Kompozītmateriāli uz metāla bāzes. Pulvera kompozīti. Šķiedru kompozītmateriāli
Kompozītmateriāli sastāv no metāla matricas (parasti Al, Mg, Ni un to sakausējumi), kas stiprināta ar augstas stiprības šķiedrām (šķiedru materiāliem) vai smalki izkliedētām ugunsizturīgām daļiņām, kas nešķīst parastajā metālā (ar dispersiju stiprināti materiāli). Metāla matrica saista šķiedras (izkliedētās daļiņas) vienā veselumā. Šķiedru (izkliedētas daļiņas) un saistvielu (matricu), kas veido vienu vai otru sastāvu, sauc par kompozītmateriāliem.
Kompozītmateriāli ar nemetālisku matricu
Kompozītmateriāli ar nemetālisku matricu ir atraduši plašu pielietojumu. Polimēru, oglekļa un keramikas materiāli tiek izmantoti kā nemetāliskas matricas. Visplašāk izmantotās polimēru matricas ir epoksīds, fenolformaldehīds un poliamīds.
Koksētas vai pirooglekļa oglekļa matricas iegūst no sintētiskiem polimēriem, kas pakļauti pirolīzei. Matrica saista kompozīciju, piešķirot tai formu. Stiprinātāji ir šķiedras: stikls, ogleklis, bors, organiskās, uz ūsu kristālu bāzes (oksīdi, karbīdi, borīdi, nitrīdi un citi), kā arī metāls (stieples), kurām ir augsta izturība un stingrība.
Kompozītmateriālu īpašības ir atkarīgas no komponentu sastāva, to kombinācijas, kvantitatīvās attiecības un starp tām esošās saites stiprības.
Armatūras materiāli var būt šķiedru, dzīslu, diegu, lentu, daudzslāņu audumu veidā.
Cietinātāja saturs orientētos materiālos ir 60-80 tilp.%, neorientētos materiālos (ar diskrētām šķiedrām un ūsām) - 20-30 tilp. Jo augstāks ir šķiedru stiprības un elastības modulis, jo lielāka ir kompozītmateriāla izturība un stingrība. Matricas īpašības nosaka kompozīcijas bīdes un spiedes izturību un izturību pret noguruma atteici.
Pamatojoties uz stiegrojuma veidu, kompozītmateriālus iedala stikla šķiedrās, oglekļa šķiedrās ar oglekļa šķiedrām, bora šķiedrām un organošķiedrām.
Slāņainos materiālos ar saistvielu piesūcinātas šķiedras, diegi, lentes tiek klātas paralēli viena otrai ieklāšanas plaknē. Plakanie slāņi tiek salikti plāksnēs. Īpašības ir anizotropas. Lai materiāls darbotos izstrādājumā, ir svarīgi ņemt vērā iedarbīgo slodžu virzienu. Ir iespējams izveidot materiālus gan ar izotropām, gan anizotropām īpašībām. Šķiedras var likt dažādos leņķos, mainot kompozītmateriālu īpašības. Materiāla lieces un vērpes stingrība ir atkarīga no secības, kādā slāņi tiek uzklāti visā iepakojuma biezumā.
Tiek izmantoti trīs, četru vai vairāku pavedienu pastiprinātāji.
Visplašāk izmantotā struktūra ir trīs savstarpēji perpendikulāru pavedienu struktūra. Armatūras var atrasties aksiālā, radiālā un apkārtmēra virzienā.
Trīsdimensiju materiāli var būt jebkura biezuma bloku vai cilindru veidā. Lielgabarīta audumi palielina lobīšanās izturību un bīdes izturību salīdzinājumā ar laminētiem audumiem. Četru pavedienu sistēma tiek konstruēta, sadalot stiegrojumu pa kuba diagonālēm. Četru pavedienu struktūra ir līdzsvarota, un tai ir palielināta bīdes stingrība galvenajās plaknēs.
Tomēr četru virziena materiālu izveide ir grūtāka nekā trīs virziena materiālu izveide.
Šāda veida kompozītmateriāli ietver tādus materiālus kā SAP (saķepināts alumīnija pulveris), kas ir alumīnijs, kas pastiprināts ar izkliedētām alumīnija oksīda daļiņām. Alumīnija pulveri iegūst, izsmidzinot izkausētu metālu, pēc tam samaļot lodīšu dzirnavās līdz apmēram 1 mikrona izmēram skābekļa klātbūtnē. Palielinoties malšanas laikam, pulveris kļūst smalkāks un tajā palielinās alumīnija oksīda saturs. Papildu tehnoloģija produktu un pusfabrikātu ražošanai no SAP ietver auksto presēšanu, iepriekšēju saķepināšanu, karsto presēšanu, saķepināta alumīnija sagataves velmēšanu vai ekstrūzijas gatavo izstrādājumu veidā, kurus var pakļaut papildu termiskai apstrādei.
SAP tipa sakausējumi tiek izmantoti gaisa kuģu inženierijā tādu detaļu ražošanai ar augstu īpatnējo izturību un izturību pret koroziju, kas darbojas temperatūrā līdz 300 - 500 °C. Tos izmanto virzuļu stieņu, kompresora lāpstiņu, degvielas elementu apvalku un siltummaiņa cauruļu izgatavošanai.
Alumīnija un tā sakausējumu pastiprināšana ar tērauda stiepli palielina to izturību, palielina elastības moduli, noguruma izturību un paplašina materiāla kalpošanas laika temperatūras diapazonu.
Stiprināšana ar īsām šķiedrām tiek veikta, izmantojot pulvermetalurģijas metodes, kas sastāv no presēšanas, kam seko hidroektrūzija vai sagatavju velmēšana. Stiprinot sviestmaižu tipa kompozīcijas, kas sastāv no mainīgiem alumīnija folijas un šķiedru slāņiem ar nepārtrauktām šķiedrām, tiek izmantota velmēšana, karstā presēšana, eksplozijas metināšana un difūzijas metināšana.
Ļoti perspektīvs materiāls ir alumīnija-berilija stieples sastāvs, kas realizē berilija stiegrojuma augstās fizikālās un mehāniskās īpašības un, pirmkārt, tā zemo blīvumu un augsto īpatnējo stingrību. Kompozīcijas ar berilija stiepli tiek iegūtas ar difūzijas metināšanu berilija stieples un matricas loksnes pārmaiņus slāņu iepakojumos. Alumīnija sakausējumi, kas pastiprināti ar tērauda un berilija stieplēm, tiek izmantoti raķešu korpusa detaļu un degvielas tvertņu izgatavošanai.
Kompozīcijā "alumīnijs - oglekļa šķiedra" zema blīvuma stiegrojuma un matricas kombinācija ļauj izveidot kompozītmateriālus ar augstu īpatnējo izturību un stingrību. Oglekļa šķiedru trūkums ir to trauslums un augsta reaģētspēja. Alumīnija-oglekļa sastāvu iegūst, impregnējot oglekļa šķiedras ar šķidru metālu vai izmantojot pulvermetalurģijas metodes. Tehnoloģiski vienkāršākais veids, kā to izdarīt, ir izvilkt oglekļa šķiedru saišķus caur izkausētu alumīniju.
Mūsdienu kaujas lidmašīnu degvielas tvertņu konstrukcijās tiek izmantoti alumīnija-oglekļa kompozītmateriāli. Pateicoties materiāla augstajai īpatnējai izturībai un stingrībai, degvielas tvertņu svars tiek samazināts par 30%. Šo materiālu izmanto arī lidmašīnu gāzturbīnu dzinēju turbīnu lāpstiņu ražošanai.
Kompozītmateriāli ar nemetālisku matricu
Kompozītmateriāli ar nemetālisku matricu ir atraduši plašu pielietojumu rūpniecībā. Polimēru, oglekļa un keramikas materiāli tiek izmantoti kā nemetāliskas matricas. Visplašāk izmantotās polimēru matricas ir epoksīds, fenola formaldehīds un poliamīds. Ogļu matricas tiek koksētas vai iegūtas no sintētiskiem polimēriem, kas pakļauti pirolīzei (sadalīšanai, sadalīšanai). Matrica saista kompozīciju, piešķirot tai formu. Stiprinātāji ir šķiedras: stikls, ogleklis, bors, organiskās, uz ūsu kristālu bāzes (oksīdi, karbīdi, borīdi, nitrīdi uc), kā arī metāls (stieples), kurām ir augsta izturība un stingrība.
Kompozītmateriālu īpašības ir atkarīgas no komponentu sastāva, to kombinācijas, kvantitatīvās attiecības un starp tām esošās saites stiprības.
