18. Металлические композиционные материалы (МКМ)

Металлические композиционные материалы (МКМ) представляют собой такие материалы, в которых матрицей выступают металлы и их сплавы, а арматурой – металлические и неметаллические волокна.

МКМ конструкционного назначения армирующие элементы (нитевидные кристаллы, поликристаллические и аморфные неметаллические волокна, металлические проволоки) воспринимают нагрузку, а металлическая матрица передает нагрузку волокнам и распределяет ее между ними. Поэтому механические свойства МКМ зависят прежде всего от свойств волокон.

Хотя прочностные качества металлических матриц и не имеют в МКМ решающего значения, выбор матричного металла определяется требованиями совместимости его с материалом арматуры, а также технологическими и эксплуатационными характеристиками КМ. Совместимостью называют способность арматуры сохранять форму и структуру, а следовательно и высокую прочность, как в процессе изготовления МКМ, так и в условиях его эксплуатации. Наиболее остро проблема совместимости возникает в МКМ, где арматурой служат металлические волокна, т. к. они подвержены химическому взаимодействию с матрицей и взаимной диффузии. Эти явления могут привести к растворению и рекристаллизации волокон, возникновению хрупких фаз на границе раздела волокно – матрица и, как следствие, к разупрочнению арматуры и материала в целом.

К технологическим требованиям относят способность компонентов материала, в первую очередь матрицы, подвергаться тому или иному виду пластической деформации, литья, порошковой металлургии и пр.

Эксплуатационные свойства МКМ характеризуются их способностью противостоять воздействию внешней среды (температуры, давления, вибрации, коррозии и т. п.).

Поскольку матрица оформляет конфигурацию изделия из МКМ и в большей степени, чем волокна, граничит с внешней средой, при выборе матричного материала необходимо учитывать и его сопротивление рабочим температурам, коррозии, эрозионному износу и т. п.

Матричные материалы в МКМ

В качестве матричных материалов при изготовлении МКМ используют промышленные металлы и сплавы, которые уже применяются в различных областях техники, а также новые сплавы, разработанные специально для армирования их тем или иным видом волокон. В зависимости от условий эксплуатации, и в первую очередь от рабочих температур, в МКМ используют следующие матричные материалы:

1) легкие металлы и сплавы (на основе алюминия и магния),

2) металлы и сплавы на основе титана,

3) медь и ее сплавы,

4) жаростойкие и жаропрочные сплавы на основе железа, никеля и кобальта,

5) тугоплавкие металлы и сплавы.

Все перечисленные металлические матрицы по технологическому признаку можно разделить на три больших класса: деформируемые, литейные и порошковые.

К деформируемым алюминиевым сплавам относят не упрочняемые термической обработкой сплавы марок АМц, АМг, АМгз и др., основными легирующими элементами которых являются Mg и Mn. Эти сплавы обладают хорошей пластичностью, коррозийной стойкостью и свариваемостью, но сравнительно небольшой прочностью. Механические свойства их определяются содержанием легирующих элементов и степенью нагартовки в результате пластической деформации. Большую группу деформируемых алюминиевых сплавов составляют упрочняемые термической обработкой дуралюмины (Д1, Д6, Д16, Д18 и др.) и сплавы групп АВ, АК, В95. после термической обработки (закалки и искусственного старения) эти сплавы имеют повышенную механическую прочность.

Из литейных алюминиевых сплавов наиболее распространены силумины, которые обладают хорошими литейными свойствами и в качестве основного легирующего элемента содержат 4 – 13% Si. Однако они малопластичны, имеют низкую ударную вязкость и коррозионную стойкость. Теплостойкость силуминов также невелика.

Магний и его сплавы выгодно отличаются от других конструкционных материалов низкой плотностью, относительно высокими механическими свойствами, хорошей способностью сопротивляться ударным нагрузкам и вибрациям. Деформируемые магниевые сплавы технологически пластичны и хорошо обрабатываются давлением.

Литейные магниевые сплавы, такие как МЛ5, МЛ12, МЛ15, обладают хорошей жидкотекучестью и малой линейной усадкой 1,3 – 1,6%.

Из листовых МКМ наиболее распространены тонкие листы, или фольга, получаемые прокаткой. Сплавы алюминия для получения листов толщиной более 5 мм подвергают горячей прокатке в интервале температур с высокими скоростями – 10 м/с и более. Тонкие листы и фольгу изготовляют из горячекатаных листов рулонным способом.

