Композиционные материалы на керамической основе

Горячее прессование  обеспечивает «ненапряженное» состояние композиции при температуре спекания. Этот способ сводится к прессованию смеси керамического порошка с металлическими волокнами под давлением от 140 до 350 кг/см² и последующей выдержке при температуре спекания до максимального уплотнения керамики. В процессе горячего прессования волокна располагаются в плоскостях, перпендикулярных направлению усилия прессования, но в самих этих плоскостях они ориентируются произвольно.

Серьезная трудность, связанная  со способом горячего прессования, заключается в необходимости обеспечения хорошего перемешивания керамического порошка с металлическими волокнами. Самое хорошее перемешивание достигается, по-видимому, при некотором своеобразном способе утряски, которая получается в смесителе типа двойного конуса или в смесителе со сдвоенным барабаном. В смесителях скользящего действия, например в шаровых мельницах или барабанных смесителях, происходит расслоение смеси и перепутывание волокон. Длина волокна, по-видимому, оказывает заметное влияние на степень агломерирования волокон: чем короче волокна, тем меньше степень агломерации. Однако при выборе длины волокна необходимо иметь в виду, что отношение длины волокна к его диаметру должно составлять не менее 20:1, поскольку именно такая величина, как установлено, является оптимальной при армировании волокнами.

Шликерной отливкой керамической   матрицы   пользуются  в настоящее  время в меньшей степени, чем  горячим прессованием.

Однако этот способ весьма перспективен при изготовлении композиций с большей концентрацией армирующего металлического волокна и крупных изделий сложной формы, когда необходимо удешевить их производство.

Существуют две выгодные разновидности шликерного литья. Первая из них заключается в смешивании нарезанных таллических волокон с керамической суспензией и заливке этой смеси в гипсовую форму с последующими операциями сушки и обжига композиций. Однако применимость этого способа ограничивается тем, что ввести нарезанные волокна в суспензию без образования комков удается только до 5% по объему. Так, при достаточном содержании твердого вещества в суспензии (около 80% по весу) концентрация волокна в обожженной композиции ограничивается приблизительно 20% по объему. Кроме того, этот способ, подобно горячему прессованию, предусматривает применение только нарезанных волокон. Надо отметить, что па долю нарезанных волокон падает большая часть общих расходов по изготовлению композиции, армированной металлическим волокном. Обычная стоимость молибденовых волокон длиной от 3,2 до 12,7 мм составляет около 3,3 долл. за 1 кг проволоки диаметром 250 мк и до 330 долл. для проволоки диаметром 25 мк.

Второй разновидности  шликерного литья для изготовления керамики, армированной металлическим волокном, присуще то преимущество, что она допускает применение не только нарезанного волокна, но и металлического войлока, позволяя вместе с тем ввести в композицию больше металлического волокна. Сущность этого способа состоит в том, что металлический войлок помещают в соответствующую форму и пропитывают керамической суспензией. Войлок можно сделать как из металлической ваты, так и из нарезанных волокон, которые сбиваются в войлок с помощью усовершенствованной технологии, применяемой при производстве бумаги. До пропитки керамической суспензией этот войлок можно спрессовать и спечь. По этому методу изготовляли, например, композиции из эпоксидных смол, армированные металлическим волокном. Он позволяет доводить концентрацию волокна до 83% по объему, хотя в литературе и не приводятся данные о максимальной концентрации волокна, достижимой в таких композициях.

Способы получения  керамики, армированной металлическими волокнами

Изготовление керамических конструкций, армированных непрерывными нитями, например металлической сеткой, требует разработки технологии, несколько отличной от той, которая при меняется при армировании короткими волокнами, что объясняется главным образом различной величиной межволоконного промежутка. Подобным армирующим элементам обычно предварительно придают форму изготовляемой детали (например, передней кромки крыла), а керамическую матрицу в виде густой пластичной тестообразной массы вводят затем путем заливки и подтрамбовки. Фактически керамику, армированную сеткой, изготовляют в основных чертах так же, как и армированные тугоплавкие керамические покрытия, которые благодаря более широкому их применению рассматриваются ниже несколько подробнее. Изложенные ниже принципы применимы в большинстве случаев при изготовлении обеих систем.

