Materiale compozite pe bază de metal. Capitolul xxiv
38.1. Clasificare
Materialele compozite sunt materiale armate cu materiale de umplutură dispuse într-un anumit fel într-o matrice.
Componentele de legare sau matricele din materialele compozite pot fi diferite - polimer, ceramică, metal sau mixte. În acest din urmă caz, vorbim despre materiale compozite polymatrix.
În funcție de morfologia fazelor de armare, materialele compozite sunt împărțite în:
zero-dimensional (desemnare: 0), sau întărită de particule de dispersie variabilă, distribuite aleator în matrice;
fibroase unidimensionale (simbol: 1), sau întărite cu fibre continue sau discrete unidirecționale;
stratificat bidimensional (denumirea: 2), sau conţinând lamele sau straturi de armare orientate identic (Fig. 38.1).
Anizotropia materialelor compozite, „proiectată” în avans cu scopul de a o utiliza în structuri adecvate, se numește structurală.
Pe baza dimensiunii fazelor de armare sau a dimensiunii celulei de armare, materialele compozite sunt împărțite după cum urmează:
submicrocompozite (dimensiunea celulei de armare, diametrul fibrei sau particulelor<С 1 мкм), например, дисперсноупрочненные сплавы или волокнистые композиционные материалы с очень тонкими волокнами:
microcompozite (dimensiunea celulei de armare, diametrul fibrelor, particule sau grosimea stratului ^1 μm), de exemplu materiale armate cu particule, fibre de carbon, carbură de siliciu, bor etc., aliaje eutectice unidirecționale;
macrocompozite (diametrul sau grosimea componentelor de armare -100 microni), de exemplu piese din aliaje de cupru sau aluminiu armate cu sarma sau folie de tungsten sau otel. Macrocompozitele sunt cel mai adesea folosite pentru a crește rezistența la uzură a pieselor de frecare din echipamentele tehnologice.
38.2. Interacțiunea interfacială în materiale compozite
38.2.1. Compatibilitatea fizico-chimică și termomecanică a componentelor
Combinarea într-un singur material a unor substanțe care diferă semnificativ în compoziția chimică și proprietățile fizice aduce în prim-plan în dezvoltarea, fabricarea și conectarea materialelor compozite problema compatibilității termodinamice și cinetice a componentelor. Sub presiune
Compatibilitatea dinamică este înțeleasă ca fiind capacitatea matricei și a materialelor de umplutură de armare de a fi într-o stare de echilibru termodinamic pentru un timp nelimitat la temperaturi de producție și de funcționare. Aproape toate materialele compozite create artificial sunt incompatibile termodinamic. Singurele excepții sunt câteva sisteme metalice (Cu-W, Cu-Mo, Ag-W), unde nu există nicio interacțiune chimică și de difuzie între faze pentru un timp nelimitat al contactului lor.
Compatibilitate cinetică - capacitatea componentelor materialelor compozite de a menține un echilibru metastabil în anumite intervale de temperatură-timp. Problema compatibilității cinetice are două aspecte: 1) fizică și chimică - asigurarea unei legături puternice între componente și limitarea proceselor de dizolvare, hetero- și difuzie de reacție la interfețe, care duc la formarea produselor de interacțiune fragile și degradarea rezistența fazelor de armare și a materialului compozit în ansamblu; 2) termomecanice - realizarea unei distribuţii favorabile a tensiunilor interne de origine termică şi mecanică şi reducerea nivelului acestora; asigurarea unei relații raționale între întărirea prin deformare a matricei și capacitatea acesteia de a relaxa stresul, prevenind supraîncărcarea și distrugerea prematură a fazelor de întărire.
Există următoarele posibilități de îmbunătățire a compatibilității fizice și chimice a matrițelor metalice cu umpluturi de armare:
I. Dezvoltarea de noi tipuri de umpluturi de armare care sunt rezistente la contactul cu matricele metalice la temperaturi ridicate, de exemplu, fibre ceramice, mustati si particule dispersate de carburi de siliciu, titan, zirconiu, bor, oxizi de aluminiu, zirconiu, nitruri de siliciu, bor , etc.
II Aplicarea acoperirilor de barieră pe materiale de umplutură de armare, de exemplu acoperiri de metale refractare, carburi de titan, hafniu, bor, nitruri de titan, bor, oxizi de ytriu pe fibre de carbon, bor, carbură de siliciu. Unele acoperiri de barieră pe fibre, în principal cele metalice, servesc ca mijloc de îmbunătățire a umidității fibrelor prin topituri matrice, ceea ce este deosebit de important atunci când se produc materiale compozite prin metode în fază lichidă. Astfel de acoperiri sunt adesea numite tehnologice
Nu mai puțin important este efectul de plastificare descoperit în timpul aplicării acoperirilor tehnologice, care se manifestă prin stabilizarea și chiar creșterea rezistenței fibrelor (de exemplu, la aluminizarea fibrelor de bor prin tragere printr-o baie de topire sau la nichelarea fibrelor de carbon. cu tratament termic ulterior).
III. Utilizarea în materiale compozite a matricilor metalice dopate cu elemente cu o afinitate mai mare pentru umplutura de armare decât metalul matricei, sau cu aditivi tensioactivi. Schimbarea rezultată a compoziției chimice a interfețelor ar trebui să prevină dezvoltarea interacțiunii interfaciale Alierea aliajelor matrice cu aditivi activi de suprafață sau care formează carburi, precum și aplicarea de acoperiri tehnologice pe fibre, poate ajuta la îmbunătățirea umectabilității umpluturii de armare. metalul se topește.
IV. Aliarea matricei cu elemente care măresc potențialul chimic al umpluturii de armare din aliajul matricei, sau cu aditivi ai materialului de umplutură de armare la concentrații de saturație la temperaturile de producție și funcționare a materialului compozit. O astfel de aliere previne dizolvarea fazei de armare, adică crește stabilitatea termică a compoziției.
V. Crearea de materiale compozite „artificiale” asemănătoare compozițiilor eutectice „naturale” prin alegerea compoziției adecvate a componentelor.
VI. Selectarea duratelor optime de contact a componentelor în timpul unui anumit proces de producere a materialelor compozite sau în condițiile de funcționare a acestora, adică luând în considerare factorii de temperatură și forță. Durata contactului, pe de o parte, trebuie să fie suficientă pentru formarea unor legături adezive puternice între componente; pe de altă parte, nu conduc la interacțiuni chimice intense, formarea de faze intermediare fragile și o scădere a rezistenței materialului compozit.
Compatibilitatea termo-mecanica a componentelor din materiale compozite este asigurata de:
selectarea aliajelor de matrice și a materialelor de umplutură cu diferențe minime de module elastice, rapoarte Poisson și coeficienți de dilatare termică;
utilizarea straturilor intermediare și a acoperirilor în fazele de armare, reducând diferențele de proprietăți fizice ale matricei și fazelor;
trecerea de la armătură cu o componentă de un tip la poli-armare, adică o combinație într-un material compozit de fibre, particule sau straturi de armare care diferă în compoziție și proprietăți fizice;
modificarea geometriei pieselor, modelul și scara armăturii; morfologia, dimensiunea și fracția volumică a fazelor de armare; înlocuirea unui umplutor continuu cu unul discret;
alegerea metodelor și modurilor de producere a unui material compozit care asigură un anumit nivel de rezistență a lipirii componentelor sale.
38.2.2. Umpluturi de armare
Pentru a întări matricele metalice, se folosesc materiale de umplutură de înaltă rezistență, cu modul înalt - metale continue și discrete, fibre nemetalice și ceramice, fibre și particule scurte, mustăți (Tabelul 38.1).
Fibrele de carbon sunt unul dintre cele mai avansate și mai avansate materiale de armare din producție. Un avantaj important al fibrelor de carbon este greutatea lor specifică scăzută, conductivitatea termică aproape de metale (R = 83,7 W/(m-K)) și costul relativ scăzut.
Fibrele sunt furnizate sub formă de fire de miogofilament drepte sau răsucite, țesături sau panglici realizate din acestea. În funcție de tipul de materie primă, diametrul filamentelor variază de la 2 la 10 microni, numărul de filamente din mănunchi - de la sute la zeci de mii de bucăți.
Fibrele de carbon au rezistență chimică ridicată la condițiile atmosferice și la acizi minerali. Rezistența la căldură a fibrelor este scăzută: temperatura de funcționare pe termen lung în aer nu depășește 300-400 °C. Pentru a crește rezistența chimică în contact cu metalele, pe suprafața fibrelor sunt aplicate acoperiri de barieră din boruri de titan și zirconiu, carburi de titan, zirconiu, siliciu și metale refractare.
Fibrele de bor sunt produse prin depunerea de bor dintr-un amestec gazos de hidrogen și triclorura de bor pe sârmă de tungsten sau monofilamente de carbon încălzite la o temperatură de 1100-1200 °C. Când sunt încălzite în aer, fibrele de bor încep să se oxideze la temperaturi de 300-350 °C, iar la 600-800 °C își pierd complet rezistența. Interacțiunea activă cu majoritatea metalelor (Al, Mg, Ti, Fe, Ni) începe la temperaturi de 400-600 °C. Pentru a crește rezistența la căldură a fibrelor de bor, se aplică straturi subțiri (2-6 µm) de carbură de siliciu (SiC/B/W), carbură de bor (B4C/B/W), nitrură de bor (BN/B/W). faza gazoasa.
Fibrele de carbură de siliciu cu diametrul de 100-200 microni sunt produse prin depunere la 1300 °C dintr-un amestec vapori-gaz de tetraclorură de siliciu și metan, diluat cu hidrogen în raport de 1: 2: 10, pe sârmă de wolfram.
|
Fibre de carbon
|
|
TABELUL 38.2 ALIEII UTILIZATE CA MATRICE ÎN MATERIALE COMPOZITE
|
sau fibre de carbon cu smoală. Cele mai bune mostre de fibre au o rezistență de 3000-4000 MPa la 1100 °C
Fibrele de carbură de siliciu fără miez sub formă de mănunchiuri multifilamentite, obținute din organosilani lichizi prin trefilare și piroliză, constau din cristale f)-SiC ultrafine.
Fibrele metalice sunt produse sub formă de sârmă cu diametrul de 0,13; 0,25 și 0,5 mm. Fibrele realizate din oțeluri de înaltă rezistență și aliaje de beriliu sunt destinate în principal pentru armarea matrițelor din aliaje ușoare și titan. Fibrele din metale refractare aliate cu faze de reniu, titan, oxid și carbură sunt folosite pentru a întări aliajele de nichel-crom, titan și alte rezistente la căldură.
Mustatile folosite pentru intarire pot fi metalice sau ceramice. Structura unor astfel de cristale este monocristalină, diametrul este de obicei de până la 10 microni, cu un raport lungime/diametru de 20-100. Mustații sunt obținute prin diferite metode: creșterea din acoperiri, depunerea electrolitică, depunerea dintr-un mediu de vapori-gaz, cristalizare. din faza gazoasa prin faza lichida. prin mecanismul vapor-lichid-cristal, piroliză, cristalizare din soluții saturate, viscerare
38.2.3. Aliaje de matrice
În materialele metalice compozite, se folosesc în principal matrice din aliaje ușoare forjate și turnate de aluminiu și magneziu, precum și din aliaje de cupru, nichel, cobalt, zinc, staniu, plumb și argint; aliaje rezistente la căldură nichel-crom, titan, zirconiu, vanadiu; aliaje ale metalelor refractare crom și niobiu (Tabelul 38 2).
38.2.4. Tipuri de lipire și structuri de interfață în materiale compozite
În funcție de materialul de umplutură și matrice, metodele și modurile de obținere a materialelor compozite prin interfețe, sunt implementate șase tipuri de legături (Tabelul 38.3). Cea mai puternică legătură între componente în compozițiile cu matrice metalice este asigurată de interacțiunea chimică. Un tip obișnuit de legături este amestecat, reprezentat de soluții solide și faze intermetalice (de exemplu, compoziția „fibre de aluminiu-bor” obținute prin turnare continuă) sau soluții solide, faze intermetalice și oxidice (aceeași compoziție obținută prin presarea semi-de plasmă). produse finite), etc.
38.3. Metode de producere a materialelor compozite
Tehnologia de producere a materialelor metalice compozite este determinată de proiectarea produselor, mai ales dacă acestea au o formă complexă și necesită pregătirea îmbinărilor prin sudare, lipire, lipire sau nituire și, de regulă, este multi-tranziție.
Baza elementară pentru producția de piese sau semifabricate (foli, țevi, profile) din materiale compozite sunt cel mai adesea așa-numitele preimpregnate, sau benzi cu un strat de umplutură de armare, impregnate sau acoperite cu aliaje matrice; câlți de fibre impregnate cu metal sau fibre individuale acoperite cu aliaje matrice.
|
TIPURI DE COMUNICARE DE-A lungul suprafețelor de interfață DIN MATERIALE COMPOZATE
|
Piesele și semifabricatele se obțin prin combinarea (compactarea) preimpregnatelor originale folosind metodele de impregnare, presare la cald, laminare sau tragere ambalaje preimpregnate. Uneori, atât preimpregnatele, cât și produsele realizate din materiale compozite sunt fabricate folosind aceleași metode, de exemplu, folosind tehnologia de pulbere sau turnare, dar în moduri diferite și în etape tehnologice diferite.
Metodele de producere a preimpregnatelor, semifabricatelor și produselor din materiale compozite cu matrice metalice pot fi împărțite în cinci grupe principale: 1) fază vapori-gaz; 2) chimică și electrochimică; 3) fază lichidă; 4) fază solidă; 5) fază solid-lichid.
38.4. Proprietățile materialelor compozite cu matrice metalică
Materialele compozite cu matrice metalice au o serie de avantaje incontestabile față de alte materiale structurale destinate utilizării în condiții extreme. Aceste avantaje includ: rezistență ridicată și... rigiditate combinată cu rezistență ridicată la rupere; rezistență și rigiditate specifică ridicate (raportul dintre rezistența la rupere și modulul de elasticitate la greutatea specifică a/y și E/y); limită mare de oboseală; rezistență ridicată la căldură; sensibilitate scăzută la șoc termic, la defecte de suprafață, proprietăți mari de amortizare, conductivitate electrică și termică, fabricabilitate în proiectare, prelucrare și conectare (Tabelul 38 4).
|
MATERIALE COMPOZATE CU MATRICE METALICE COMPARAȚIE CU CELE MAI BUNE MATERIALE STRUCTURALE METALICE |
|
TABELUL 385 |
|
PROPRIETĂȚI MECANICE ALE MATERIALELOR COMPOZATE CU MATRICE METALICE
|
În absența unor cerințe speciale pentru materiale privind conductivitatea termică, conductibilitatea electrică, rezistența la frig și alte proprietăți, intervalele de temperatură de funcționare ale materialelor compozite sunt determinate după cum urmează:<250 °С - для материалов с полимерными матрицами; >1000 °C - pentru materiale cu matrici ceramice; materialele compozite cu matrice metalice acoperă aceste limite
Caracteristicile de rezistență ale unor materiale compozite sunt prezentate în Tabelul 38 5.
Principalele tipuri de conexiuni ale materialelor compozite astăzi sunt șuruburi, nituite, adezive, conexiuni prin lipire și sudură și combinate Conexiunile prin lipire și sudură sunt deosebit de promițătoare, deoarece deschid oportunitatea de a realiza pe deplin proprietățile unice ale unui compozit. material într-o structură, dar implementarea lor reprezintă o sarcină științifică și tehnică complexă și în multe cazuri nu a părăsit încă stadiul experimental.
38,5. Probleme de sudabilitate a materialelor compozite
Dacă prin sudabilitate înțelegem capacitatea unui material de a forma îmbinări sudate care nu sunt inferioare acestuia în proprietățile lor, atunci materialele compozite cu matrice metalice, în special cele fibroase, ar trebui clasificate drept materiale greu de sudat. Există mai multe motive pentru aceasta.
I. Metodele de sudare și lipire presupun îmbinarea materialelor compozite peste o matrice metalică. Umplutura de armare dintr-o cusătură sudată sau lipită este fie complet absentă (de exemplu, în sudurile cap la cap situate transversal pe direcția armăturii în materiale compozite fibroase sau stratificate), fie prezentă într-o fracțiune de volum redusă (la sudarea materialelor întărite cu dispersie cu fire care conțin o fază discretă de armare) sau există o încălcare a continuității și direcției armăturii (de exemplu, în timpul sudării prin difuzie a compozițiilor fibroase pe direcția armăturii). În consecință, o cusătură sudată sau lipită este o zonă slăbită a unei structuri de material compozit, care necesită luare în considerare la proiectarea și pregătirea îmbinării pentru sudare. În literatură, există propuneri pentru sudarea autonomă a componentelor compoziției pentru a menține continuitatea armăturii (de exemplu, sudarea sub presiune a fibrelor de wolfram într-o compoziție de tungsten-cupru), cu toate acestea, sudarea cap la cap autonomă a materialelor compozite fibroase necesită o pregătire specială a marginilor. , aderenta stricta la pasul de armare si este potrivita numai pentru materiale cu fibre metalice armate. O altă propunere este pregătirea îmbinărilor cap la cap cu fibre suprapuse dincolo de lungimea critică, dar acest lucru pune dificultăți în umplerea îmbinării cu material matrice și asigurarea unei legături puternice la interfața fibră-matrice.
II. Este convenabil să se ia în considerare influența încălzirii prin sudare asupra dezvoltării interacțiunii fizico-chimice într-un material compozit folosind exemplul unei conexiuni formate atunci când un arc topește un material fibros pe direcția armăturii (Fig. 38.2). Dacă metalul matricei nu are polimorfism (de exemplu, Al, Mg, Cu, Ni etc.), atunci în îmbinare pot fi distinse 4 zone principale: 1 - zonă încălzită la temperatura de retur a matricei (prin analogie cu sudarea de materiale omogene, vom numi această zonă materialul principal); 2 - zona limitata de temperaturile de retur si recristalizare a matricei de metal (zona de retur); 3 zone,
limitat de temperaturile de recristalizare si topire ale matricei (zona de recristalizare); 4 - zonă de încălzire peste temperatura de topire a matricei (să numim această zonă sudură). Dacă matricea din materialul compozit este aliaje de Ti, Zr, Fe și alte metale care au transformări polimorfe, atunci în zona 3 vor apărea subzone cu recristalizare în fază completă sau parțială a matricei, dar pentru această considerație acest punct nu este semnificativ.
Modificările în proprietățile materialului compozit încep în zona 2. Aici, procesele de recuperare îndepărtează întărirea prin deformare a matricei realizată în timpul compactării în fază solidă a materialului compozit (în compozițiile obținute prin metode în fază lichidă, înmuierea nu se observă în acest caz. zona).
În zona 3, are loc recristalizarea și creșterea granulelor de metal ale matricei. Datorită mobilității de difuzie a atomilor matricei, dezvoltarea ulterioară a interacțiunii interfazelor, care a început în procesele de producție a materialului compozit, devine posibilă, grosimea straturilor fragile și proprietățile materialului compozit în ansamblu se deteriorează. Când materialul de sudare prin fuziune
Atunci când este obținută prin metode de compactare în fază solidă a pulberilor sau a materialelor preimpregnate cu o pulbere sau o matrice pulverizată, porozitatea este posibilă de-a lungul limitei de fuziune și a limitelor interfazelor adiacente, deteriorând nu numai proprietățile de rezistență, ci și etanșeitatea îmbinării sudate.
În zona 4 (cusătură de sudură), se pot distinge 3 secțiuni:
Secțiunea 4”, adiacentă axei sudurii, unde din cauza supraîncălzirii puternice sub arcul topiturii matricei metalice și a celei mai lungi durate a metalului în starea topit, are loc dizolvarea completă a fazei de armare;
Secțiunea 4", caracterizată printr-o temperatură de încălzire mai scăzută a topiturii și o durată mai scurtă de contact a fazei de armare cu topitura. Aici această fază este doar parțial dizolvată în topitură (de exemplu, diametrul fibrelor scade, apar cavități. pe suprafața acestora este perturbată unidirecționalitatea armăturii);
Secțiunea 4"", unde nu există o schimbare vizibilă a dimensiunilor fazei de armare, dar se dezvoltă o interacțiune intensă cu topitura, se formează straturi sau insule de produse de interacțiune fragile, iar rezistența fazei de armare scade. Ca urmare, zona 4 devine zona de deteriorare maximă a materialului compozit în timpul sudării.
