Metalli baasil komposiitmaterjalid. Pulberkomposiidid. Kiudkomposiitmaterjalid
Komposiitmaterjalid koosnevad metallmaatriksist (sagedamini Al, Mg, Ni ja nende sulamid), mis on tugevdatud ülitugevate kiududega (kiudmaterjalid) või peendisperssete tulekindlate osakestega, mis ei lahustu mitteväärismetallis (dispersioontugevdatud materjalid). Metallmaatriks seob kiud (dispergeeritud osakesed) ühtseks tervikuks. Kiudaineid (dispergeeritud osakesi) ja sideainet (maatriksit), mis moodustavad konkreetse koostise, nimetatakse komposiitmaterjalideks.
Mittemetallilise maatriksiga komposiitmaterjalid
Mittemetallilise maatriksiga komposiitmaterjalid on leidnud laialdast rakendust. Mittemetalliliste maatriksitena kasutatakse polümeeri, süsinikku ja keraamilisi materjale. Polümeermaatriksitest on enim kasutatud epoksü-, fenoolformaldehüüdi ja polüamiidi.
Süsinikmaatriksid, mis on koksitud või pürolüüsitud sünteetilistest polümeeridest saadud pürosüsinik. Maatriks seob kompositsiooni, andes sellele vormi. Tugevdavad ained on kiud: klaas, süsinik, boor, orgaanilised kiud, mis põhinevad vurrude (oksiidid, karbiidid, boriidid, nitriidid ja teised), aga ka metall (traadid), millel on kõrge tugevus ja jäikus.
Komposiitmaterjalide omadused sõltuvad komponentide koostisest, nende kombinatsioonist, kvantitatiivsest suhtest ja nendevahelise sideme tugevusest.
Tugevdusmaterjalid võivad olla kiudude, takud, niidid, teibid, mitmekihilised kangad.
Kõvendi sisaldus orienteeritud materjalides on 60-80 mahu%, mitte-orienteeritud (diskreetsete kiudude ja vurridega) - 20-30 mahu%. Mida suurem on kiudude tugevus ja elastsusmoodul, seda suurem on komposiitmaterjali tugevus ja jäikus. Maatriksi omadused määravad koostise tugevuse nihke- ja kokkusurumisel ning vastupidavuse väsimuskahjustusele.
Kõvendi tüübi järgi jaotatakse komposiitmaterjalid klaaskiududeks, süsinikkiududega süsinikkiududeks, boorkiududeks ja orelkiududeks.
Lamineeritud materjalides asetatakse sideainega immutatud kiud, niidid, teibid ladumise tasapinnas üksteisega paralleelselt. Lamedad kihid monteeritakse plaatideks. Omadused on anisotroopsed. Materjali tööks tootes on oluline arvestada mõjuvate koormuste suunda. Saate luua nii isotroopsete kui ka anisotroopsete omadustega materjale. Kiude saab paigutada erinevate nurkade all, muutes komposiitmaterjalide omadusi. Materjali painde- ja väändejäikus sõltub kihtide paigaldamise järjekorrast piki pakendi paksust.
Kasutatakse kolme, nelja või enama keermega tugevduselementide paigaldamist.
Kolme vastastikku risti asetseva keerme struktuur on kõige suurema rakendusega. Kõvendid võivad paikneda aksiaal-, radiaal- ja ringsuunas.
Kolmemõõtmelised materjalid võivad olla mis tahes paksusega plokkide, silindrite kujul. Mahukad kangad suurendavad koorimistugevust ja nihkekindlust võrreldes kihiliste kangastega. Neljast kiust koosnev süsteem on ehitatud tugevdava aine laiendamisega piki kuubi diagonaale. Nelja keerme struktuur on tasakaalustatud, põhitasanditel on suurenenud nihkejäikus.
Nelja suunamaterjali loomine on aga keerulisem kui kolme suunalise materjali loomine.
Seda tüüpi komposiitmaterjalide hulka kuuluvad sellised materjalid nagu SAP (paagutatud alumiiniumpulber), mis on alumiiniumist tugevdatud alumiiniumoksiidi hajutatud osakestega. Alumiiniumipulber saadakse sulametalli pihustamisel, millele järgneb jahvatamine kuulveskis hapniku juuresolekul umbes 1 mikroni suuruseni. Jahvatamise kestuse pikenemisega muutub pulber peenemaks ja alumiiniumoksiidi sisaldus selles suureneb. Täiendav SAP-i toodete ja pooltoodete tootmise tehnoloogia hõlmab paagutatud alumiiniumtooriku külmpressimist, eelpaagutamist, kuumpressimist, valtsimist või ekstrudeerimist valmistoodeteks, mida saab täiendavalt kuumtöödelda.
SAP-tüüpi sulameid kasutatakse lennutehnoloogias kõrge eritugevuse ja korrosioonikindlusega detailide valmistamiseks, mis töötavad temperatuuridel kuni 300–500 °C. Nendest valmistatakse kolvivardad, kompressori labad, kütuseelementide kestad ja soojusvaheti torud.
Alumiiniumi ja selle sulamite tugevdamine terastraadiga suurendab nende tugevust, suurendab elastsusmoodulit, väsimuskindlust ja laiendab materjali temperatuurivahemikku.
Lühikeste kiududega tugevdamine toimub pulbermetallurgia meetoditega, mis seisnevad pressimises, millele järgneb toorikute hüdroekstrusioon või valtsimine. Alumiiniumfooliumi ja kiudude vahelduvatest kihtidest koosnevate sandwich-tüüpi kompositsioonide pidevate kiududega tugevdamisel kasutatakse valtsimist, kuumpressimist, plahvatuskeevitust ja difusioonkeevitust.
Väga paljulubav materjal on alumiinium-berülliumtraadi koostis, mis realiseerib berülliumarmatuuri kõrgeid füüsikalisi ja mehaanilisi omadusi ning ennekõike selle madalat tihedust ja suurt erijäikust. Berülliumtraadiga kompositsioonid saadakse berülliumtraadi ja maatrikslehtede vahelduvatest kihtidest pakkide difusioonkeevitamisel. Teras- ja berülliumtraatidega tugevdatud alumiiniumsulameid kasutatakse raketi keredetailide ja kütusepaakide valmistamiseks.
Kompositsioonis "Alumiinium-süsinikkiud" võimaldab madala tihedusega tugevduse ja maatriksi kombinatsioon luua suure eritugevuse ja jäikusega komposiitmaterjale. Süsinikkiudude puuduseks on nende haprus ja kõrge reaktsioonivõime. Alumiinium-süsinik koostis saadakse süsinikkiudude immutamisel vedela metalliga või pulbermetallurgia meetoditega. Tehnoloogiliselt on kõige lihtsam tõmmata süsinikkiudude kimbud läbi alumiiniumsulami.
Alumiinium-süsinik komposiiti kasutatakse kaasaegsete hävitajate kütusepaakide projekteerimisel. Materjali suure eritugevuse ja jäikuse tõttu väheneb kütusepaakide mass 30%. Seda materjali kasutatakse ka lennukite gaasiturbiinmootorite turbiinilabade valmistamiseks.
Mittemetallilise maatriksiga komposiitmaterjalid
Tööstuses kasutatakse laialdaselt mittemetallilise maatriksiga komposiitmaterjale. Mittemetalliliste maatriksitena kasutatakse polümeeri, süsinikku ja keraamilisi materjale. Polümeermaatriksitest on enim kasutatud epoksü-, fenoolformaldehüüdi ja polüamiidi. Süsinikmaatriksid koksitakse või saadakse sünteetilistest polümeeridest, mis on allutatud pürolüüsile (lagunemine, lagunemine). Maatriks seob kompositsiooni, andes sellele vormi. Tugevdajad on kiud: klaas, süsinik, boor, orgaaniline, vurrude (oksiidid, karbiidid, boriidid, nitriidid jne) baasil, samuti metall (traadid), millel on kõrge tugevus ja jäikus.
Komposiitmaterjalide omadused sõltuvad komponentide koostisest, nende kombinatsioonist, kvantitatiivsest suhtest ja nendevahelise sideme tugevusest.
