Получение и применение композиционных материалов с металлической матрицей

Композиционные материалы состоят из металлической матрицы (чаще из Al, Mg, Ni, Ti, Cu и их сплавов), упрочненной высокопрочными волокнами (волокнистыми материалами) или тонкодисперсными частицами, не растворяющимися в основном металле (дисперсно-упрочненные материалы).

Композиционные материалы отличаются от обычных сплавов более высокими значениями временного сопротивления и предела выносливости (на 50 — 100 %), модуля упругости, коэффициента жесткости Е / γ и пониженной склонностью к трещинообразованию. Применение композиционных материалов повышает жесткость конструкции при одновременном снижении ее металлоемкости.

В таблице приведены свойства некоторых волокнистых композиционных материалов.

Механические свойства композиционных материалов на металлической основе

Материал σв σ-1 Е,

ГПа

σв,/γ Е/γ
МПа
Бор-алюминий (БКА-1 А) 1300 600 220 500 84,6
Бор-магний (ВКМ-1) 1300 500 220 590 100
Алюминий-углерод (ВКУ -1) 900 300 220 450 100
Алюминий-сталь (КАС-1А) 1700 350 110 370 24,4
Никель-вольфрам (ВКН-1) 700 150 215 430 60

Композиционные материалы на металлической основе обладают высокой прочностью (σв, σ-1) и жаростойкостью.

Повышение жаропрочности никелевых сплавов достигается армированием их вольфрамовой или молибденовой проволокой. Металлические волокна используют и в тех случаях, когда требуются высокие тепло- и электропроводность. Перспективными упрочнителями для высокопрочных и высокомодульных волокнистых композиционных материалов являются нитевидные кристаллы из оксида и нитрида алюминия, карбида и нитрида кремния, карбида бора и др., имеющих модуль нормальной упругости Е = 400 — 600 ГПа.

Для упрочнения алюминия, магния и их сплавов применяют борные (σв = 2500 — 3500 МПа, Е = 380 — 420 ГПа) и углеродные (σв = 1400 — 3500 МПа, Е = 160 — 450 ГПа) волокна, а также волокна из тугоплавких соединений (карбидов, нитридов, боридов, карбонитридов и оксидов), имеющих высокие прочность и модуль упругости. Волокна карбида кремния диаметром 100 мкм имеют σв = 2500 — 3500 МПа; Е = 450 ГПа. Нередко в качестве волокон используют проволоку из высокопрочных сталей и аморфных сплавов.

Для армирования титана и его сплавов применяют молибденовую проволоку, волокна сапфира, карбида кремния и борида титана.

Волокнистые КММ нашли применение в конструкциях самолетов и вертолетов. Прочность композиционных (волокнистых) материалов определяется свойствами волокон; матрица в основном должна перераспределять напряжения между армирующими элементами.

Одним из новых процессов получения композиций является semi- solid-процесс (литье в полутвердом или твердожидком состоянии), главным достоинством которого является получение слитков с улучшенной микроструктурой, с повышенными характеристиками физико-механических свойств. Разработаны модифицированные методы двух разновидностей этого процесса: рео- и тиксолитье; отработаны и другие способы.

На рисунке показан способ литья армированной медной сеткой. Катодная лента имеет толщину 0,4 — 0,9 мм, ширину до 430 мм. За счет замены катодного материала проката из AlCl на CuCl в 30 — 40 раз снижена стоимость катодного материала.

 Схема литья армированной медной сеткой ленты
Схема литья армированной медной сеткой ленты (из CuCl), заменяющей прокат из AgCl в активируемых морской водой химических источниках тока.

Высокая химическая и структурная однородность литых износостойких заготовок достигается при электрошлаковом литье, основанном на процессе плавления расходуемого электрода за счет использования теплоты, выделяющейся в электрошлаковой ванне при прохождении через него электрического тока.