III. Datorită diferențelor de dilatare termică a materialului matricei și fazei de armare în îmbinările sudate din materiale compozite, apar tensiuni termoelastice suplimentare, care determină formarea diferitelor defecte: fisurare, distrugerea fazelor de armare fragile în zona cea mai încălzită 4 a îmbinării. , delaminare de-a lungul limitelor interfazei în zona 3.
Pentru a asigura proprietăți ridicate ale îmbinărilor sudate din materiale compozite, se recomandă următoarele.
În primul rând, dintre metodele de îmbinare cunoscute, ar trebui să se acorde preferință metodelor de sudare în fază solidă, în care, datorită consumului de energie mai scăzut, se poate obține o degradare minimă a proprietăților componentelor din zona de îmbinare.
În al doilea rând, modurile de sudare sub presiune trebuie selectate astfel încât să se prevină deplasarea sau strivirea componentei de armare.
În al treilea rând, atunci când materialele compozite de sudare prin fuziune trebuie selectate metode și moduri care să asigure un aport minim de căldură în zona de îmbinare.
În al patrulea rând, sudarea prin fuziune ar trebui recomandată pentru îmbinarea materialelor compozite cu componente compatibile termodinamic, cum ar fi cupru-tungsten, cupru-molibden, argint-tungsten sau armate cu materiale de umplutură rezistente la căldură, cum ar fi fibre de carbură de siliciu sau materiale de umplutură cu acoperiri de barieră; precum fibrele bor cu carbură de bor sau acoperiri cu carbură de siliciu.
În al cincilea rând, electrodul sau materialul de umplutură sau materialul garniturilor intermediare pentru sudarea prin topire sau lipire trebuie să conțină aditivi de aliere care să limiteze dizolvarea componentei de armare și formarea de produse casante de interacțiune interfacială în timpul procesului de sudare și în timpul funcționării ulterioare a sudurului. unitati.
38.5.1. Sudarea materialelor compozite
Materialele compozite fibroase și laminate sunt cel mai adesea îmbinate într-o manieră lepată. Raportul dintre lungimea podelei și grosimea materialului depășește de obicei 20. Astfel de conexiuni pot fi întărite în continuare cu nituri sau conexiuni cu șuruburi. Împreună cu îmbinările suprapuse, este posibil să se realizeze îmbinări sudate cap la cap și colțuri în direcția armăturii și, mai rar, pe direcția armăturii. În primul caz, cu alegerea corectă a metodelor și modurilor de sudare sau lipire, este posibil să se obțină o rezistență egală a conexiunii; în al doilea caz, rezistența conexiunii nu depășește de obicei rezistența materialului matricei.
Materialele compozite întărite cu particule, fibre scurte și mustăți sunt sudate folosind aceleași tehnici ca aliajele de întărire prin precipitare sau materialele pulbere. În acest caz, se poate obține o rezistență egală a îmbinărilor sudate cu materialul de bază, cu condiția ca materialul compozit să fie fabricat utilizând tehnologia în fază lichidă, armat cu materiale de umplutură rezistente la căldură și atunci când se selectează moduri de sudare și materiale de sudură adecvate. În unele cazuri, electrodul sau materialul de umplutură poate fi similar sau similar în compoziție cu materialul de bază.
38.5.2. Sudare cu arc protejat cu gaz
Metoda este utilizată pentru sudarea prin fuziune a materialelor compozite cu o matrice de metale și aliaje active chimic (aluminiu, magneziu, titan, nichel, crom). Sudarea se realizează cu un electrod neconsumabil într-o atmosferă de argon sau un amestec cu heliu. Pentru a regla efectul termic al sudării asupra materialelor, se recomandă utilizarea unui arc pulsat, arc comprimat sau arc trifazat.
Pentru a crește rezistența îmbinărilor, se recomandă realizarea cusăturilor folosind electrozi compoziți sau fire de umplutură cu un conținut volumetric al fazei de armare de 15-20%. Fibrele scurte de bor, safir, nitrură sau carbură de siliciu sunt folosite ca faze de armare.
38.5.3. Sudarea cu fascicul de electroni
Avantajele metodei sunt absența oxidării metalului topit și a umpluturii de armare, degazarea în vid a metalului în zona de sudare, concentrația mare de energie în fascicul, ceea ce face posibilă obținerea îmbinărilor cu o lățime minimă a topirii. zona si zona afectata de caldura. Ultimul avantaj este deosebit de important atunci când se realizează conexiuni ale materialelor compozite din fibre în direcția armăturii. Cu pregătirea specială a îmbinărilor, este posibilă sudarea cu distanțiere de umplutură.
38.5.4. Sudarea prin puncte cu rezistență
Prezența unei faze de armare într-un material compozit reduce conductivitatea termică și electrică a acestuia în comparație cu materialul matricei și previne formarea unui miez turnat. S-au obținut rezultate satisfăcătoare la sudarea în puncte a materialelor compozite subțiri cu straturi de placare. Când sudați foi de diferite grosimi sau foile compozite cu foi metalice omogene, pentru a aduce miezul punctului de sudură în planul de contact al foilor și a echilibra diferența de conductivitate electrică a materialului, selectați electrozi cu conductivitate diferită, comprimarea zonei periferice, modificați diametrul și raza de curbură a electrozilor, iar stratul de placare cu grosimea, utilizați garnituri suplimentare.
Rezistența medie a punctului de sudare la sudarea plăcilor monoaxiale de aluminiu armat cu bor cu o grosime de 0,5 mm (cu o fracțiune de volum a fibrelor de 50%) este de 90% din rezistența bor-aluminiu a unei secțiuni echivalente. Rezistența îmbinării tablelor de bora-aluminiu cu armătură în cruce este mai mare decât cea a tablelor cu armătură uniaxială.
38.5.5. Sudarea prin difuzie
Procesul se desfășoară la presiune înaltă fără utilizarea lipiturii. Astfel, piesele din aluminiu bor care urmează a fi îmbinate sunt încălzite într-o retortă etanșată la o temperatură de 480 °C la o presiune de până la 20 MPa și menținute în aceste condiții timp de 30-90 de minute. Procesul tehnologic de sudare în puncte cu rezistență la difuzie a bora-aluminiului cu titan nu este aproape deloc diferit de sudarea în puncte prin fuziune. Diferența este că modul de sudare și forma electrozilor sunt selectate astfel încât temperatura de încălzire a matricei de aluminiu să fie apropiată de temperatura de topire, dar sub aceasta. Ca rezultat, în punctul de contact se formează o zonă de difuzie cu o grosime de 0,13 până la 0,25 microni.
Specimenele sudate prin suprapunere prin sudare în puncte prin difuzie, atunci când sunt testate la tensiune în intervalul de temperatură 20-120 °C, sunt distruse de-a lungul materialului de bază cu ruptură de-a lungul fibrelor. La o temperatură de 315 °C, probele sunt distruse prin forfecare la îmbinări.
38.5.6. Sudarea pene-presă
Pentru a conecta capetele din aliaje structurale convenționale cu țevi sau corpuri din materiale compozite, a fost dezvoltată o metodă de sudare a metalelor diferite care diferă puternic ca duritate, care poate fi numită presă cu micropane. Presiunea de presare se obtine datorita solicitarilor termice care apar la incalzirea dornului si suportului dispozitivului de sudura prin termocompresie, realizate din materiale cu coeficienti de dilatare termica (TE) diferiti. Elementele de capăt, pe suprafața de contact a cărora se aplică un fir de pană, sunt asamblate cu o țeavă din material compozit, precum și cu un dorn și un suport. Dispozitivul asamblat este încălzit într-un mediu protector la o temperatură de 0,7-0,9 de la punctul de topire al celui mai fuzibil metal. Mandrinul de fixare are un CTE mai mare decât suportul. În timpul procesului de încălzire, distanța dintre suprafețele de lucru ale dornului și suport este redusă, iar proeminențele („pene”) filetului de pe vârf sunt presate în straturile de placare ale țevii. Rezistența conexiunii în fază solidă nu este mai mică decât rezistența matricei sau a metalului de placare.
38.5.7. Sudarea prin explozie
Sudarea prin explozie este utilizată pentru îmbinarea tablelor, profilelor și țevilor din materiale metalice compozite armate cu fibre metalice sau straturi cu proprietăți plastice suficient de mari pentru a evita strivirea fazei de armare, precum și pentru îmbinarea materialelor compozite cu contravântuiri din diferite metale și aliaje. . Rezistența îmbinărilor este de obicei egală sau chiar mai mare (datorită întăririi la deformare) decât rezistența materialului matricei cel mai puțin rezistent utilizat în piesele care sunt îmbinate. Pentru a crește rezistența îmbinărilor, se folosesc garnituri intermediare din alte materiale.
De obicei, nu există pori sau crăpături în articulații. Zonele topite din zona de tranziție, în special în timpul exploziei de metale diferite, sunt amestecuri de faze de tip eutectic.
38.6. Lipirea materialelor compozite
Procesele de lipire sunt foarte promițătoare pentru îmbinarea materialelor compozite, deoarece pot fi efectuate la temperaturi care nu afectează umplutura de armare și nu provoacă dezvoltarea interacțiunii interfațale.
Lipirea se realizează folosind tehnici convenționale, adică imersarea în lipire sau în cuptor. Problema calității pregătirii suprafeței pentru lipire este foarte importantă. Îmbinările realizate cu lipituri lipite folosind fluxuri sunt susceptibile la coroziune, astfel încât fluxul trebuie îndepărtat complet din zona îmbinării.