Cietinātāja saturs orientētos materiālos ir 60 - 80 tilp. %, neorientētā (ar diskrētām šķiedrām un ūsām) - 20 - 30 tilp. %. Jo augstāks ir šķiedru stiprības un elastības modulis, jo lielāka ir kompozītmateriāla izturība un stingrība. Matricas īpašības nosaka kompozīcijas bīdes un spiedes izturību un izturību pret noguruma atteici.
Pamatojoties uz stiegrojuma veidu, kompozītmateriālus iedala stikla šķiedrās, oglekļa šķiedrās ar oglekļa šķiedrām, bora šķiedrām un organošķiedrām.
Slāņainos materiālos ar saistvielu piesūcinātas šķiedras, diegi, lentes tiek klātas paralēli viena otrai ieklāšanas plaknē. Plakanie slāņi tiek salikti plāksnēs. Īpašības ir anizotropas. Lai materiāls darbotos izstrādājumā, ir svarīgi ņemt vērā iedarbīgo slodžu virzienu. Jūs varat izveidot materiālus gan ar izotropām, gan anizotropām īpašībām. Šķiedras var likt dažādos leņķos, mainot kompozītmateriālu īpašības. Materiāla lieces un vērpes stingrība ir atkarīga no secības, kādā slāņi tiek uzklāti visā iepakojuma biezumā.
Tiek izmantoti trīs, četru vai vairāk vītņu pastiprinātāji (7. att.). Visplašāk izmantotā struktūra ir trīs savstarpēji perpendikulāru pavedienu struktūra. Armatūras var atrasties aksiālā, radiālā un apkārtmēra virzienā.
Trīsdimensiju materiāli var būt jebkura biezuma bloku vai cilindru veidā. Lielgabarīta audumi palielina lobīšanās izturību un bīdes izturību salīdzinājumā ar laminētiem audumiem. Novietojot stiegrojumu pa kuba diagonālēm, tiek uzbūvēta četru diegu sistēma. Četru pavedienu struktūra ir līdzsvarota, un tai ir palielināta bīdes stingrība galvenajās plaknēs. Tomēr četru virziena materiālu izveide ir grūtāka nekā trīs virziena materiālu izveide.
Rīsi. 7. Kompozītmateriālu stiegrojuma shēma: 1- taisnstūrveida, 2- sešstūra, 3- slīpi, 4- ar izliektām šķiedrām, 5 – n diegu sistēma
Visefektīvākie no izmantošanas viedokļa vissmagākajos sausās berzes apstākļos ir antifrikcijas materiāli uz politetrafluoretilēna (PTFE) bāzes.
PTFE raksturīgs diezgan augsts statiskais berzes koeficients, tomēr slīdēšanas laikā uz PTFE virsmas veidojas ļoti plāns augsti orientēta polimēra slānis, kas palīdz izlīdzināt statiskos un dinamiskos berzes koeficientus un vienmērīgu kustību slīdot. . Mainoties slīdēšanas virzienam, orientētas virsmas plēves klātbūtne izraisa īslaicīgu berzes koeficienta pieaugumu, kura vērtība atkal samazinās, virsmas slānim pārorientējoties. Šī PTFE berzes darbība ir izraisījusi tā plašu izmantošanu rūpniecībā, kur nepildītu PTFE galvenokārt izmanto gultņu ražošanā. Daudzos gadījumos neeļļotiem gultņiem jādarbojas ar lielāku berzes ātrumu. Tajā pašā laikā nepildītajam PTFE ir raksturīgas augstas berzes koeficienta un nodiluma pakāpes vērtības. Kompozītmateriāli, kuru pamatā visbiežāk ir PTFE, ir plaši izmantoti kā materiāli neeļļotiem gultņiem, kas darbojas šādos apstākļos.
Vienkāršākais veids, kā samazināt salīdzinoši augsto PTFE nodiluma ātrumu sausās berzes laikā, ir pulverveida pildvielu ieviešana. Tajā pašā laikā palielinās šļūdes pretestība kompresijas laikā un tiek novērots ievērojams nodilumizturības pieaugums sausās berzes laikā. Optimāla pildvielas daudzuma ieviešana ļauj palielināt nodilumizturību līdz 10 4 reizēm.
Polimēriem un uz tiem balstītiem kompozītmateriāliem ir unikāls fizikālo un mehānisko īpašību kopums, pateicoties kuram tie veiksmīgi konkurē ar tradicionālajiem konstrukciju tēraudiem un sakausējumiem, un dažos gadījumos bez polimēru materiālu izmantošanas nav iespējams nodrošināt nepieciešamos funkcionālos parametrus. un īpašu produktu un mašīnu veiktspēja. Plastmasas pārstrādes izstrādājumos tehnoloģiju augstā izgatavojamība un zemā enerģijas intensitāte apvienojumā ar iepriekš minētajām PCM priekšrocībām padara tos par ļoti perspektīviem materiāliem dažādu mērķu mašīnu daļām.
38.1. Klasifikācija
Kompozītmateriāli ir materiāli, kas pastiprināti ar pildvielām, kas noteiktā veidā sakārtotas matricā, pildvielas visbiežāk ir vielas ar augstu starpatomisko saišu enerģiju, augstu izturību un augstu moduli, tomēr ļoti plastiskas pildvielas var izmantot arī kombinācijā ar trauslām matricām.
Saistošie komponenti jeb matricas kompozītmateriālos var būt dažādas – polimēru, keramikas, metāla vai jauktas. Pēdējā gadījumā mēs runājam par polimatricas kompozītmateriāliem.
Saskaņā ar stiegrojuma fāžu morfoloģiju kompozītmateriālus iedala:
nulles dimensijas (apzīmējums: 0,) vai pastiprinātas ar dažādas dispersijas daļiņām, kas nejauši sadalītas matricā;
viendimensijas šķiedraina (simbols: 1) vai pastiprināta ar vienvirziena nepārtrauktām vai diskrētām šķiedrām;
divdimensiju slāņveida (apzīmējums: 2), vai satur identiski orientētas pastiprinošas lamelas vai slāņus (38.1. att.).
Iepriekš “izstrādātu” kompozītmateriālu anizotropiju ar mērķi izmantot atbilstošās konstrukcijās sauc par strukturālu.
Pamatojoties uz stiegrojuma fāžu izmēru vai armatūras šūnas izmēru, kompozītmateriālus iedala šādi:
submikrokompozīti (armatūras šūnas izmērs, šķiedras vai daļiņas diametrs<С 1 мкм), например, дисперсноупрочненные сплавы или волокнистые композиционные материалы с очень тонкими волокнами:
mikrokompozīti (armatūras šūnas izmērs, šķiedru diametrs, daļiņas vai slāņa biezums ^1 μm), piemēram, materiāli, kas pastiprināti ar daļiņām, oglekļa šķiedrām, silīcija karbīdu, boru utt., vienvirziena eitektiskie sakausējumi;
makrokompozītmateriāli (armatūras komponentu diametrs vai biezums -100 mikroni), piemēram, detaļas, kas izgatavotas no vara vai alumīnija sakausējumiem, kas pastiprināti ar volframa vai tērauda stiepli vai foliju. Makrokompozītus visbiežāk izmanto berzes detaļu nodilumizturības paaugstināšanai tehnoloģiskajās iekārtās.
38.2. Interfeisa mijiedarbība kompozītmateriālos
38.2.1. Komponentu fizikāli ķīmiskā un termomehāniskā saderība
Vielu, kas būtiski atšķiras pēc ķīmiskā sastāva un fizikālajām īpašībām, apvienošana vienā materiālā kompozītmateriālu izstrādē, ražošanā un savienošanā izvirza komponentu termodinamiskās un kinētiskās savietojamības problēmu. Zem spiediena
Dinamiskā savietojamība tiek saprasta kā matricas un pastiprinošo pildvielu spēja neierobežotu laiku atrasties termodinamiskā līdzsvara stāvoklī ražošanas un darba temperatūrās. Gandrīz visi mākslīgi radītie kompozītmateriāli ir termodinamiski nesavietojami. Vienīgie izņēmumi ir dažas metālu sistēmas (Cu-W, Cu-Mo, Ag-W), kurās starp fāzēm nav ķīmiskas un difūzijas mijiedarbības neierobežotu to saskares laiku.
Kinētiskā savietojamība - kompozītmateriālu sastāvdaļu spēja uzturēt metastabilu līdzsvaru noteiktos temperatūras un laika intervālos. Kinētiskās saderības problēmai ir divi aspekti: 1) fizikālais un ķīmiskais - nodrošinot spēcīgu saikni starp komponentiem un ierobežojot šķīdināšanas, hetero- un reakcijas difūzijas procesus saskarnēs, kas izraisa trauslu mijiedarbības produktu veidošanos un degradāciju. stiegrojuma fāžu un kompozītmateriāla izturība kopumā; 2) termomehāniskās - termiskās un mehāniskās izcelsmes iekšējo spriegumu labvēlīga sadalījuma panākšana un to līmeņa samazināšana; nodrošinot racionālu saikni starp matricas deformācijas sacietēšanu un tās spēju atslābināt stresu, novēršot pārslodzi un stiprināšanas fāžu priekšlaicīgu iznīcināšanu.
