Методы получения слоев

Прессование. Для получения слоев прессованием заданный объем (или навеску) порошка засыпают в гнездо матрицы пресс-формы и прикладывают к нему давление (рис. 6). В результате происходит уплотнение засыпки порошка (характеризующееся величиной Dh) и формирование между его частицами контактов. Для металлических порошков, проявляющих пластичность, возможно непосредственное их прессование без применения органических пластификаторов. В случае прессования непластичных керамических порошков – оксидов, нитридов, карбидов и боридов (MeO; MeN; MeC; MeB) применяются органические пластификаторы – так называемые временные технологические связки (поливиниловый спирт, каучук, парафин), которые при последующей термообработке выгорают. Отпрессованный слой может быть извлечен из пресс-формы путем распрессовки.

Окончательной стадией этого метода является спекание или горячее прессование полученных сырых слоев, в результате чего происходит увеличение их плотности и прочности. Недостатком метода прессования является проблематичность получения равноплотных и бездефектных слоев малой толщины (менее 1 мм) вследствие невозможности равномерного распределения в гнезде пресс-формы весьма малых объемов засыпки прессуемого порошка и съема слоя.

Рис. 6. Схематическое изображение метода прессования слоев.

1 – стальная матрица, 2 – стальные пуансоны, 3, 3^/ – засыпка пресспорошка до и после прессования, 4 – стальная плита, Dh – осадка пресс-порошка после приложения давления (Р), d - толщина отпрессованного слоя.

Экструзия. Для экструдирования приготавливают пластифицированную порошковую массу (4) (смесь порошка с органическим веществом - пластификатором, например, метилцеллюлозой, поливинилбутиралем), которую продавливают через очко прямоугольного сечения (6) в мундштуке (5) шнекового экструдера (рис. 7). Полученное изделие в виде слоя толщиной 10 – 20 мм обрезают струной в плоскости А.

На стадии термообработки органический пластификатор выгорает, а изделие уплотняется и приобретает значительную прочность в результате спекания. В данном случае возможен вариант формирования слоистой заготовки из чередующихся сырых слоев с последующим ее прессованием и спеканием, а также вариант с использованием предварительно спеченных слоев (аналогично описанному выше).

Рис. 7. Схематическое изображение экструзии для получения лент:

1 – экструдер, 2 – шнек, 3 – загрузочный бункер, 4 – пластифицированная порошковая масса, 5 – мундштук, 6 – профиль выходного отверстия, 7 – экструдируемый слой, 8 – прижимные ролики, 9 – движущаяся лента-опора, 10 – приводные барабаны, 11 – ролики.

Прокатка. Чаще всего применяется для получения металлических слоев. Это вид обработки давлением, при котором металл пластически деформируется вращающимися валками (рис.8). Для изготовления листов и фольг используют продольную, ступенчатую схему прокатки. В этом случае прокатываемая заготовка (2) подается в зазор между валками (1) продольно, а зазор между валками ступенчато уменьшают, постепенно увеличивая степень обжатия.

Для осуществления процесса прокатки необходимо выполнение условия: T_x ³ N_x; T_x и N_x – проекции силы трения T и нормальной силы N на ось х. Из геометрических представлений ясно, что что T_x = T × cosa; N_x = N × sina, где a - угол захвата. Сила трения связана с нормальной силой соотношением T = m × N, где m - коэффициент трения. Тогда T_x = m × N × cosa и m × N × cosa ³ N × sina, при этом m ³ tg a. Таким образом, для обеспечения прокатки коэффициент трения должен быть не меньше тангенса угла захвата. Обычно при холодной прокатке a = 3 - 4°; а при горячей - a = 15 - 22°. После завершения многоступенчатой прокатки (при которой имеет место постепенное увеличение коэффициента вытяжки соответственно количеству ступеней прокатки) полученные слои охлаждают, подвергают правке в листоправильных машинах, обрезке боковых кромок и резке на мерные длины (либо скатывают в рулон).

Металлические листы или фольги могут быть соединены в многослойные изделия прокаткой предварительно набранных слоистых пакетов, либо путем их диффузионной сварки. Возможно применение прокатки с последующей диффузионной сваркой. Эти методы основаны на совместном пластическом деформировании слоев при различных температурах, вплоть до температуры плавления. При этом получается качественное соединение слоев по всей поверхности.

Слоистый композит, полученный соединением листов Ti и Be (такой композит называют «тибер») сочетает в себе высокую ударную вязкость (близкую к стали), удельную прочность (близкую к титану) и пластичность (близкую к Al). Из него изготавливают облицовку корпусов космических аппаратов, виброустойчивые силовые панели, перегородки. При равной объемной доле слоев титана и бериллия плотность и модуль упругости тибера составляют r = 3,5 г/см³; E = 2 × 10⁵ МПа соответственно, тогда как эти характеристики для титана и бериллия являются следующими: Ti (4,5 г/см³; 1,85× 10⁵ МПа), Be (1,8 г/см³; 3 × 10⁵ МПа).

Рис. 8. Схематическое изображение прокатки для получения листов и фольг:

1 – вращающиеся валки, 2 – прокатываемая заготовка.

Dh=h₀-h₁ – абсолютное обжатие;

e=Dh/h₀×100% – относительное обжатие;

l=L₁/L₀=F₁/F₀ – коэффициент вытяжки;

(L₀, F₀ – длина и площадь поперечного сечения до прокатки; L₁, F₁ – то же, после прокатки);

D – диаметр валков.

Напыление. Суть метода заключается в следующем (рис. 9): металлическую ленту (2) (чаще алюминиевую или медную толщиной 0,05 – 0,1 мм) протягивают над вакуумным испарителем (5) с заданной скоростью. Из испарителя ведут осаждение пленок на поверхность протягиваемой ленты, которую сматывают на приемный барабан (4). Испарение металлов (например, никеля, алюминия, железа) проводят путем индукционного или резистивного нагрева. Возможно также лазерное испарение тугоплавких соединений (Al₂O₃; Si₃N₄; SiC). Испаряемые вещества конденсируются на поверхности металлической ленты и образуют весьма тонкие пленки (0,05-2 мкм). Ленту с напыленной пленкой (3) сворачивают в рулон на оправке (1), а затем подвергают обжатию и диффузионной сварке (рис. 10). Изделия со слоистой структурой могут быть получены также путем нарезки из ленты с напыленной пленкой слоев заданной длины, сборки из них многослойного пакета и последующей его диффузионной сварки.

Рис. 9. Схематическое изображение процесса напыления пленок:

1 – барабан с металлической лентой, 2 – протягиваемая лента, 3 – катушки, 4 – приемный барабан, 5 – вакуумный испаритель, 6 – напыленная пленка.

Рис. 10. Схематическое изображение сворачивания ленты с напыленной пленкой в рулон. 1 – цилиндрическая оправка, 2 – металлическая лента, 3 –напыленная пленка.