% борного волокна, у порівнянні з міцністю титанових сплавів (а) та тривала міцність нікелевого композиційного матеріалу в порівнянні з міцністю дисперсійно-твердіючих сплавів (б):

/ - бороалюмнієвий композит; 2 - титановий метал; 3 - дисперсійно-зміцнений композиційний матеріал; 4 - дисперсійно-твердні сплави

Основним недоліком композиційних матеріалів з одно- та двовимірним армуванням є низький опір міжшаровому зсуву та поперечному обриву. Цього недоліку позбавлені матеріали об'ємним армуванням.

• Широко застосовують полімерні, керамічні та інші матриці.