Металлические композиционные материалы

Композиты с металлической матрицей впервые начали применяться в авиакосмической технике, где была приемлема высокая стоимость их производства.

Упрочнение композитов с металлической матрицей осуществляется частицами различных форм и размеров, непрерывными и прерывистыми волокнами. Композиты с упрочняющими частицами отличаются от композитов упрочненных волокнами, изотропностью свойств, более низкой стоимостью производства и возможностью последующей обработки.

Композиционные материалы (КМ) с алюминиевой матрицей. Материалы с алюминиевой матрицей, нашедшие промышленное применение, в основном армируют стальной проволокой (КАС), борным волокном (ВКА) и углеродным волокном (ВКУ). В качестве матрицы используют как технический алюминий (например, АД1), так и сплавы (АМг6, В95, Д20 и др.).

Использование в качестве матрицы сплава, упрочняемого термообработкой (закалка и старение) (например, В95), дает дополнительный эффект упрочнения композиции. Однако в направлении оси волокон он невелик, тогда как в поперечном направлении, где свойства определяются в основном свойствами матрицы, достигает 50 %. Например, механические свойства композиционного материала алюминиевый сплав (Al – 1 % Mg – 0,6 % Si – 0,2 % Cr) – борные волокна (50 об. %) вдоль волокна до и после термической обработки – σ_в = 1580 МПа и 1670 МПа, Е = 232 и 239 ГПа, соответственно, то поперек волокна до и после термической обработки σ_в =137 и 259 МПа, Е = 141 и 148 ГПа.

Наиболее дешевым, достаточно эффективным и доступным армирующим материалом является высокопрочная стальная проволока. Так, армирование технического алюминия проволокой из стали ВНС9 диаметром 0,15 мм (σ_в = 3600 МПа) увеличивает его прочность в 10…12 раз при объемном содержании волокна 25 % и в 14…15 раз при увеличении содержания до 40 %, после чего временное сопротивление достигает соответственно 1000…1200 и 1450 МПа. Если для армирования использовать проволоку меньшего диаметра, т. е. большей прочности (σ_в = 4200 МПа), временное сопротивление композиционного материала увеличится до 1750 МПа. Таким образом, алюминий, армированный стальной проволокой (25…40 %), по основным свойствам значительно превосходит даже высокопрочные алюминиевые сплавы и выходит на уровень соответствующих свойств титановых сплавов. При этом плотность композиций находится в пределах 3,9…4,8 г/см³.

Упрочнение алюминия и его сплавов более дорогими волокнами В, С, Al₂O₃ повышает стоимость композиционных материалов, но при этом эффективнее улучшаются некоторые свойства: например, при армировании борными волокнами модуль упругости увеличивается в 3…4 раза, углеродные волокна способствуют снижению плотности. Приведем влияние объемного содержания волокон бора на прочность и жесткость композиции алюминий – бор.

 

Объемное содержа-ние волокон, %	0	10	30	50
σв, МПа	70…140	500…650	300…380	1100…1400
E, ГПа	70	105	180	200…257

 

 Бор мало разупрочняется с повышением температуры, поэтому композиции, армированные борными волокнами, сохраняют высокую прочность до 400…500 °С. Промышленное применение нашел материал, содержащий 50 об. % непрерывных высокопрочных и высокомодульных волокон бора (ВКА-1). По модулю упругости и временному сопротивлению в интервале температур 20…500 °С он превосходит все стандартные алюминиевые сплавы, в том числе высокопрочные (В95), и сплавы, специально предназначенные для работы при высоких температурах (АК4-1) (рис. 7.4). Высокая демпфирующая способность материала обеспечивает вибропрочность изготовленных из него конструкций. Плотность сплава равна 2,65 г/см³, а удельная прочность – 45 км. Это значительно выше, чем у высокопрочных сталей и титановых сплавов.

 

Рис. 7.4. Зависимость временного сопротивления (——) и модуля упругости (– – –) композиционного материала ВКА-1 в сравнении со сплавами В95 и АК4-1 от температуры испытания

 

Композиционные материалы на алюминиевой основе, армированные углеродными волокнами (ВКУ), дешевле и легче, чем материалы с борными волокнами. И хотя они уступают последним по прочности, обладают близкой удельной прочностью (42 км). Однако изготовление композиционных материалов с углеродным упрочнителем связано с большими технологическими трудностями из-за взаимодействия углерода с металлическими матрицами при нагреве, вызывающего снижение прочности материала. Для устранения этого недостатка применяют специальные покрытия углеродных волокон.

КМ с магниевой матрицей. Материалы с магниевой матрицей (ВКМ) характеризуются меньшей плотностью (1,8…2,2 г/см³), чем с алюминиевой, при примерно такой же высокой прочности 1000…1200 МПа и поэтому более высокой удельной прочностью. Деформируемые магниевые сплавы (МА2 и др.), армированные борным волокном (50 об. %), имеют удельную прочность > 50 км. Хорошая совместимость магния и его сплавов с борным волокном, с одной стороны, позволяет изготовлять детали методом пропитки практически без последующей механической обработки, с другой – обеспечивает большой ресурс работы деталей при повышенных температурах. Удельная прочность этих материалов повышается благодаря применению в качестве матрицы сплавов, легированных легким литием, а также в результате использования более легкого углеродного волокна. Но, как было указано ранее, введение углеродного волокна осложняет технологию и без того нетехнологичных сплавов. Как известно, магний и его сплавы обладают низкой технологической пластичностью, склонностью к образованию рыхлой оксидной пленки.

КМ с титановой матрицей. Для упрочнения титановой матрицы используется целый ряд соединений, к ним относятся TiB₂, TiN, B4C, ZrC, SiC TiB, TiC и Al₂O₃. В табл. 7.2 приводится сравнение свойств титана и керамических упрочняющих частиц.

 

Таблица 7.2

Механические свойства титана и керамических упрочняющих фаз

Материал	Модуль Юнга, ГПа	Коэффициент линейного расширения, х10^-6 К^-1
α-Ti Ti–6%Al–4%V TiB TiC TiN SiC Si3N4 TiB2 B4C Al2O3	105 115 550 460 250 420 320 529 449 350	8,8 8,8 8,6 7,4 9,3 4,3 3,2 6,4 4,5 8,1

 

При выборе упрочняющей частицы следует учитывать стабильность упрочняющей фазы в титановой матрице. Упрочняющая фаза не должна вступать в реакции с матрицей и сохранять стабильность при температурах обработки. В наибольшей степени этим требованиям соответствуют частицы TiB, коэффициент термического расширения которых близок коэффициенту титана, а модуль Юнга отличается высоким значением. Поэтому в настоящее время особое внимание уделяется именно композиционным материалам Ti – TiB.

КМ с никелевой матрицей. Основная задача при создании таких материалов (ВКН) заключается в повышении рабочих температур выше 1000 °С. И одним из лучших металлических упрочнителей, способных обеспечить хорошие показатели прочности при столь высоких температурах, является вольфрамовая проволока. Введение вольфрамовой проволоки в количестве от 40 до 70 об. % в сплав никеля с хромом обеспечивает прочность при 1100 °С в течение 100 ч соответственно 130 и 250 МПа, тогда как лучший неармированный никелевый сплав, предназначенный для работы в аналогичных условиях, имеет прочность всего 75 МПа. Использование для армирования проволоки из сплавов вольфрама с рением или гафнием увеличивает этот показатель на 30…50 %.