Целая. Учебник для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальностям Летательные аппараты
 Скачать 32.33 Mb.
|
|
Глава 5 КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ С МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ МАТРИЦЕЙ 5.1. АРМИРУЮЩИЕ ВОЛОКНА Волокна используются в качестве арматуры композиционных материалов (КМ). Они должны обладать небольшой плотностью, высокой прочностью во всем интервале рабочих температур, технологичностью, минимальной растворимостью в матрице, высокой химической стойкостью, отсутствием фазовых превращений при рабочих температурах и, по возможности, быть нетоксичными при изготовлении и эксплуатации. Для армирования применяют нитевидные кристаллы (усы), металлическую проволоку, неорганические и органические волокна. Усы имеют диаметр от долей микрометра до нескольких микрометров и длину от долей микрометра до нескольких сантиметров. Широко в качестве армирующих элементов конструкционных КМ пока не используются. Высокопрочная металлическая проволока из стали, вольфрама, молибдена и других металлов хотя и имеет большую плотность и меньшую прочность чем у усов, используется в качестве арматуры, особенно для КМ на металлической основе, намного чаще, благодаря своей технологичности, широкой доступности и сравнительно невысокой стоимости. Поликристаллические неорганические волокна, как и металлическая проволока, выпускаются промышленностью в больших количествах. Их недостатком является высокая чувствительность к механическим повреждениям, однако малая плотность, высокая прочность, химическая стойкость углеродных, борных, стеклянных, карбидокремниевых, кварцевых и других волокон позволяют широко использовать эти материалы для армирования пластмасс и металлов. Органические волокна используются только для армирования полимерных матриц. Волокна бора, карбида кремния и борсика (B/SiC), обладающие высокой прочностью, жесткостью и малой плотностью, наиболее перспективны для упрочнения матриц на основе легких металлов (Al, Mg, Ti) и их сплавов. В литературе уделяется много внимания алюминию, армированному волокнами бора и карбида кремния, которые получают осаждением из газовой фазы бора и карбида кремния на нагретую до температуры 1 373... 1 473 К поверхность вольфрамовой проволоки диаметром 12,5 микрометра. Диаметр волокон, выпускаемых промышленностью, составляет 90...150 микрометров. Для получения волокон используют одно или двухкамерный реактор, через который со скоростью 5... 18 м/час протягивается вольфрамовая нить, нагретая с помощью прямого пропускания тока, подводимого через затворы-контакты. Соотношение компонентов парогазовой фазы подбирается в зависимости от требуемого конечного диаметра волокна, диаметра вольфрамовой подложки и размеров реактора. Образование осаждающегося бора можно достичь путем восстановления его из тетрахлорида, протекающего в среде водорода по реакции: 2ВС13 + ЗН2 →2В + 6НС1 Сердцевина волокон бора, полученных на вольфрамовой подложке, состоит из боридов вольфрама WB, W2B5 и WB4. При продолжительном нагреве сохраняется в основном фаза WB4. Образование указанных соединений происходит в результате реактивной диффузии при взаимодействии вольфрама с бором в условиях высокотемпературного нагрева. Физико-механические свойства волокон бора, карбида кремния и борсика приведены в табл. 13; температурная зависимость модуля упругости и прочности волокон - в табл. 14. Волокна бора имеют кристаллическую структуру β-ромбичес- кой модификации, формирующейся при температуре 1 476 К. Примеси в исходных продуктах влияют на фазовые превращения. На рис. 34 схематично иллюстрируются главные особенности строения борного волокна. В последнее время при получении борных волокон вместо вольфрамовой нити с плотностью  = 19 000 кг/м3 используют стеклоуглеродное или углеродное моноволокно с плотностью 1 600 кг/м3, вырабатываемое из термопластичных пеков.В табл. 15 и 16 приводятся некоторые свойства тех и других борных волокон. Как видно из приведенных данных, качество борных волокон, полученных на стеклоуглеродной мононити, лучше, чем на вольф- Таблица 13 Физико-механические свойства волокон бора, борсика и карбида кремня
Обозначения: d – диаметр волокна; Е – модуль упругости; τсд – модуль сдвига; µ - коэффициент Пуассона; σв – прочность при растяжении; σн – сопротивление изгибу; Ɛ – относительное удлинение. Таблица 14 Температурная зависимость модуля упругости и прочности волокон
 Рис. 34. Структурное строение борного волокна: 1 - внешний вид текстурированной поверхности; 2 - увеличенное изображение отдельного зерна с субструктурой, зависящей от диаметра волокна; 3 - остаточный вольфрам (исходный диаметр - 12,5 мкм); обычно имеет сильно выраженную ориентацию; 4 - богатые вольфрамом и бором кристаллические зоны (внешний диаметр - 18 мкм), по составу отвечающие W2B3 и WB4; 5 - слой аморфного бора из частиц в поперечнике 20...30 Е с плотностью 2,35 г/см3, типичных для межплоскостных промежутков 4,2; 2,5; 1,7 и 1,4 Е ; 6 - наружная оболочка Таблица 15 Сравнительные характеристики волокон На W – и стеклоуглеродных подложках
Обозначения: d- диаметр волокна; σв - прочность при растяжении. Таблица 16 Свойства борных волокон, произведенных в разных станах
Обозначения: d - диаметр волокна; σв -прочность при растяжении; Е - модуль упругости; τсд - модуль сдвига рамовой. Кроме того, стеклоуглеродные моноволокна значительно дешевле и доступнее. Сравнение по удельному модулю упругости показывает, что у борных волокон он в 5 раз выше, чем у стеклянных. Волокна бора, карбида кремния и борсика используются для армирования композиционных материалов в дискретном и непрерывном видах, а также в виде полуфабрикатов - предварительно подготовленных однонаправленных лент. Из-за большой жесткости в крученом виде их не применяют. Лишь в последние десятилетия бор стал элементом первостепенной важности: он сам и многие его соединения понадобились атомной и ракетной технике, металлургии, металлообработке, химической промышленности и другим отраслям. 5.2. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТРИЦЫ И КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ИХ ОСНОВЕ Возрастающий объем применения композиционных материалов в ответственных конструкциях привлек пристальное внимание к разработке и применению методов, позволяющих предсказать поведение таких конструкций при нагружении. Фермы, балки, рамы и тонкостенные элементы являются в настоящее время наиболее распространенными конструкциями, которые изготавливают из комозици- онных материалов с металлической матрицей. Наиболее перспективным и широко применяемым металлоком- позитом является система алюминий - бор. 5.2.1. МАТРИЦЫ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ Алюминий и сплавы на его основе, используемые в качестве матрицы КМ, выпускаются промышленностью в виде слитков, листов, лент, фольг, прутков, проволоки и порошка. Главными требованиями, предъявляемыми к матрицам на основе алюминия и его сплавов, являются совместимость с материалом армирующих волокон при температурах получения и эксплуатации КМ; высокие значения прочности и достаточной пластичности при нормальной и повышенной температурах; высокие технологические свойства и коррозионная стойкость. В зависимости от технологических особенностей получения КМ и типа волокон для матрицы применяют алюминий, деформируемые и литейные алюминиевые сплавы. Упрочнение алюминия высокопрочными и высокомодульными волокнами позволяет создавать КМ с повышенными удельной прочностью и удельной жесткостью, жаропрочностью и регулируемой анизотропией свойств. В КМ на основе алюминия матрицей служат сплавы АД-1, АМг-6, АМЦ, АМг-3, Д16, 2024, 7075. Армирующими элементами - волокна стали, бора, борсика, углерода и карбида кремния. Кроме того, разработаны КМ на основе алюминия с волокнами вольфрама, молибдена, бериллия, титана и Si02. Известны КМ на основе алюминия, армированные усами А1203, SiC. При изготовлении КМ на основе алюминия применяют жидко- и твердофазные методы (горячее прессование, прокатку, экструзию, сварку взрывом), а также процессы осаждения. Так, горячим прессованием получают КМ А1 - В, алюминий - борсик, А1 - Be, алюминий - сталь, А1 - SiC, А1 - Si02, исходными формами для матриц которых являются фольга, лента, лист или порошок. Процесс осуществляется в вакууме, на воздухе или в защитной атмосфере и контролируется напряжением текучести или ползучестью матричного материала. Для снижения температуры и давления могут использоваться