Алюмоматричные металлокомпозиты

СОДЕРЖАНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................... 4

1. Металлокомпозиты сегодня...................................................................... 5

2. Алюмоматричные металлокомпозиты. Задачи технологии их получения................................................................................................................ 7

        3. Установка для получения алюмоматричных расплавов и отливок………………………………………………………………................. 9

        ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………….12  

ВЫВОДЫ...................................................................................................... 13

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ....................................14

Приложение………………………………………………………………...12  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

АННОТАЦИЯ

    В данной работе приведены краткие общие сведения о состоянии развития композиционных материалах с металлической матрицей и их применении на сегодняшний день. Рассмотрены задачи технологии получения литых алюмоматричных композитов и принципиальная схема работы установки для получения алюмоматричных расплавов и отливок .

 

Ключевые слова: металлокомпозит, матрица, армирующие компоненты, дисперсно-упрочняющая частица, смачивание,адгезивное взаимодействие, алюмоматричный расплав.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

 

Одним  из  направления  развития  современного  научно-технологического  прогресса является   направление  создания   материалов   с  заранее   заданными   свойствами.   Новые конструкционные   материалы   должны   обеспечивать   возрастающие   требования   к   ним, например,  по следующим показателям:  по прочности,  снижению массы  и металлоёмкости, повышенному  ресурсу  надёжности,  длительности  эксплуатации  в экстремальных условиях температурно-силового   воздействия.   Всему   этому   широкому   спектру   повышенных показателей    удовлетворяют     композиционные     материалы,     получившие     условное математическое выражение 1+1>2.  Данное математическое выражение можно прокомментировать,  как  соединение  положительных  свойств  исходных  компонентов  с получением   в   результате   их   объединения-   материала   с   синергетическим   эффектом, превышающим    суммарный    эффект.    Это    обстоятельство    обеспечило    постоянно возрастающий  к  композиционным  материалам  интерес  во  всех  ведущих  индустриально развитых странах и, в частности к литым алюмоматричным композиционным материалам с дисперсно-порошковым наполнителем.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Металлокомпозиты сегодня

    Композиты представляют собой неоднородные системы, состоящие из двух или более фаз.   Один  из  компонентов,   обладающий  непрерывностью  по  всему  объёму,   является матрицей. Второй разделенный в объёме композиции, является армирующим. 

Матричными  материалами  могут  быть  металлы,  сплавы,  термореактивными  или термопластичные полимеры, керамика или другое вещество. Армирующие компоненты - это мелкодисперсные  порошки  или  волокнистые  материалы  различной  природы.   По  виду армирующего   материала   композиты   делятся   на   две   основные   группы:   дисперсно-

упрочненные  и  волокнистые.  Структура  дисперсно-упрочненного композита  представляет собой  металлическую  матрицу,   в  которой  равномерно  распределены  мелкодисперсные частицы второго компонента.

Типы  композитов  можно  разделить  на  три  основные  группы: 

А-волокнистые;  В-армированные частицами материалы; С-дисперсно-упрочненные.

Композиционные   материалы   с  металлической   матрицей  (металлокомпозиты) – материалы,  состоящие из металлической (Al, Mg, Ni и их сплавы)  матрицы,  упрочнённой высокопрочными волокнами (волокнистые материалы), или тугоплавкими тонкодисперсными   частицами,   не   растворяющимися   в   металле   матрицы   (дисперсно-упрочнённые материалы).

Эти  материалы отличаются  от обычных  сплавов большими значениями  временного сопротивления  и  предела  выносливости  (на 50- 100%), модуля  упругости,  коэффициента жёсткости и пониженной склонностью к трещинообразованию и высокой жаропрочностью.

Металлические   матрицы    обладают   высокими   реакционной   способностью   в жидкофазном состоянии с сопротивлением деформированию в твёрдофазном.

Композиты   с   металлической   матрицей   повышают   жёсткость   конструкции   при одновременном   снижении   её   металлоёмкости   и   как   конструкционные   материалы используются:   в   авиации - для   изготовления   высоконагруженных   деталей   (обшивки лонжеронов, панелей и др.) и двигателей (лопаток компрессоров и турбин и др.) самолетов; в автомобилестроении – для  облегчения  кузовов,  рессор,  рам,  панелей,  бамперов  и  т.д.,  в промышленном   и   гражданском   строительстве   (пролёты   мостов,   элементы   сборных конструкций высотных сооружений и др.) и т.д.

