Дисперсно-упрочненные композиционные материалы

Дисперсно-упрочненные композиционные материалы (ДУКМ) можно получить на основе практически всех применяемых в технике металлов и сплавов. Наполнителями могут служить дисперсные частицы тугоплавких фаз-оксидов, оксидов, боридов, карбидов (А1903, Si02, BN, SiC).

Тугоплавкие соединения отличаются высоким значением модуля упругости, низкой плотностью, пассивностью к взаимодействию с материалом матрицы. Оксиды алюминия и кремния выгодно отличаются от других наполнителей широкой распространенностью в земной коре и невысокой стоимостью.

ДУКМ получают в основном методами порошковой металлургии. Возможно непосредственное внедрение наполнителей в жидкий металл или сплав перед разливкой (жидкофазный метод). При жидкофазном методе необходимым условием получения ДУКМ является хорошая адгезия между жидкой матрицей и твердыми частицами наполнителя.

В ДУКМ (рис. 1.12) матрица 1 является основным материалом, несущим нагрузку. Дисперсные частички (наполнитель) 2 тормозят движение дислокаций в матрице. Кроме того, при сочетании пластической деформации и отжига дисперсные частицы способствуют образованию структуры с большой степенью неравноосности зерен. Поэтому частицы препятствуют процессу рекристаллизации.

Микрофотографии ДУКМ на основе алюминия (САП)

Рис. 1.12. Микрофотографии ДУКМ на основе алюминия (САП):

1 — матрица; 2 — наполнитель

Уровень прочности зависит от объемного содержания упрочняющей фазы, равномерности ее распределения, размера дисперсных частиц и расстояния между ними. Оптимальным являются: размер частичек 10—50 нм; расстояние между ними — 100—500 нм, при равномерном их распределении.

ДУКМ используются для изготовления деталей, работающих при повышенных температурах и нагрузках: поршневые пальцы, лопатки компрессоров, лопасти вентиляторов и турбин.

Наиболее широко применяются ДУКМ на основе алюминия — САП (спеченный алюминиевый порошок) или САС (спеченные алюминиевые сплавы).

В САП (табл. 1.14) матрицей является алюминий, наполнителем — мелкие частички окиси алюминия А1203 (6—18%). С увеличением содержания А1203 повышается предел прочности на растяжение и уменьшается относительное удлинение.

Механические характеристики САП

Таблица 1.14

Марка

Содержание

ai2o3, %

ав,

МПа

Удельная

прочность

СТ0,2’

МПа

5, %

Е,

ГПа

Удельная

жесткость

САП-1

6-8

300

и

220

7

67

2,1

САП-2

9-12

350

13

280

5

71

2,6

САП-3

13-17

400

15

320

3

76

2,8

САП-4

18-22

450

17

370

1,5

80

2,9

Материалы типа САП обладают высокой жаропрочностью и превосходят все деформируемые алюминиевые сплавы. Даже при температуре 500 °С их ств не менее 60—110 МПа. Жаропрочность объясняется тормозящим действием дисперсных частиц на процесс рекристаллизации.

Сплавы типа САП применяют в авиационной технике для изготовления деталей с высокой удельной прочностью и коррозионной стойкостью, работающих при температурах до 300—500 °С. Из них изготавливают штоки поршней, лопатки компрессоров, оболочки тепловыделяющих элементов и трубы теплообменников.

САС получают из порошков, полученных распылением сплавов заданного состава. Легирование САС (25—30% Si, 5—7% Ni) понижает коэффициент температурного линейного расширения (до 14,5-15,5-10~6 К-1) и повышает модуль упругости (до 100 ГПа).

Высокими механическими характеристиками при повышенных температурах имеют ДУКМ на основе алюминия, упрочненные частицами карбида алюминия А14С3 (ств = 450—500 МПа, 5 = 4%) или карбида кремния SiC.

В качестве жаропрочных применяются ДУКМ с матрицей на основе никеля и наполнителем (2—3%) из двуокиси тория или двуокиси гафния. Обычно матрица этих КМД — у-раствор Ni + 20% Сг, или Ni + 15% Мо, или Ni + 20% (Мо + Сг). Например, композиционные материалы: ВДУ-1 (никель, упрочненный двуокисью кремния); ВДУ-2 (никель, упрочненный двуокисью гафния); ВД-3 (матрица — Ni + 20% Сг; упрочнение — окись тория). Показатели жаропрочности этих сплавов приведены в табл. 1.15.

Таблица 1.15

ДУКМ с матрицей на основе никеля

Марка

Длительная прочность при Т = 1200 °С

ВДУ-1

а100 = 75 Мпа; а1000 = 65 МПа

вд-3

а100 = 65 МПа

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >