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.

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

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 %.