вспомогательные средства - припои, легкоплавкие или образующие эвтектику металлы. Недостаток метода - прерывистость процесса. Параметры процесса получения КМ с объемной долей волокон бора 0,5 такие: время - 1 час, давление - примерно 50 МПа, температура - 753 К. Этим способом могут быть получены многослойные ленты, листы, стержни, профили, лопатки компрессоров и турбин. Прокаткой изготавливают КМ, армированные металлическими проволоками, например, КМ А1 - В, алюминий - сталь. Процесс осуществляется при температуре (0,7...0,9) Тпл и является полунепрерывным или полностью непрерывным. Недостаток: при больших степенях обжатия происходит разрушение волокон. Во избежание этого явления применяют поперечную прокатку. При этом используется матрица в виде фольги, ленты, листа или порошка. Прокаткой могут быть получены КМ в форме многослойной ленты, листов, балок. Методом экструзии из КМ изготавливаются прутки, трубы, армированные непрерывными или дискретными, преимущественно металлическими волокнами. Экструзия осуществляется как в холодном, так и в горячем состоянии заготовки. Матрица используется в виде порошка, прутков и трубчатых заготовок. Как правило, экструзия осуществляется в специальных контейнерах. В последнее время сваркой взрывом изготавливаются КМ, армированные металлическими волокнами, например, алюминий - сталь. Достоинством метода является его дешевизна и возможность получения листов и изделий большого размера; недостатком - разрушение хрупких волокон бора, карбида кремния и т. п. Этим методом можно производить листы, плиты, трубы, оболочки. Процессы осаждения, заключающиеся в напылении или осаждении матричного материала, который применяют обычно в виде порошка или проволоки, например, при плазменном напылении, не являются окончательными. Они позволяют получать полуфабрикаты для последующего уплотнения. Наиболее распространен и доступен полуфабрикат системы А1 - В, полученный плазменным распылением алюминия из проволоки на ориентированные волокна бора. Жидкофазными процессами, заключающимися в пропитке расплавом алюминия и его сплавов армирующих волокон, можно вырабатывать КМ А1 - В, А1 - С, А1 - B/SiC, А1 - SiC, А1 - В (с покрытием BN), алюминий - сталь. Процесс осуществляется в вакууме или контролируемой атмосфере при температуре примерно 973 К. Для предотвращения взаимодействия волокон бора или стали с расплавом применяются покрытия, а для улучшения смачиваемости волокон расплавом - также покрытия или поверхностно-активные вещества. 5.2.2. СИСТЕМЫ AL—В И АЛЮМИНИЙ – БОРСИК Композиционные материалы А1 - В и алюминий - борсик сочетают в себе высокие прочность и жесткость, а также малую плотность с хорошей технологичностью и конструкционной надежностью матрицы из алюминиевых сплавов. Системы А1 - В по сравнению с полимерными КМ более прочны в направлениях, отличных от направления укладки волокон. Они имеют высокие электро- и теплопроводность, пластичность, ударную вязкость и абразивную стойкость. На них легче наносятся покрытия, они поддаются термической обработке, влагоустойчивы, не возгораются. Конструкции из этих КМ способны работать при высоких температурах. Алюминий и его сплавы при повышенных температурах химически активны и склонны к взаимодействию с волокнами бора в условиях получения КМ и эксплуатации. Взаимодействие приводит к образованию хрупких реакционных зон и снижению прочности волокон и КМ. Волокна бора с алюминиевой матрицей начинают реагировать уже на стадии получения КМ жидко- и твердофазными методами. Особенно интенсивно эта реакция протекает при температурах выше 833 К. В интервале температур прессования 753...833 К понижение прочности волокон бора незначительно. После прессования при температуре 753 К лишь в отдельных местах на поверхности вытравленных волокон видны следы взаимодействия. В основном поверхность сохраняет характерную для исходных волокон структуру «кукурузного початка». Для уменьшения взаимодействия применяют волокна борсика. Использование волокон борсика и волокон бора, покрытия нитридом бора позволяют значительно повысить температуру прессования и сократить время процесса, а также обеспечивает получение беспо- ристого монолитного материала с высокой прочностью связи. Основным методом