На металлической матрице (КММ)

По технологическим признакам все перечисленные металлические матрицы можно разделить на три большие группы: деформируемые, литейные и порошковые. В соответствии с соответствующим технологическим признаком и строится технология получения армированных КММ.

Получение КММ, армированных нитевидными кристаллами, обычно ведут в две стадии: переработка волокон и изготовление самого композита.

Предварительная переработка волокон включает несколько операций:

- классификация по размерам и выделение из общей массы кристаллов, удовлетворяющих предъявленным требованиям (классификацию обычно ведут воздушным и жидкостным методами);

- нанесение на поверхность нитевидных кристаллов металлического покрытия, что обеспечивает смачивание усов расплавом металла матрицы, исключает химическое взаимодействие с матрицей, придаёт ориентировку в матрице и предотвращает повреждение кристаллов при переработке. Следовательно, покрытия влияют на эксплуатационные свойства КМ. Покрытия наносят химическим парофазным осаждением, распылением, вакуумным испарением, электрическим осаждением, погружением в систему металл - органическая удаляемая связка. Наиболее распространены первые три способа;

- ориентирование волокон при объединении их с матрицей методами экструзии, вытягивания и под действием электрического поля, текстильными и ситовыми, принятыми в бумажном производстве.

Большую роль в придании КММ необходимых свойств играет объединение волокон с матрицей. Все способы объединения делят на твердофазные, жидкофазные и способы осаждения.

Твердофазные способы заключаются в механическом смешивании порошка металла матрицы и нитевидных кристаллов, проволоки или в объединении в пакет листов фольги с нитевидными кристаллами и последующем горячем прессовании. Недостаток - большие повреждения кристаллов при прессовании. Продолжительное спекание также может привести к нежелательному взаимодействию компонентов КММ.

К твердофазным способам получения КММ относят также диффузионную сварку под давлением, сварку взрывом, деформационную обработку под давлением.

Механическим или химическим смешиванием порошков, поверхностным или внутренним окислением, механическим легированием получают дисперсно-упрочнённые КММ.

Поверхностное окисление металла упрочнителя осуществляют при распылении жидкого металла в контролируемой окислительной атмосфере. Внутреннее окисление заключается в контролируемом окислении порошков низколегированных твёрдых растворов. Окисляется компонент, имеющий большее сродство к кислороду, при температуре, обеспечивающей необходимую скорость диффузии кислорода. Средний размер упрочняющей фазы составляет 0,01…0,02 мкм.

Смешиванием получают порошковые смеси, содержащие матричные и дисперсные упрочняющие частицы, которые подвергают прессованию в металлических пресс-формах, изо- и гидростатическому прессованию или прокатке. Высокоплотные изделия получают спеканием при нагреве до (0,7…0,9) Т _пл и выдержке в защитной атмосфере или вакууме. Возможно совмещение процесса прессования и спекания (горячее прессование), а также горячая экструзия и прокатка. Горячее прессование осуществляют при нагреве до (0,5…0,8) Т _пл матричного материала. Горячая экструзия позволяет получить беспористую деталь при давлении 1000…1400 МПа. Горячую прокатку ведут с обжатием за проход 10…15 % при суммарном обжатии 40…60 %.

Способом порошковой металлургии получают КММ, в состав которых входит шихта из порошков, образующих основу, волокна или другие добавки. Шихту подвергают смешиванию, прессованию, спеканию (или горячему прессованию), прокатке или другой обработке.

После прессования смеси с короткими волокнами образуется структура с хаотичным расположением армирующих добавок, ориентация которым может быть придана экструзией материала. Возможно получение ориентированных структур и до прессования, непосредственно в пресс-форме, с помощью вибрации, магнитного или электрического поля. Компоненты шихты смешивают в специальных барабанах, конусных смесителях или других устройствах в среде бензина, спирта, или в воде. Прессование смеси осуществляют в пресс-формах на прессах или молотах, экструзией, прокаткой вибрационным уплотнением, взрывом и т.д. Формирование физико-механических свойств материалов завершается при спекании в защитной среде (в водороде, диссициированном аммиаке и др.) при температуре, составляющей 0,7…0,8 от абсолютной температуры плавления металла основы. Иногда после спекания изделия подвергают повторному прессованию и спеканию, термической или химико-термической обработке - для дальнейшего улучшения физико-механических свойств, защиты от коррозии, придания им окончательных размеров и форм. Применение метода горячего прессования при температуре, составляющей 0,5…0,8 от абсолютной температуры плавления металла основы, позволяет получать практически беспористые материалы.

Способ пластической деформации применяют для получения КММ из деформируемых матричных металлов и сплавов. Деформацию ведут в условиях, не приводящих к разрушению арматуры. Если пластичность волокон арматуры достаточно высока, то уплотнять КММ можно прокаткой, импульсным прессование, гидроэкструзией и т.п.