Lipire cu lipituri dure și moi
Au fost dezvoltate mai multe opțiuni pentru lipirea aluminiului cu bor. Au fost testate lipituri pentru lipirea la temperaturi joase. Lipiturile din compoziția 55% Cd -45% Ag, 95% Cd -5% Ag, 82,5% Cd-17,5% Zn sunt recomandate pentru piesele care funcționează la temperaturi care nu depășesc 90 °C; compoziție de lipire 95% Zn - 5% Al - pentru temperaturi de funcționare de până la 315 °C. Pentru a îmbunătăți umezirea și împrăștierea lipiturii, pe suprafețele de îmbinat se aplică un strat de nichel cu o grosime de 50 microni. Lipirea la temperatură înaltă se realizează folosind lipituri eutectice ale sistemului aluminiu - siliciu la temperaturi de ordinul 575-615 ° C. Timpul de lipire trebuie menținut la minimum din cauza riscului de degradare a rezistenței fibrelor de bor.
Principalele dificultăți în lipirea compozițiilor carbon-aluminiu atât între ele, cât și cu aliajele de aluminiu sunt asociate cu umecbilitatea slabă a compozițiilor carbon-aluminiu cu lipituri. Cele mai bune lipituri sunt aliajul 718 (A1-12% Si) sau straturile alternative de folie din aliajul 6061. Lipirea se realizează într-un cuptor în atmosferă de argon la o temperatură de 590 ° C timp de 5-10 minute. Pentru a conecta bora-aluminiu și carbon-aluminiu cu titan, pot fi utilizate lipituri ale sistemului aluminiu-siliciu-magneziu. Pentru a crește rezistența conexiunii, se recomandă aplicarea unui strat de nichel pe suprafața de titan.
Lipirea prin difuzie eutectică. Metoda constă în aplicarea unui strat subțire dintr-un al doilea metal pe suprafața pieselor sudate, formând un eutectic cu metalul matricei. Pentru matricele din aliaje de aluminiu se folosesc straturi de Ag, Cu, Mg, Ge, Zn, a căror temperatură eutectică cu aluminiu este de 566, 547, 438, 424, respectiv 382 °C. Ca urmare a procesului de difuzie, concentrația celui de-al doilea element în zona de contact scade treptat, iar temperatura de topire a compusului crește, apropiindu-se de temperatura de topire a matricei. Astfel, îmbinările de lipit pot funcționa la temperaturi mai mari decât temperatura punkka.
La lipirea prin difuzie a aluminiului cu bor, suprafețele pieselor care trebuie îmbinate sunt acoperite cu argint și cupru, apoi comprimate și menținute sub presiune de până la 7 MPa la o temperatură de 510-565 ° C într-o retortă de oțel în vid sau atmosferă inertă.
Materialele compozite constau dintr-o matrice metalică (de obicei Al, Mg, Ni și aliajele acestora), întărită cu fibre de înaltă rezistență (materiale fibroase) sau particule refractare fin dispersate care nu se dizolvă în metalul de bază (materiale întărite prin dispersie). Matricea metalică leagă fibrele (particulele dispersate) într-un singur întreg. Fibre (particule dispersate) plus un liant (matrice) care alcătuiește
Orez. 196. Schema structurii (a) și armăturii cu fibre continue (b) a materialelor compozite: 1 - material granular (întărit în dispersie) (l/d = 1); 2 - material compozit fibros discret; 3 - material compozit cu fibre continue; 4 - așezarea continuă a fibrelor; 5 - pozarea fibrelor bidimensionale; 6.7 - pozarea fibrelor volumetrice
sau o altă compoziţie se numesc materiale compozite (Fig. 196).
Materiale compozite cu fibre.În fig. 196 prezintă diagrame de armătură pentru materiale compozite fibroase. Conform mecanismului de acțiune de armare, materialele compozite cu umplutură fibroasă (întărire) sunt împărțite în discrete, în care raportul dintre lungimea fibrei și diametrul, și cu fibre continue, în care fibrele discrete sunt situate aleatoriu în matrice. Diametrul fibrei variază de la fracțiuni la sute de micrometri. Cu cât raportul dintre lungime și diametrul fibrei este mai mare, cu atât este mai mare gradul de întărire.
Adesea, materialul compozit este o structură stratificată în care fiecare strat este întărit cu un număr mare de fibre continue paralele. Fiecare strat poate fi, de asemenea, întărit cu fibre continue țesute într-o țesătură care reprezintă forma originală, potrivindu-se cu lățimea și lungimea materialului final. Adesea fibrele sunt țesute în structuri tridimensionale.
Materialele compozite diferă de aliajele convenționale prin valori mai mari ale rezistenței la tracțiune și limită de rezistență (cu 50-100%), modul elastic, coeficient de rigiditate () și o susceptibilitate redusă la fisurare. Utilizarea materialelor compozite crește rigiditatea structurii, reducând în același timp consumul de metal.
Tabelul 44 (vezi scanarea) Proprietățile mecanice ale materialelor compozite pe bază de metal
Rezistența materialelor compozite (fibroase) este determinată de proprietățile fibrelor; matricea ar trebui să redistribuie în principal tensiunile între elementele de armătură. Prin urmare, rezistența și modulul elastic al fibrelor trebuie să fie semnificativ mai mari decât rezistența și modulul elastic al matricei. Fibrele rigide de armare percep tensiunile care apar în compoziție în timpul încărcării, dându-i rezistență și rigiditate în direcția de orientare a fibrei.
Pentru a întări aluminiul, magneziul și aliajele acestora, se folosesc fibre de bor și carbon, precum și fibre din compuși refractari (carburi, nitruri, boruri și oxizi) cu rezistență și modul elastic ridicat. Astfel, fibrele de carbură de siliciu cu diametrul de 100 de microni au fire de oțel de înaltă rezistență care sunt adesea folosite ca fibre.
Pentru armarea titanului și aliajelor sale, se utilizează sârmă de molibden, fibre de safir, carbură de siliciu și borură de titan.
Creșterea rezistenței la căldură a aliajelor de nichel se realizează prin întărirea acestora cu sârmă de wolfram sau molibden. Fibrele metalice sunt folosite și în cazurile în care este necesară o conductivitate termică și electrică ridicată. Întăritorii promițători pentru materialele compozite fibroase de înaltă rezistență și modul înalt sunt mustații din oxid și nitrură de aluminiu, carbură și nitrură de siliciu, carbură de bor etc., având
În tabel 44 prezintă proprietățile unor materiale compozite fibroase.
Materialele compozite pe bază de metal au o rezistență ridicată și rezistență la căldură, în timp ce, în același timp, au plasticitate scăzută. Cu toate acestea, fibrele din materialele compozite reduc rata de propagare a fisurilor care se nucleează în matrice și elimină aproape complet
Orez. 197. Dependența modulului elastic E (a) și a rezistenței la tracțiune (b) a materialului compozit bor-aluminiu de-a lungul (1) și peste (2) axei de armătură de conținutul volumetric al fibrei de bor
fractură fragilă. O trăsătură distinctivă a materialelor compozite fibroase uniaxiale este anizotropia proprietăților mecanice de-a lungul și peste fibre și sensibilitatea scăzută la concentratorii de tensiuni.
În fig. 197 prezintă dependența și E a materialului compozit bor-aluminiu de conținutul de fibre de bor de-a lungul (1) și de-a lungul axei de armătură. Cu cât conținutul volumetric al fibrelor este mai mare, cu atât E mai mare de-a lungul axei de armătură. Cu toate acestea, trebuie luat în considerare faptul că matricea poate transmite stres fibrelor numai atunci când există o legătură puternică la interfața de armare fibră-matrice. Pentru a preveni contactul dintre fibre, matricea trebuie să înconjoare complet toate fibrele, ceea ce se realizează atunci când conținutul său este de cel puțin 15-20%.
Matricea și fibra nu trebuie să interacționeze între ele (nu ar trebui să existe difuzie reciprocă) în timpul producției sau al funcționării, deoarece acest lucru poate duce la o scădere a rezistenței materialului compozit.
Anizotropia proprietăților materialelor compozite din fibre este luată în considerare la proiectarea pieselor pentru a optimiza proprietățile prin potrivirea câmpului de rezistență cu 6 câmpuri de tensiune.
Întărirea aliajelor de aluminiu, magneziu și titan cu fibre refractare continue de bor, carbură de siliciu, diborură de titan și oxid de aluminiu crește semnificativ rezistența la căldură. O caracteristică a materialelor compozite este rata scăzută de înmuiere în timp (Fig. 198, a) odată cu creșterea temperaturii.
Orez. 198. Rezistența pe termen lung a materialului compozit bor-aluminiu care conține 50% fibre de bor, în comparație cu rezistența aliajelor de titan (a) și rezistența pe termen lung a materialului compozit cu nichel în comparație cu rezistența aliajelor de întărire prin dispersie (b) ): 1 - compozit bor-aluminiu; 2 - aliaj de titan; 3 - material compozit întărit cu dispersie; 4 - aliaje de întărire prin precipitare
Principalul dezavantaj al materialelor compozite cu armătură unidimensională și bidimensională este rezistența scăzută la forfecare interstrat și la cedarea transversală. Materialele cu armare volumetrica nu prezinta acest dezavantaj.
Materiale compozite întărite prin dispersie. Spre deosebire de materialele compozite fibroase, în materialele compozite întărite cu dispersie, matricea este principalul element portant, iar particulele dispersate inhibă mișcarea dislocațiilor în ea. Rezistența ridicată este obținută cu o dimensiune a particulelor de 10-500 nm, cu o distanță medie între ele de 100-500 nm și distribuția lor uniformă în matrice. Rezistența și rezistența la căldură, în funcție de conținutul volumetric al fazelor de întărire, nu respectă legea aditivității. Conținutul optim al fazei a doua variază pentru diferite metale, dar de obicei nu depășește
Utilizarea compușilor refractari stabili (oxizi de toriu, hafniu, ytriu, compuși complecși ai oxizilor și metalelor pământurilor rare) care sunt insolubili în metalul matricei ca faze de întărire permite menținerea rezistenței ridicate a materialului până la . În acest sens, astfel de materiale sunt adesea folosite ca rezistente la căldură. Materialele compozite întărite prin dispersie pot fi obținute pe baza majorității metalelor și aliajelor utilizate în tehnologie.