Metāla matricu fizikālās un ķīmiskās savietojamības uzlabošanai ar pastiprinošām pildvielām ir šādas iespējas:
I. Jaunu veidu pastiprinošu pildvielu izstrāde, kas ir izturīgas pret saskari ar metāla matricām augstā temperatūrā, piemēram, keramikas šķiedras, ūsas un silīcija karbīdu, titāna, cirkonija, bora, alumīnija oksīdu, cirkonija, silīcija nitrīdu, bora dispersās daļiņas utt.
II Barjerpārklājumu uzklāšana uz pastiprinošām pildvielām, piemēram, ugunsizturīgu metālu, titāna karbīdu, hafnija, bora, titāna nitrīdu, bora, itrija oksīdu pārklājumi uz oglekļa šķiedrām, bora, silīcija karbīda. Daži barjerpārklājumi uz šķiedrām, galvenokārt metāla, kalpo kā līdzeklis, lai uzlabotu šķiedru mitrināšanu ar matricas kausējumiem, kas ir īpaši svarīgi, ražojot kompozītmateriālus ar šķidrās fāzes metodēm. Šādus pārklājumus bieži sauc par tehnoloģiskiem
Ne mazāk svarīgs ir tehnoloģisko pārklājumu uzklāšanas laikā atklātais plastifikācijas efekts, kas izpaužas šķiedru stabilizācijā un pat stiprības palielināšanā (piemēram, aluminizējot bora šķiedras, izvelkot tās caur kausējuma vannu vai niķelējot oglekļa šķiedras ar sekojošu termisko apstrādi).
III. Metāla matricu izmantošana kompozītmateriālos, kas leģētas ar elementiem, kuriem ir lielāka afinitāte pret pastiprinošo pildvielu nekā matricas metālam, vai ar virsmaktīvām piedevām. No tā izrietošajām saskarņu ķīmiskā sastāva izmaiņām vajadzētu novērst saskarnes mijiedarbības attīstību.Matricas sakausējumu sakausēšana ar virsmaktīvām vai karbīdu veidojošām piedevām, kā arī tehnoloģisko pārklājumu uzklāšana šķiedrām var palīdzēt uzlabot stiegrojošās pildvielas mitrināmību ar metāls kūst.
IV. Matricas sakausēšana ar elementiem, kas palielina pastiprinošās pildvielas ķīmisko potenciālu matricas sakausējumā, vai ar pastiprinošā pildvielas materiāla piedevām līdz piesātinājuma koncentrācijai kompozītmateriāla ražošanas un ekspluatācijas temperatūrās. Šāda sakausēšana novērš stiegrojuma fāzes izšķīšanu, t.i., palielina kompozīcijas termisko stabilitāti.
V. “Dabiskām” eitektiskām kompozīcijām līdzīgu “mākslīgo” kompozītmateriālu veidošana, izvēloties atbilstošu komponentu sastāvu.
VI. Komponentu optimālo saskares ilgumu izvēle konkrētā kompozītmateriālu ražošanas procesā vai to ekspluatācijas apstākļos, t.i., ņemot vērā temperatūras un spēka faktorus. Saskares ilgumam, no vienas puses, jābūt pietiekamam, lai starp komponentiem veidotos spēcīgas adhezīvas saites; no otras puses, neizraisa intensīvu ķīmisko mijiedarbību, trauslu starpfāžu veidošanos un kompozītmateriāla stiprības samazināšanos.
Komponentu termomehānisko savietojamību kompozītmateriālos nodrošina:
matricu sakausējumu un pildvielu izvēle ar minimālām elastības moduļu, Puasona attiecību un termiskās izplešanās koeficientu atšķirībām;
starpslāņu un pārklājumu izmantošana armēšanas fāzēs, samazinot matricas un fāžu fizikālo īpašību atšķirības;
pāreja no stiegrojuma ar viena veida sastāvdaļu uz polistiegrojumu, t.i., pēc sastāva un fizikālajām īpašībām atšķirīgu stiegrojošo šķiedru, daļiņu vai slāņu kombinācija vienā kompozītmateriālā;
detaļu ģeometrijas, stiegrojuma modeļa un mēroga maiņa; stiegrojošo fāžu morfoloģija, izmērs un tilpuma daļa; nepārtrauktas pildvielas aizstāšana ar diskrētu;
kompozītmateriāla ražošanas metožu un režīmu izvēle, kas nodrošina tā sastāvdaļu noteiktu savienojuma stiprības līmeni.
38.2.2. Pastiprinošie pildvielas
Metāla matricu pastiprināšanai izmanto augstas stiprības, augsta moduļa pildvielas - nepārtrauktas un diskrētas metāla, nemetāla un keramikas šķiedras, īsās šķiedras un daļiņas, ūsas (38.1. tabula).
Oglekļa šķiedras ir viens no visprogresīvākajiem un progresīvākajiem stiegrojuma materiāliem ražošanā. Būtiska oglekļa šķiedru priekšrocība ir to zemais īpatnējais smagums, siltumvadītspēja tuvu metāliem (R = 83,7 W/(m-K)) un salīdzinoši zemās izmaksas.
Šķiedras tiek piegādātas taisnu vai savītu miogofilamenta pavedienu, audumu vai no tām izgatavotu lentu veidā. Atkarībā no izejvielas veida pavedienu diametrs svārstās no 2 līdz 10 mikroniem, filameītu skaits saišķī - no simtiem līdz desmitiem tūkstošu gabalu.
Oglekļa šķiedrām ir augsta ķīmiskā izturība pret atmosfēras apstākļiem un minerālskābēm. Šķiedru karstumizturība ir zema: ilgstošas darbības gaisa temperatūra nepārsniedz 300-400 °C. Lai palielinātu ķīmisko izturību saskarē ar metāliem, uz šķiedru virsmas tiek uzklāti titāna un cirkonija borīdu, titāna karbīdu, cirkonija, silīcija un ugunsizturīgo metālu barjerpārklājumi.
Bora šķiedras iegūst, nogulsnējot boru no ūdeņraža un bora trihlorīda gāzu maisījuma uz volframa stieples vai oglekļa monopavedieniem, kas uzkarsēti līdz 1100–1200 °C temperatūrai. Karsējot gaisā, bora šķiedras 300-350 °C temperatūrā sāk oksidēties, un 600-800 °C temperatūrā tās pilnībā zaudē spēku. Aktīvā mijiedarbība ar lielāko daļu metālu (Al, Mg, Ti, Fe, Ni) sākas 400-600 °C temperatūrā. Lai palielinātu bora šķiedru karstumizturību, tiek uzklāti plāni (2-6 µm) silīcija karbīda (SiC/B/W), bora karbīda (B4C/B/W), bora nitrīda (BN/B/W) slāņi. gāzes fāze.
Silīcija karbīda šķiedras ar diametru 100-200 mikroni tiek iegūtas, nogulsnējot 1300 °C temperatūrā no silīcija tetrahlorīda un metāna tvaika-gāzu maisījuma, kas atšķaidīts ar ūdeņradi attiecībā 1:2:10, uz volframa stieples.
|
Oglekļa šķiedras
|
|
TABULA 38.2 SAKAUSĒJUMI, KAS IZMANTOTI KĀ MATRIKSAS KOMPOZĪTU MATERIĀLOS
|
vai piķa oglekļa šķiedras. Labāko šķiedru paraugu stiprība 1100 °C temperatūrā ir 3000–4000 MPa
Bezkodolu silīcija karbīda šķiedras multifilamentīta kūlīšos, kas iegūtas no šķidriem organosilāniem, velkot un pirolīzē, sastāv no īpaši smalkiem f)-SiC kristāliem.
Metāla šķiedras tiek ražotas stieples veidā ar diametru 0,13; 0,25 un 0,5 mm. Šķiedras, kas izgatavotas no augstas stiprības tēraudiem un berilija sakausējumiem, galvenokārt ir paredzētas vieglo sakausējumu un titāna matricu stiprināšanai. Karstumizturīgo niķeļa-hroma, titāna un citu sakausējumu stiprināšanai izmanto šķiedras no ugunsizturīgiem metāliem, kas leģēti ar rēnija, titāna, oksīda un karbīda fāzēm.
