Композиционные материалы с алюминиевой матрицей, армированные стальной проволокой и другими материалами

Технический алюминий и его сплавы (АМц, АМг6, АД1, Д16, САП и др.) используют в качестве матриц композиционных мате­риалов. Армирование матриц выполняют высокопрочной сталь ной проволокой из сталей (08Х18Н9Т, 1Х15Н4АМЗ, ЭП322 и др.). бериллиевой проволокой и волокнами бора, карбида крем­ния, углерода.

Композиции, упрочненные стальными проволоками, получа­ют прокаткой между валками прокатного стана до компактного состояния. Прокатке подвергают сэндвич из алюминиевой фоль­ги и волокон. Режим прокатки определяется температурой, на­правлением и степенью деформации. Температура разупрочнения стальных волокон определяет температуру прокатки композиции алюминий—сталь. Так, температура прокатки для композиции алюминий—сталь при использовании в качестве упрочнителя про­волоки из стали 08Х18Н9Т и 12Х18Н10Т составляет 380-400 °С и 420-450 °С при использовании волокон из стали 15Х15Н4АМЗ и ЭП322, имеющих более высокую температуру разупрочнения (400 и 450 °С соответственно). Направление деформации при про­катке выбирают под некоторым углом к направлению армирую­щих волокон, с тем чтобы избежать обрыва волокон при дефор­мации в ходе продольной прокатки и искривления волокон при по­перечной прокатке.

Промышленностью освоен выпуск композита КАС-1. В каче­стве упрочнителя применяют проволоку 1Х15Н4АМЗ диаметром 0,15 мм. Матрицей в этих композициях служит сплав АВ или САП-1В результате армирования алюминиевой матрицы прочность композиции увеличивается в 10-12 раз при объемной доле уп­рочнителя до 25 %. При увеличении объемной доли армирующе­го волокна до 40 % временное сопротивление прочности компо­зиции достигает 1700 МПа.

Алюминиевая матрица, армированная стальной проволокой (25-40 %), по прочностным свойствам превосходит высокопроч­ные алюминиевые сплавы и приближается к уровню аналогич­ных свойств титановых сплавов.

Прочность алюминиево-стальной композиции можно дополни­тельно повысить холодной пластической деформацией и закал­кой с последующим старением, если матрицей служит алюмини­евый сплав, упрочняемый термической обработкой.

При повышенных температурах прочность алюминиево-сталь­ной композиции превышает прочность теплостойких алюминие­вых сплавов. Для работы при высоких температурах рациональ­но в качестве матрицы использовать дисперсионно-упрочненные материалы типа САП.

Введение стальной проволоки в матрицу из САП увеличивает прочностные свойства композиции. Так, предел прочности ком­позиции САП-1 с 15 % проволоки Х18Н9 (σ_в=1750 МПа) при температуре 250 °С и 415-435 МПа в 2,3 раза больше, чем предел прочности САП-1 при тех же температурах, а при 350 °С — в 3,9 раза, при 500 °С — 5,6 раза.

Композиция САП-1 — стальная проволока имеет удовлетвори­тельную термическую стабильность микроструктуры при высо­ких температурах. На границе матрица—волокно при 450 °С в те­чение 150 ч под нагрузкой не происходит образования интерме­таллических соединений.

Композиция А1—волокно бора отличается высокой прочнос­тью и жесткостью и способна работать при 400-500 °С, посколь­ку бор мало разупрочняется с повышением температуры.

Основная проблема при армировании алюминия волокнами бо­ра — предотвращение взаимодействия бора с алюминием. Поэто­му промышленный композиционный материал (ВКА-1), содер­жащий 50 % волокон бора, был получен диффузионной сваркой пакета, составленного из чередующихся листов алюминиевой фоль­ги с закрепленными на них слоями борных волокон. Покрытие борного волокна нитридом бора или карбидом кремния (волокно борсик) снижает его взаимодействие с алюминиевой матрицей даже в расплавленном состоянии. В этом случае открывается возмож­ность получения композиционного материала жидкофазными ме­тодами.

Увеличение объемного содержания бора увеличивает прочность и жесткость композиции А1—В (таблице 13.5).

Таблица 12.5 – Прочность и жесткость композиции А1—В в зависимости от содержания волокон бора

Прочность и модуль упругости материала ВКА-1 до температу­ры 500 °С превосходят соответствующие характеристики высокопрочного сплава В95 и сплава АК4-1 (рисунок 13.4). Наиболее зна­чительно преимущество компози­ционного материала при 250-400 °С.

Рисунок 12.4 – Зависимость предела проч­ности (—) и модуля упругости (---) композиционного материала ВКА-1, сплавов В95 и АК4-1 от температуры

Модуль упругости материала ВКА-1 с повышением температу­ры меняется незначительно и сос­тавляет при содержании волокон бора 30 и 50 % соответственно 136 000 и 228 000 МПа. Плотность материала ВКА-1 2650 кг/м³, а удельная прочность 45 км.

Предел прочности алюминия, армированного волокнами борсика, при 500 °С составляет 600 МПа. Прочность такой композиции при объемном содержании борсика 65 % составляет 1600 МПа и сохраняется после длительной выдержки (до 1000 ч) материала при 300 и даже 500 °С.

Композиционные материалы на алюминиевой основе, армиро­ванные углеродными волокнами, уступают по удельной прочнос­ти (42 км) материалам, армированным борным волокном, хотя они дешевле и легче последних.

Производство композиционного материала с углеродным во­локном связано с большими технологическими трудностями вслед­ствие взаимодействия углерода с металлической матрицей (в том числе и алюминиевой) при нагреве. В результате отмечается по­нижение прочности материала. Композиции А1—углеродное во­локно получают быстрым протягиванием пучка углеродных во­локон через расплав алюминия.

Попытки получить композицию алюминий—углеродное волок­но другими методами (диффузионная сварка, электроосаждение материала матрицы) не дали положительных результатов из-за разрушения волокон при понижении давления.

Характеристики прочности алюминиево-углеродных компози­ций из-за большого разброса характеристик углеродных волокон, различия в технологических режимах процессов производства полуфабрикатов и изделий из этого материала проявляются в широ­ком диапазоне значений. При объемной доле упрочнителя 18-53 % прочность композиции А1—углеродное волокно вдоль располо­жения волокон составляет от 150-400 до 500-1000 МПа, а мо­дуль Юнга — (116 ÷ 168) 10³МПа.

Добиться улучшения свойств композиционного материала мож­но, совершенствуя технологию его изготовления.

Композиционные материалы с титановой матрицей армируют в целях увеличения модуля упругости и повышения рабочих тем­ператур. Производство композиционных материалов с титановой матрицей связано с необходимостью нагрева до высоких температур, что резко активизирует способность матрицы к газопогло­щению и взаимодействию со многими упрочнителями (бором, кар­бидом кремния, оксидом алюминия и др.).