Cele mai utilizate aliaje pe bază de aluminiu sunt SAP (pulbere de aluminiu sinterizat). SAP este format din aluminiu și fulgi dispersați
aliaj Conținutul în SAP variază de la și până la creșterea conținutului, crește de la 300 la până la și alungirea relativă scade în mod corespunzător de la 8 la 3%. Densitatea acestor materiale este egală cu densitatea aluminiului, ele nu sunt inferioare acestuia în ceea ce privește rezistența la coroziune și chiar pot înlocui titanul și oțelurile rezistente la coroziune atunci când funcționează în intervalul de temperatură, ele sunt superioare aliajelor de aluminiu forjat. Rezistența pe termen lung pentru aliaje la is
Materialele întărite cu dispersie de nichel au perspective mari. Aliajele pe bază de nichel cu 2-3 vol. au cea mai mare rezistență la căldură. dioxid de toriu sau dioxid de hafniu. Matricea acestor aliaje este de obicei o soluție solidă Aliajele (nichel, întărit cu dioxid de toriu), (nichel, întărit cu dioxid de hafniu) și (matrice, întărită cu oxid de toriu). Aceste aliaje au o rezistență ridicată la căldură. La temperatură, aliajul are un aliaj Materialele compozite întărite prin dispersie, precum cele fibroase, sunt rezistente la înmuiere odată cu creșterea temperaturii și a duratei de expunere la o anumită temperatură (vezi Fig. 198).
Domeniile de aplicare ale materialelor compozite nu sunt limitate. Ele sunt utilizate în aviație pentru piese de aeronave foarte încărcate (piele, lame, nervuri, panouri etc.) și motoare (pale de compresor și turbine etc.), în tehnologia spațială pentru structurile de putere ale dispozitivelor supuse încălzirii, pentru elemente de rigidizare, panouri, în industria auto pentru a ușura caroserii, arcuri, cadre, panouri de caroserie, bare de protecție etc., în industria minieră (unelte de foraj, piese de combine etc.), în construcții civile (trave de poduri, elemente de structuri prefabricate înalte). -cladiri de ridicare etc.) si in alte domenii ale economiei nationale.
Utilizarea materialelor compozite oferă un nou salt calitativ în creșterea puterii motoarelor, a puterii și a instalațiilor de transport, precum și în reducerea greutății mașinilor și dispozitivelor.
Tehnologia de producere a semifabricatelor și a produselor din materiale compozite este destul de bine dezvoltată.
Materiale compozite cu matrice metalică. Pentru a funcționa la temperaturi mai ridicate, se folosesc matrici metalice.
CM-urile metalice au o serie de avantaje față de cele polimerice. Pe lângă o temperatură de funcționare mai mare, acestea se caracterizează printr-o izotropie mai bună și o stabilitate mai mare a proprietăților în timpul funcționării și o rezistență mai mare la eroziune.
Plasticitatea matricelor metalice conferă structurii vâscozitatea necesară. Aceasta contribuie la egalizarea rapidă a sarcinilor mecanice locale.
Un avantaj important al CM metalice este fabricabilitatea mai mare a procesului de fabricație, turnare, tratament termic și formarea îmbinărilor și a acoperirilor.
Avantajul materialelor compozite pe bază de metal este valorile mai mari ale caracteristicilor în funcție de proprietățile matricei. Acestea sunt, în primul rând, rezistența temporară și modulul de elasticitate la tracțiune în direcția perpendiculară pe axa fibrelor de armare, rezistența la compresiune și la încovoiere, ductilitatea și tenacitatea la rupere. În plus, materialele compozite cu o matrice metalică își păstrează caracteristicile de rezistență la temperaturi mai ridicate decât materialele cu o matrice nemetală. Sunt mai rezistente la umiditate, neinflamabile și au conductivitate electrică. Conductivitatea termică ridicată a CM metalelor protejează împotriva supraîncălzirii locale, ceea ce este deosebit de important pentru produse precum vârfurile rachetei și marginile anterioare ale aripilor.
Cele mai promițătoare materiale pentru matricele materialelor metalice compozite sunt metalele cu densitate scăzută (A1, Mg, Ti) și aliajele pe bază de acestea, precum și nichelul, care este în prezent utilizat pe scară largă ca componentă principală a aliajelor rezistente la căldură.
Compozitele sunt obținute prin diferite metode. Acestea includ impregnarea unui mănunchi de fibre cu topituri lichide de aluminiu și magneziu, pulverizarea cu plasmă și utilizarea metodelor de presare la cald, urmată uneori de hidroextrudarea sau laminarea semifabricatelor. La armarea compozițiilor de tip sandwich constând din straturi alternative de folie de aluminiu și fibre cu fibre continue, se utilizează laminarea, presarea la cald, sudarea prin explozie și sudarea prin difuzie. Turnarea tijelor și țevilor armate cu fibre de înaltă rezistență se obține din faza metalică lichidă. Mănunchiul de fibre este trecut continuu printr-o baie de topitură și impregnat sub presiune cu aluminiu sau magneziu lichid. La ieșirea din baia de impregnare, fibrele sunt combinate și trecute printr-o filă pentru a forma o tijă sau un tub. Această metodă asigură umplerea maximă a compozitului cu fibre (până la 85%), distribuția uniformă a acestora în secțiune transversală și continuitatea procesului.
Materiale cu matrice de aluminiu. Materialele matricei de aluminiu sunt în principal armate cu sârmă de oțel (SWI), fibră de bor (BFA) și fibră de carbon (CF). Ca matrice sunt folosite atât aluminiul tehnic (de exemplu, AD1), cât și aliajele (AMg6, V95, D20 etc.).
Utilizarea unui aliaj (de exemplu, B95) ca matrice, întărită prin tratament termic (întărire și îmbătrânire), oferă un efect suplimentar de întărire a compoziției. Cu toate acestea, în direcția axei fibrei este mică, în timp ce în direcția transversală, unde proprietățile sunt determinate în principal de proprietățile matricei, ajunge la 50%.
Cel mai ieftin, mai eficient și mai accesibil material de armare este sârma de oțel de înaltă rezistență. Astfel, armarea aluminiului tehnic cu sârmă de oțel VNS9 cu diametrul de 0,15 mm (σ in = 3600 MPa) își mărește rezistența de 10-12 ori cu un conținut de fibre de 25% și de 14-15 ori cu o creștere a conținutului până la 40%, după care rezistența temporară ajunge la 1000-1200 și, respectiv, 1450 MPa. Dacă utilizați sârmă cu un diametru mai mic pentru armare, adică o rezistență mai mare (σ in = 4200 MPa), rezistența temporară a materialului compozit va crește la 1750 MPa. Astfel, aluminiul armat cu sârmă de oțel (25-40%) în proprietățile sale de bază depășește semnificativ chiar și aliajele de aluminiu de înaltă rezistență și atinge nivelul proprietăților corespunzătoare ale aliajelor de titan. în acest caz, densitatea compoziţiilor este în intervalul 3900-4800 kg/m3.
Întărirea aluminiului și aliajelor sale cu fibre mai scumpe B, C, A1 2 O e crește costul materialelor compozite, dar în același timp unele proprietăți sunt îmbunătățite mai eficient: de exemplu, atunci când sunt armate cu fibre de bor, modulul elastic crește 3 -de 4 ori, fibrele de carbon ajută la reducerea densității. Borul se înmoaie puțin odată cu creșterea temperaturii, astfel încât compozițiile întărite cu fibre de bor păstrează rezistența ridicată până la 400-500 ° C. Un material care conține 50% vol. fibre continue de bor de înaltă rezistență și modul înalt (VKA-1) s-a dovedit industrial. aplicarea. În ceea ce privește modulul de elasticitate și rezistența temporară în intervalul de temperatură 20-500°C, depășește toate aliajele standard de aluminiu, inclusiv cele de înaltă rezistență (B95), și aliajele special concepute pentru funcționarea la temperaturi ridicate (AK4-1), care este prezentat clar în Fig. 13.35. Capacitatea mare de amortizare a materialului asigură rezistența la vibrații a structurilor realizate din acesta. Densitatea aliajului este de 2650 kg/m 3, iar rezistența specifică este de 45 km. Aceasta este semnificativ mai mare decât cea a oțelurilor de înaltă rezistență și aliajelor de titan.
Calculele au arătat că înlocuirea aliajului B95 cu un aliaj de titan în fabricarea unei aripi de avion cu elemente de întărire din VKA-1 crește rigiditatea acestuia cu 45% și asigură o economie de greutate de aproximativ 42%.
Compozitele armate cu fibră de carbon pe bază de aluminiu (CFRP) sunt mai ieftine și mai ușoare decât compozitele din fibră de bor. Și deși sunt inferioare celor din urmă ca forță, au o forță specifică similară (42 km). Cu toate acestea, producția de materiale compozite cu un întăritor de carbon este asociată cu mari dificultăți tehnologice din cauza interacțiunii carbonului cu matricele metalice la încălzire, determinând o scădere a rezistenței materialului. Pentru a elimina acest dezavantaj, se folosesc acoperiri speciale din fibră de carbon.
Materiale cu matrice de magneziu. Materialele cu matrice de magneziu (MCM) se caracterizează printr-o densitate mai mică (1800-2200 kg/m3) decât cu aluminiu, cu aproximativ aceeași rezistență ridicată de 1000-1200 MPa și, prin urmare, rezistență specifică mai mare. Aliajele de magneziu deformabile (MA2 si altele), armate cu fibra de bor (50 vol.%), au o rezistenta specifica > 50 km. Buna compatibilitate a magneziului și aliajelor sale cu fibra de bor, pe de o parte, face posibilă fabricarea pieselor folosind metoda de impregnare, practic fără prelucrare mecanică ulterioară și, pe de altă parte, asigură o durată lungă de viață a pieselor la nivel ridicat. temperaturile. Rezistența specifică a acestor materiale este sporită prin utilizarea aliajelor ușoare de litiu aliat ca matrice, precum și prin utilizarea fibrei de carbon mai ușoare. Dar, după cum am spus mai devreme, introducerea fibrei de carbon complică tehnologia aliajelor deja low-tech. După cum se știe, magneziul și aliajele sale au plasticitate tehnologică scăzută și o tendință de a forma o peliculă de oxid liber.
