КОМПОЗИЦИОННЫЕ СПЛАВЫ

Композиционными называются сложные материалы, в состав которых входят нерастворимые или малорастворимые друг в друге компоненты, сильно отличающиеся по своим свойствам.

Преимущества композиционных материалов: высокие прочность, со­противление хрупкому разрушению, модуль упругости, а также терми­ческая их стабильность. Свойства композиционных материалов зависят от физико-механических свойств компонентов и прочности связи между ними, определяющейся в основном процессами адгезионного характера.

Основой металлических композиционных материалов (матриц) служит чистый металл или сплав, обладающий достаточной пластич­ностью. Матрица связывает композицию, придавая ей форму. В мат­рице равномерно распределены компоненты (наполнители). Посколь­ку основную роль в упрочнении композиционных материалов играют наполнители, их часто называют упрочнителями. Основные требова­ния, которые предъявляются к упрочнителям, - высокие модуль упру­гости, прочность и твердость. Свойства композиционных материалов зависят также от формы, размеров и количества наполнителя.

По форме наполнителя композиционные материалы делят на во­локнистые и дисперсионно-упрочненные. К волокнистым относятся композиционные материалы, упрочненные волокнами или нитевидны­ми кристаллами тугоплавких соединений элементов (А1₂О₃; SiC; С, В и др.), а также тонкой микронной металлической проволокой (W, высо­копрочная сталь и др). Дисперсионно-упрочненными называются ма­териалы, в которых наполнителями служат тонкодисперсные тугоплав­кие частицы окислов, карбидов, боридов, нитридов (А1₂О₃, SiC и др.).

К основным технологическим методам получения волокнистых композиционных материалов относятся: пропитка упрочняющих волокон матричным раствором, нанесение матрицы на упрочняю­щие волокна электрохимическим способом или плазменным напы­лением с последующим прессованием, пакетная диффузионная свар­ка многослойных лент компонентов и др.

Особый интерес для авиации и ракетной техники представляют композиционные материалы на основе алюминия и его сплавов. Их модуль упругости, пределы прочности и выносливости до температур 500...773 К - в 2-3 раза выше, чем у обычных алюминиевых сплавов.

На рис. 85 представлена зависимость модуля упругости и пре­дела прочности от температуры испытания КМ на алюминиевой ос­нове ВКА-1, упрочненного высокомодульными волокнами бора.

По сравнению с высокопрочным сплавом В95 и жаропрочным алюминиевым сплавом АК4-1 сплав ВКА-1 содержит 50 % волокон бора диаметром 100 мкм с ϭ_в = 2 500...3 500 МПа и Е = 400 ГПа. Это обеспе­чивает ему при 20°С (293 К) ϭ_в=1 000... 1 200 МПа, а при 400 °С (673 К) σ_в= 600 МПа (как у сплава В95 при комнатной температуре). Пре­дел выносливости сплава ВКА-1 составляет 400...500 МПа, тогда как сопротивление усталости стандартных алюминиевых сплавов всего 120... 150 МПа. По длительной прочности при 400 °С (673 К) ВКА-1 ( = 400...500 МПа) в 5 раз превос­ходит самый жаропрочный алюминиевый сплав САП-24 ( =85МПа). Плотность ВКА-1 равна 2 650 кг/м³, по ­этому его удельная прочность σ_уд=41 км, то есть она выше, чем у высокопрочных сталей и титановых сплавов.

Для волокнистых ком­позиционных материалов характерна анизотропия свойств. Дисперсионно-упрочненные спла­вы этого недостатка не имеют.

Алюминию принадлежит ныне первенство в числе металлов, применяемых в самолето- и ракетостроении: 2/3...3/4 сухого веса пассажирского самолета, 1/20... 1/2 сухого веса ракеты - такова его доля в летающих конструкциях. Недаром его называют «кры­латым», «летающим» металлом. Производство алюминия растет вместе с развитием авиации и ракетной техники [51-57].