Kõvendi sisaldus orienteeritud materjalides on 60–80 vol. %, orienteerimata (diskreetsete kiudude ja vurridega) - 20 - 30 vol. %. Mida suurem on kiudude tugevus ja elastsusmoodul, seda suurem on komposiitmaterjali tugevus ja jäikus. Maatriksi omadused määravad koostise tugevuse nihke- ja kokkusurumisel ning vastupidavuse väsimuskahjustusele.
Kõvendi tüübi järgi jaotatakse komposiitmaterjalid klaaskiududeks, süsinikkiududega süsinikkiududeks, boorkiududeks ja orelkiududeks.
Lamineeritud materjalides asetatakse sideainega immutatud kiud, niidid, teibid ladumise tasapinnas üksteisega paralleelselt. Tasapinnalised kihid monteeritakse plaatideks. Omadused on anisotroopsed. Materjali tööks tootes on oluline arvestada mõjuvate koormuste suunda. Saate luua nii isotroopsete kui ka anisotroopsete omadustega materjale. Kiude saab paigutada erinevate nurkade all, muutes komposiitmaterjalide omadusi. Materjali painde- ja väändejäikus sõltub kihtide paigaldamise järjekorrast piki pakendi paksust.
Kasutatakse kolme, nelja või enama keermega tugevduselementide virnastamist (joonis 7). Kolme vastastikku risti asetseva keerme struktuur on kõige suurema rakendusega. Kõvendid võivad paikneda aksiaal-, radiaal- ja ringsuunas.
Kolmemõõtmelised materjalid võivad olla mis tahes paksusega plokkide, silindrite kujul. Mahukad kangad suurendavad koorimistugevust ja nihkekindlust võrreldes kihiliste kangastega. Neljast kiust koosnev süsteem ehitatakse, asetades tugevduse piki kuubi diagonaale. Nelja keerme struktuur on tasakaalustatud, põhitasanditel on suurenenud nihkejäikus. Nelja suunamaterjali loomine on aga keerulisem kui kolme suunalise materjali loomine.
Riis. 7. Komposiitmaterjalide tugevdamise skeem: 1 - ristkülikukujuline, 2 - kuusnurkne, 3 - kaldus, 4 - kumerate kiududega, 5 - n keermega süsteem
Kõige tõhusamad kasutamisel kõige raskemates kuivhõõrdetingimustes on polütetrafluoroetüleenil (PTFE) põhinevad hõõrdumist takistavad materjalid.
PTFE-le on omane küllaltki kõrge staatiline hõõrdetegur, kuid libiseva hõõrdumise käigus tekib PTFE pinnale väga õhuke kõrge orientatsiooniga polümeerikiht, mis aitab ühtlustada staatilist ja dünaamilist hõõrdetegurit ning libisemisel sujuvat liikumist. Libisemissuuna muutmisel põhjustab orienteeritud pinnakile olemasolu ajutise hõõrdeteguri tõusu, mille väärtus pinnakihi ümberorienteerimisel taas väheneb. PTFE selline käitumine hõõrdumisel on toonud kaasa selle laialdase kasutamise tööstuses, kus täitmata PTFE-d kasutatakse peamiselt laagrite tootmiseks. Paljudel juhtudel peavad määrimata laagrid töötama suuremal hõõrdekiirusel. Samal ajal iseloomustavad täitmata PTFE-d kõrged hõõrdeteguri ja kulumiskiiruse väärtused. Sellistes tingimustes töötavate määrimata laagrite materjalidena on kõige sagedamini PTFE-l põhinevad komposiitmaterjalid leidnud laialdast rakendust.
Lihtsaim viis PTFE suhteliselt kõrge kulumise vähendamiseks kuivhõõrdumise ajal on pulbriliste täiteainete kasutuselevõtt. Sel juhul suureneb roomamistakistus surve all ja kuivhõõrdumise korral täheldatakse kulumiskindluse olulist suurenemist. Optimaalse koguse täiteaine kasutuselevõtt võimaldab suurendada kulumiskindlust kuni 10 4 korda.
Polümeeridel ja nendel põhinevatel komposiitmaterjalidel on ainulaadne füüsikaliste ja mehaaniliste omaduste kogum, mille tõttu nad konkureerivad edukalt traditsiooniliste konstruktsiooniteraste ja sulamitega ning mõnel juhul on võimatu tagada spetsiaalsete toodete ja masinate nõutavaid funktsionaalseid omadusi ja jõudlust. ilma polümeerseid materjale kasutamata. Plastide toodeteks töötlemise tehnoloogiate kõrge valmistatavus ja madal energiatarve koos ülalmainitud PCM-i eelistega teevad neist väga paljulubavad materjalid erinevatel eesmärkidel kasutatavate masinaosade jaoks.
38.1. Klassifikatsioon
Komposiitmaterjalid on materjalid, mis on tugevdatud maatriksis teatud viisil paiknevate täiteainetega, täiteained on enamasti suure aatomitevahelise sideme energiaga, suure tugevuse ja kõrge mooduliga ained, kuid kombineerituna rabedate maatriksitega võib kasutada ka väga plastilisi täiteaineid.
Komposiitmaterjalide sideainekomponendid ehk maatriksid võivad olla erinevad – polümeersed, keraamilised, metallist või segatud. Viimasel juhul räägitakse polümaterjalidest komposiitmaterjalidest.
Tugevdusfaaside morfoloogia järgi jagunevad komposiitmaterjalid:
nullmõõtmeline (tähistus: 0,) või maatriksis juhuslikult jaotunud erineva peenusega osakeste poolt karastatud;
ühemõõtmeline kiud (sümbol: 1) või tugevdatud ühesuunaliste pidevate või diskreetsete kiududega;
kahemõõtmeline kihiline (sümbol: 2) või mis sisaldab võrdselt orienteeritud tugevduslamelle või kihte (joonis 38.1).
Eelnevalt "disainitud" komposiitmaterjalide anisotroopiat, et kasutada seda sobivates struktuurides, nimetatakse struktuurseks.
Vastavalt tugevdusfaaside suurusele või tugevduselemendi suurusele jaotatakse komposiitmaterjalid järgmiselt:
submikrokomposiidid (tugevdusraku suurus, kiu või osakese läbimõõt<С 1 мкм), например, дисперсноупрочненные сплавы или волокнистые композиционные материалы с очень тонкими волокнами:
mikrokomposiidid (tugevdusraku suurus, kiu läbimõõt, osakesed või kihi paksus ^1 µm), näiteks osakestega tugevdatud materjalid, süsinikkiud, ränikarbiidi, boori jne, ühesuunalised eutektilised sulamid;
makrokomposiidid (tugevdavate komponentide läbimõõt või paksus -100 mikronit), näiteks vasest või alumiiniumisulamist valmistatud osad, tugevdatud volfram- või terastraadi või fooliumiga. Makrokomposiite kasutatakse kõige sagedamini hõõrdeosade kulumiskindluse parandamiseks tootmistööriistades.
38.2. Liideste interaktsioon komposiitmaterjalides
38.2.1. Komponentide füüsikalis-keemiline ja termomehaaniline ühilduvus
Keemilise koostise ja füüsikaliste omaduste poolest oluliselt erinevate ainete kombineerimine ühes materjalis tõstab komposiitmaterjalide väljatöötamisel, valmistamisel ja ühendamisel esile komponentide termodünaamilise ja kineetilise ühilduvuse probleemi. Idu all
Dünaamilise ühilduvuse all mõistetakse maatriksi ja tugevdavate täiteainete võimet olla tootmis- ja töötemperatuuridel piiramatu aja jooksul termodünaamilises tasakaalus. Peaaegu kõik kunstlikult loodud komposiitmaterjalid on termodünaamiliselt kokkusobimatud. Ainsad erandid on mõned metallilised süsteemid (Cu-W, Cu-Mo, Ag-W), kus faaside vahel puudub keemiline ja difusiooniline interaktsioon nende kokkupuute piiramatu aja jooksul.