Materiale compozite pe bază de titan. Când se creează materiale compozite pe bază de titan, apar dificultăți din cauza necesității de a încălzi la temperaturi ridicate. La temperaturi ridicate, matricea de titan devine foarte activă; capătă capacitatea de a absorbi gaze și de a interacționa cu mulți agenți de întărire: bor, carbură de siliciu, oxid de aluminiu etc. Ca urmare, se formează zone de reacție și se reduce rezistența atât a fibrelor în sine, cât și a materialelor compozite în ansamblu. Și, în plus, temperaturile ridicate duc la recristalizarea și înmuierea multor materiale de armare, ceea ce reduce efectul de întărire al armăturii. Prin urmare, pentru a întări materiale cu o matrice de titan, sârmă din beriliu și fibre ceramice de oxizi refractari (Al 2 0 3), carburi (SiC), precum și metale refractare cu un modul elastic ridicat și temperatură ridicată de recristalizare (Mo, W). ) sunt folosite. Mai mult, scopul armăturii nu este în principal de a crește rezistența specifică deja ridicată, ci de a crește modulul elastic și de a crește temperaturile de funcționare. Proprietățile mecanice ale aliajului de titan VT6 (6% A1, 4% V, restul A1), armat cu fibre Mo, Be și SiC, sunt prezentate în tabel. 13.9. După cum se vede din. De masă, rigiditatea specifică crește cel mai eficient atunci când este armată cu fibre de carbură de siliciu.
Întărirea aliajului VT6 cu sârmă de molibden ajută la menținerea valorilor ridicate ale modulului de elasticitate până la 800 "C. Valoarea sa la această temperatură corespunde cu 124 GPa, adică scade cu 33%, în timp ce rezistența temporară la rupere scade la 420 MPa, adică. de mai mult de 3 ori.
Materiale compozite pe bază de nichel. CM rezistente la căldură sunt realizate pe bază de aliaje de nichel și cobalt, întărite cu ceramică (SiC, Si 3 Ni 4, Al 2 O 3) și fibre de carbon. Sarcina principală în crearea materialelor compozite pe bază de nichel (NBC) este creșterea temperaturilor de funcționare peste 1000 °C. Și una dintre cele mai bune armături metalice care poate oferi o rezistență bună la temperaturi atât de ridicate este sârma de wolfram. Introducerea sârmei de wolfram într-o cantitate de la 40 la 70% vol. într-un aliaj de nichel-crom asigură rezistență la 1100°C timp de 100 de ore, respectiv 130 și, respectiv, 250 MPa, în timp ce cel mai bun aliaj de nichel nearmat, proiectat pentru lucru în similare condiții, are o rezistență de 75 MPa. Utilizarea sârmei din aliaje de wolfram cu reniu sau hafniu pentru armare crește această cifră cu 30-50%.
Materialele compozite sunt utilizate în multe industrii și în primul rând în aviație, rachete și tehnologia spațială, unde reducerea greutății structurilor în același timp creșterea rezistenței și rigidității este deosebit de importantă. Datorită caracteristicilor specifice ridicate de rezistență și rigiditate, ele sunt utilizate la fabricarea, de exemplu, a stabilizatorilor orizontali și a flapelor de aeronave, palelor rotorului și containerelor elicopterelor, caroserii și camerelor de ardere ale motoarelor cu reacție etc. Utilizarea materialelor compozite în structurile de aeronave și-a redus greutatea cu 30-40%, a crescut sarcina utilă fără a reduce viteza și raza de acțiune.
În prezent, materialele compozite sunt utilizate în construcția turbinelor de putere (lucrarea turbinelor și palete duzei), industria auto (caroserii auto și frigidere, piese de motoare), inginerie mecanică (corpuri și piese de mașini), industria chimică (autoclave, rezervoare, containere), construcţii navale (coca de bărci, bărci, elice) etc.
Proprietățile speciale ale materialelor compozite fac posibilă utilizarea acestora ca materiale electroizolante (fibre organice), carene radio-transparente (fibră de sticlă), lagăre alți (fibre de carbon) și alte piese.
Materiale compozite cu matrice ceramica. Pentru cele mai ridicate temperaturi de funcționare, ceramica este utilizată ca material matrice. Ca matrici ceramice sunt utilizate materiale silicate (SiO 2), aluminosilicat (Al 2 O 3 - SiO 2), aluminoborosilicat (Al 2 O 3 - B 2 O 3 - SiO 2), oxizi de aluminiu refractari (Al 2 O 3), zirconiu (ZrO 2), beriliu (BeO), nitrură de siliciu (Si 3 N 4), boruri de titan (TiB 2) și zirconiu (ZrB 2), carburi de siliciu (SiC) și titan (TiC). Compozitele cu matrice ceramică au puncte de topire ridicate, rezistență la oxidare, șoc termic și vibrații și rezistență la compresiune. CM ceramice pe bază de carburi și oxizi cu aditivi pentru pulbere metalică (< 50об. %) называются cermeturi . Pe lângă pulberi, pentru a consolida CM-urile ceramice se utilizează sârmă metalică din wolfram, molibden, niobiu, oțel rezistent la căldură, precum și fibre nemetalice (ceramice și carbon). Utilizarea sârmei metalice creează un cadru din plastic care protejează CM de distrugere atunci când matricea ceramică fragilă se crăpă. Dezavantajul CM-urilor ceramice armate cu fibre metalice este rezistența scăzută la căldură. CM cu o matrice de oxizi refractari (pot fi utilizați până la 1000°C), boruri și nitruri (până la 2000°C) și carburi (peste 2000°C) au rezistență ridicată la căldură. Atunci când CM-urile ceramice sunt armate cu fibre de carbură de siliciu, se obține o rezistență ridicată a legăturii între acestea și matrice, combinată cu rezistența la oxidare la temperaturi ridicate, ceea ce le permite să fie utilizate pentru fabricarea pieselor puternic încărcate (la temperatură înaltă). rulmenți, garnituri, pale de lucru ale motoarelor cu turbine cu gaz etc.). Principalul dezavantaj al ceramicii - lipsa ductilității - este într-o oarecare măsură compensat de fibrele de armare care inhibă propagarea fisurilor în ceramică.
Compozit carbon-carbon . Utilizarea carbonului amorf ca material de matrice și a fibrelor de carbon cristalin (grafit) ca material de armare a făcut posibilă crearea unui compozit care poate rezista la încălzire până la 2500 °C. Un astfel de compozit carbon-carbon este promițător pentru astronautică și aviația transatmosferică. Dezavantajul matricei de carbon este posibila oxidare și ablație. Pentru a preveni aceste fenomene, compozitul este acoperit cu un strat subțire de carbură de siliciu.
Matricea de carbon, similară ca proprietăți fizice și chimice cu fibra de carbon, asigură stabilitatea termică a CCCM
Cele mai utilizate metode de producere a compozitelor carbon-carbon sunt:
1. carbonizarea matricei polimerice a unei preforme preformate din fibră de carbon prin tratament termic la temperatură înaltă într-un mediu neoxidant;
2. depunerea din faza gazoasă a carbonului pirolitic, formate în timpul descompunerii termice a hidrocarburilor în porii substratului din fibră de carbon.
Ambele metode au avantajele și dezavantajele lor. La crearea UKCM sunt adesea combinate pentru a da compozitului proprietăţile necesare.
Carbonizarea matricei polimerice. Procesul de carbonizare este tratamentul termic al unui produs din fibră de carbon la o temperatură de 1073 K într-un mediu neoxidant (gaz inert, pat de cărbune etc.). Scopul tratamentului termic este de a transforma liantul în cocs. În timpul procesului de carbonizare, are loc distrugerea termică a matricei, însoțită de pierderea de masă, contracția, formarea unui număr mare de pori și, ca urmare, o scădere a proprietăților fizice și mecanice ale compozitului.
Carbonizarea se realizează cel mai adesea în cuptoare cu retortă cu rezistență. O retortă dintr-un aliaj rezistent la căldură protejează produsul de oxidarea cu oxigenul atmosferic, iar elementele de încălzire și izolația de contactul cu produse corozive volatile de piroliză a liantului și asigură încălzirea uniformă a volumului de reacție a cuptorului.
Mecanismul și cinetica carbonizării sunt determinate de raportul dintre ratele de disociere a legăturilor chimice și recombinarea radicalilor rezultați. Procesul este însoțit de îndepărtarea compușilor rășinoși în evaporare și a produselor gazoase și formarea de cocs solid, îmbogățit cu atomi de carbon. Prin urmare, în procesul de carbonizare, punctul cheie este alegerea condițiilor de temperatură și timp, care ar trebui să asigure formarea maximă a reziduului de cocs din liant, deoarece rezistența mecanică a compozitului carbonizat depinde, printre altele, de cantitatea de cocs. format.
Cu cât dimensiunile produsului sunt mai mari, cu atât procesul de carbonizare ar trebui să fie mai lung. Viteza de creștere a temperaturii în timpul carbonizării este de la câteva grade la câteva zeci de grade pe oră, durata procesului de carbonizare este de 300 de ore sau mai mult. Carbonizarea se termină de obicei în intervalul de temperatură 1073-1773 K, corespunzătoare intervalului de temperatură al tranziției carbonului în grafit.
Proprietățile CCCM depind în mare măsură de tipul de liant inițial, care sunt rășini organice sintetice care produc un reziduu ridicat de cocs. Cel mai adesea, rășini fenol-formaldehidă sunt utilizate în acest scop datorită capacității lor de fabricație, disponibilității la costuri reduse, iar cocsul format în acest proces este foarte durabil.
Rășinile fenol-formaldehidice au anumite dezavantaje. Datorită naturii de policondensare a întăririi lor și a eliberării de compuși volatili, este dificil să se obțină o structură densă omogenă. Cantitatea de contracție în timpul carbonizării lianților fenol-formaldehidă este mai mare decât pentru alte tipuri de lianți utilizați la producerea CCCM, ceea ce duce la apariția unor tensiuni interne în compozitul carbonizat și la scăderea proprietăților sale fizice și mecanice.
Lianții furani produc cocs mai dens. Contracția lor în timpul carbonizării este mai mică, iar rezistența cocsului este mai mare decât cea a rășinilor fenol-formaldehidice. Prin urmare, în ciuda ciclului de întărire mai complex, lianții pe bază de furfural, furfuriliden acetonă și alcool furilic sunt, de asemenea, utilizați la producerea CCCM.
