Способы получения металлических композиционных материалов (МКМ)

Способам объединения волокон и матрицы при разработке технологии получения МКМ и изделий из них отводится очень важное место. Неправильное расположение волокон в матрице может привести к чрезмерному увеличению расстояния между ними, нарушению ориентации волокон по отношению к направлению приложения нагрузки, к несплошностям в матрице /порам, трещинам/.

Получение МКМ, армированных нитевидными кристаллами ведут в две стадии: 1 - переработка волокон; 2- изготовление самого композита.

Переработка волокон.

Поскольку выращенные нитевидные кристаллы сильно различаются по размерам, степени совершенства кристаллической структуры и поверхности, атакже по механическим свойствам, прежде всего отделяют годные усы.

Затем ведут классификацию усов по площади поперечного сечения, по длине.

После этого на кристаллы многих веществ наносят металлические покрытия, чтобы обеспечить смачивание усов расплавом матрицы, предотвратить их повреждение при переработке, исключить химическое взаимодействие с матрицей, придать им ориентировку в материале.

Существует несколько способов нанесения покрытий на усы: химическое парофазное осаждение, распыление, вакуумное испарение, электролиз, погружение в систему металл-органическая удаляемая связка.

Особое значение придаётся ориентированию волокон и объединению их с матрицей, так как от расположения и направленности арматуры непосредственно зависит прочность МКМ. Многие трудности, встречающиеся в процессе ориентирования, связаны с малой величиной усов и их огромным количеством в единице объёма.

Применяются следующие способы получения МКМ.

1. Получение МКМ методами порошковой металлургии позволяют получать МКМ с заданной пористостью, изменять в широком диапазоне концентрацию волокна. К недостаткам этого метода можно отнести - трудность равномерного распределения волокон в объёме матрицы из-за образования комков волокон в ходе перемешивания, а также возможность повреждения хрупкой арматуры в процессе дальнейшего уплотнения.

Подготовка шихты - состоит в получении равномерных смесей порошка матричного металла с волокнами.

Подготовленная шихта перерабатывается в изделия способами прессования, экструзии, гидростатического прессования, мундштучного прессования. Затем полуфабрикаты спекают. Операция спекания включает в себя нагрев до температуры 0,7-0,8 температуры плавления и выдержку при этой температуре. Чаще всего спекание проводят в среде защитных газов водорода, инертных газов, производных аммиака и др.

Применение горячего прессования позволяет получать изделия окончательно готовые.

Наиболее перспективен из всех способов получения изделий методом порошковой металлургии - это шликерное литьё, позволяющее получать армированные изделия сложной конфигурации.

2. Получение МКМ методами пластической деформации применяют для деформируемых матричных металлов и сплавов. При этом совместная пластическая деформация матрицы и волокон не должна приводить к разрушению арматуры.

Листовые заготовки, состоящие из чередующихся листов матричного металла и слоев арматуры /волокон, сеток, матов/, - заготовки типа "сэндвич" - собирают на специальных приспособлениях, затем подвергают прокатке, для получения трубчатых заготовок используют цилиндрическую оправку.

3. МКМ можно получать пропиткой и литейными способами.

В общем случае пропитки при изготовлении МКМ возможны три варианта: матричный расплав смачивает волокна и не растворяет их; матричный расплав смачивает волокна и ограниченно растворяет их; смачивания волокон матрицей нет и компоненты друг в друге не растворяются.

Примерами армированных систем, в которых практически нет взаимной растворимости компонентов, служат МКМ с медной или серебряной матрицей, армированной вольфрамовыми или молибденовыми проволоками.

Большинство МКМ представляет собой системы, получить которые жидкофазными методами очень трудно, так как расплавленная матрица и армирующие волокна интенсивно взаимодействуют.

Наиболее широко применяются следующие способы:

а) - для получения МКМ из жаропрочных никелевых и кобальтовых сплавов применяют литейную технологию. Армированные отливки в виде прутков и профилей чаще всего получают методом вакуумного всасывания.

По этой технологии вольфрамовые или молибденовые проволоки помещают в металлическую трубку из жаропрочного сплава. Один конец трубки запаивают тонкой мембраной, а другой через пористую ловушку и ресивер подсоединяют к вакуумному насосу. После откачивания воздуха трубку опускают запаянным концом в тигель с расплавом матрицы, мембрана проплавляется, и расплав под давлением заполняет пространство между волокнами. Содержание волокон в отливках можно регулировать в широких пределах до 60 об.%.

б) - перспективным является способ непрерывного литья.

Волокна непрерывно проходят через ванну с расплавленным металлом и собираются в кристаллизаторе или фильере. Здесь заготовка формируется, вытягиваясь из кристаллизатора или фильеры со скоростью, достаточной для кристаллизации матричного расплава. Способом непрерывного литья можно получать различные профили сложной геометрической формы и большой длины /до 1м/. Однако он перспективен для КМ, компоненты которых не взаимодействуют между собой. Этим способом можно изготовлять уголки, двутавры, швеллеры, листы и др.

в) - получение МКМ методом направленной кристаллизации эвтектических сплавов. Этот метод заключается в том, что из кристаллизующихся расплавов выращивается КМ, в котором армирующей фазой выступают параллельные игольчатые или пластинчатые кристаллы, равномерно распределённые в матрице. Такая армирующая фаза имеет механические свойства близкие к свойствам усов и хорошо связана с матрицей, поэтому прочность волокнистых эвтектик обычно высока.

Способом направленной кристаллизации получены КМ на основе алюминия, магния, меди, никеля, кобальта, титана, ниобия, тантала и некоторых других матриц.

Дата добавления: 2015-07-07