Kineetiline ühilduvus - komposiitmaterjalide komponentide võime säilitada metastabiilne tasakaal teatud temperatuuri-aja intervallidel. Kineetilise ühilduvuse probleemil on kaks aspekti: 1) füüsikaline ja keemiline – tugeva sideme tagamine komponentide vahel ning lahustumise, hetero- ja reaktiivse difusiooni protsesside piiramine liidestel, mis põhjustavad rabedate interaktsiooniproduktide moodustumist ja ainete lagunemist. tugevdusfaaside ja komposiitmaterjali kui terviku tugevus; 2) termomehaaniline - termilise ja mehaanilise päritoluga sisepingete soodsa jaotuse saavutamine ja nende taseme vähendamine; tagades ratsionaalse seose maatriksi pingekõvenemise ja pingete lõdvestamise võime vahel, vältides ülekoormust ja kõvenemisfaaside enneaegset ebaõnnestumist.
Metallmaatriksite füüsikalis-keemilise ühilduvuse parandamiseks tugevdavate täiteainetega on järgmised võimalused:
I. Uut tüüpi tugevdavate täiteainete väljatöötamine, mis on vastupidavad kokkupuutel metallmaatriksitega kõrgel temperatuuril, näiteks keraamilised kiud, vurrud ja ränikarbiidide, titaani, tsirkooniumi, boori, alumiiniumoksiidide, tsirkooniumi, räninitriidide, boori dispergeeritud osakesed , jne.
II Tõkkekatete katmine tugevdavatele täiteainetele, näiteks tulekindlate metallide, titaankarbiidide, hafniumi, boori, titaannitriidide, boori, ütriumoksiidide katted süsinikkiududele, boor, ränikarbiidid. Mõned kiudude tõkkekatted, peamiselt metallilised, on vahendiks kiudude märgumise parandamiseks maatrikssulatustega, mis on eriti oluline komposiitmaterjalide saamiseks vedelfaasi meetodil. Selliseid katteid nimetatakse sageli tehnoloogilisteks
Vähem oluline pole ka tehnoloogiliste katete pealekandmisel leitud plastifitseerimise efekt, mis väljendub kiudude stabiliseerumises ja isegi tugevuse suurenemises (näiteks boorikiudude aluminiseerimisel sulavannist läbi tõmmates või süsinikkiudude puhul on nikeldatud koos järgneva kuumtöötlusega).
III. Metallimaatriksite kasutamine komposiitmaterjalides, mis on legeeritud elementidega, millel on suurem afiinsus tugevdava täiteaine suhtes kui maatriksmetallil, või pindaktiivsete lisanditega. Sellest tulenev muutus liideste keemilises koostises peaks vältima pindadevahelise interaktsiooni teket Maatriksisulamite legeerimine pindaktiivsete või karbiidi moodustavate lisanditega, samuti tehnoloogiliste kattekihtide sadestamine kiududele võib parandada armatuuri märguvust. täiteaine metallisulamistega.
IV. Maatriksi legeerimine elementidega, mis suurendavad maatriksisulamis tugevdava täiteaine keemilist potentsiaali, või tugevdava täitematerjali lisanditega kuni küllastuskontsentratsioonini komposiitmaterjali saamise või töötamise temperatuuridel. Selline doping takistab tugevdava faasi lahustumist, st suurendab kompositsiooni termilist stabiilsust.
V. "Kunstlike" komposiitmaterjalide loomine vastavalt "looduslike" eutektiliste kompositsioonide tüübile, valides komponentide sobiva koostise.
VI. Komponentide kokkupuute optimaalsete kestuste valik konkreetses komposiitmaterjalide saamise protsessis või nende kasutustingimustes, st võttes arvesse temperatuuri ja jõu tegureid. Ühelt poolt peaks kokkupuute kestus olema piisav komponentide vahel tugevate kleepuvate sidemete tekkeks; teisest küljest ei too see kaasa intensiivset keemilist vastasmõju, rabedate vahefaaside teket ja komposiitmaterjali tugevuse vähenemist.
Komposiitmaterjalide komponentide termomehaaniline ühilduvus on tagatud:
maatriksisulamite ja täiteainete valik, mille elastsusmoodulite erinevus on minimaalne, Poissoni suhted, soojuspaisumistegurid;
vahekihtide ja katete ning tugevdusfaaside kasutamine, mis vähendavad erinevusi maatriksi ja faaside füüsikalistes omadustes;
üleminek ühte tüüpi komponendiga armatuurilt polüarmeeritud - iiu, st koostise ja füüsikaliste omaduste poolest erinevate tugevdavate kiudude, osakeste või kihtide kombinatsioon ühes komposiitmaterjalis;
osade geomeetria, armatuuri skeemi ja skaala muutmine; armeerimisfaaside morfoloogia, suurus ja mahuosa; pideva täiteaine asendamine diskreetse täiteainega;
komposiitmaterjali tootmismeetodite ja -viiside valik, mis tagab selle komponentide sidetugevuse teatud taseme.
38.2.2. Tugevdavad täiteained
Metallmaatriksite tugevdamiseks kasutatakse ülitugevaid ja suure mooduliga täiteaineid - pidevaid ja diskreetseid metalli-, mittemetalli- ja keraamilisi kiude, lühikesi kiude ja osakesi, vurrud (tabel 38.1).
Süsinikkiud on tootmises üks arenenumaid ja paljutõotavamaid tugevdusmaterjale. Süsinikkiudude oluliseks eeliseks on nende madal erikaal, metallide omale lähedane soojusjuhtivus (R=83,7 W/(m-K)) ja suhteliselt madal hind.
Kiud tarnitakse siledate või keerdunud müogofilamentkimpude, kangaste või paelte kujul. Olenevalt lähteaine tüübist varieerub niitide läbimõõt 2-10 mikronini, filameiitide arv kimbus varieerub sadadest kümnete tuhandete tükkideni.
Süsinikkiududel on kõrge keemiline vastupidavus atmosfääritingimustele ja mineraalhapetele. Kiudude kuumakindlus on madal: pikaajalisel töötamisel õhus ei ületa temperatuur 300-400 °C. Keemilise vastupidavuse suurendamiseks kokkupuutel metallidega kantakse kiudude pinnale titaan- ja tsirkooniumboriidide, titaankarbiidide, tsirkooniumi, räni ja tulekindlate metallide barjäärkatted.
Boorikiud saadakse boori sadestamisel vesiniku ja boortrikloriidi gaasisegust volframtraadile või süsinikmonofilamentidele, mis on kuumutatud temperatuurini 1100–1200 °C. Õhus kuumutamisel hakkavad boorikiud oksüdeeruma temperatuuril 300–350 ° C, 600–800 ° C juures kaotavad nad täielikult tugevuse. Aktiivne interaktsioon enamiku metallidega (Al, Mg, Ti, Fe, Ni) algab temperatuuril 400-600 °C. Boorikiudude kuumakindluse suurendamiseks sadestatakse õhukesed kihid (2-6 μm) ränikarbiidi (SiC / B / W), boorkarbiidi (B4C / B / W), boornitriidi (BN / B / W). gaasifaasi meetod
Ränikarbiidkiud läbimõõduga 100-200 mikronit saadakse 1300 ° C juures sadestamisel ränitetrakloriidi ja metaani auru-gaasi segust, mis on lahjendatud vesinikuga vahekorras 1:2:10, ja volframtraadist.
|
Süsinikkiud
|
|
TABEL 38.2 KOMPOSIITMATERJALIDES MAATRIKSINA KASUTATAVAD SULMID
|
või pigi süsinikkiud. Parimate kiuproovide tugevus on 1100 °C juures 3000–4000 MPa
Südamikuta ränikarbiidkiud multifilameiidikimpudena, mis on saadud vedelatest orgaanilistest silaanidest tõmbamise ja pürolüüsi teel, koosnevad ülipeentest f)-SiC kristallidest.
Metallkiud toodetakse traadi kujul, mille läbimõõt on 0,13; 0,25 ja 0,5 mm. Kõrgtugevast terasest ja berülliumisulamitest valmistatud kiud on mõeldud peamiselt kergsulamitest ja titaanist valmistatud maatriksite tugevdamiseks. Reeniumi, titaani, oksiidi ja karbiidi faasidega legeeritud tulekindlate metallide kiude kasutatakse kuumuskindlate ja nikkel-kroomi, titaani ja muude sulamite kõvendamiseks.
Tugevdamiseks kasutatavad vurrud võivad olla metallist või keraamilised. Selliste kristallide struktuur on ühekristalliline, läbimõõt on tavaliselt kuni 10 mikronit pikkuse ja läbimõõdu suhtega 20-100. Vurrud saadakse erinevatel meetoditel: kasv katetest, elektrolüütiline sadestamine, sadestamine auru- gaasikeskkond, kristallimine gaasifaasist läbi vedela faasi. auru - vedelkristalli, pürolüüsi, küllastunud lahustest kristalliseerumise, siseelundite mehhanismi abil
38.2.3. Maatrikssulamid
Metallkomposiitmaterjalides kasutatakse maatrikseid peamiselt alumiiniumi ja magneesiumi kergsepistatud ja valatud sulamitest, samuti vase, nikli, koobalti, tsingi, tina, plii, hõbeda sulamitest; kuumuskindel nikkel-kroom, titaan, tsirkoonium, vanaadiumi sulamid; tulekindlate metallide kroomi ja nioobiumi sulamid (tabel 38 2).
38.2.4. Komposiitmaterjalide sidemete tüübid ja liidese struktuurid
Olenevalt täiteaine ja maatriksite materjalist, komposiitmaterjalide liideste saamise meetoditest ja viisidest realiseeritakse kuut tüüpi sidemeid (tabel 38.3). Tugevaima sideme komponentide vahel metallmaatriksitega kompositsioonides annab keemiline interaktsioon. Levinud sidemete tüüp on segatud, mida esindavad tahked lahused ja intermetallilised faasid (näiteks pidevvalamisel saadud "alumiinium-boorkiud" koostis) või tahked lahused, metallidevahelised ja oksiidfaasid (sama koostis, mis saadakse plasma poolkihi pressimisel). valmistooted) jne.
38.3. Komposiitmaterjalide valmistamise meetodid
Metallkomposiitmaterjalide tootmise tehnoloogia määrab toodete disain, eriti kui need on keerulise kujuga ja nõuavad liitekohtade ettevalmistamist keevitamise, jootmise, liimimise või neetimise teel ning reeglina on see mitme ristmikuga.
Komposiitmaterjalidest osade või pooltoodete (lehed, torud, profiilid) tootmise elementaarseks aluseks on enamasti nn prepregmaterjalid ehk teibid, millel on üks kiht tugevdavat täiteainet, mis on immutatud või kaetud maatriksisulamitega; metalliga immutatud kiudköisikud või maatriksisulamitega kaetud üksikud kiud.
|
KOMPSIITMATERJALIDE LIIDEPINNADE SIDE LIIDED
|
Osad ja pooltooted saadakse esialgsete prepregmaterjalide ühendamisel (tihendamisel) immutamise, kuumpressimise, valtsimise või prepregidest pakendite tõmbamise teel. Mõnikord valmistatakse nii prepreg-tooteid kui ka komposiitmaterjalidest tooteid samadel meetoditel, näiteks pulber- või valutehnoloogial ning erinevatel režiimidel ja erinevates tehnoloogilistes etappides.
Metallmaatriksiga prepreg-, pooltoodete ja komposiitmaterjalidest toodete saamise meetodid võib jagada viide põhirühma: 1) aur-gaasfaas; 2) keemiline ja elektrokeemiline; 3) vedelfaas; 4) tahke faas; 5) tahke-vedel faas.
38.4. Meomadused
Metallmaatriksiga komposiitmaterjalidel on mitmeid vaieldamatuid eeliseid võrreldes teiste äärmuslikes tingimustes töötamiseks mõeldud konstruktsioonimaterjalidega. Nende eeliste hulka kuuluvad: kõrge tugevus ja. jäikus koos suure murdumiskindlusega; kõrge eritugevus ja jäikus (lõpliku tugevuse ja elastsusmooduli suhe erikaalu a/y ja E/y); kõrge väsimuspiir; kõrge kuumakindlus; madal tundlikkus termiliste löökide, pinnadefektide suhtes, kõrge summutusomadused, elektri- ja soojusjuhtivus, valmistatavus projekteerimisel, töötlemisel ja ühendamisel (tabel 38 4).
|
METALLMATRIKSIDEGA KOMPOSIITMATERJALID VÕRDLUSES PARIMATE METALLKONSTRUKTSIOONIMATERJALIDEGA |
|
TABEL 385 |
|
METALLMAATRIKSIGA KOMPOSIT MATERJALIDE MEHAANILISED OMADUSED
|
Soojusjuhtivuse, elektrijuhtivuse, külmakindluse ja muude omaduste osas materjalidele esitatavate erinõuete puudumisel määratakse komposiitmaterjalide töö temperatuurivahemikud järgmiselt:<250 °С - для материалов с полимерными матрицами; >1000 °С - keraamiliste maatriksitega materjalide jaoks; metallmaatriksitega komposiitmaterjalid ületavad neid piire
Mõnede komposiitmaterjalide tugevusnäitajad on toodud tabelis 38-5.
Põhilised komposiitmaterjalide liitetüübid on tänapäeval polt-, neet-, liim-, joode- ja keevisliited ning kombineeritud. Eriti paljulubavad on joote- ja keevisliited, mis avavad võimaluse täielikult realiseerida komposiitmaterjali ainulaadseid omadusi. struktuur, kuid nende rakendamine on keeruline teaduslik ja tehniline ülesanne ning paljudel juhtudel ei ole see veel katsefaasist väljunud
38.5. Komposiitmaterjalide keevitatavuse probleemid
Kui keevitatavuse all mõeldakse materjali võimet moodustada keevisliiteid, mis ei jää oma omadustelt alla, siis metallmaatriksiga komposiitmaterjalid, eriti kiudmaterjalid, tuleks klassifitseerida raskesti keevitavateks materjalideks. Sellel on mitu põhjust.
I. Keevitus- ja jootmismeetodid hõlmavad komposiitmaterjalide ühendamist mööda metallmaatriksit. Tugevdav täiteaine keevis- või jootmisõmbluses kas puudub täielikult (näiteks põkk-keevisõmblustes, mis paiknevad risti armatuuri suunas kiud- või kihilistes komposiitmaterjalides) või vähenenud mahuosaga (dispersioontugevdatud materjalide keevitamisel traatidega mis sisaldab diskreetset tugevdusfaasi) või on rikutud armatuuri järjepidevust ja suunda (näiteks kiuliste kompositsioonide difusioonkeevitamisel armatuuri suunas). Seetõttu on keevis- või jootmisõmblus komposiitmaterjali struktuuri nõrgestatud osa, millega tuleb arvestada liitekoha projekteerimisel ja keevitamiseks ettevalmistamisel. Kirjanduses on tehtud ettepanekuid kompositsioonikomponentide offline keevitamiseks, et säilitada armatuuri järjepidevus (näiteks volframkiudude survekeevitus volfram-vask koostises), kuid kiudkomposiitmaterjalide offline põkkkeevitus nõuab erilist serva ettevalmistamist, ranget kinnipidamist. tugevdusastmeni ja sobib ainult materjalidega tugevdatud metallkiududele. Teine ettepanek on valmistada põkkühendused kattuvate kiududega, mille pikkus on suurem kui kriitiline pikkus, kuid raskusi on liitekoha täitmisel maatriksmaterjaliga ja tugeva sideme tagamisega piki kiud-maatriksi liidest.
II. Keevituse kuumutamise mõju füüsikalis-keemilise vastasmõju kujunemisele komposiitmaterjalis vaadeldakse mugavalt kiudmaterjali kaare läbitungimisel armeerimissuunas tekkiva vuugi näitel (joonis 38.2). Kui maatriksmetallil pole polümorfismi (näiteks Al, Mg, Cu, Ni jne), siis saab vuugis eristada 4 põhitsooni: materjal; 2 - maatriksmetalli tagasivoolu ja ümberkristallimise temperatuuridega piiratud tsoon (tagastustsoon); 3-tsooniline,
piiratud maatriksi ümberkristallimise ja sulamise temperatuuridega (rekristallisatsioonitsoon); 4 - kuumutustsoon maatriksi sulamistemperatuurist kõrgemal (nimetagem seda tsooni keevisõmbluseks). Kui komposiitmaterjali maatriks on Ti, Zr, Fe ja muude polümorfsete muundumistega metallide sulamid, ilmuvad tsoonis 3 maatriksi täieliku või osalise faasi ümberkristalliseerumisega alamtsoonid ja see punkt ei ole selle seisukohast oluline. .