Armatūrai izmantotās ūsas var būt metāla vai keramikas. Šādu kristālu struktūra ir monokristāliska, diametrs parasti ir līdz 10 mikroniem ar garuma un diametra attiecību 20-100. Ūsas iegūst ar dažādām metodēm: audzēšana no pārklājumiem, elektrolītiskā nogulsnēšanās, nogulsnēšanās no tvaiku-gāzes vides, kristalizācija. no gāzes fāzes caur šķidro fāzi. ar tvaiku-šķidro kristālu mehānismu, pirolīze, kristalizācija no piesātinātiem šķīdumiem, iekšējo orgānu noņemšana
38.2.3. Matricas sakausējumi
Metāla kompozītmateriālos galvenokārt izmanto matricas no viegli kaltiem un lietiem alumīnija un magnija sakausējumiem, kā arī no vara, niķeļa, kobalta, cinka, alvas, svina un sudraba sakausējumiem; karstumizturīgi niķeļa-hroma, titāna, cirkonija, vanādija sakausējumi; ugunsizturīgo metālu hroma un niobija sakausējumi (38. tab. 2).
38.2.4. Saišu veidi un saskarnes struktūras kompozītmateriālos
Atkarībā no pildvielas materiāla un matricām, metodēm un veidiem, kā iegūt kompozītmateriālus pāri saskarnēm, tiek realizēti seši saišu veidi (38.3. tabula). Spēcīgāko saikni starp komponentiem kompozīcijās ar metāla matricām nodrošina ķīmiskā mijiedarbība. Izplatīts saišu veids ir jaukts, ko attēlo cietie šķīdumi un intermetāliskās fāzes (piemēram, sastāvs “alumīnija-bora šķiedras”, kas iegūts nepārtrauktā liešanā) vai cietie šķīdumi, intermetāliskās un oksīda fāzes (tas pats sastāvs, ko iegūst, presējot plazmas pus gatavie izstrādājumi) utt.
38.3. Kompozītmateriālu ražošanas metodes
Metāla kompozītmateriālu ražošanas tehnoloģiju nosaka izstrādājumu dizains, it īpaši, ja tiem ir sarežģīta forma un ir nepieciešama savienojumu sagatavošana ar metināšanu, lodēšanu, līmēšanu vai kniedēšanu, un, kā likums, tā ir vairāku pāreju.
Elementārais pamats detaļu vai pusfabrikātu (loksnes, cauruļu, profilu) ražošanai no kompozītmateriāliem visbiežāk ir tā sauktie prepregi jeb lentes ar vienu pastiprinošas pildvielas slāni, impregnētas vai pārklātas ar matricas sakausējumiem; ar metālu impregnētas šķiedras grīstes vai atsevišķas šķiedras, kas pārklātas ar matricas sakausējumiem.
|
LĪMĒŠANAS VEIDI GARU PIEMĒROTĀS VIRSMAS KOMPOZĪTU MATERIĀLIEM
|
Detaļas un pusfabrikāti tiek iegūti, kombinējot (blīvējot) oriģinālos prepregus, izmantojot impregnēšanas, karstās presēšanas, velmēšanas vai velmēšanas metodes. Dažkārt gan prepregi, gan izstrādājumi no kompozītmateriāliem tiek ražoti ar vienādām metodēm, piemēram, izmantojot pulvera vai liešanas tehnoloģiju, bet dažādos režīmos un dažādās tehnoloģiskās stadijās.
Prepregu, pusfabrikātu un izstrādājumu no kompozītmateriāliem ar metāla matricām ražošanas metodes var iedalīt piecās galvenajās grupās: 1) tvaika-gāzes fāze; 2) ķīmiskā un elektroķīmiskā; 3) šķidrā fāze; 4) cietā fāze; 5) cietā-šķidruma fāze.
38.4. Metāla matricas kompozītmateriālu īpašības
Kompozītmateriāliem ar metāla matricām ir vairākas nenoliedzamas priekšrocības salīdzinājumā ar citiem konstrukcijas materiāliem, kas paredzēti lietošanai ekstremālos apstākļos. Šīs priekšrocības ietver: augstu izturību un... stingrība apvienojumā ar augstu izturību pret lūzumiem; augsta īpatnējā izturība un stingrība (stiepes stiprības un elastības moduļa attiecība pret a/y un E/y īpatnējo svaru); augsta noguruma robeža; augsta karstumizturība; zema jutība pret termisko triecienu, virsmas defektiem, augstas slāpēšanas īpašības, elektriskā un siltumvadītspēja, izgatavojamība projektēšanā, apstrādē un savienošanā (38. tabula 4).
|
KOMPOZĪTU MATERIĀLI AR METĀLA MATRIŠĀM SALĪDZINĀJUMS AR LABĀKAJIEM METĀLA KONSTRUKCIJAS MATERIĀLIEM |
|
385. TABULA |
|
KOMPOZĪTU MATERIĀLU AR METĀLU MATRIKSĀM MEHĀNISKĀS ĪPAŠĪBAS
|
Ja materiāliem nav īpašu prasību attiecībā uz siltumvadītspēju, elektrovadītspēju, aukstumizturību un citām īpašībām, kompozītmateriālu darbības temperatūras diapazonus nosaka šādi:<250 °С - для материалов с полимерными матрицами; >1000 °C - materiāliem ar keramikas matricām; Kompozītmateriāli ar metāla matricām aptver šīs robežas
Dažu kompozītmateriālu stiprības raksturlielumi ir doti 38. 5. tabulā.
Galvenie kompozītmateriālu savienojumu veidi mūsdienās ir bultskrūves, kniedēti, līmējošie, lodēšanas un metināšanas savienojumi, kā arī kombinētie Savienojumi ar lodēšanu un metināšanu ir īpaši perspektīvi, jo paver iespēju vispilnīgāk realizēt kompozītmateriāla unikālās īpašības. materiāls struktūrā, bet to īstenošana ir sarežģīts zinātniski tehnisks uzdevums un daudzos gadījumos vēl nav izgājis no eksperimentālās stadijas
38.5. Kompozītmateriālu metināmības problēmas
Ja ar metināmību saprotam materiāla spēju veidot metinātos savienojumus, kas savās īpašībās nav zemāki par to, tad kompozītmateriāli ar metāla matricām, īpaši šķiedru, ir klasificējami kā grūti metināmi materiāli. Tam ir vairāki iemesli.
I. Metināšanas un lodēšanas metodes ietver kompozītmateriālu savienošanu virs metāla matricas. Armatūras špaktele metinātā vai lodētā šuvē vai nu pilnībā nav (piemēram, sadurmetinātās šuvēs, kas atrodas šķērsvirzienā armatūras virzienam šķiedrainos vai slāņveida kompozītmateriālos), vai arī ir samazinātā tilpuma daļā (metinot ar dispersiju stiprinātus materiālus ar vadi, kas satur atsevišķu stiegrojuma fāzi), vai ir armatūras nepārtrauktības un virziena pārkāpums (piemēram, šķiedru kompozīciju difūzijas metināšanas laikā stiegrojuma virzienā). Līdz ar to metinātā vai lodētā šuve ir kompozītmateriāla struktūras novājināta vieta, kas jāņem vērā, projektējot un sagatavojot savienojumu metināšanai. Literatūrā ir atrodami priekšlikumi kompozīcijas komponentu autonomai metināšanai, lai saglabātu stiegrojuma nepārtrauktību (piemēram, volframa šķiedru spiediena metināšana volframa-vara kompozīcijā), tomēr šķiedru kompozītmateriālu autonomai sadurmetināšanai nepieciešama speciāla malu sagatavošana. , stingra armatūras piķa ievērošana un ir piemērota tikai materiāliem, kas pastiprināti ar metāla šķiedrām. Vēl viens priekšlikums ir sagatavot sadursavienojumus ar šķiedrām, kas pārklājas, pārsniedzot kritisko garumu, taču tas rada grūtības aizpildīt savienojumu ar matricas materiālu un nodrošināt spēcīgu saiti šķiedras-matricas saskarnē.
II. Metināšanas sildīšanas ietekmi uz fizikāli ķīmiskās mijiedarbības attīstību kompozītmateriālā ir ērti aplūkot, izmantojot savienojuma piemēru, kas veidojas, loka kausējot šķiedru materiālu pāri stiegrojuma virzienam (38.2. att.). Ja matricas metālam nav polimorfisma (piemēram, Al, Mg, Cu, Ni uc), tad savienojumā var izdalīt 4 galvenās zonas: 1 - zona, kas uzkarsēta līdz matricas atgaitas temperatūrai (pēc analoģijas ar viendabīgi materiāli, mēs šo zonu sauksim par galveno materiālu); 2 - zona, ko ierobežo matricas metāla atgriešanās un pārkristalizācijas temperatūra (atgriešanās zona); 3 zonas,
ierobežo matricas pārkristalizācijas un kušanas temperatūra (pārkristalizācijas zona); 4 - sildīšanas zona virs matricas kušanas temperatūras (sauksim šo zonu par metināšanu). Ja matrica kompozītmateriālā ir Ti, Zr, Fe un citu metālu sakausējumi, kuriem ir polimorfas pārvērtības, tad 3. zonā parādīsies apakšzonas ar pilnīgu vai daļēju matricas fāzes pārkristalizāciju, taču šim apsvērumam šis punkts nav būtisks.
Kompozītmateriāla īpašību izmaiņas sākas 2. zonā. Šeit reģenerācijas procesi noņem matricas deformācijas sacietēšanu, kas panākta kompozītmateriāla cietās fāzes blīvēšanas laikā (kompozīcijās, kas iegūtas ar šķidrās fāzes metodēm, mīkstināšana šajā gadījumā netiek novērota zona).
3. zonā notiek matricas metāla graudu pārkristalizācija un augšana. Matricas atomu difūzijas mobilitātes dēļ kļūst iespējama kompozītmateriāla ražošanas procesos aizsāktās starpfāzu mijiedarbības tālāka attīstība, palielinās trauslo slāņu biezums un pasliktinās kompozītmateriāla īpašības kopumā. Kad saplūšanas metināšanas materiāls
Iegūstot ar pulveru vai prepregu cietās fāzes blīvēšanas metodēm ar pulveri vai izsmidzinātu matricu, ir iespējama porainība gar saplūšanas robežu un blakus esošajām starpfāžu robežām, pasliktinot ne tikai stiprības īpašības, bet arī metinātā savienojuma hermētiskumu.
4. zonā (metināšanas šuve) var izdalīt 3 sekcijas:
4. iedaļa, kas atrodas blakus metinājuma asij, kur spēcīgas pārkaršanas dēļ zem metāla matricas kausējuma loka un ilgākā laika, kad metāls atrodas kausētā stāvoklī, notiek pilnīga stiegrojuma fāzes izšķīšana;
4. sekcija", ko raksturo zemāka kausējuma sildīšanas temperatūra un īsāks stiegrojuma fāzes kontakta ilgums ar kausējumu. Šeit šī fāze tikai daļēji izšķīst kausē (piemēram, šķiedru diametrs samazinās, parādās dobumi uz to virsmas; tiek traucēta stiegrojuma vienvirziena);
4. iedaļa", kur nav manāmas izmaiņas stiegrojuma fāzes izmēros, bet veidojas intensīva mijiedarbība ar kausējumu, veidojas trauslu mijiedarbības produktu slāņi vai saliņas, un samazinās stiegrojuma fāzes stiprums. Rezultātā 4. zona kļūst par kompozītmateriāla maksimālā bojājuma zonu metināšanas laikā.
III. Sakarā ar matricas materiāla termiskās izplešanās un stiegrojuma fāzes atšķirībām kompozītmateriālu metinātajos šuvēs rodas papildu termoelastīgie spriegumi, kas izraisa dažādu defektu veidošanos: plaisāšanu, trauslo stiegrojuma fāžu iznīcināšanu šuves karstākajā zonā 4. , atslāņošanās gar starpfāžu robežām 3. zonā.
Lai nodrošinātu kompozītmateriālu metināto savienojumu augstas īpašības, ieteicams rīkoties šādi.
Pirmkārt, no zināmajām savienošanas metodēm priekšroka jādod cietfāzes metināšanas metodēm, kurās mazākas enerģijas padeves dēļ var panākt minimālu detaļu īpašību pasliktināšanos savienojuma zonā.
Otrkārt, spiediena metināšanas režīmi jāizvēlas tā, lai novērstu stiegrojuma komponenta pārvietošanos vai saspiešanu.
Treškārt, kausējot kompozītmateriālus, jāizvēlas metodes un režīmi, kas nodrošina minimālu siltuma ievadi savienojuma zonā.
Ceturtkārt, kausēta metināšana ir ieteicama kompozītmateriālu savienošanai ar termodinamiski saderīgām sastāvdaļām, piemēram, vara-volframa, vara-molibdēna, sudraba-volframa vai armētiem ar karstumizturīgām pildvielām, piemēram, silīcija karbīda šķiedrām, vai pildvielām ar barjeras pārklājumiem, piemēram, bora šķiedras ar bora karbīda vai silīcija karbīda pārklājumiem.
Piektkārt, elektroda vai pildvielas materiālam vai kausēšanas metināšanas vai lodēšanas starpblīvju materiālam jāsatur leģējošās piedevas, kas ierobežo stiegrojuma komponenta šķīšanu un trauslu saskarsmes mijiedarbības produktu veidošanos metināšanas procesā un turpmākās metinātās iekārtas darbības laikā. vienības.
38.5.1. Kompozītmateriālu metināšana
Šķiedraini un laminēti kompozītmateriāli visbiežāk tiek savienoti pārsegumā. Grīdas garuma attiecība pret materiāla biezumu parasti pārsniedz 20. Šādus savienojumus var vēl vairāk nostiprināt ar kniedētiem vai skrūvju savienojumiem. Kopā ar klēpja savienojumiem iespējams veidot sadursavienojumus un stūra metinātos savienojumus stiegrojuma virzienā un retāk šķērsvirzienā. Pirmajā gadījumā, pareizi izvēloties metināšanas vai lodēšanas metodes un režīmus, ir iespējams panākt vienādu savienojuma stiprumu; otrajā gadījumā savienojuma stiprums parasti nepārsniedz matricas materiāla izturību.
Kompozītmateriāli, kas pastiprināti ar daļiņām, īsām šķiedrām un ūsām, tiek metināti, izmantojot tos pašus paņēmienus kā nokrišņu cietēšanas sakausējumi vai pulvermateriāli. Šajā gadījumā var panākt vienādu metināto savienojumu stiprību ar pamatmateriālu, ja kompozītmateriāls tiek ražots, izmantojot šķidrās fāzes tehnoloģiju, pastiprināts ar karstumizturīgām pildvielām un izvēloties atbilstošus metināšanas režīmus un metināšanas materiālus. Dažos gadījumos elektrods vai pildviela var būt līdzīga vai līdzīga sastāva pamatmateriālam.
38.5.2. Gāzes aizsargloka metināšana
Metode tiek izmantota kompozītmateriālu kausētai metināšanai ar ķīmiski aktīvo metālu un sakausējumu (alumīnija, magnija, titāna, niķeļa, hroma) matricu. Metināšanu veic ar nepatērējamu elektrodu argona vai hēlija maisījuma atmosfērā. Lai regulētu metināšanas termisko ietekmi uz materiāliem, vēlams izmantot impulsa loku, saspiestu loku vai trīsfāzu loku.
Lai palielinātu savienojumu stiprību, ieteicams veikt šuves, izmantojot kompozītmateriālu elektrodus vai pildvielas stieples ar stiegrojuma fāzes tilpuma saturu 15-20%. Kā pastiprinošās fāzes tiek izmantotas īsas bora, safīra, nitrīda vai silīcija karbīda šķiedras.
38.5.3. Elektronu staru metināšana
Metodes priekšrocības ir izkausētā metāla un pastiprinošās pildvielas oksidēšanās neesamība, metāla vakuuma degazēšana metināšanas zonā, augsta enerģijas koncentrācija sijā, kas ļauj iegūt savienojumus ar minimālu kausēšanas platumu. zona un siltuma ietekmes zona. Pēdējā priekšrocība ir īpaši svarīga, veicot šķiedru kompozītmateriālu savienojumus stiegrojuma virzienā. Ar īpašu savienojumu sagatavošanu ir iespējama metināšana, izmantojot pildvielas starplikas.
38.5.4. Pretestības punktmetināšana
Armatūras fāzes klātbūtne kompozītmateriālā samazina tā siltumvadītspēju un elektrisko vadītspēju salīdzinājumā ar matricas materiālu un novērš atlietas serdes veidošanos. Plānlokšņu kompozītmateriālus ar apšuvuma slāņiem punktmetinot, iegūti apmierinoši rezultāti. Metinot dažāda biezuma loksnes vai kompozītmateriālu loksnes ar viendabīgām metāla loksnēm, lai metinājuma punkta kodols nonāktu lokšņu saskares plaknē un līdzsvarotu materiāla elektriskās vadītspējas atšķirību, izvēlieties elektrodus ar dažādu vadītspēju, saspiežot perifēro zonu, mainiet elektrodu diametru un izliekuma rādiusu, kā arī apšuvuma slāņa biezumu, izmantojiet papildu blīves.
Metināšanas punkta vidējā izturība, metinot monoaksiālas ar boru pastiprinātas alumīnija plāksnes ar biezumu 0,5 mm (ar šķiedru tilpuma daļu 50%), ir 90% no līdzvērtīgas sekcijas bora-alumīnija stiprības. Bora-alumīnija loksnēm ar šķērsstiegrojumu savienojuma stiprība ir augstāka nekā loksnēm ar vienpusēju stiegrojumu.
