Дисперсионно-упрочненные композиционные материалы

Материалы данного типа относятся к классу порошковых, в которых матрица из металла или сплава упрочняется искусственно введенными мелкодисперсными частицами размером менее 0,1 мкм в количестве 0,1-15%. В качестве упрочняющей фазы используют дисперсные частицы тугоплавких фаз - оксидов, нитридов, боридов, карбидов (А1₂О₃, SiO₂, BN, SiC и др.). Достоинствами тугоплавких соединений являются высокое значение модуля упругости, низкая плотность, пассивность к взаимодействию с материалами матриц. Оксиды алюминия и кремния доступны и имеют невысокую стоимость.

Дисперсионно-упрочненные композиционные материалы получают, в основном, методами порошковой металлургии. После формирования и спекания материала проводят горячую пластическую деформацию с целью получения плотного, беспористого полуфабриката (лент, полос, профилей). В дисперсионно-упрочненных композиционных материалах (ДУКМ) основную нагрузку воспринимает матрица. Мелкие дисперсионные частицы упрочнителя тормозят движение дислокаций при нагружения материала, препятствуя развитию пластической деформации.

Уровень прочности композиционного материала зависит от объемного содержания упрочняющей фазы, равномерности ее распределения, степени дисперсности и расстояния между частицами. Высокая степень упрочнения достигается при размере частиц в пределах 0,01-0,1 мкм и расстоянии между ними 0,05-0,5 мкм. Изотропность свойств ДУКМ является их преимуществом перед волокнистыми материалами.

К ДУКМ относятся спеченная алюминиевая пудра (САП) и материалы на основе бериллия, магния, никеля, кобальта и хрома. Материал САП характеризуется высокой прочностью, жаропрочностью, коррозионной стойкостью и термической стабильностью свойств. При температуре 300 – 500°С он превосходит по жаропрочности все промышленные алюминиевые сплавы и отличается высокими характеристиками длительной прочности и ползучести. ДУКМ САП поставляется в виде листов, полос, профилей, штамповок, прутков и проволоки.' Разработан также ДУКМ А1-С, упрочняющей фазой в котором служит карбид алюминия А1₂С₃. Увеличение содержания карбида алюминия в сплаве, как и оксида алюминия в САП, приводит к повышению прочности и снижению пластичности.

ДУКМ на основе бериллия упрочняются оксидом ВеО и карбидом Ве₂С. Увеличение объемной доли ВеО с 0,8 до 3% повышает предел прочности материала от 195 до 245 МПа (при 25°С). Упрочнение карбидом бериллия Ве₂С позволяет повысить 100-часовую прочность бериллия при 650°С в 3 раза, а при 730°С – более чем в пять раз, табл. 10. Благодаря высокому коэффициенту рассеяния нейтронов, высокому модулю упругости и низкой плотности ДУКМ на основе бериллия является пер спективным материалом в реакторостроении. Он используется в качестве армирующего элемента в композиционных материалах.

Таблица 11

Длительная прочность ДУКМ Ве-Ве₂С

Объем, доля Ве2С, %	Т,°С	s1	s10	s100
МПа
2,5

ДУКМ на основе магния упрочняется оксидом MgO в количестве до 1%. Дальнейшее увеличение содержания оксида практически не повышает прочности, но существенно снижает пластичность ДУКМ. Материал обладает низкой плотностью, высокой длительной прочностью и высоким сопротивлением ползучести при нагреве. Недостатком ДУКМ Mg-MgO является низкая коррозионная стойкость в морской воде, а также на воздухе при температуре выше 400°С. Наиболее перспективно применение ДУКМ Mg-MgO в авиации, ракетной и ядерной технике в качестве конструкционного материала для деталей корпусных изделий минимальной массы и повышенной прочности.

ДУКМ на основе никеля упрочняется оксидом ThO₂. Из-за токсичности оксида тория его часто заменяют оксидом гафния в количестве до 2%. Однако при этом существенно снижается жаропрочность ДУКМ. ДУКМ на основе никеля применяют при температурах выше 1000°С. Применяются они в авиационной и космической технике для изготовления лопаток газовых турбин, камер сгорания, теплозащитных панелей, а также сосудов и трубопроводов, работающих при высоких температурах и в агрессивных средах.

ДУКМ на основе кобальта и его сплавов с хромом, молибденом и вольфрамом упрочняются оксидом тория ThO₂ в количестве 2-4%. При высоких температурах свойства кобальтовых и никелевых ДУКМ различаются незначительно. Введение циркония в количестве 0,2% повышает пластичность и длительную прочность сплава. Легирование никелем и хромом существенно повышает жаростойкость кобальта, что позволяет использовать ДУКМ на основе кобальта при температуре до 1100°С. Они применяются для изготовления лопаток газовых турбин авиационных двигателей, а также деталей, работающих при повышенных температурах в парах ртути.

ДУКМ на основе хрома упрочняются оксидом тория ThO₂ и оксидом магния MgO. Оксид магния может вводиться в количествах 3-6%. Материалы могут работать при температурах около 1000°С. Основное использование ДУКМ на основе хрома – конструкционный материал для деталей, работающих при высоких температурах в окислительной среде. Высокая эрозионная стойкость этих ДУКМ под действием мощных тепловых потоков делает их перспективными материалами для сопл плазмотронов и деталей плазменных двигателей. Сплавы маркируются: хром-30 (6% MgO) и хром-90 (3% MgO).

Дата добавления: 2015-12-07