Сравнительная характеристика дкм, псевдосплавов, мвкм

↑

▷ Содержание

Стр 1 из 5Следующая ⇒

ЛЕКЦИЯ № 4

ОСНОВНЫЕ КЛАССЫ МКМ

По структуре и геометрии армирования композиты на основе металлической матрицы могут быть в виде:

- Волокнистые (МВКМ)

-Дисперсно-упрочненные (ДКМ)

- Псевдосплавы

- Эвтектические сплавы (ЭКМ)

СРАВНИТЕЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДКМ, ПСЕВДОСПЛАВОВ, МВКМ

МВКМ

СВОЙСТВА И МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ МВКМ НА ОСНОВЕ Al

МВКМ А1 - стальные волокна

Особенности:

- высокие прочностные характеристики до Т_экспл. = 450 С,

- низкая стоимость, доступность,

- удается сохранить удовлетв. пластичность (б = 20 %),

- слабая чувствительность прочности МКМ к толщине межфазового слоя,

- высокая способность к формоизменению.

Получение    

 Благодаря технологичности стальных волокон и меньшей по сравнению с хрупкими волокнами их чувствительности к повреждениям, вырабатываются практически с помощью всех известных технологических методов производства КМ.

Пример: получение КМ Al – сталь методом ЖФТ

(диаметр волокна 140 мкм, длительность контакта волокна с жидким металлом менее

1 секунды):

Рис. 1 Граница раздела в КМ «Al - сталь»

Показаны возможные пути распространения трещины: разрушение при растяжении композиционного материала происходит и в матрице, и вдоль границы раздела, что свидетельствует о их равнопрочности. Механические характеристики КМ высокие. С позиций механики КМ толщина слоя продуктов реакции до 3 мкм допустима.

Промежуточный слой на границе раздела компонентов сформировался из одного интерметаллида Fe₃Al  и возник на поверхности стального волокна в результате химической реакции между железом и жидким алюминием. Такая толщина обеспечивает оптимальную связь компонентов и не приводят к нарушению монолитности композита под нагрузкой.

МВКМ А1 – В  (А1-В/SiC)

Особенности

- Бор без покрытия – МКМ обладают высокими значениями прочности (особенно прочности при  сжатии (элементы ферменных конструкций)) и жесткости при температурах до 450 -500 С.

При Т > 500С ( активность взаимодействия повышается, образуются Бориды Al - AlB ₂. Это иглообразные кристаллы, которые прорастают в М и В, разъедают их. 

Уже при h = 1 мм - прочность МКМ резк о снижается).

Процесс взаимодействия проходит в 2 стадии:

1)  Разрушение оксидной пленки на матрице (О₂ диффундирует в толщу материала)

2) Активизируется хим. реакция с образованием AlB ₂.

Получение

При изготовлении широко используется ТФМ (чаще - диффузионная сварка).

ЖФМ (пропитка, различные виды литья и др.)… ввиду возможности взаимодействия бора с алюминием, применяют лишь в тех случаях когда на волокна бора предварительно нанесены защитные покрытия - карбид кремния (волокна борсик) или нитрид бора.

СВОЙСТВА И МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ МВКМ НА ОСНОВЕ Мg

Особенности:

- повышенные удельная прочность и жесткость

- высокая термическая стабильность вплоть до Т = 500 С ( Т_пл = 650 С )

- низкая реактивная способность Mg (возможность применения и ЖФМ и ТФМ)

МВКМ Mg – В

Получение

Магний — практически единственный конструкционный металл, стабильный по отношению к бору в жидком состоянии, что позволяет получать КМ Mg —В и методами ЖФМ и ТФМ.

Недостатком МКМ Mg - B является пониженная коррозионная стойкость

СВОЙСТВА И МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ МВКМ НА ОСНОВЕ Ti

Особенности

- высокие показатели удельной прочности, жесткости,

- жаропрочность (высокий предел ползучести)

- КМ на основе титана имеют высокую прочность при растяжении под углом к оси волокон и в поперечном направлении ( высокая внеосевая прочность )

- диапазон рабочих температур до 800 С.

Получение:

Титан и сплавы титана при повышенных температурах химически активны и в условиях изготовления КМ и их эксплуатации склонны к взаимодействию с неметаллическими наполнителями, которое приводит к образованию хрупких реакционных зон и снижению прочности волокон и КМ.

Исключение: волокна бериллия и молибдена практически не разупрочняются при взаимодействии с матрицей.

Особенности

 - Высокая жаропрочность (Траб = 1300 С - это выше, чем у  сплавов Ni.)

Армируют тугоплавкими наполнителями.

МВКМ Ni – С

МВКМ Ni - W, Мо   

В связи с тем, что W, Мо интенсивно окисляются при нагревах, композиты получают в вакууме или защитной атмосфере.

ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ МВКМ

- при низких, высоких и сверхвысоких температурах,

- в агрессивных средах,

- при статических, циклических, ударных, вибрационных и других нагрузках.

Наиболее эффективно используются МВКМ в конструкциях, особые условия работы которых не допускают применения традиционных металлических материалов.

Однако чаще всего в настоящее время армированием металлов волокнами стремятся улучшить свойства матричного металла, чтобы повысить рабочие параметры тех конструкций, в которых до этого использовали неармированные материалы.

1) использование МВКМ на основе Al, Mg в конструкциях летательных аппаратов, благодаря их высокой удельной прочности, позволяет достичь важного эффекта - снижения массы.

2) замена традиционных материалов на МВКМ в основных деталях и узлах самолетов, вертолетов и космических аппаратов уменьшает массу изделия на 20 - 60%. (корпуса насосов, приборов, элементы конструкций, элементы жесткости (панели, лонжероны, шпангоуты), механические соединения (крепеж).

МАТЕРИАЛЫ (ДКМ)

Структура ДКМ:

В матрице из чистого металла или сплава равномерно распределены тонкодисперсные частицы армирующей (упрочняющей) фазы, искусственно введенные в материал на одной из технологических стадий.

Размер частиц - 0,01 - 0,1 мкм

Объемная доля частиц составляет 1—20 %.

Расстояние между частицами - 0,01 -0,5 мкм.

В качестве армирующей фазы используют стабильные тугоплавкие соединения, не растворяющиеся в матричном материале (дисперсные частицы оксидов, карбидов, нитридов, боридов и других тугоплавких соединений, а также интерметаллических соединений).

Сущность процесса упрочнения: ………….

Тонкодисперсные частицы препятствуют движению дислокаций, таким образом, стабилизируя структуру матрицы, что способствует:

- повышению жаропрочности ( чем меньше частицы и чем ближе, тем выше жаропрочность!!!!!), увеличению сопротивления высокотемпературной ползучести (высокая прочность ДКМ сохраняется до Т= 0,9-0,95 Т_пл).

МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ДКМ

ДКМ относятся к классу порошковых, поэтому их в основном получают порошковой технологией ( но существуют и другие способы, например метод непосредственного введения наполнителей в жидкий металл или сплав перед разливкой в формы).

Никелевые ДКМ

- применяются в авиастроении и космической технике. Их используют для изготовления деталей двигателей (камер сгорания, лопаток газовых турбин) и других деталей, эксплуатируемых при не высоких напряжениях, при высоких температурах, в агрессивных средах.

При использовании ДКМ увеличивается долговечность изделий, что позволяет получить существенный экономический и технический эффект.

Некоторых  ПСЕВДОСПЛАВОВ

Свойства и методы получения псевдосплавов на основе Fe:

Особенности

- более высокая коррозионную стойкость во влажной атмосфере и в растворах солей, чем литая сталь (за счет тонкой медной пленки до 10-20 мкм).

- высокие демпфирующие характеристики ( с ростом температуры демпфирующие характеристи­ки псевдосплава повышаются). У большинства металлов, получаемых традиционными способами, высокий уровень демпфирующих харак­теристик связан с низкими прочностными свойствами. Fe—Сu сочетает высокие демп­фирующие характеристики с достаточно высокими прочностными показателями.

- высокая ударная вязкость

- высокая износоустойчивость

Получение Fe — С u

При концентрации Cu = 20 - 31 % -  каркасное строение.

При концентрации Cu = 31 – 39 % - матричное строение.

Наиболее высокими показателями прочности и пластичности, например, из железолатунных композиций обладает псевдосплав Fe — 20 % (Cu - Zn)

.

Рис. 3 Микроструктура псевдосплава Fe- 39 % (Cu-Zn)

Применение Fe - Cu:

- крупные детали машин, подверженные ударным нагрузкам и детали узлов трения (компрессорные лопатки, детали буровых снарядов, резцов и корпусов фрез).

