Тема 5. Композитні матеріали на металевій основі (МКМ).

5.1. Поняття про МКМ та їх види

МКМ – особливий клас матеріалів, що характеризуються підвищеними експлуатаційними властивостями: жаростійкістю, жорсткістю, питомою міцністю. Фізико-хімічна взаємодія матриці підсилюючих компонентів МКМ відбувається у вигляді дифузії і хімічних реакцій. Основні групи МКМ:

1.  Дисперсно-зміцнені матеріали ( в тому числі і псевдо сплави.

2.  Евтектичні МКМ ( сплави з направленою кристалізацією евтектичних структур).

3.  Волокнисті матеріали, армовані дискретними складовими.

Дисперсно-зміцнені матеріали. В таких матеріалах в металевій матриці рівномірно розподілені частки зміцнюючої фази розміром 1…100мм, що займають 1...15% матеріалу, тому матриця сприймає основну частину зовнішніх навантажень, а значення часток зводиться до створення ефективного опору переміщенню дислокацій в об’ємі кристалічного зерна матриці. Тому МКМ характеризуються температурною стабільністю структури, що забезпечує високу міцність до температури 0,7...0,8 Т_пл. такі матеріали, переважно, отримують методом спікання порошків, що містять дрібнодисперсні частки оксидів, нітридів, інших тугоплавких сполук, а також інтерметалідів, що при високих температурах не розчиняються в матриці. Технологія виготовлення виробів з МКМ відноситься до галузі порошкової металургії і включає:

·     формування порошкових сумішей;

·     пресування сумішей в формах;

·     спікання;

·     деформування і ТО.

Процес механічного змішування порошків переважно поєднують з подрібненням часток. Інколи порошки піддають контрольованому окисленню для зміцнення часток оксидними покриттями, осаджують метал на частки зміцнюючої фази за допомогою хімічних реагентів. Формування здійснюють пресуванням при кімнатній температурі. Для підвищення степеня ущільнення суміші застосовують формувальний інструмент, в якого площа пуансона більша площі вихідного отвору матриці. Інколи порошкові суміші формують в еластичних оболонках, використовуючи тиск газу або рідини. Спікання формовок без прикладання зовнішнього тиску проводять при температурах 0,7...0,95Т_пл в захисній атмосфері або вакуумі. Температура і тривалість спікання регламентуються процесами утворення конгломератів із зміцнюючої фази. Головна мета спікання – дегазація формовок і утворення оксидних плівок. Суміщенням пресування і спікання при Т = 0,7...0,8t_пл отримують практично безпористі заготовки. Деформування здійснюють для ущільнення і формування дислокаційної структури матриці, що забезпечує жароміцність МКМ. Деформацію видовжених заготовок проводять методами екструзії – продавлювання розм’яклого матеріалу через отвір, волочіння – протягування матеріалу через отвір фільєри з діаметром (площею) меншими вихідного січення заготовки.

Ротаційне кування – обтиснення і витягування заготовок в фасонних бійницях. Листові напівфабрикати деформують прокаткою.

Мета ТО – зміна текстури, підвищення жароміцності і пластичності МКМ. В процесі високотемпературного відпалу МКМ відбувається укрупнення зерна і утворення двійників.

5.2. Дисперсно-зміцнені композити на металевій основі

Номенклатура дисперснозміцнених МКМ включає групи матеріалів, що відрізняються матрицями:

Матеріали на Al матриці. Їх найчастіше армують оксидами, зокрема КММ з маркою САП (спечений Al порошок) сфрмований із Al часток, що покриті оксидною плівкою. В процесі ТО суміші Al порошку і сажі відбувається утвореннякарбіду AlС₃. при температурах 300...400°С такі МКМ переважають за міцністю всі Al сплави і мають високі параметри міцності і повзучості.

МКМ на основі Ве. Ділять на “природньо” зміцнені: Ве, ВеО; штучно зміцнені карбідами. (сплави типу Ве- Ве₂С). Володіють підвищеною міцністю і стійкістю до повзучості при високих температурах. Домішки в дисперснозміцнених сталях є оксиди: Al₂О₃, ТіО₂... Зміцнення оксидами обумовлено тим, що О₂ значно менше розчиняється в матриці, ніж С або N.

МКМ на основі Со. В них в якості дисперсної домішки використовують оксид торію і ВеО. Застосовуються в ракетній, ядерній, авіаційній техніці.

МКМ на основі Сu. Зміцнені карбідами, оксидами, нітридами – поєднують високу електропровідність та міцність. Виготовляють електроди, електроконтакти.

МКМ на основі Ni. Наповнені оксидом торію (ВДУ-1) і оксидом гафнію (ВДУ-2). Призначені для роботи при температурах понад 1000°С. s_в= 540...570МПа (ВДУ-1).