Komposiitmaterjali omaduste muutused algavad tsoonist 2. Siin eemaldavad taaskasutusprotsessid komposiitmaterjali tahkefaasilise tihendamise käigus saavutatud maatriksi deformatsioonikõvenemise (vedelfaasimeetodil saadud kompositsioonides toimub pehmenemine selles tsoonis ei täheldatud).
Tsoonis 3 toimub maatriksmetalli ümberkristallimine ja terakeste kasv. Maatriksi aatomite difusiooniliikuvuse tõttu saab võimalikuks komposiitmaterjali valmistamisel alguse saanud pindadevahelise interaktsiooni edasine areng, suureneb rabedate vahekihtide paksus ning komposiitmaterjali kui terviku omadused halvenevad. Materjali sulandkeevitus
on võimalik poorsus piki sulamispiiri ja külgnevaid liidese piire, mis halvendab mitte ainult tugevusomadusi, vaid ka keevisühenduse tihedust.
Tsoonis 4 (keevisõmblus) saab eristada 3 sektsiooni:
Krunt 4", mis külgneb keevisõmbluse teljega, kus tugeva ülekuumenemise tõttu metallmaatriksi sulamiskaare all ja metalli pikima jäämise tõttu sulas olekus on tugevdusfaas täielikult lahustunud;
Segment 4", mida iseloomustab sulatise madalam kuumutamistemperatuur ja tugevdusfaasi lühem kokkupuute kestus sulatisega. Siin lahustub see faas ainult osaliselt sulatis (näiteks väheneb kiudude läbimõõt, kestad ilmuvad nende pinnale; armatuuri ühesuunalisus on rikutud);
Segment 4"", kus tugevdusfaasi suuruses märgatavat muutust ei toimu, kuid areneb intensiivne koostoime sulatisega, tekivad rabedate interaktsiooniproduktide vahekihid või saarekesed ning armeerimisfaasi tugevus väheneb. Selle tulemusena muutub tsoon 4 komposiitmaterjali maksimaalse kahjustuse tsooniks keevitamise ajal.
III. Maatriksmaterjali ja armeerimisfaasi soojuspaisumise erinevuste tõttu tekivad komposiitmaterjalide keevisliidetes täiendavad termoelastsed pinged, mis põhjustavad erinevate defektide teket: pragunemine, rabedate armeerimisfaaside hävimine vuugi kõige soojemas tsoonis 4. , delaminatsioon piki liideste piire tsoonis 3.
Komposiitmaterjalide keevisliidete kõrgete omaduste tagamiseks on soovitatav järgida järgmist.
Esiteks tuleks teadaolevatest liitmisviisidest eelistada tahkefaasilisi keevitusmeetodeid, mille puhul tänu väiksemale energiasisendile on võimalik saavutada ühendustsoonis olevate komponentide omaduste minimaalne halvenemine.
Teiseks tuleb survekeevitusrežiimid valida nii, et välistada tugevduskomponendi nihkumine või muljumine.
Kolmandaks, komposiitmaterjalide sulakeevitamisel tuleks valida meetodid ja režiimid, mis tagavad minimaalse soojuse sisendi vuugitsooni.
Neljandaks tuleks termodünaamiliselt ühilduvate komponentidega, nagu vask-volfram, vask-molübdeen, hõbe-volfram, või kuumuskindlate täiteainetega, näiteks ränikarbiidkiududega või tõkkekattega täiteainetega tugevdatud komposiitmaterjalide ühendamiseks soovitada sulakeevitamist. nagu boorkarbiidi või ränikarbiidiga kaetud boorkiud.
Viiendaks peab elektrood või täitematerjal või sulakeevitus- või jootmisjootmise vahetihendite materjal sisaldama legeerivaid lisandeid, mis piiravad tugevdava komponendi lahustumist ja haprate liidese interaktsiooniproduktide teket keevitusprotsessis ja keevissõlmede järgneval töötamisel. .
38.5.1. Komposiitkeevitus
Kiud- ja kihilised komposiitmaterjalid on kõige sagedamini kattuvad. Põranda pikkuse ja materjali paksuse suhe ületab tavaliselt 20. Selliseid ühendusi saab täiendavalt tugevdada neet- või poltühendustega. Ringliidete kõrval on võimalik teha sarrusesuunas ja harvem ka risti armatuurisuunas põkk- ja filee keevisõmblusi. Esimesel juhul on keevitus- või jootmismeetodite ja -režiimide õige valikuga võimalik saavutada vuugi võrdne tugevus; teisel juhul ei ületa sideme tugevus tavaliselt maatriksmaterjali tugevust.
Osakeste, lühikeste kiudude, vurridega tugevdatud komposiitmaterjalide keevitamisel kasutatakse samu võtteid, mida kasutatakse sademekindlate sulamite või pulbermaterjalidega. Keevisliidete võrdne tugevus alusmaterjaliga on sel juhul saavutatav eeldusel, et komposiitmaterjal on valmistatud vedelfaasi tehnoloogial, tugevdatud kuumuskindlate täiteainetega ning sobivate keevitusrežiimide ja keevitusmaterjalide valikul. Mõnel juhul võib elektrood või täitematerjal olla põhimaterjaliga sarnane või koostiselt lähedane.
38.5.2. Kaarkeevitus kaitsegaasides
Meetodit kasutatakse reaktiivsete metallide ja sulamite (alumiinium, magneesium, titaan, nikkel, kroom) maatriksiga komposiitmaterjalide sulandkeevitamiseks. Keevitamine toimub mittetarbiva elektroodiga argooni või heeliumi segu atmosfääris. Keevitamise termilise mõju kontrollimiseks materjalidele on soovitatav kasutada impulsskaare, surukaare või kolmefaasilist kaare.
Vuukide tugevuse suurendamiseks on soovitatav teha õmblused komposiitelektroodide või täitejuhtmetega, mille armeerimisfaasi mahusisaldus on 15-20%. Tugevdusfaasidena kasutatakse lühikesi boori, safiiri, nitriidi või ränikarbiidi kiude.
38.5.3. elektronkiirega keevitamine
Meetodi eelisteks on sulametalli ja tugevdava täiteaine oksüdatsiooni puudumine, metalli vaakumdegaseerimine keevitustsoonis, kõrge energiakontsentratsioon talas, mis võimaldab saada minimaalse sulamislaiusega liitekohti. tsoon ja peaaegu keevisõmblus. Viimane eelis on eriti oluline kiudkomposiitmaterjalide ühenduste tegemisel tugevdussuunas. Vuukide spetsiaalse ettevalmistusega on võimalik keevitamine täitevahetükkide abil.
38.5.4. Kontaktpunktkeevitus
Armeeriva faasi olemasolu komposiitmaterjalis vähendab selle soojus- ja elektrijuhtivust võrreldes maatriksmaterjaliga ning takistab valatud südamiku teket. Rahuldavad tulemused saadi kattekihtidega õhukeste lehtkomposiitmaterjalide punktkeevitamisel. Erineva paksusega lehtede või komposiitlehtede keevitamisel homogeensete metalllehtedega, et viia keevispunkti südamik lehtede kokkupuutetasandisse ja tasakaalustada materjali elektrijuhtivuse erinevust, valida erineva juhtivusega elektroodid, perifeerse tsooni kokkusurumisega muutke elektroodide läbimõõtu ja kõverusraadiust, kattekihi paksust, rakendage täiendavaid tihendeid.
Keevispunkti keskmine tugevus üheteljeliselt tugevdatud booralumiiniumplaatide, mille paksus on 0,5 mm (kiudude mahuosaga 50%), keevitamisel on 90% samaväärse sektsiooni boor-alumiiniumi tugevusest. Ristsarmeeringuga booralumiinium lehtede nakketugevus on suurem kui üheteljelise tugevdusega lehtedel.