Титан и его сплавы обладают ценными физико-математическими свойствами: при малой плотности титановые сплавы могут иметь предел прочности от 50 (для нелегированного титана) до (для сплавов). Поэтому для абсолютной и тем более для удельной прочности он превосходит сплавы алюминия и магния и многие легированные стали в широком диапазоне температур Технический титан ВТ1 и большинство сплавов титана, например ВТ5, ВТ3, ВТЛ-1, имеют хорошие литейные свойства и применяются для производства фасонных и тонкостенных отливок. Мелкие фасонные отливки (до 15 кг) изготовляют литьем в оболочковые формы из графита.

Титан и его сплавы можно обрабатывать давлением, особенно в горячем состоянии в интервале всеми известными способами. Особенно высокую пластичность сплавы титана приобретают при нагревании выше

Медь, имеющая высокую электро- и теплопроводность в сочетании с высокой коррозийной стойкостью, широко применяется в электротехническом аппаратостроении. В технологическом отношении медь – очень удобный металл, т. к. он хорошо куется, прокатывается в пруток, ленту, фольгу, протягивается в проволоку. В большинстве случаев обрабатывают медь в холодном состоянии с промежуточными отжигами для снятия внутренних напряжений, возникающих при ее деформации. Многие медные сплавы обладают хорошими литейными свойствами и их часто используют для получения фасонных отливок методом точного литья.

Из металлических матриц на основе железа, никеля и кобальта при создании МКМ чаще всего применяют окалиностойкие и жаропрочные стали и сплавы. Окалиностойкими (жаростойкими) обычно называют стали и сплавы, обладающие стойкостью против разрушения поверхности в газовых средах при нагревании выше и работающие в ненагруженном или слабонагруженном состоянии. Примерами жаростойких отечественных сплавов могут быть никелевые сплавы системы никель-хром (нихромы) с добавками W, Mo, Al и Ti.

Окалиностойкие и жаропрочные деформируемые стали и сплавы обладают низкой технологической пластичностью, высоким сопротивлением деформированию, большим упрочнением при нагреве, низкой теплопроводностью. Поэтому они значительно труднее, чем обычные конструкционные стали, поддаются пластической деформации. Чем сильнее легирован материал, тем температура его обработки давлением выше, что обусловлено более высоким порогом рекристаллизации.

Весьма перспективны для жаропрочных МКМ на алюминиевой основе матричные материалы типа САП (спеченный алюминиевый порошок), которые представляют собой алюминий, упрочненный дисперсными частицами оксида алюминия (III) исходным продуктом для получения этих материалов служит тончайшая алюминиевая пудра, содержащая 6 - , из которой брикетированием, спеканием и последующей прокаткой получают листы САП. Главное преимущество САП в их высокой жаропрочности. Даже при температуре их прочность составляет . Кроме того, эти материалы хорошо обрабатываются давлением и резанием, обладают высокой коррозионной стойкостью.

Выплавляют жаропрочные сплавы преимущественно методами вакуумно-индукционной, вакуумно-дуговой с расходуемым электродом, электронно-лучевой и плазменной плавок. Литейные жаропрочные сплавы применяют в самых напряженных узлах и деталях высокотемпературных агрегатов, таких, как газотурбинные рабочие и сопловые лопатки, роторы, венцы. МКМ из литейных жаропрочных сплавов изготовляют преимущественно жидкофазными методами (литье, пропитка), а также методами порошковой металлургии (прессование – спекание, горячее и динамическое горячее прессование).

Методами порошковой металлургии стало возможно получать МКМ с матрицей из особо тугоплавких металлов – ниобия, вольфрама, молибдена и сплавов на их основе. Чаще всего такие матрицы подвергают дисперсионному упрочнению частицами тугоплавких соединений примерно равноосной формы с размерами в пределах 0,01 – 0,1 мкм. Волокнистыми наполнителями (усами, волокнами тугоплавких соединений) эти матрицы армируют для того, чтобы придать им особые эксплуатационные характеристики – ударопрочность, термостойкость, специальные физические свойства. Создавая такие МКМ, используют матричный материал в виде тонких порошков с размерами 0,1 – 5 мкм, тонкой металлической фольги толщиной 10 – 100 мкм, а также применяют различные методы осаждения матрицы на волокна с последующим уплотнением покрытых волокон горячим прессованием, прокаткой и т. п.