38.5.5. Difūzijas metināšana
Process tiek veikts augstā spiedienā, neizmantojot lodmetālu. Tādējādi savienojamās bora alumīnija detaļas tiek uzkarsētas noslēgtā retortē līdz 480 °C spiedienā līdz 20 MPa un uzturētas šādos apstākļos 30-90 minūtes. Bora-alumīnija ar titānu difūzijas pretestības punktmetināšanas tehnoloģiskais process gandrīz neatšķiras no kausēšanas punktmetināšanas. Atšķirība ir tāda, ka metināšanas režīms un elektrodu forma ir izvēlēti tā, lai alumīnija matricas sildīšanas temperatūra būtu tuvu kušanas temperatūrai, bet zemāka par to. Rezultātā saskares punktā veidojas difūzijas zona ar biezumu no 0,13 līdz 0,25 mikroniem.
Paraugi, kas metināti ar difūzijas punktmetināšanu, pārbaudot spriegumu 20-120 °C temperatūras diapazonā, tiek iznīcināti gar pamatmateriālu, izraujot gar šķiedrām. 315 °C temperatūrā paraugi tiek iznīcināti ar bīdes palīdzību savienojuma vietā.
38.5.6. Ķīļspiedes metināšana
Lai savienotu galus, kas izgatavoti no tradicionālajiem strukturālajiem sakausējumiem ar caurulēm vai korpusiem, kas izgatavoti no kompozītmateriāliem, ir izstrādāta metode atšķirīgu metālu metināšanai, kas krasi atšķiras pēc cietības, ko var saukt par mikroķīļa presi. Presēšanas spiediens tiek iegūts termisko spriegumu dēļ, kas rodas, sildot termokompresijas metināšanas iekārtas stieni un turētāju, kas izgatavots no materiāliem ar dažādu termiskās izplešanās koeficientu (TE). Gala elementi, uz kuru saskares virsmas ir uzlikta ķīļvītne, tiek montēti ar cauruli, kas izgatavota no kompozītmateriāla, kā arī ar serdi un turētāju. Samontētā ierīce tiek uzkarsēta aizsargājošā vidē līdz 0,7-0,9 temperatūrai no kūstošākā metāla kušanas temperatūras. Armatūras serdeņa CTE ir augstāka nekā turētājam. Sildīšanas procesā tiek samazināts attālums starp serdeņa un turētāja darba virsmām, un uzgaļa vītnes izvirzījumi (“ķīļi”) tiek iespiesti caurules apšuvuma slāņos. Cietās fāzes savienojuma stiprums nav zemāks par matricas vai apšuvuma metāla izturību.
38.5.7. Eksplozijas metināšana
Eksplozijas metināšanu izmanto lokšņu, profilu un cauruļu savienošanai no metāla kompozītmateriāliem, kas pastiprināti ar metāla šķiedrām vai slāņiem ar pietiekami augstām plastmasas īpašībām, lai izvairītos no stiegrojuma fāzes saspiešanas, kā arī kompozītmateriālu savienošanai ar stiprinājumiem, kas izgatavoti no dažādiem metāliem un sakausējumiem. . Savienojumu stiprība parasti ir vienāda vai pat augstāka (sacietēšanas dēļ) par vismazāk stiprā matricas materiāla stiprību, ko izmanto savienojamajās daļās. Lai palielinātu savienojumu stiprību, tiek izmantotas starpposma blīves, kas izgatavotas no citiem materiāliem.
Parasti locītavās nav poru vai plaisu. Izkusušās zonas pārejas zonā, īpaši atšķirīgu metālu eksplozijas laikā, ir eitektiskā tipa fāžu maisījumi.
38.6. Kompozītmateriālu lodēšana
Lodēšanas procesi ir ļoti daudzsološi kompozītmateriālu savienošanai, jo tos var veikt temperatūrā, kas neietekmē pastiprinošo pildvielu un neizraisa saskarnes mijiedarbību.
Lodēšana tiek veikta, izmantojot parastās metodes, t.i., iegremdējot lodmetālā vai krāsnī. Ļoti svarīgs ir jautājums par virsmas sagatavošanas kvalitāti lodēšanai. Savienojumi, kas izgatavoti ar lodētiem lodmetāliem, izmantojot kušņus, ir jutīgi pret koroziju, tāpēc plūsma ir pilnībā jānoņem no savienojuma vietas.
Lodēšana ar cieto un mīkstlodmetālu
Ir izstrādātas vairākas iespējas bora alumīnija lodēšanai. Ir pārbaudīti lodmetāli zemas temperatūras lodēšanai. Lodmetāli ar sastāvu 55% Cd -45% Ag, 95% Cd -5% Ag, 82,5% Cd-17,5% Zn ieteicami detaļām, kas darbojas temperatūrā, kas nepārsniedz 90 °C; lodēšanas sastāvs 95% Zn - 5% Al - darba temperatūrai līdz 315 °C. Lai uzlabotu lodēšanas mitrināšanu un izkliedēšanu, uz savienojamajām virsmām tiek uzklāts 50 mikronu biezs niķeļa slānis. Augstas temperatūras lodēšana tiek veikta, izmantojot alumīnija un silīcija sistēmas eitektiskos lodmetālus temperatūrā, kas ir aptuveni 575-615 ° C. Lodēšanas laiks jāsamazina līdz minimumam, jo pastāv bora šķiedru stiprības degradācijas risks.
Galvenās grūtības oglekļa-alumīnija kompozīciju lodēšanai gan savā starpā, gan ar alumīnija sakausējumiem ir saistītas ar oglekļa-alumīnija kompozīciju vājo mitrināmību ar lodmetāliem. Labākie lodmetāli ir sakausējums 718 (A1-12% Si) vai mainīgi folijas slāņi no sakausējuma 6061. Lodēšana tiek veikta krāsnī argona atmosfērā 590 ° C temperatūrā 5-10 minūtes. Lai savienotu bora-alumīniju un oglekļa-alumīniju ar titānu, var izmantot alumīnija-silīcija-magnija sistēmas lodmetālus. Lai palielinātu savienojuma izturību, ieteicams uz titāna virsmas uzklāt niķeļa slāni.
Eitektiskā difūzijas lodēšana. Metode sastāv no plāna otra metāla slāņa uzklāšanas uz metināmo detaļu virsmas, veidojot eitektiku ar matricas metālu. Matricām, kas izgatavotas no alumīnija sakausējumiem, tiek izmantoti Ag, Cu, Mg, Ge, Zn slāņi, kuru eitektiskā temperatūra ar alumīniju ir attiecīgi 566, 547, 438, 424 un 382 °C. Difūzijas procesa rezultātā kontakta zonā pamazām samazinās otrā elementa koncentrācija, un paaugstinās savienojuma kušanas temperatūra, tuvojoties matricas kušanas temperatūrai. Tādējādi lodēšanas savienojumi var darboties temperatūrā, kas ir augstāka par punka temperatūru.
Bora alumīnija difūzijas lodēšanas laikā savienojamo detaļu virsmas pārklāj ar sudrabu un varu, pēc tam saspiež un uztur zem spiediena līdz 7 MPa 510-565 ° C temperatūrā tērauda retortē vakuumā vai inerta atmosfēra.
VISPĀRĪGĀS RAKSTUROJUMS UN KLASIFIKĀCIJA
Tradicionāli izmantotie metāliskie un nemetāliskie materiāli lielā mērā ir sasnieguši savas konstrukcijas stiprības robežas. Tajā pašā laikā moderno tehnoloģiju attīstībai ir nepieciešams radīt materiālus, kas uzticami darbojas sarežģītā spēka un temperatūras lauku kombinācijā, pakļaujoties agresīvai videi, starojumam, augstam vakuumam un augstam spiedienam. Bieži vien materiālu prasības var būt pretrunīgas. Šo problēmu var atrisināt, izmantojot kompozītmateriālus.
Kompozītmateriāls(CM) jeb kompozīts ir trīsdimensiju heterogēna sistēma, kas sastāv no savstarpēji nešķīstošiem komponentiem, kas ļoti atšķiras pēc īpašībām un kuru struktūra ļauj izmantot katra no tām priekšrocības.
Cilvēks CM konstruēšanas principu aizņēmās no dabas. Tipiski kompozītmateriāli ir koku stumbri, augu stublāji, cilvēku un dzīvnieku kauli.
CM ļauj iegūt noteiktu neviendabīgu īpašību kombināciju: augsta īpatnējā izturība un stingrība, karstumizturība, nodilumizturība, karstumizturības īpašības utt. CM īpašību diapazonu nevar iegūt, izmantojot parastos materiālus. To izmantošana ļauj izveidot iepriekš nepieejamus, principiāli jaunus dizainus.