Cărbune și smoală de petrol sunt foarte promițătoare pentru obținerea unei matrice de carbon datorită conținutului lor ridicat de carbon (până la 92-95%) și a numărului mare de cocs. Avantajele smoală față de alți lianți sunt disponibilitatea și costul redus, eliminarea solventului din procesul tehnologic, buna grafitabilitate a cocsului și densitatea mare a acestuia. Dezavantajele smocilor includ formarea unei porozități semnificative, deformarea produsului și prezența compușilor cancerigeni în compoziția lor, ceea ce necesită măsuri suplimentare de siguranță.
Datorită eliberării de compuși volatili în timpul degradării termice a rășinii, în plasticul carbonizat apare o porozitate semnificativă, ceea ce reduce proprietățile fizice și mecanice ale CCCM. Prin urmare, etapa de carbonizare a fibrei de carbon completează procesul de obținere numai a materialelor poroase care nu necesită rezistență ridicată, de exemplu, CCCM de joasă densitate în scopuri de izolare termică. De obicei, pentru a elimina porozitatea și a crește densitatea, materialul carbonizat este din nou impregnat cu un liant și carbonizat (acest ciclu poate fi repetat de mai multe ori). Impregnarea repetată se efectuează în autoclave în modul „presiune de vid”, adică mai întâi piesa de prelucrat este încălzită în vid, după care este furnizat un liant și se creează o presiune în exces de până la 0,6-1,0 MPa. În timpul impregnării se folosesc soluții și topituri de lianți, iar porozitatea compozitului scade cu fiecare ciclu, de aceea este necesar să se utilizeze lianți cu vâscozitate redusă. Gradul de compactare în timpul reimpregnării depinde de tipul de liant, numărul de cocs, porozitatea produsului și gradul de umplere a porilor. Pe măsură ce densitatea crește în timpul impregnării repetate, crește și rezistența materialului. Prin această metodă se poate obține CCCM cu o densitate de până la 1800 kg/m 3 și mai mare. Metoda de carbonizare a fibrei de carbon este relativ simplă, nu necesită echipamente complexe și asigură o bună reproductibilitate a proprietăților materialelor produselor rezultate. Cu toate acestea, necesitatea operațiunilor repetate de compactare prelungește și crește semnificativ costul de obținere a produselor de la CCCM, ceea ce reprezintă un dezavantaj serios al acestei metode.
La primirea UKCM de către metoda de depunere a carbonului pirolitic din faza gazoasa hidrocarbură gazoasă (metan, benzen, acetilenă etc.) sau un amestec de hidrocarbură și gaz diluant (gaz inert sau hidrogen) difuzează prin cadrul poros din fibră de carbon, unde, sub influența temperaturii ridicate, are loc descompunerea hidrocarburii pe suprafața încălzită a fibrei. Pirocarbura care precipită creează treptat punți de legătură între fibre. Cinetica de depunere și structura carbonului pirolitic rezultat depind de mulți factori: temperatură, debitul gazului, presiunea, volumul de reacție etc. Proprietățile compozitelor rezultate sunt, de asemenea, determinate de tipul și conținutul fibrei, iar schema de armare.
Procesul de depunere se realizează în vid sau sub presiune în cuptoare cu inducție, precum și în cuptoare cu rezistență.
Au fost dezvoltate mai multe metode tehnologice pentru producerea matricei de carbon pirolitic.
Cu metoda izotermă piesa de prelucrat este amplasată într-o cameră încălzită uniform. Încălzirea uniformă într-un cuptor cu inducție este asigurată cu ajutorul unui element generator de combustibil - un susceptor din grafit. Gazul de hidrocarburi este furnizat prin fundul cuptorului și difuzează prin volumul de reacție și piesa de prelucrat; Produșii de reacție gazoși sunt îndepărtați printr-o ieșire din capacul cuptorului.
Procesul se desfășoară de obicei la o temperatură de 1173-1423 K și o presiune de 130-2000 kPa. O scădere a temperaturii duce la o scădere a vitezei de depunere și o prelungire excesivă a duratei procesului. O creștere a temperaturii accelerează depunerea carbonului pirolitic, dar gazul nu are timp să se difuzeze în volumul piesei de prelucrat și are loc stratificarea de suprafață a carbonului pirolitic. Procesul durează sute de ore.
Metoda izotermă este de obicei utilizată pentru fabricarea pieselor cu pereți subțiri, deoarece în acest caz porii aflați în apropierea suprafeței produsului sunt umpluți în mod predominant.
Este utilizat pentru saturarea volumetrică a porilor și producerea de produse cu pereți groși. metoda non-izotermă, care constă în crearea unui gradient de temperatură în piesa de prelucrat prin aşezarea acesteia pe un dorn sau miez încălzit sau prin încălzirea directă cu curent. Gazul de hidrocarburi este furnizat din partea care are o temperatură mai scăzută. Presiunea din cuptor este de obicei egală cu presiunea atmosferică. Ca urmare, depunerea de pirocarbon are loc în zona cea mai fierbinte. Efectul de răcire al gazului care curge peste o suprafață cu viteză mare este modalitatea principală de a obține un gradient de temperatură.
O creștere a densității și conductivității termice a compozitului duce la o mișcare a frontului de temperatură de depunere, care asigură în final compactarea volumetrică a materialului și producerea de produse cu densitate mare (1700-1800 kg/m3).
Metoda izotermă de producere a CCCM cu o matrice de pirocarburi se caracterizează prin următoarele avantaje: reproductibilitate bună a proprietăților; simplitatea designului tehnic; densitate mare și grafitabilitate bună a matricei; capacitatea de a procesa mai multe produse simultan.
Dezavantajele includ: rata scăzută de depunere; depunerea la suprafață de carbon pirolitic; umplerea slabă a porilor mari.
Metoda neizotermă are următoarele avantaje: viteză mare de depunere; posibilitatea umplerii porilor mari; sigiliul volumetric al produsului.
Dezavantajele sale sunt următoarele: design hardware complex; este prelucrat un singur produs; densitatea și grafitabilitatea insuficiente a matricei; formarea de microfisuri.
3.4.4. Tratament termic la temperatură înaltă (grafitizare) al CCCM. Structura materialelor plastice carbonizate și a compozitelor cu o matrice de pirocarburi după compactarea din faza gazoasă este imperfectă. Distanța dintre straturile d002, care caracterizează gradul de ordonare a matricei de carbon, este relativ mare - peste 3,44·10 4 μm, iar dimensiunile cristalelor sunt relativ mici - de obicei nu mai mult de 5,10 -3 μm, ceea ce este tipic pentru ordonarea bidimensională a straturilor de bază de carbon. În plus, în timpul procesului de producție, în ele pot apărea tensiuni interne, care pot duce la deformări și distorsiuni ale structurii produsului atunci când aceste materiale sunt utilizate la temperaturi peste temperatura de carbonizare sau depunere de carbon pirolitic. Prin urmare, dacă este necesar să se obțină un material mai stabil termic, acesta este supus unui tratament la temperatură ridicată. Temperatura finală de tratament termic este determinată de condițiile de funcționare, dar este limitată de sublimarea materialului, care are loc intens la temperaturi de peste 3273 K. Tratamentul termic se efectuează în cuptoare cu inducție sau rezistență într-un mediu neoxidant (rambleu cu grafit, vid, gaz inert). Modificarea proprietăților materialelor carbon-carbon în timpul tratamentului termic la temperatură înaltă este determinată de mulți factori: tipul de umplutură și matrice, temperatura finală și durata tratamentului termic, tipul de mediu și presiunea acestuia și alți factori. La temperaturi ridicate, barierele energetice din materialul carbonic sunt depășite, împiedicând mișcarea compușilor multinucleari, atașarea și reorientarea lor reciprocă cu un grad mai mare de compactare.
Durata acestor procese este scurtă, iar gradul de conversie este determinat în principal de temperatură. Prin urmare, durata proceselor de tratare termică la temperatură înaltă este mult mai scurtă decât în cazul carbonizării sau depunerii de pirocarburi și se ridică de obicei la câteva ore. În timpul tratamentului termic la temperatură înaltă a materialelor plastice carbonizate, apar deformații ireversibile ale produsului și „vindecarea” treptată a defectelor. Pentru materialele bine grafitizate bazate pe smoală la temperaturi peste 2473 K, se observă creșterea intensivă a cristalitelor de carbon ordonate tridimensional până la trecerea la o structură grafitică. În același timp, în materialele plastice carbonizate pe bază de lianți polimerici slab grafitizat, defectele structurale persistă până la 3273 K și materialul rămâne într-o formă structurală negrafitizată.
Acest tip de materiale compozite include materiale precum SAP (pulbere de aluminiu sinterizată), care sunt armate cu aluminiu cu particule dispersate de oxid de aluminiu. Pulberea de aluminiu se obține prin pulverizarea metalului topit, urmată de măcinarea în mori cu bile până la o dimensiune de aproximativ 1 micron în prezența oxigenului. Odată cu creșterea timpului de măcinare, pulberea devine mai fină, iar conținutul său de oxid de aluminiu crește. O altă tehnologie pentru producția de produse și semifabricate de la SAP include presarea la rece, presinterizarea, presarea la cald, laminarea sau extrudarea unei țagle de aluminiu sinterizat sub formă de produse finite care pot fi supuse unui tratament termic suplimentar.
Aliajele de tip SAP sunt utilizate în inginerie aeronautică pentru fabricarea pieselor cu rezistență specifică ridicată și rezistență la coroziune, funcționând la temperaturi de până la 300 - 500 °C. Acestea sunt folosite pentru a face tije de piston, palete de compresor, carcase de elemente de combustibil și conducte pentru schimbătoare de căldură.
Armarea aluminiului și aliajelor sale cu sârmă de oțel mărește rezistența acestora, crește modulul de elasticitate, rezistența la oboseală și extinde intervalul de temperatură al duratei de viață a materialului.
Armarea cu fibre scurte se realizează prin metode de metalurgie a pulberilor, constând în presare urmată de hidroextrudarea sau laminarea semifabricatelor. La armarea compozițiilor de tip sandwich constând din straturi alternative de folie de aluminiu și fibre cu fibre continue, se utilizează laminarea, presarea la cald, sudarea prin explozie și sudarea prin difuzie.