Керамические  покрытия. При выборе металла для армирования керамических покрытий важно учитывать следующие обстоятельства:

1. сравнительную   величину   коэффициентов теплового  расширения  армирующего  металла,  керамической  матрицы  и  металлической основы, к которой должны крепиться армирующие элементы;
2. максимальную температуру, при которой работают армирующие элементы   (она зависит   от   температуры среды, с которой соприкасается поверхность   покрытия, температурного  градиента,  допустимого  для тугоплавкой   керамики, и глубины, на которой   армирующие элементы находятся в покрытии);
3. способность армирующего металла и металлической основы свариваться точечной сваркой или другим способом;
4. сопротивление армирующего металла коррозии в условиях эксплуатации.

Сравнительная величина коэффициентов теплового расширения армирующего металла, керамики и металлической основы должна рассматриваться с учетом назначения покрытия, а именно с учетом того, подвергается ли поверхность керамики при нагреве растяжению или же сжатию и каковы скорость и направление охлаждения. Так, покрытие, пригодное для вогнутой внутренней поверхности камеры сгорания реактивного двигателя, подвергающейся при нагревании сжатию, не годится для передней кромки крыла с выпуклой поверхностью, подвергающейся при тепловом расширении керамики растяжению. Кроме того, камера сгорания реактивного двигателя охлаждается преимущественно с внутренней стороны покрытия (со стороны металлической основы), в то время как передняя кромка крыла охлаждается со стороны поверхности керамики в условиях, когда в композиции существует совершенно другая система напряжений.

Обычно металлические  армирующие элементы располагаются в керамике таким образом, что наиболее выступающие точки находятся на расстоянии 0,75—1,00 мм от поверхности керамики. Однако для расширения возможностей применения менее тугоплавких металлов в качестве армирующих элементов для покрытий, работающих при температурах около 2200°С, необходимо армирующие элементы располагать на большей глубине.

В тех случаях, когда  армирующий металл особенно чувствителен к коррозии, как это бывает, например, в случае тугоплавких металлов, часто возникает необходимость изолировать эти металлы непористым защитным покрытием, вторичным по отношению к жаростойкому керамическому покрытию. Хотя последнее и уменьшает скорость коррозии, тем не менее без вторичного покрытия оно еще не обеспечивает достаточной защиты от коррозии.

Форма армирующего элемента (проволочная сетка, соты или гофрированная  полоска) определяется формой покрываемой  детали, а также наличием выбранного для армирования металла. Металлические соты, которые легче всего скрепляются с металлической основой, почти не пригодны для изделий сложных форм, например деталей сложной кривизны или конических сопел. С другой стороны, сам процесс крепления с металлической основой гофрированной полоски, которая больше всего подходит для изделий сложных форм, требует много времени и труда. Так, для крепления армирующих гофрированных полосок в камере сгорания реактивного двигателя или в трубе большого теплообменника требуется до 25 000—30 000 точек сварки.

Керамические матрицы, обычно изготовляемые в виде плотной тиксотропной тестообразной массы, можно вводить в композицию путем вмазывания, трамбовки или заливки. Вмазывание покрытия — длительная операция, требующая высококвалифицированного труда. Хотя на трамбовку требуется времени меньше, чем на вмазывание, она тем не менее не годится для изделий сложной формы или очень больших размеров. Разработан метод вибрационной заливки, который, по-видимому, весьма подходящ для изготовления армированных покрытий. Он заключается в том, что покрываемую деталь с прикрепленными к ней армирующими элементами помещают в литейную форму, которая имеет ту же конфигурацию, что и отливаемое покрытие. Эту форму с деталью устанавливают на вибрационную платформу, и керамическая смесь под действием вибрации заполняет пустоты. После заполнения пространства между деталью и стенкой формы вибрация прекращается и отливка выдерживается в течение нескольких часов до ее выемки из формы. Спекание обычно проводят ступенчато по несколько часов. В зависимости от природы материала покрытия и применяющегося связующего максимальную температуру спекания можно изменять от 175 до 430°С.