Обычно при этом способе производства КММ заготовки получают намоткой армирующих волокон на барабан, покрытый фольгой матричного материала. Последующая укладка полученных листов с попеременно продольным и поперечным направлением волокон в слоях позволяет получать КММ с необходимыми свойствами.

Диаметр и длину барабана выбирают в соответствии с заданными размерами листа монослоя. Размерность укладки волокна и его натяжение обеспечиваются специальным приспособлением. Для фиксации укладку волокна закрепляют на фольге беззольным клеем в местах, по которым фольга в дальнейшем разрезается. Снятые с барабана монослои укладывают в нужном порядке в стопку и уплотняют тем или иным способом. Иногда, чтобы закрепить после намотки волокна на матричном листе, на них плазменным напылением наносят тонкие слои порошка матрицы. Способом пластической деформации монослоёв изготовляют такие КММ, как Al-B, Al-SiB, Ti-SiC, Mg-B, Ti-B.

Прокатка - наиболее производительный способ получения КММ в виде армированных листов и лент, из которых собираются листовые элементы конструкций. В процессе прокатки пластическая матрица и прочные, твёрдые волокна деформируются неодинаково. Волокна вдавливаются в более пластичную матрицу. Пластичный матричный металл заполняет микроучастки между волокнами «залечивая» зарождающиеся повреждения волокон. Продольная прокатка допускает не больше 25 % деформаций, иначе волокна могут порваться. Поперечная прокатка допускает 70…80 % деформаций. Поперечной прокаткой получают КММ на основе Al, армированного борными, керамическими и стеклянными волокнами. Композиции на основе легкоокисляющегося металла обрабатывают в вакуумных прокатных станах или герметических вакуумированных контейнерах, заваренных аргонодуговой или электронно-лучевой сваркой.

После получения КММ для уплотнения комбинаций и образования связи между металлом матрицы и армирующими волокнами используют диффузионную сварку, дополнительное горячее прессование и сварку взрывом.

Жидкофазные способы - это изготовление КММ пропиткой расплавленными металлами каркасов. Спрессованный металлический войлок, состоящий из отрезков проволоки или нитевидных кристаллов, либо длинные волокна, уложенные в определённом порядке, нагревают в вакууме или инертной среде, пропитывают расплавленным металлом основы и медленно охлаждают. Пропитывающий металл должен смачивать (но не растворять) волокна, его температура плавления должна быть значительно ниже температуры плавления материала волокон.

Жидкофазные способы получения композиционного материала различаются между собой условиями пропитки волокон расплавом, проходящей:

- при нормальном давлении;

- в условиях вакуума (вакуумное всасывание);

- под давлением;

- в сочетании элементов вакуумной пропитки и литья под давлением.

К жидкофазным процессам следует отнести способ получения КММ литьём и способ получения КММ эвтектического состава направленной кристаллизацией.

Литейные способы получения КММ основаны на заполнении армирующих систем расплавленным металлом. Создавая КММ жидкофазными способами, нужно заранее знать характеристики смачивания волокна и матрицы, зависящие от температуры процесса и состава атмосферы. При пропитке металлическими расплавами улучшить смачивание волокнистых каркасов можно ультразвуковой обработкой жидкой фазы. Ультразвуковая обработка расплава силумина (матричный металл) приводит, например, к смачиванию им некоторых оксидов и карбидов (Al₂O₃, SiC и др.).

В случае, когда расплавленный металл матрицы и армирующие волокна взаимодействуют, предпочтительнее получать их твердофазными методами.

Литейная технология получения КММ положена в основу изготовления композиций на основе никелевых и кобальтовых литейных сплавов. По этой технологии вольфрамовые и молибденовые проволоки (т.е. набор армирующих волокон, помещённых в соответствующую форму) заполняют расплавом методом вакуумного всасывания.

Литейная технология изготовления КММ позволяет использовать непрерывное литьё, при котором набор армирующих волокон проходит через расплав и выводится через него в виде КММ соответствующего профиля (профиль может быть сложным) и значительной длины.

Способ направленной кристаллизации применяют для получения КММ эвтектического состава.

Из кристаллизующегося расплава выращивают КМ, в котором армирующей фазой служат параллельные игольчатые или пластинчатые кристаллы, равномерно распределённые в матрице. Механические свойства такой армирующей фазы близки к свойствам усов и фаза хорошо связана с матрицей.

Если объёмная доля армирующей фазы менее 12 % образуется волокнистая структура, свыше 32 % - пластинчатая. С ростом объёмной доли упрочнителя прочность эвтектических КММ повышается.