Pateicoties CM, ir kļuvis iespējams jauns kvalitatīvs lēciens dzinēja jaudas palielināšanā, mašīnu un konstrukciju svara samazināšanā un transportlīdzekļu un kosmosa transportlīdzekļu svara efektivitātes palielināšanā.
Materiālu, kas darbojas šādos apstākļos, svarīgas īpašības ir īpatnējā stiprība σ in /ρ un īpatnējā stingrība E/ρ, kur σ in ir pagaidu pretestība, E- normālās elastības modulis, ρ – materiāla blīvums.
Augstas stiprības sakausējumiem, kā likums, ir zema elastība, augsta jutība pret sprieguma koncentratoriem un salīdzinoši zema izturība pret noguruma plaisu veidošanos. Lai gan kompozītmateriāliem var būt arī zema elastība, tie ir daudz mazāk jutīgi pret spriedzes izraisītājiem un ir labāk izturīgi pret noguruma bojājumiem. Tas izskaidrojams ar dažādiem plaisu veidošanās mehānismiem augstas stiprības tēraudos un sakausējumos. Augstas stiprības tēraudos plaisa, sasniedzot kritisko izmēru, pēc tam attīstās pakāpeniski.
Kompozītmateriālos darbojas cits mehānisms. Plaisa, kas pārvietojas matricā, sastopas ar šķērsli matricas un šķiedras saskarnē. Šķiedras kavē plaisu veidošanos, un to klātbūtne plastmasas matricā palielina izturību pret lūzumiem.
Tādējādi kompozītmateriālu sistēma apvieno divas pretējas īpašības, kas nepieciešamas strukturālajiem materiāliem - augsta izturība augstas stiprības šķiedru dēļ un pietiekama izturība pret lūzumu plastmasas matricas un lūzuma enerģijas izkliedes mehānisma dēļ.
CM sastāv no salīdzinoši plastmasas matricas pamatmateriāla un cietākām un izturīgākām sastāvdaļām, kas ir pildvielas. CM īpašības ir atkarīgas no pamatnes, pildvielu īpašībām un starp tām esošās saites stiprības.
Matrica saista kompozīciju monolītā, piešķir tai formu un kalpo ārējo slodžu pārnešanai uz pildvielas stiegrojumu. Atkarībā no pamatmateriāla CM izšķir ar metāla matricu jeb metāla kompozītmateriāliem (MCM), ar polimēru-polimēru kompozītmateriāliem (PCM) un ar keramikas-keramikas kompozītmateriāliem (CCM).
Vadošo lomu CM stiprināšanā spēlē pildvielas, ko bieži sauc stiprinātāji. Tiem ir augsta izturība, cietība un elastības modulis. Pamatojoties uz stiprinošo pildvielu veidu, CM tiek sadalīti pastiprināta izkliede,šķiedrains Un slāņains(28.2. att.).
Rīsi. 28.2. Kompozītmateriālu struktūras shēmas: A) pastiprināta izkliede; b) šķiedrains; V) slāņains
Ar dispersiju stiprinātos CM mākslīgi tiek ievadītas nelielas, vienmērīgi izkliedētas ugunsizturīgās karbīdu, oksīdu, nitrīdu u.c. daļiņas, kas nesadarbojas ar matricu un nešķīst tajā līdz fāžu kušanas temperatūrai. Jo mazākas ir pildvielas daļiņas un mazāks attālums starp tām, jo spēcīgāka ir CM. Atšķirībā no šķiedrainajiem, ar dispersiju stiprinātos CM galvenais nesošais elements ir matrica. Izkliedētu pildvielas daļiņu ansamblis nostiprina materiālu, pretoties dislokāciju kustībai slodzes laikā, kas apgrūtina plastisko deformāciju. Efektīva pretestība dislokāciju kustībai tiek radīta līdz matricas kušanas temperatūrai, kā dēļ ar dispersiju stiprinātie CM izceļas ar augstu karstumizturību un šļūdes pretestību.
Armatūra šķiedru kompozītmateriālos var būt dažādu formu šķiedras: diegi, lentes, dažādu pinumu tīkli. Šķiedru CM pastiprināšanu var veikt pēc vieniālās, divaksiālās un trīsaksiālās shēmas (28.3. att., A).
Šādu materiālu stiprību un stingrību nosaka armatūras šķiedru īpašības, kurām ir galvenā slodze. Armatūra dod lielāku stiprības pieaugumu, bet dispersijas stiprināšana ir tehnoloģiski vieglāk īstenojama.
Slāņaini kompozītmateriāli (28.3. att., b) sastāv no mainīgiem pildvielas un matricas materiāla slāņiem ("sviestmaizes" tips). Pildvielas slāņiem šādos CM var būt dažādas orientācijas. Ir iespējams pārmaiņus izmantot pildvielas slāņus, kas izgatavoti no dažādiem materiāliem ar dažādām mehāniskām īpašībām. Slāņu kompozīcijām parasti tiek izmantoti nemetāliski materiāli.
Rīsi. 28.3.Šķiedru pastiprināšanas shēmas ( A) un slāņveida ( b) kompozītmateriāli
DISPERSE RESTROENĒTI KOMPOZĪTU MATERIĀLI
Dispersijas stiprināšanas laikā daļiņas bloķē slīdēšanas procesus matricā. Sacietēšanas efektivitāte, pakļaujot minimālai mijiedarbībai ar matricu, ir atkarīga no daļiņu veida, to tilpuma koncentrācijas, kā arī no sadalījuma viendabības matricā. Tiek izmantotas ugunsizturīgo fāžu, piemēram, Al 2 O 3, SiO 2, BN, SiC, izkliedētas daļiņas, kurām ir mazs blīvums un augsts elastības modulis. CM parasti ražo pulvermetalurģijā, kuras svarīga priekšrocība ir īpašību izotropija dažādos virzienos.
Rūpniecībā ar dispersiju stiprinātus CM parasti izmanto uz alumīnija un retāk uz niķeļa bāzes. Tipiski šāda veida kompozītmateriālu pārstāvji ir tādi materiāli kā SAP (sintered alumīnija pulveris), kas sastāv no alumīnija matricas, kas stiprināta ar izkliedētām alumīnija oksīda daļiņām. Alumīnija pulveri iegūst, izsmidzinot izkausētu metālu, pēc tam samaļot lodīšu dzirnavās līdz apmēram 1 mikrona izmēram skābekļa klātbūtnē. Palielinoties malšanas laikam, pulveris kļūst smalkāks un tajā palielinās alumīnija oksīda saturs. Papildu tehnoloģija produktu un pusfabrikātu ražošanai no SAP ietver auksto presēšanu, iepriekšēju saķepināšanu, karsto presēšanu, saķepināta alumīnija sagataves velmēšanu vai ekstrūzijas gatavo izstrādājumu veidā, kurus var pakļaut papildu termiskai apstrādei.
SAP tipa sakausējumi ir apmierinoši deformēti karstā stāvoklī, bet sakausējumi ar 6–9% Al 2 O 3 - pat istabas temperatūrā. No tiem ar auksto vilkšanu var izgatavot līdz 0,03 mm biezu foliju. Šie materiāli ir viegli griežami un tiem ir augsta izturība pret koroziju.
Krievijā izmantotās SAP kategorijas satur 6–23% Al 2 O 3 . Ir SAP-1 ar saturu 6–9, SAP-2 ar 9–13, SAP-3 ar 13–18% Al 2 O 3. Palielinoties alumīnija oksīda tilpuma koncentrācijai, palielinās kompozītmateriālu izturība. Telpas temperatūrā SAP-1 stiprības raksturlielumi ir šādi: σ in = 280 MPa, σ 0,2 = 220 MPa; SAP-3 ir šādi: σ in = 420 MPa, σ 0,2 = 340 MPa.
Materiāliem, piemēram, SAP, ir augsta karstumizturība un tie ir labāki par visiem kaltajiem alumīnija sakausējumiem. Pat 500 °C temperatūrā to σ ir vismaz 60–110 MPa. Karstumizturība ir izskaidrojama ar izkliedēto daļiņu inhibējošo ietekmi uz pārkristalizācijas procesu. SAP tipa sakausējumu stiprības raksturlielumi ir ļoti stabili. SAP-3 tipa sakausējumu ilglaicīgas stiprības pārbaudes 2 gadu garumā praktiski neietekmēja īpašību līmeni gan istabas temperatūrā, gan karsējot līdz 500 °C. 400 ° C temperatūrā SAP izturība ir 5 reizes lielāka nekā novecojošo alumīnija sakausējumu izturība.
SAP tipa sakausējumi tiek izmantoti aviācijas tehnoloģijā tādu detaļu ražošanai ar augstu īpatnējo izturību un izturību pret koroziju, kas darbojas temperatūrā līdz 300–500 °C. No tiem tiek izgatavoti virzuļu stieņi, kompresora lāpstiņas, degvielas elementu apvalki un siltummaiņa caurules.