Металлическая  матрица  является  основным  компонентом,   несущим  нагрузку,  и эффект   упрочнения   достигается   за   счёт   торможения   движения   дислокаций   в   ней дисперсными  частицами  упрочняющей  фазы.  Прочность при  этом  не  подчиняется  закону аддитивности  (получаемый  путём  сложения)  в  зависимости  от  объёмного  содержания упрочняющих фаз.  Высокая прочность достигается при размере частиц упрочняющей фазы 10...500 нм, при среднем расстоянии между ними 100…500 нм и равномерном распределении их в матрице. Оптимальное содержание частиц для обеспечения прочности и жаропрочности в различных дисперсно-упрочнённых материалах неодинаково, и обычно не превышает 5-10 об.%. [3]

Дисперсно-упрочнённые    металлокомпозиты   могут   быть    получены,    как   уже отмечалось выше, на основе большинства применяемых в технике металлов и сплавов.

Наиболее  широко  используют  сплавы  на  основе  алюминия – алюмоматричные композиционные сплавы.

Большие перспективы имеют никелевые дисперсно-упрочненные металлокомпозиты. Наибольшей жаропрочностью обладают сплавы на основе никеля с 2…3 об.%  диоксида  тория  (ВДУ-1)  или  диоксида  гафния  (ВДУ-2).  Матрица  этих  сплавов – обычно γ-твёрдый раствор никеля +20% Cr, никель +15% Mo, никель + 20% Cr и Mo. Сплав ВДУ-1 при температуре 1200 0 С имеет σ100= 75 МПа и σ1000= 65 МПа. [3]

Использование в качестве упрочняющих частиц стабильных тугоплавких соединений (оксидов тория, гафния,  иттрия, сложные соединения оксидов и редкоземельных металлов), не   растворяющихся   в   матричном   металле,   позволяет   сохранить   высокую   прочность материала до 0,9…95 Тпл. [3]

 

2. Алюмоматричные металлокомпозиты. Задачи технологии их получения

Современная техника нуждается в более совершенных   материалах для трибопар. Растут удельные нагрузки и скорости относительного перемещения трущихся деталей, ужесточаются   температурные условия эксплуатации и агрессивность сред.   Весьма остро стоит вопрос о снижении энергозатрат на трение, повышении долговечности и надежности трибосопряжений . В связи с этим важное значение приобретают работы по  созданию принципиально новых антифрикционных материалов

с гетерофазной структурой, в том числе металлокомпозитов

(МКМ), в которых искусственно объединены  высокопластичные матрицы, например из сплавов алюминия, и тугоплавкие высокопрочные, высокомодульные наполнители. При таком сочетании фаз достигаются значительное повышение несущей способности подшипниковых материалов и   расширение температурных интервалов работы, высокая

износостойкость и задиростойкость в условиях сухого трения

скольжения , стойкость против абразивного изнашивания  [5]. Преимуществами алюминиевых сплавов в качестве матриц МКМ

  являются высокие показатели теплопроводности,

теплоемкости, высокие технологические свойства, в том числе

возможность варьирования механических свойств и

износостойкости за счет выбора систем легирования и режимов

термических и термомеханических обработок, литейные  свойства, обрабатываемость резанием и, наконец,  совместимость с дискретными наполнителями. Введение в  алюминиевые сплавы армирующих частиц микронных  размеров с резко отличной от матрицы твердостью не только

повышает износостойкость сплавов, но вследствие возросшей  гетерогенности может расширить область существования во  фрикционном контакте так называемых вторичных структур,  обеспечивающих нормальное протекание процесса трения в  широком диапазоне параметров нагружения .

      В настоящей работе рассмотрены некоторые дисперсно армированные алюмоматричные МКМ антифрикционного назначения, способы их производства, результаты трибологических испытаний в условиях сухого трения.

    Дискретными наполнителями для МКМ с матрицами из сплавов алюминия служат нитевидные кристаллы (НК), короткие  волокна и частицы из высокопрочных, высокомодульных  тугоплавких веществ с высокой энергией межатомной связи графита, бора, тугоплавких металлов, карбидов, нитридов,

боридов, оксидов. Известны различные способы совмещения алюминиевых

матриц с дисперсной упрочняющей фазой: твердофазное или

жидкотвердофазное компактирование порошковых смесей, литейные технологии пропитки пористых каркасов из порошков или механического замешивания наполнителей в расплавы; газотермическое напыление композиционных  смесей. Из перечисленных способов производства МКМ наиболее технологичным и дешевым является литейный с механическим замешиванием наполнителя в матричный  расплав. Качество получаемых при этом МКМ (распределение армирующего наполнителя, уровень межфазной связи, наличие  продуктов взаимодействия и пр.) зависит от смачивания на-