Псевдосплави –дисперсно-зміцнений МКМ, що складається з металевих і металоподібних фаз, що не утворюють хімічних сполук. Технологія їх отримання відноситься до методів порошкової металургії і включає просочення і рідкофазне спікання. Просочення полягає в заповненні порожнин формовки або спеченої заготовки розплавом легкоплавкого компонента в розплав. Макроструктура псевдосплавів – взаємопроникні неперервні каркаси з туго- і легкоплавкої фаз. Їх застосовують в триботехніці. Наприклад, W-Cu характеризується: s_в = 510МПа, НВ = 1400МПа.

5.3. Евтектичні МКМ

Це сплави евтектичного, або наближеного до нього складу, в яких армуючою фазою є орієнтовані волокнисті, або пластинчасті кристали, що утворюються в процесі направленої кристалізації. Структура формується природно, а не в результаті штучного введення армуючи елементів в матрицю.

В них відсутня хімічна несумісність між матрицею і зміцнюючою фазою внаслідок рівності хімічних потенціалів, рівноважності процесів кристалізації таких систем. Спочатку вибирають матрицю, що задовільняє умови експлуатації матеріалу за температурою плавлення, щільністю і стійкістю в середовищах, а потім аналізують евтектики, компоненти яких забезпечують вимоги до армуючої фази.

Технологія евтектичних МКМ включає операції, суть яких полягає у створенні площинного фронту кристалізації, тобто площинної поверхні розділу між розплавом компонентів та тілом, що кристалізується. Для формування застосовують методи Бріджмена та зонної плавки.

Метод Бріджмена – полягає у витягуванні розплаву з зони нагріву з постійною швидкістю. Форма фронту залежить від швидкості і умов теплообміну.

Зонна плавка – полягає в розплавленні ділянки заготовки, наприклад, з допомогою індукційного, або електропроменевого нагріву і переміщення розплавленої зони по довжині прутка з одночасним обертанням для вирівнювання складу розплаву.

Переваги: технологічність – вироби формуються за одну операцію.

Недоліки: малий вміст армуючої фази і низька швидкість її росту; підвищені вимоги до чистоти вихідних матеріалів та точності дотримання режимів кристалізації.

За номенклатурою евтектичні МКМ ділять на:

·     матеріали конструкційного призначення – на основі легких сплавів, жароміцні та на основі тугоплавких металів;

·     матеріали з особливими фізичними властивостями – напівпровідникові, феромагнітні тощо.

До першої групи відносять сплави на основі Al (підвищена міцність, низький електроопір), на основі Ni і Со характеризуються жароміцністю тощо.

Другу групу складають сплави, що мають структуру напівпровідникової матриці з антимоніду індію, армованого волокнами сурми NiSb, FeSb, CuSb. Електропровідність таких сплавів вздовж волокон сурми на порядок вища, ніж по нормалі до них.

5.4. Волокнисті МКМ

В МКМ, що армовані волокнами, ефективно використовуються через високі механічні характеристики волокон. Технологія формування волокнистих МКМ така:

1) формування;

2) пресування;

3) прокатка;

4) одночасна витяжка;

5) екструзія;

6) напилення;

7) осаджування;

8) просочення.

Методом гарячого пресування з нагрівом на повітрі або контрольованій атмосфері виготовляють стрічки, профільні вироби тощо.

Метод одночасної витяжки полягає в тому, що в заготовці з матричного металу висвердлюють отвори, куди вставляють армуючі стержні або дріт. Нагрів або обтискання заготовки здійснюють волочінням або відпалом. Методом екструзії виготовляють МКМ у вигляді прутків або труб. Високошвидкісне зварювання листових МКМ здійснюють з заготовок з шарів фольги і волокон за допомогою машин для дифузійного зварювання з влками з тугоплавкого металу. Номенклатура волокнистих МКМ охоплює матеріали на основі матриць з Аl, Mg, тощо, зокрема:

МКМ з Аl і високомодульних волокон, що характеризуються високою питомою міцністю і жорсткістю і застосовуються в авіаційній і космічній техніці;

МКМ на основі Mg, що характеризується високою термічною стабільністю структури і жорсткістю. Їх армують волокнами В, вуглеволокнами, оксидом алюмінію. Дуже ефективні у високо навантажених вузлах.

МКМ на основі Ті, що характеризується високою міцністю на розтяг і ударостійкістю. Виготовляють лопатки вентиляторів газотурбінних двигунів.

МКМ на основі Cu, що характеризується хорошим поєднанням міцності та електропровідності, ніж Cu сплави.

МКМ на основі Ni, що характеризується високою жароміцністю.