CM tiek ražots, izmantojot pulvermetalurģiju, izmantojot izkliedētas silīcija karbīda SiC daļiņas. Ķīmiskajam savienojumam SiC ir vairākas pozitīvas īpašības: augsta kušanas temperatūra (vairāk nekā 2650 °C), augsta izturība (apmēram 2000 MPa) un elastības modulis (> 450 GPa), zems blīvums (3200 kg/m3) un laba izturība pret koroziju. . Abrazīvo silīcija pulveru ražošanu ir apguvusi nozare.
Alumīnija sakausējuma un SiC pulveri sajauc, iepriekš sablīvē zemā spiedienā, pēc tam karsti presē tērauda traukos vakuumā matricas sakausējuma kušanas temperatūrā, t.i., cietā-šķidrā stāvoklī. Iegūtā sagatave tiek pakļauta sekundārai deformācijai, lai iegūtu vajadzīgās formas un izmēra pusfabrikātus: loksnes, stieņus, profilus utt.
Kompozītmateriāli sastāv no metāla matricas(parasti A1, Mg, Ni un to sakausējumi), pastiprinātas ar augstas stiprības šķiedrām (šķiedru materiāliem) vai smalki izkliedētām ugunsizturīgām daļiņām, nešķīst parastajā metālā (ar dispersiju stiprināti materiāli). Metāla matrica saista šķiedras (izkliedētās daļiņas) vienā veselumā. Šķiedra (izkliedētas daļiņas) un saistviela (matrica), kas veido
Rīsi. 1
1 - granulēts (ar dispersiju stiprināts) materiāls (l/d- es): 2 - diskrēts šķiedru kompozītmateriāls; 3 - vienlaidu šķiedru kompozītmateriāls; 4 - nepārtraukta šķiedru ieklāšana; 5 - divdimensiju šķiedru izvietojums; 6,7 - tilpuma šķiedru ieklāšana
vai cita kompozīcija, saņēma nosaukumu kompozītmateriāli(196. att.).
Šķiedru kompozītmateriāli.
Attēlā 196 parāda stiegrojuma diagrammas šķiedru kompozītmateriāliem. Kompozītmateriālus ar šķiedru pildvielu (pastiprinātāju) pēc stiegrojuma darbības mehānisma iedala diskrētos, kuros šķiedras garuma attiecība pret diametru l/d «10-tL03, un ar vienlaidu šķiedru, kurā l/d = co. Diskrētās šķiedras matricā ir sakārtotas nejauši. Šķiedru diametrs svārstās no frakcijām līdz simtiem mikrometru. Jo lielāka ir šķiedras garuma un diametra attiecība, jo augstāka ir stiprinājuma pakāpe.
Bieži vien kompozītmateriāls ir slāņaina struktūra, kurā katrs slānis ir pastiprināts ar lielu skaitu paralēlu nepārtrauktu šķiedru. Katru slāni var arī pastiprināt ar vienlaidu šķiedrām, kas ieaustas audumā, kas pārstāv sākotnējo formu, saskaņojot gala materiāla platumu un garumu. Bieži vien šķiedras tiek ieaustas trīsdimensiju struktūrās.
Kompozītmateriāli atšķiras no parastajiem sakausējumiem ar augstākām stiepes izturības un izturības robežvērtībām (par 50-100%), elastības moduli un stinguma koeficientu. (Elī) un samazināta uzņēmība pret plaisāšanu. Kompozītmateriālu izmantošana palielina konstrukcijas stingrību, vienlaikus samazinot tās metāla patēriņu.
44. tabula
Metāla kompozītmateriālu mehāniskās īpašības
Kompozītmateriālu (šķiedru) izturību nosaka šķiedru īpašības; matricai galvenokārt jāpārdala spriegumi starp stiegrojuma elementiem. Tāpēc šķiedru stiprības un elastības modulim jābūt ievērojami lielākam par matricas stiprības un elastības moduli. Stingras stiegrojuma šķiedras uztver slodzes laikā kompozīcijā radušos spriegumus, piešķirot tai stiprību un stingrību šķiedras orientācijas virzienā.
Alumīnija, magnija un to sakausējumu stiprināšanai izmanto bora savienojumus (apmēram = 2500-*-3500 MPa, E = 38h-420 GPa) un oglekli (st v = 1400-g-3500 MPa, E 160-450 GPa) šķiedras, kā arī šķiedras no ugunsizturīgiem savienojumiem (karbīdi, nitrīdi, borīdi un oksīdi) ar augstu stiprības un elastības moduli. Tādējādi silīcija karbīda šķiedrām ar diametru 100 μm ir temperatūra = 2500-*t3500 MPa, E= 450 GPa. Kā šķiedras bieži izmanto stiepli, kas izgatavota no augstas stiprības tērauda.
Titāna un tā sakausējumu armēšanai izmanto molibdēna stiepli, safīra šķiedras, silīcija karbīdu un titāna borīdu.
Niķeļa sakausējumu karstumizturības palielināšana tiek panākta, pastiprinot tos ar volframa vai molibdēna stiepli. Metāla šķiedras izmanto arī gadījumos, kad nepieciešama augsta siltumvadītspēja un elektrovadītspēja. Daudzsološi stiprinājumi augstas stiprības un augsta moduļa šķiedru kompozītmateriāliem ir ūsas, kas izgatavotas no alumīnija oksīda un nitrīda, silīcija karbīda un nitrīda, bora karbīda utt. ar b = 15 000-g-28 000 MPa un E= 400-*-600 GPa.
Tabulā 44 parāda dažu šķiedru kompozītmateriālu īpašības.
Metāla bāzes kompozītmateriāliem ir augsta izturība (st, a_ x) un karstumizturība, tajā pašā laikā tiem ir zema plastiskums. Tomēr šķiedras kompozītmateriālos samazina plaisu izplatīšanās ātrumu, kas veido kodolu matricā un gandrīz pilnībā novērš pēkšņas
Rīsi. 197. Elastības moduļa atkarība E(a) un stiepes izturība o b) bora-alumīnija kompozītmateriālā gar (/) un šķērsām (2) stiegrojuma ass atkarībā no bora šķiedras tilpuma satura
trausls lūzums. Vienasu šķiedru kompozītmateriālu atšķirīga iezīme ir mehānisko īpašību anizotropija gar šķiedrām un šķērsām un zema jutība pret sprieguma koncentratoriem.
Attēlā 197 parāda atkarību a in un E bora-alumīnija kompozītmateriāls no bora šķiedras satura gar (/) un šķērsām ( 2 ) stiegrojuma ass. Jo lielāks šķiedru tilpuma saturs, jo lielāks a b, a_ t un E pa stiegrojuma asi. Tomēr jāņem vērā, ka matrica var pārnest spriegumu uz šķiedrām tikai tad, ja stiegrojošās šķiedras-matricas saskarnē ir spēcīga saite. Lai novērstu kontaktu starp šķiedrām, matricai ir pilnībā jāapņem visas šķiedras, kas tiek panākts, ja tās saturs ir vismaz 15-20%.
Matricai un šķiedrai nevajadzētu mijiedarboties viena ar otru (nedrīkst būt savstarpējai difūzijai) ražošanas vai darbības laikā, jo tas var izraisīt kompozītmateriāla stiprības samazināšanos.
Šķiedru kompozītmateriālu īpašību anizotropija tiek ņemta vērā, projektējot detaļas, lai optimizētu īpašības, saskaņojot pretestības lauku ar sprieguma laukiem.
Alumīnija, magnija un titāna sakausējumu pastiprināšana ar nepārtrauktām ugunsizturīgām bora, silīcija karbīda, titāna diborīda un alumīnija oksīda šķiedrām ievērojami palielina karstumizturību. Kompozītmateriālu iezīme ir zemais mīkstināšanas ātrums laika gaitā (198. att., A) pieaugot temperatūrai.
Rīsi. 198. Bora-alumīnija kompozītmateriāla, kas satur 50% bora šķiedras, ilgtermiņa izturība salīdzinājumā ar titāna sakausējumu stiprību (a) un niķeļa kompozītmateriāla ilgtermiņa izturība salīdzinājumā ar dispersijas cietēšanas sakausējumu izturību (b) :
/ - bora-alumīnija kompozīts; 2 - titāna sakausējums; 3 - ar dispersiju stiprināts kompozītmateriāls; 4 - dispersijas cietināšanas sakausējumi
Galvenais kompozītmateriālu trūkums ar viendimensiju un divdimensiju stiegrojumu ir zemā izturība pret starpslāņu bīdi un šķērsvirziena lūzumu. Materiāliem ar tilpuma stiegrojumu šī trūkuma nav.
- Plaši tiek izmantotas polimēru, keramikas un citas matricas.