полнителя матричным расплавом, условий замешивания и  последующей обработки. Смачивание обеспечивает  непрерывный физический контакт между фазами, необходимый для достижения прочных адгезионных связей. Для  улучшения смачивания на частицы наносят технологические покрытия методами химического или газофазного осаждения  или модифицируют матрицу поверхностно-активными  добавками (Mg, Ca, Li, Na). Технологически значимыми  параметрами являются конструкция установки для  замешивания; режимы замешивания и затвердевания; режимы последующих термических или термомеханических обработок.  В результате совмещения матричных сплавов с армирующими  наполнителями по поверхностям раздела возникает межфазная  связь - механическая или химическая. Наиболее прочная  химическая связь устанавливается при развитии между  компонентами МКМ межфазных реакций и образовании новых  химических продуктов – карбидных, оксидных, боридных и

интерметаллидных фаз . В большинстве случаев эти  продукты являются хрупкими и снижают пластичность МКМ. Микроструктурный анализ литых МКМ выявляет  удовлетворительное распределение частиц в матрицах,

имеющих ячеистую или ячеисто-дендритную структуру. Поры,

несплошности в матрице и на межфазных границах отсутствуют. Общим для кристаллизации композиций А1-С, А1-SiC, Al-Al2O3 является то, что первичные кристаллы α- алюминия образуются не на поверхности частиц, а в матричном расплаве, что обусловлено плохой смачиваемостью и теплофизическими характеристиками наполнителей. В МКМ с матрицей из алюминиевых сплавов, содержащих частицы металлоподобных карбидов TiC, ZrC, зарождение дендритов α- алюминия происходит на поверхности частиц [6]. То же наблюдается и в случаях, когда матричный расплав легирован элементами, образующими при кристаллизации тугоплавкие

интерметаллидные фазы. Введение в расплавы керамических наполнителей способствует уменьшению дендритного параметра. Одной из причин этого уменьшения может быть эффект ограничения кристаллизующихся объемов. Частицы металлоподобных карбидов и интерметаллидов оказывают

модифицирующее влияние на литую структуру МКМ, так как характеризуются меньшим несоответствием решеток, высоким химическим сродством к матрице и более высокой теплопроводностью. Уровень механических свойств МКМ зависит от механических свойств исходных компонентов, фракционного состава и  распределения частиц в матрице, прочности связи между  матрицей и наполнителем; характера последующей обработки.  В общем случае модуль упругости и твердость МКМ выше, а

прочность при растяжении и пластичность МКМ ниже, чем у матричных сплавов. Последнее обусловлено преимущественным зарождением трещин на поверхностях раздела или в  участках скопления наполнителей.

Влияние термической обработки на свойства МКМ определяются в первую очередь составом матрицы. Если матрица является термически упрочняемым сплавом, то обработка по режиму дисперсионного твердения (закалка +

старение) приводит к повышению прочности КМ, причем абсолютный прирост прочности в присутствии армирующих частиц оказывается меньшим, чем при старении матричного сплава.

       Технологически получение изделий из алюмоматричных композиционных расплавов в  производстве  ставят  ряд  задач,  решение  которых  должно  обеспечить  расширение  их применения, к ним можно отнести:

-обеспечение   получения   стабильных   физико-механических   и   эксплуатационных свойств;

-обеспечение получения  изделий со стабильными качествами [2].

Анализ   развития   технологий   использования   алюмоматричных   композиционных расплавов  показывает,  что  наиболее  динамично  развиваются  и  внедряются  жидкофазные технологии.  Совмещение материала металлических матриц с армирующими наполнителями

принадлежит    к    процессам    высокотемпературной    смачиваемости,    адгезии    и    их взаимодействия. Важна также проблема комкования (агломерации) дисперсного наполнителя при его транспортировке к матричному материалу и равномерному распределении в нём.

Известны  различные  способы  жидкофазного  совмещения  матричных  расплавов  с дисперсными наполнителями,  например: пропитка расплавами (самопроизвольная,  вакууме, под давлением и их различные  сочетания);  механическое  замешивание дискретных  частиц или волокон в металлические матричные расплавы и др.

Для  повышения  эффективности смачивания  наполнителя  матричным  расплавом  на наполнитель  (дискретные  частицы)  наносят  различные  покрытия  путём  химического  или газофазного   осаждения   или   модифицирования   матричных   расплавов   поверхностно активными веществами – добавками (Mg, Ca, Na и др.). Однако механическое замешивание имеет ряд недостатков: сильное газонасыщение и окисление матричного расплава в процессе их  активного  механического  перемешивания  и,  как  следствие,  недостаточное  качество адгезионных связей по поверхности раздела «частица - матричный расплав».