- Электрические контакты, которые отличаются хорошей пластичностью и термостойкостью.

Свойства и методы получения псевдосплавов на основе W и Mo:

W-Cu, W-Ag, Mo-Cu, Mo-Ag (Zn, Mg, Sn, Pb)

Особенности

Свойства псевдосплавов можно варьировать в широких пределах, изменяя состав композита.

С увеличением содержания W прочностные характеристики, электросопротивление, износостойкость псевдосплавов возрастают, а показатели пластичности ухудшаются.

Получение

При объемной доле W до 50% - матричная структура.

При объемной доле W более 50% -  каркасная структура.

Замена вольфрама молибденом приводит к снижению стоимости и массы изделия. Технологии получения псевдосплавов практически не отличаются.

Применение:

Псевдосплавы на основе Wи Mo при­меняются в качестве САМООХЛАЖДАЮЩИХСЯ при работе в области высоких температур и интенсивном эрозионном воздействии высокоскорост­ных газовых потоков, поскольку основной вклад в тепловую раз­грузку рабочих поверхностей вносит теплопоглощение при переходе жидкой фазы в газообразную (т.е. испарение при кипении). Пока в порах содержится жид­кий металл, температура псевдосплава не может подняться выше его температуры кипения независимо от величины теплового потока, действующего на материал.

Применяются в ракетной технике и электротехнике:

- сопловые вкладыши ракет­ных двигателей, работающих на твердом топливе, и ряд других дета­лей, эксплуатируемых в условиях воздействия мощных тепловых потоков.

- контакты для сильноточной и высоковольтной коммутационной аппаратуры, работающей в окислительной среде.

Повышенная стойкость пористых псевдосплавов против высокотемпературного окислительного износа связана с образо­ванием на рабочих поверхностях пленки оксида легкоплавкого компонента, защищающей тугоплавкий.

Свойства и методы получения псевдосплавов на основе Ti:

Псевдосплавы Ti - Mg

Особенности

- высокий уровень антифрикционных свойств при сухом трении в вакууме, инертных и некоторых агрессивных средах,

- повышенная эрозионная стойкость при воздействии вы­сокотемпературных газовых потоков.

Получение: - методом пропитки (каркасная структура )

Применение:

Псевдосплавы Ti - Mg предназначены для изготовления дета­лей узлов трения (подшипников), подвижных уплотнений, зубчатых колес и дру­гих узлов, работающих в условиях сухого трения на воздухе, в вакууме и агрессивных средах.

Mg повышает работоспособность титаномагниевых псевдосплавов в узлах трения, выполняя функции твердой смазки. В процессе трения на поверхности псевдосплавов формируется защитная пленка из магниевой составляю­щей, снижающая работу трения и предохраняющая от износа.

Свойства и методы получения псевдосплавов на основе Ni

Псевдосплавы Ni - Ag

Особенности

- высокая пластичность

- высокая тепло- и электропроводность

- повышенную корозионную и эрозионную стойкости.

В псевдосплавах Ni-Ag Фаза на основе серебра содержит до 1.5% Ni, а фаза на основе никеля - 3.65% серебра.

Применение

- контакты для высоковольтных выключателей

- электроды контактных сварочных машин

- сопла и детали сварочных, плазмохимических и металлургических плазмотронов.

См. таблицу выше!!

ВОЛОКНИСТЫЕ МКМ

ВКА-2 – изготовляется диффузионной сваркой монослоев из боралюминия при одновременном приложении давления и температуры прессования. Предназначен для подкрепляющих элементов силового набора самолета, лопаток вентилятора (компрессора), балок, стрингеров, лонжеронов, нервюр и других силовых элементов конструкции и деталей планера и двигателя самолета на рабочие температуры до 350°С.

Свойства композиционного материала:

§ предел прочности при растяжении – 1250 МПа;

§ модуль упругости – 220 ГПа;

§ рабочая температура – до 350°С.

Рис. 4 Облегченная лопатка вентилятора с титановой оболочкой и несущими боралюминиевыми стержнями

ДКМ КОНСТРУКЦИОННОГО НАЗНАЧЕНИЯ

ВКД-1 – конструкционный композиционный материал с объемным содержанием армирующей фазы до 20%, изготавливается по порошковой технологии из порошков карбида кремния и алюминиевого сплава. Предназначен для деталей ГТД, работающих при температурах до 300°С (вал, крыльчатка вентилятора, лопатки) и силовых элементов.

