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) Т_пл 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].