Большое значение имеет  должное уплотнение на каждой ступени процесса спекания, так как в противном случае покрытие может растрескаться и разрушиться при эксплуатации из-за чрезмерной усадки керамики. Частично этого достигают контролем за распределением частиц по их величине. Обычно отсев мелких фракций ведет к уменьшению объемной усадки керамики при обжиге.

Некоторая пористость керамической матрицы приносит пользу. Если покрытие имеет очень малую пористость, то это ведет к понижению его термостойкости. Приемлемым уровнем пористости надо, по-видимому, считать 15—20%. Кроме того, пористость дает дополнительное преимущество, когда покрытия используются в летательных аппаратах, где большое значение имеет вес.

Попытка введения керамической матрицы в композицию с помощью  пламенного напыления не увенчалась успехом из-за отражающего действия армирующей среды. Однако должным образом  спроектированное оборудование, возможно, позволит осуществить такой процесс.

СИСТЕМЫ КЕРАМИКА — МЕТАЛЛ

Благодаря своим превосходным прочностным свойствам керамические волокна представляют большой интерес в качестве армирующего материала в композициях. Они тугоплавки, обладают большой удельной прочностью и высоким удельным модулем (по отношению к удельному весу) и хорошо сохраняют свои свойства при повышенных температурах. Керамические волокна, которые пригодны для армирования композиций, можно подразделить на следующие три основные категории: почти совершенные монокристаллы, или «усы», поликристаллические волокна из непластичной керамики и аморфное стекло, или кремнезем.

Выпускаемые поликристаллические  керамические волокна чаще всего  не обладают таким сочетанием прочности  и пластичности, которое необходимо для армирования металлов. Такие керамические волокна при обычных способах изготовления композиций оказывались в большинстве случаев хрупкими. Малодоступность волокон имела своим следствием ограниченность сведений о композициях, армированных хрупкими поликристаллическими волокнами из керамики. Отдельные исследования  были проведены со смесью порошка керамики в металлической матрице, которая после экструзии имела волокнистую структуру. Исследования таких композиций показали ориентирование крупинок керамики и повышение прочности по сравнению с неармированной матрицей. Образование свежих поверхностей при ориентировании керамики в контакте с выбранным металлическим связующим создает определенные преимущества в отношении улучшения сцепления и повышения прочности.

Прочность сцепления  керамики с металлом, которая способна лимитировать свойства композиций керамическое волокно— металл, зависит от множества взаимосвязанных явлений и параметров. Разработано много полезных теорий, раскрывающих природу сил сцепления стекла с металлами. Однако, как это отмечается в обзоре по этому вопросу, приемлемой атомарной теории связи керамики с металлом пока не существует. Составители этого обзора подчеркивают, что этому не следует удивляться, так как рассмотрены лишь отдельные из многих параметров, от которых существенным образом зависит прочность сцепления. Поскольку фундаментальные основы сцепления разработаны недостаточно, приходится тратить много усилий на создание прочного сцепления между керамическими волокнами и металлической матрицей. Решение задачи обеспечения такого сцепления усугубляется дополнительно еще и тем, что некоторые свойства, от которых зависит прочность керамических волокон, легко ухудшаются в процессе создания сцепления. Прочность усов является, по крайней мере отчасти, следствием почти полного совершенства их кристаллического строения, а прочность волокон из стекла или кварца зависит от гладкости и бездефектности их поверхности. Процесс же создания сцепления способен ухудшить свойства путем вредного воздействия на эти самые характеристики.