Un material foarte promițător este compoziția sârmei de aluminiu-beriliu, care realizează proprietățile fizice și mecanice ridicate ale armăturii cu beriliu și, în primul rând, densitatea scăzută și rigiditatea specifică ridicată. Compozițiile cu sârmă de beriliu se obțin prin sudarea prin difuzie a pachetelor de straturi alternative de sârmă de beriliu și foi de matrice. Aliajele de aluminiu armate cu fire de oțel și beriliu sunt folosite pentru a face părți ale corpului rachetei și rezervoare de combustibil.
În compoziția „aluminiu - fibră de carbon”, combinația de armătură cu densitate scăzută și matrice face posibilă crearea de materiale compozite cu rezistență și rigiditate specifică ridicate. Dezavantajul fibrelor de carbon este fragilitatea lor și reactivitatea ridicată. Compozitia aluminiu-carbon se obtine prin impregnarea fibrelor de carbon cu metal lichid sau folosind metode de metalurgie a pulberilor. Din punct de vedere tehnologic, cel mai simplu mod de a face acest lucru este să trageți mănunchiuri de fibre de carbon prin aluminiu topit.
Compozitele aluminiu-carbon sunt utilizate în structurile rezervoarelor de combustibil ale avioanelor de luptă moderne. Datorită rezistenței specifice ridicate și rigidității materialului, greutatea rezervoarelor de combustibil este redusă cu 30%. Acest material este, de asemenea, utilizat pentru fabricarea palelor de turbine pentru motoarele cu turbine cu gaz de avioane.
Materiale compozite cu matrice nemetalica
Materialele compozite cu o matrice nemetalica au gasit o larga aplicatie in industrie. Materialele polimerice, carbon și ceramice sunt utilizate ca matrici nemetalice. Cele mai utilizate matrice polimerice sunt epoxidice, fenol-formaldehidă și poliamidă. Matricele de cărbune sunt cocsificate sau obținute din polimeri sintetici supuși pirolizei (descompunere, dezintegrare). Matricea leagă compoziția, dându-i formă. Întăritorii sunt fibre: sticlă, carbon, bor, organice, pe bază de cristale de mustăți (oxizi, carburi, boruri, nitruri etc.), precum și metale (sârme), care au rezistență și rigiditate ridicate.
Proprietățile materialelor compozite depind de compoziția componentelor, combinația lor, raportul cantitativ și rezistența legăturii dintre ele.
Conținutul de întăritor în materialele orientate este de 60 - 80 vol. %, în neorientat (cu fibre și mustăți discrete) - 20 - 30 vol. %. Cu cât rezistența și modulul elastic al fibrelor sunt mai mari, cu atât rezistența și rigiditatea materialului compozit sunt mai mari. Proprietățile matricei determină rezistența la forfecare și compresiune a compoziției și rezistența la rupere prin oboseală.
În funcție de tipul de armătură, materialele compozite sunt clasificate în fibre de sticlă, fibre de carbon cu fibre de carbon, fibre de bor și fibre organo.
În materialele stratificate, fibrele, firele, benzile impregnate cu un liant sunt așezate paralel între ele în planul de așezare. Straturile plane sunt asamblate în plăci. Proprietățile sunt anizotrope. Pentru ca materialul să funcționeze într-un produs, este important să se țină cont de direcția sarcinilor care acționează. Puteți crea materiale atât cu proprietăți izotrope, cât și cu proprietăți anizotrope. Fibrele pot fi așezate în unghiuri diferite, variind proprietățile materialelor compozite. Rigiditățile la încovoiere și la torsiune ale materialului depind de ordinea în care straturile sunt așezate pe grosimea pachetului.
Se folosesc întăritori cu trei, patru sau mai multe fire (Fig. 7). Cea mai utilizată structură este o structură de trei fire reciproc perpendiculare. Întăriturile pot fi amplasate în direcțiile axială, radială și circumferențială.
Materialele tridimensionale pot fi de orice grosime sub formă de blocuri sau cilindri. Țesăturile voluminoase măresc rezistența la exfoliere și rezistența la forfecare în comparație cu țesăturile laminate. Un sistem de patru fire este construit prin plasarea armăturii de-a lungul diagonalelor cubului. Structura a patru fire este de echilibru și are o rigiditate crescută la forfecare în planurile principale. Cu toate acestea, crearea a patru materiale direcționale este mai dificilă decât a crea trei materiale direcționale.
Orez. 7. Schema de armare a materialelor compozite: 1- dreptunghiular, 2- hexagonal, 3- oblic, 4- cu fibre curbate, 5 – sistem de n fire
Cele mai eficiente din punct de vedere al utilizarii in cele mai severe conditii de frecare uscata sunt materialele antifrictiune pe baza de politetrafluoretilena (PTFE).
PTFE se caracterizează printr-un coeficient static de frecare destul de ridicat, cu toate acestea, în timpul frecării de alunecare, se formează un strat foarte subțire de polimer foarte orientat pe suprafața PTFE, care ajută la egalizarea coeficienților statici și dinamici de frecare și la mișcarea lină la alunecare. . Când direcția de alunecare se schimbă, prezența unei pelicule de suprafață orientată determină o creștere temporară a coeficientului de frecare, a cărui valoare scade din nou pe măsură ce stratul de suprafață este reorientat. Acest comportament de frecare a PTFE a condus la utilizarea sa pe scară largă în industrie, unde PTFE neumplut este utilizat în principal pentru producția de rulmenți. În multe cazuri, rulmenții nelubrifiați trebuie să funcționeze la rate de frecare mai mari. În același timp, PTFE neumplut se caracterizează prin valori ridicate ale coeficientului de frecare și ale ratei de uzură. Materialele compozite, cel mai adesea pe bază de PTFE, au găsit o utilizare pe scară largă ca materiale pentru rulmenți nelubrifiați care funcționează în astfel de condiții.
Cel mai simplu mod de a reduce rata de uzură relativ ridicată a PTFE în timpul frecării uscate este introducerea materialelor de umplutură sub formă de pulbere. În același timp, crește rezistența la fluaj în timpul compresiei și se observă o creștere semnificativă a rezistenței la uzură în timpul frecării uscate. Introducerea cantității optime de umplutură face posibilă creșterea rezistenței la uzură de până la 10 4 ori.
Polimerii și materialele compozite bazate pe acestea au un set unic de proprietăți fizice și mecanice, datorită cărora concurează cu succes cu oțelurile și aliajele structurale tradiționale și, în unele cazuri, fără utilizarea materialelor polimerice este imposibil să se asigure caracteristicile funcționale necesare. și performanța produselor și mașinilor speciale. Fabricabilitatea ridicată și intensitatea energetică scăzută a tehnologiilor de prelucrare a materialelor plastice în produse, combinate cu avantajele PCM menționate mai sus, le fac materiale foarte promițătoare pentru piesele de mașini în diverse scopuri.
Acest tip de materiale compozite include materiale precum SAP (pulbere de aluminiu sinterizată), care sunt armate cu aluminiu cu particule dispersate de oxid de aluminiu. Pulberea de aluminiu se obține prin pulverizarea metalului topit, urmată de măcinarea în mori cu bile până la o dimensiune de aproximativ 1 micron în prezența oxigenului. Odată cu creșterea timpului de măcinare, pulberea devine mai fină și conținutul său de oxid de aluminiu crește. O altă tehnologie pentru producția de produse și semifabricate de la SAP include presarea la rece, presinterizarea, presarea la cald, laminarea sau extrudarea unei țagle de aluminiu sinterizat sub formă de produse finite care pot fi supuse unui tratament termic suplimentar.
Aliajele de tip SAP sunt utilizate în tehnologia aviației pentru fabricarea pieselor cu rezistență specifică ridicată și rezistență la coroziune, funcționând la temperaturi de până la 300–500 °C. Acestea sunt folosite pentru a face tije de piston, palete de compresor, carcase de elemente de combustibil și conducte pentru schimbătoare de căldură.
Armarea aluminiului și aliajelor sale cu sârmă de oțel mărește rezistența acestora, crește modulul de elasticitate, rezistența la oboseală și extinde intervalul de temperatură al duratei de viață a materialului.
Armarea cu fibre scurte se realizează prin metode de metalurgie a pulberilor, constând în presare urmată de hidroextrudarea sau laminarea semifabricatelor. La armarea compozițiilor de tip sandwich constând din straturi alternative de folie de aluminiu și fibre cu fibre continue, se utilizează laminarea, presarea la cald, sudarea prin explozie și sudarea prin difuzie.
Un material foarte promițător este compoziția „sârmă de aluminiu - beriliu”, care realizează proprietățile fizice și mecanice ridicate ale armăturii cu beriliu și, în primul rând, densitatea scăzută și rigiditatea specifică ridicată. Compozițiile cu sârmă de beriliu se obțin prin sudarea prin difuzie a pachetelor de straturi alternative de sârmă de beriliu și foi de matrice. Aliajele de aluminiu armate cu fire de oțel și beriliu sunt folosite pentru a face părți ale corpului rachetei și rezervoare de combustibil.
În compoziția de aluminiu-fibră de carbon, combinația de armătură cu densitate scăzută și matrice face posibilă crearea de materiale compozite cu rezistență și rigiditate specifică ridicate. Dezavantajul fibrelor de carbon este fragilitatea lor și reactivitatea ridicată. Compozitia aluminiu-carbon se obtine prin impregnarea fibrelor de carbon cu metode de metal lichid sau metalurgie a pulberilor. Din punct de vedere tehnologic, cel mai simplu mod de a face acest lucru este să trageți mănunchiuri de fibre de carbon prin aluminiu topit.
Compozitul aluminiu-carbon este utilizat în construcția rezervoarelor de combustibil ale avioanelor de luptă moderne. Datorită rezistenței specifice ridicate și rigidității materialului, greutatea rezervoarelor de combustibil este redusă cu
treizeci la sută. Acest material este, de asemenea, utilizat pentru fabricarea palelor de turbine pentru motoarele cu turbine cu gaz de avioane.