38.5.5. Difusioonkeevitus
Protsess viiakse läbi kõrgel rõhul ilma jootet kasutamata. Nii kuumutatakse ühendatavad boor-alumiiniumdetailid suletud retortis kuni 20 MPa rõhul temperatuurini 480 °C ja hoitakse nendes tingimustes 30–90 minutit. Boor-alumiiniumi ja titaaniga difusioonitakistuse punktkeevituse tehnoloogiline protsess on peaaegu sama, mis sulandpunktkeevitusega. Erinevus seisneb selles, et keevitusrežiim ja elektroodide kuju valitakse nii, et alumiiniummaatriksi kuumutustemperatuur on sulamistemperatuuri lähedal, kuid madalam. Selle tulemusena moodustub kontaktpunktis difusioonitsoon paksusega 0,13 kuni 0,25 µm.
Difusioonpunktkeevitusega kattunud proovid, mille pinget testitakse temperatuurivahemikus 20–120 ° C, hävivad piki alusmaterjali koos kiudude rebendiga. Temperatuuril 315 °C proovid hävitatakse ristmikul nihkega.
38.5.6. kiilpressiga keevitamine
Tavapärastest konstruktsioonisulamitest valmistatud otsadetailide ühendamiseks komposiitmaterjalidest torude või korpustega on välja töötatud meetod erinevate kõvaduse poolest järsult erinevate metallide keevitamiseks, mida võib nimetada mikroklinopresskeevituseks. Survesurve saadakse erinevate soojuspaisumisteguritega materjalidest (K. TP) valmistatud termokompressioonkeevitusseadme torni ja hoidiku kuumutamisel tekkivate termiliste pingete tõttu. Lõppelemendid, mille kontaktpinnale kantakse kiilkeere, monteeritakse kokku komposiitmaterjalist toruga, aga ka torni ja ümbrisega. Kokkupandud kinnitusseadet kuumutatakse kaitsvas keskkonnas temperatuurini 0,7-0,9 kõige sulavama metalli sulamistemperatuurist. Kinnitussüdamikul on kõrgem CTE kui klambril. Kuumutamise käigus vähendatakse kaugust torni tööpindade ja hoidiku vahel ning otsal oleva keerme eendid ("kiilud") surutakse toru kattekihtidesse. Tahkefaasiliidese tugevus ei ole madalam maatriksi või kattemetalli tugevusest.
38.5.7. Plahvatuskeevitus
Plahvatusohtlikku keevitamist kasutatakse metallkomposiitmaterjalidest lehtede, profiilide ja torude ühendamiseks, mis on tugevdatud metallkiududega või piisavalt kõrgete plastiliste omadustega kihtidega, et vältida tugevdusfaasi muljumist, samuti komposiitmaterjalide ühendamiseks erinevate metallide ja sulamite liistudega. Vuukide tugevus on tavaliselt võrdne või isegi suurem (töökarastumise tõttu) kui ühendatavates detailides kasutatud nõrgima maatriksmaterjali tugevus. Vuukide tugevuse suurendamiseks kasutatakse muudest materjalidest vahetihendeid.
Vuugid on tavaliselt pooride ja pragudeta. Sulanud alad üleminekuvööndis, eriti erinevate metallide plahvatuse ajal, on eutektilist tüüpi faaside segud.
38.6. Komposiitmaterjalide jootmine
Jootmisprotsessid on komposiitmaterjalide ühendamiseks väga paljutõotavad, kuna neid saab läbi viia temperatuuridel, mis ei mõjuta tugevdavat täiteainet ega põhjusta liidese interaktsiooni teket.
Jootmine toimub tavapäraste tehnikatega, st jootmise kastmisega või ahjus. Väga oluline on küsimus pinna ettevalmistamise kvaliteedist jootmiseks. Räbustiga kõvajoodisega vuugid on vastuvõtlikud korrosioonile, seetõttu tuleb räbusti liitepiirkonnast täielikult eemaldada.
Jootmine kõva ja pehme joodisega
Booralumiiniumi jootmiseks on välja töötatud mitu võimalust. Katsetati jooteid madala temperatuuriga jootmiseks. Jootekoostis 55% Cd -45% Ag, 95% Cd -5% Ag, 82,5% Cd-17,5% Zn on soovitatav osadele, mis töötavad temperatuuril mitte üle 90 ° C; joote koostis 95% Zn - 5% Al - töötemperatuurile kuni 315 °C. Jooteaine märgumise ja levimise parandamiseks kantakse liidetavatele pindadele 50 µm paksune niklikiht. Kõrgtemperatuuriline jootmine toimub alumiinium-räni süsteemi eutektiliste jootiste abil temperatuuril suurusjärgus 575–615 ° C. Boorikiudude tugevuse halvenemise ohu tõttu tuleb jootmisaeg olla minimaalne.
Peamised raskused süsinik-alumiiniumkompositsioonide jootmisel nii omavahel kui ka alumiiniumisulamitega on seotud süsinik-alumiiniumi halva märguvusega joodistega. Parimad joodised on sulam 718 (A1-12% Si) või vahelduvad fooliumikihid sulamist 6061. Jootmine toimub ahjus argooni atmosfääris temperatuuril 590 ° C 5-10 minutit. Alumiinium-räni-magneesium süsteemi joodistega saab ühendada boor-alumiiniumi ja süsinik-alumiiniumi titaaniga. Ühenduse tugevuse suurendamiseks on soovitatav titaanpinnale kanda niklikiht.
Eutektiline difusioonjootmine. Meetod seisneb õhukese kihi teise metalli kandmises keevitatud osade pinnale, mis moodustab maatriksmetalliga eutektika. Alumiiniumisulamite maatriksite jaoks kasutatakse Ag, Cu, Mg, Ge, Zn kihte, mille eutektiline temperatuur alumiiniumiga on vastavalt 566, 547, 438, 424 ja 382 °C. Difusiooniprotsessi tulemusena väheneb järk-järgult teise elemendi kontsentratsioon kontakttsoonis ja ühendi sulamistemperatuur tõuseb, lähenedes maatriksi sulamistemperatuurile. Seega võivad jooteühendused töötada stantsi temperatuurist kõrgematel temperatuuridel.
Booralumiiniumi difusioonjootmisel kaetakse ühendatavate detailide pinnad hõbeda ja vasega, seejärel surutakse kokku ja hoitakse rõhu all kuni 7 MPa temperatuuril 510-565 °C terasretortis vaakumis või inertne atmosfäär.
ÜLDOMADUSED JA KLASSIFIKATSIOON
Traditsiooniliselt kasutatavad metallilised ja mittemetallilised materjalid on suures osas saavutanud oma konstruktsioonitugevuse piiri. Samal ajal nõuab kaasaegse tehnoloogia areng materjalide loomist, mis töötavad usaldusväärselt jõu- ja temperatuuriväljade keerukas kombinatsioonis agressiivse keskkonna, kiirguse, süvavaakumi ja kõrge rõhu mõjul. Sageli võivad materjalidele esitatavad nõuded olla vastuolulised. Seda probleemi saab lahendada komposiitmaterjalide abil.
komposiitmaterjal(CM) ehk komposiiti nimetatakse hulgi heterogeenseks süsteemiks, mis koosneb üksteisest lahustumatutest komponentidest, mille omadused erinevad suuresti ja mille struktuur võimaldab kasutada neist igaühe eeliseid.
Inimene laenas CM ehitamise põhimõtte loodusest. Tüüpilised komposiitmaterjalid on puutüved, taimevarred, inimeste ja loomade luud.
CM-d võimaldavad saada heterogeensete omaduste antud kombinatsiooni: kõrge eritugevus ja jäikus, kuumakindlus, kulumiskindlus, kuumusvarjestusomadused jne. CM-i omaduste spektrit ei ole võimalik saada tavaliste materjalidega. Nende kasutamine võimaldab luua varem ligipääsmatuid, põhimõtteliselt uusi kujundusi.
Tänu CM-le on saanud võimalikuks uus kvalitatiivne hüpe mootori võimsuse suurendamisel, masinate ja konstruktsioonide massi vähendamisel ning sõidukite ja kosmosesõidukite kaaluefektiivsuse suurendamisel.
Nendes tingimustes töötavate materjalide olulised omadused on eritugevus σ in /ρ ja erijäikus E/ρ, kus σ sisse - ajutine takistus, E on normaalelastsusmoodul, ρ on materjali tihedus.
Kõrge tugevusega sulamitel on reeglina madal elastsus, kõrge tundlikkus pingekontsentraatorite suhtes ja suhteliselt madal vastupidavus väsimuspragude tekkele. Kuigi komposiitmaterjalidel võib olla ka madal elastsus, on need pingekontsentraatorite suhtes palju vähem tundlikud ja taluvad paremini väsimust. Selle põhjuseks on kõrgtugevate teraste ja sulamite erinev pragude tekkemehhanism. Kõrgtugevates terastes tekib kriitilise suuruse saavutanud pragu järk-järgult.
Komposiitmaterjalides töötab teine mehhanism. Maatriksis liikuv pragu kohtab maatriksi-kiu liideses takistust. Kiud takistavad pragude teket ja nende olemasolu plastmaatriksis suurendab murdumiskindlust.
Seega ühendab komposiitsüsteem kaks konstruktsioonimaterjalidele nõutavat vastandlikku omadust – kõrge tugevuse tänu ülitugevatele kiududele ning piisava murdumiskindluse tänu plastmaatriksile ja purunemisenergia hajumise mehhanismile.
CM-id koosnevad suhteliselt plastilisest maatriksmaterjalist alusest ning kõvematest ja tugevamatest komponentidest, mis on täiteained. CM omadused sõltuvad aluse omadustest, täiteainetest ja nendevahelise sideme tugevusest.
Maatriks seob kompositsiooni monoliidiks, annab sellele kuju ja on mõeldud väliskoormuse ülekandmiseks täiteainetest armatuurile. Sõltuvalt alusmaterjalist eristatakse CM-sid metallmaatriksiga ehk metallkomposiitmaterjalidega (MCM), polümeeri-polümeeri komposiitmaterjalidega (PCM) ja keraamika-keraamiliste komposiitmaterjalidega (CMC).
Juhtivat rolli CM-ide tugevdamisel mängivad täiteained, mida sageli nimetatakse kõvendid. Neil on kõrge tugevus, kõvadus ja elastsusmoodul. Tugevdavate täiteainete tüübi järgi jagunevad CM-d järgmisteks osadeks dispersiooniga tugevdatud,kiuline Ja kihiline(joonis 28.2).
Riis. 28.2. Komposiitmaterjalide struktuuri skeemid: A) dispersioontugevdatud; b) kiuline; V) kihiline
Karbiidide, oksiidide, nitriidide jms peened, ühtlaselt jaotunud tulekindlad osakesed, mis ei interakteeru maatriksiga ega lahustu selles kuni faasisulamistemperatuurini, viiakse kunstlikult dispersioonkarastatud CM-idesse. Mida väiksemad on täiteosakesed ja mida väiksem on nendevaheline kaugus, seda tugevam on CM. Erinevalt kiulistest on dispersioontugevdatud CM-des põhiliseks laagrielemendiks maatriks. Dispergeeritud täiteaineosakeste ansambel tugevdab materjali tänu vastupidavusele koormuse all olevate dislokatsioonide liikumisele, mis takistab plastilist deformatsiooni. Tõhus vastupidavus dislokatsioonide liikumisele luuakse kuni maatriksi sulamistemperatuurini, tänu millele on dispersioontugevdatud CM-idele iseloomulik kõrge kuumakindlus ja roomekindlus.
Kiulise CM-i tugevdus võib olla erineva kujuga kiud: niidid, teibid, erineva kudumisega võrgud. Kiulise CM-i tugevdamine võib toimuda ühe-, kahe- ja kolmeteljelise skeemi järgi (joonis 28.3, A).
Selliste materjalide tugevuse ja jäikuse määravad ära põhikoormuse kandvate tugevdavate kiudude omadused. Tugevdamine annab suurema tugevuse tõusu, kuid dispersioonkarastamist on tehnoloogiliselt lihtsam teostada.
Kihilised komposiitmaterjalid (joon. 28.3, b) koosnevad vahelduvatest täite- ja maatriksmaterjali kihtidest (sandwich-tüüpi). Selliste CM-de täitekihid võivad olla erineva orientatsiooniga. Võimalik on vaheldumisi kasutada erinevatest materjalidest erinevate mehaaniliste omadustega täiteainekihte. Kihiliste kompositsioonide jaoks kasutatakse tavaliselt mittemetallilisi materjale.
Riis. 28.3. Kiulised tugevdusskeemid ( A) ja kihiline ( b) komposiitmaterjalid
DISPERSIOONIGA KÕVESTUNUD KOMPOSIT MATERJALID
Dispersiooni tugevdamise ajal blokeerivad osakesed maatriksis toimuvad libisemisprotsessid. Kõvenemise efektiivsus maatriksiga minimaalse interaktsiooni tingimustes sõltub osakeste tüübist, nende mahukontsentratsioonist, samuti maatriksis jaotumise ühtsusest. Kandke tulekindlate faaside, näiteks Al 2 O 3, SiO 2, BN, SiC, hajutatud osakesi, millel on madal tihedus ja kõrge elastsusmoodul. CM toodetakse tavaliselt pulbermetallurgia abil, mille oluliseks eeliseks on omaduste isotroopsus eri suundades.
Tööstuses kasutatakse tavaliselt dispersioontugevdatud CM-sid alumiiniumil ja harvem nikli alustel. Seda tüüpi komposiitmaterjalide iseloomulikud esindajad on SAP-tüüpi (paagutatud alumiiniumipulber) materjalid, mis koosnevad alumiiniumoksiidi hajutatud osakestega tugevdatud alumiiniummaatriksist. Alumiiniumipulber saadakse sulametalli pihustamisel, millele järgneb jahvatamine kuulveskis hapniku juuresolekul umbes 1 mikroni suuruseni. Jahvatamise kestuse pikenemisega muutub pulber peenemaks ja alumiiniumoksiidi sisaldus selles suureneb. Täiendav SAP-i toodete ja pooltoodete tootmise tehnoloogia hõlmab paagutatud alumiiniumtooriku külmpressimist, eelpaagutamist, kuumpressimist, valtsimist või ekstrudeerimist valmistoodeteks, mida saab täiendavalt kuumtöödelda.
SAP-tüüpi sulamid deformeeruvad kuumas olekus rahuldavalt ning 6–9% Al 2 O 3 -ga sulamid deformeeruvad ka toatemperatuuril. Nendest saab külmtõmbamise abil saada kuni 0,03 mm paksust fooliumi. Need materjalid on hästi töödeldud ja neil on kõrge korrosioonikindlus.
Venemaal kasutatavad SAP-klassid sisaldavad 6–23% Al 2 O 3 . SAP-1 eristub sisaldusega 6-9, SAP-2 - 9-13, SAP-3 - 13-18% Al 2 O 3. Alumiiniumoksiidi mahukontsentratsiooni suurenemisega suureneb komposiitmaterjalide tugevus. Toatemperatuuril on SAP-1 tugevusnäitajad järgmised: σ in = 280 MPa, σ 0,2 = 220 MPa; SAP-3 on järgmised: σ in \u003d 420 MPa, σ 0,2 \u003d 340 MPa.
SAP-tüüpi materjalidel on kõrge kuumakindlus ja need ületavad kõiki sepistatud alumiiniumisulameid. Isegi temperatuuril 500 °C ei ole nende σ väiksem kui 60–110 MPa. Kuumakindlus on seletatav dispergeeritud osakeste aeglustava toimega ümberkristallimisprotsessile. SAP-tüüpi sulamite tugevusnäitajad on väga stabiilsed. SAP-3 tüüpi sulamite pikaajalised tugevuskatsed 2 aastat ei avaldanud praktiliselt mingit mõju omaduste tasemele nii toatemperatuuril kui ka kuumutamisel 500 °C-ni. 400 °C juures on SAP tugevus 5 korda suurem kui vananevate alumiiniumsulamite tugevus.
SAP-tüüpi sulameid kasutatakse lennutehnoloogias kõrge eritugevuse ja korrosioonikindlusega detailide valmistamiseks, mis töötavad temperatuuridel kuni 300–500 °C. Nendest valmistatakse kolvivardad, kompressori labad, kütuseelementide kestad ja soojusvaheti torud.