производства КМ на основе алюминия и его сплавов, армированных волокнами бора, является диффузионная сварка, даже применяются пропитка в вакууме и заливка. Матрица для диффузионной сварки должна быть в виде фольги или порошка. Осуществляется сварка в две стадии: при повышенной и пониженной температурах в вакууме при разрежении до 6,7-10"3 Па, либо в контролируемой атмосфере. Основные параметры процесса следующие: температура - 853 К, давление - 30 МПа, выдержка - 120 с (высокотемпературная стадия); температура 727...773 К, давление 35...50 МПа, выдержка - 1 800...5 400 с (низкотемпературная стадия). Уплотнение производится в пресс-форме и в камере с контролируемой атмосферой, в газостате или автоклавах. Прочность КМ зависит от режима изготовления. Так, при прессовании на воздухе прочность волокон снижается примерно на 15 %, а при прессовании в аргоне - на 13 %. Диффузионной сваркой изготавливаются многослойные листы, плиты, трубы, уголки и другие профили. Прокатку для получения композиционных материалов алюминий - бор применяют очень редко и проводят чаще всего с небольшими степенями деформации за несколько проходов. Прочность КМ алюминий - бор зависит от метода получения и режимов технологического процесса, свойств упрочнителя и матрицы, содержания армирующих элементов в КМ, направления их укладки, а также от марки сплава матрицы, диаметра упрочняющих волокон и температуры испытаний. Композиционные материалы на основе алюминия соединяются с помощью пайки, диффузионной, дуговой и точечной сварки, болтовых, заклепочных, клеевых, клеесварных и клееболтовых соединений. Способность к формообразованию металлических КМ, в основном, определяется природой упрочняющих волокон. Материалы, упрочненные металлическими волокнами, способны к значительным формоизменениям. Металлы, армированные хрупкими неметаллическими волокнами, либо совершенно не способны к формоизменениям, например А1 - С, либо способны к деформации в ограниченных пределах, например А1 - В. Большинство металлических КМ, армированных металлическими волокнами, удовлетворительно ведет себя при механической обработке. Композиционные материалы, легированные волокнами бора и борсика, из-за высокой твердости волокон практически не по для - ются механической обработке. Обычными методами эти материалы не обрабатываются. Для прямолинейных резов применяется абразивная резка. Отверстия в КМ А1 - В образуют ультразвуковой и электроэрозионной прошивкой. Для резки листов на детали сложного профиля используются электроискровые станки с движущимися проволочками, являющимися режущим инструментом. Композиционные материалы на основе алюминия предназначены, главным образом, для авиационной и космической техники, где высокая стоимость первоначальных разработок может окупиться за счет достижения лучших эксплуатационных характеристик. КМ на основе алюминия могут использоваться при температурах до 725 К. Из них изготавливаются детали газотурбинных двигателей самолетов и других летательных аппаратов. В литературе сообщается о новых разработках КМ с металлической матрицей. Много внимания, конечно, уделяется материалам из алюминия и его сплавов. Это - наиболее распространенный металл с низкой плотностью и наиболее дешевый, хотя в технологическом отношении, из-за своей активности, не очень удобен. Кроме борных волокон и коротких волокон карбида кремния в настоящее время для металлических матриц начали применять и другие волокна, например, углеродные, А1203, нитриды, стальную и вольфрамовую проволоку. Много внимания уделяется также КМ с керамической матрицей, в том числе и бескислородной. Применяются матрицы из нитридов, например, Si3N4, A1N, оксидов (ZrO2,), а в качестве наполнителя чаще всего - волокна SiC, А1203 , зерна технических алмазов и т. п. Материалы с керамической матрицей широко применяются как инструментальные, а также в авиастроении, автомобильной промышленности - для подшипников, турбинных лопаток и многих других изделий. Большой интерес к композиционным материалам вызван тем, что их можно создавать со многими наперед заданными свойствами, при этом экономить также исходные ресурсы для их получения и снижать энергетические затраты [9, 18 - 24]. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||