CM saadakse pulbermetallurgia abil, kasutades ränikarbiidi SiC dispergeeritud osakesi. Keemilisel ühendil SiC on mitmeid positiivseid omadusi: kõrge sulamistemperatuur (üle 2650 ° C), kõrge tugevus (umbes 2000 MPa) ja elastsusmoodul (> 450 GPa), madal tihedus (3200 kg / m 3) ja hea korrosioon. vastupanu. Abrasiivsete ränipulbrite tootmine on tööstuse poolt meisterdatud.
Alumiiniumsulamist ja SiC-st koosnevad pulbrid segatakse, tihendatakse eelnevalt madalal rõhul, seejärel kuumpressitakse terasmahutites vaakumis maatriksisulami sulamistemperatuuril, st tahkes-vedelas olekus. Saadud toorik allutatakse sekundaarsele deformatsioonile, et saada vajaliku kuju ja suurusega pooltooted: lehed, vardad, profiilid jne.
Komposiitmaterjalid koosnevad metallmaatriksist(tavaliselt A1, Mg, Ni ja nende sulamid), karastatud ülitugevate kiudude (kiudmaterjalid) või peendisperssete tulekindlate osakestega, mitteväärismetallis lahustumatu (dispersioontugevdatud materjalid). Metallmaatriks seob kiud (dispergeeritud osakesed) ühtseks tervikuks. Kiud (dispergeeritud osakesed) pluss hunnik (maatriks), mis selle moodustavad
Riis. 1
1 - granuleeritud (dispersioontugevdatud) materjal (l/d-mina): 2 - diskreetne kiudkomposiitmaterjal; 3 - pidevalt kiuline komposiitmaterjal; 4 - kiudude pidev ladumine; 5 - kahemõõtmeline kiudude virnastamine; 6,7 - kiudude mahuline paigaldamine
või muu kompositsioon, sai nime komposiitmaterjalid(joonis 196).
Kiudkomposiitmaterjalid.
Joonisel fig. 196 näitab kiudkomposiitmaterjalide tugevdamise skeemi. Kiulise täiteainega (tugevdajaga) komposiitmaterjalid jagatakse diskreetseteks, milles kiu pikkuse ja läbimõõdu suhe on l/d ≈ 10-tL03 ja pideva kiuga, milles l/d = co. Diskreetsed kiud on maatriksis paigutatud juhuslikult. Kiudude läbimõõt on fraktsioonidest sadade mikromeetriteni. Mida suurem on kiu pikkuse ja läbimõõdu suhe, seda suurem on tugevdusaste.
Sageli on komposiitmaterjal kihiline struktuur, milles iga kiht on tugevdatud suure hulga paralleelsete pidevate kiududega. Iga kihti saab tugevdada ka pidevate kiududega, mis on kootud kangaks, mis on esialgse kujuga, mis vastab laiuselt ja pikkuselt lõppmaterjalile. Pole haruldane, et kiud on kootud kolmemõõtmelisteks struktuurideks.
Komposiitmaterjalid erinevad tavalistest sulamitest kõrgemate tõmbetugevuse ja vastupidavuspiiri väärtuste (50-100%), elastsusmooduli, jäikusteguri poolest. (Ely) ja vähenenud vastuvõtlikkus pragunemisele. Komposiitmaterjalide kasutamine suurendab konstruktsiooni jäikust, vähendades samal ajal selle metallikulu.
Tabel 44
Metallipõhiste komposiitmaterjalide mehaanilised omadused
Komposiit- (kiud)materjalide tugevuse määravad kiudude omadused; maatriks peaks peamiselt pinged ümber jaotama tugevduselementide vahel. Seetõttu peavad kiudude tugevus ja elastsusmoodul olema oluliselt suuremad kui maatriksi tugevus ja elastsusmoodul. Jäigad tugevduskiud tajuvad koormusel kompositsioonis tekkivaid pingeid, annavad sellele tugevuse ja jäikuse kiudude orientatsiooni suunas.
Alumiiniumi, magneesiumi ja nende sulamite tugevdamiseks kasutatakse boori (o in \u003d 2500 - * -3500 MPa, E = 38h-420 GPa) ja süsinik (st in = 1400-g-3500 MPa, E 160–450 GPa) kiud, aga ka suure tugevuse ja elastsusmooduliga tulekindlatest ühenditest (karbiidid, nitriidid, boriidid ja oksiidid) valmistatud kiud. Seega on 100 μm läbimõõduga ränikarbiidkiudude st in = 2500-*m3500 MPa, E= 450 GPa. Sageli kasutatakse kiududena ülitugevat terastraati.
Titaani ja selle sulamite tugevdamiseks kasutatakse molübdeentraati, safiirkiude, ränikarbiidi ja titaanboriidi.
Niklisulamite kuumakindluse suurenemine saavutatakse nende tugevdamisega volfram- või molübdeentraadiga. Metallkiude kasutatakse ka juhtudel, kui on vaja suurt soojus- ja elektrijuhtivust. Suure tugevusega ja suure mooduliga kiudkomposiitmaterjalide paljulubavad kõvendid on alumiiniumoksiidist ja -nitriidist, ränikarbiidist ja -nitriidist, boorkarbiidist jne valmistatud vurrud, mille b = 15000-28000 MPa ja E= 400-*-600 GPa.
Tabelis. 44 näitab mõnede kiudkomposiitmaterjalide omadusi.
Metalli baasil valmistatud komposiitmaterjalidel on kõrge tugevus (st in, a_ x) ja kuumakindlus, samas on neil madal plastilisus. Komposiitmaterjalide kiud aga vähendavad maatriksis tekkivate pragude levimiskiirust ja kõrvaldavad peaaegu täielikult äkilised
Riis. 197. Elastsusmooduli sõltuvus E (a) ja ajutine takistus o (b) boor-alumiinium komposiitmaterjalis piki (/) ja risti (2) armatuurtelg boorkiu mahusisalduse kohta
habras luumurd. Üheteljeliste kiudkomposiitmaterjalide eripäraks on mehaaniliste omaduste anisotroopsus piki kiudu ja risti ning madal tundlikkus pingekontsentraatorite suhtes.
Joonisel fig. 197 näitab sõltuvust ja in ja E boor-alumiinium komposiitmaterjal boorkiu sisaldusest piki (/) ja risti ( 2 ) tugevdustelg. Mida suurem on kiudude mahusisaldus, seda suurem on a b, a_ t ja E piki tugevdustelge. Siiski tuleb arvestada, et maatriks suudab pingeid kiududele üle kanda ainult siis, kui tugevduskiu ja maatriksi vahelisel kokkupuutel on tugev side. Kiudude kokkupuute vältimiseks peab maatriks kõik kiud täielikult ümbritsema, mis saavutatakse siis, kui selle sisaldus ei ole väiksem kui 15-20%.
Maatriks ja kiud ei tohiks tootmise või töötamise ajal üksteisega interakteeruda (ei tohiks olla vastastikust difusiooni), kuna see võib viia komposiitmaterjali tugevuse vähenemiseni.
Osade projekteerimisel võetakse arvesse kiudkomposiitmaterjalide omaduste anisotroopiat, et optimeerida omadusi, sobitades takistusvälja pingeväljadega.
Alumiiniumi, magneesiumi ja titaani sulamite tugevdamine pidevate tulekindlate boori, ränikarbiidi, titaandiboriidi ja alumiiniumoksiidi kiududega suurendab oluliselt kuumakindlust. Komposiitmaterjalide eripäraks on aeglane pehmenemiskiirus (joonis 198, A) temperatuuri tõusuga.
Riis. 198. 50% boorkiudu sisaldava boor-alumiinium komposiitmaterjali pikaajaline tugevus võrreldes titaanisulamite tugevusega (a) ja nikkelkomposiitmaterjali pikaajaline tugevus võrreldes sademekindlate sulamite tugevusega ( b):
/ - boor-alumiinium komposiit; 2 - titaani sulam; 3 - dispersioontugevdatud komposiitmaterjal; 4 - sademetega kõvenevad sulamid
Ühe- ja kahemõõtmelise tugevdusega komposiitmaterjalide peamiseks puuduseks on madal vastupidavus kihtidevahelisele nihkele ja põiknihkele. See puudus on ilma materjalidest lahtiselt tugevduses.
- Polümeerseid, keraamilisi ja muid maatrikseid kasutatakse laialdaselt.