Свойства композиционного материала:

§ плотность – 3 г/см³;

§ предел прочности при растяжении – 550 МПа;

§ модуль упругости – 110 ГПа.

ЭКМ на основе Та и Nb

- Та — Та₂С ( в форме пластин или стержней, объемная доля которых равна 29 %.)

Свойства. При кристаллизации армирующей фазы в форме пластинок предел прочности ЭКМ Та — Та₂С составляет 560 МПа, а относительное удлинение — 2 %. Образование этого ЭКМ с армирующей фазой в форме стержней приводит к резкому возрастанию предела прочности до 1050 МПа, однако пластичность остается невысокой (б = 1,5 %).

Прочность ЭКМ Та — Та₂С превышает прочность одного из лучших технических сплавов на основе тантала, состоящего из 90 % Та и 10 % W.

- Nb — Nb ₂ C (в форме прямо­угольных стержней, объемная доля которых составляет 37 %).

Свойства. Прочность ЭКМ Nb — Nb ₂ C при комнатной температуре в пять раз выше прочности чистого Nb и сохраняет высокие значения при повышении температуры.

ЭКМ Nb — Nb ₂ C обладают чрезвычайно высокой терми­ческой стабильностью.

Применение. ЭКМ системы Та—С и Nb —С применяются для изготов­ления деталей конструкций самолетов и ракет (лопаток двигателей, кромок крыльев и др.).

ЛЕКЦИЯ № 4

ОСНОВНЫЕ КЛАССЫ МКМ

По структуре и геометрии армирования композиты на основе металлической матрицы могут быть в виде:

- Волокнистые (МВКМ)

-Дисперсно-упрочненные (ДКМ)

- Псевдосплавы

- Эвтектические сплавы (ЭКМ)

СРАВНИТЕЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДКМ, ПСЕВДОСПЛАВОВ, МВКМ

МВКМ

СВОЙСТВА И МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ МВКМ НА ОСНОВЕ Al

МВКМ А1 - стальные волокна

Особенности:

- высокие прочностные характеристики до Т_экспл. = 450 С,

- низкая стоимость, доступность,

- удается сохранить удовлетв. пластичность (б = 20 %),

- слабая чувствительность прочности МКМ к толщине межфазового слоя,

- высокая способность к формоизменению.

Получение    

 Благодаря технологичности стальных волокон и меньшей по сравнению с хрупкими волокнами их чувствительности к повреждениям, вырабатываются практически с помощью всех известных технологических методов производства КМ.

Пример: получение КМ Al – сталь методом ЖФТ

(диаметр волокна 140 мкм, длительность контакта волокна с жидким металлом менее

1 секунды):

Рис. 1 Граница раздела в КМ «Al - сталь»

Показаны возможные пути распространения трещины: разрушение при растяжении композиционного материала происходит и в матрице, и вдоль границы раздела, что свидетельствует о их равнопрочности. Механические характеристики КМ высокие. С позиций механики КМ толщина слоя продуктов реакции до 3 мкм допустима.

Промежуточный слой на границе раздела компонентов сформировался из одного интерметаллида Fe₃Al  и возник на поверхности стального волокна в результате химической реакции между железом и жидким алюминием. Такая толщина обеспечивает оптимальную связь компонентов и не приводят к нарушению монолитности композита под нагрузкой.

МВКМ А1 – В  (А1-В/SiC)

Особенности

- Бор без покрытия – МКМ обладают высокими значениями прочности (особенно прочности при  сжатии (элементы ферменных конструкций)) и жесткости при температурах до 450 -500 С.

При Т > 500С ( активность взаимодействия повышается, образуются Бориды Al - AlB ₂. Это иглообразные кристаллы, которые прорастают в М и В, разъедают их. 

Уже при h = 1 мм - прочность МКМ резк о снижается).

Процесс взаимодействия проходит в 2 стадии:

1)  Разрушение оксидной пленки на матрице (О₂ диффундирует в толщу материала)

2) Активизируется хим. реакция с образованием AlB ₂.

Получение

При изготовлении широко используется ТФМ (чаще - диффузионная сварка).

ЖФМ (пропитка, различные виды литья и др.)… ввиду возможности взаимодействия бора с алюминием, применяют лишь в тех случаях когда на волокна бора предварительно нанесены защитные покрытия - карбид кремния (волокна борсик) или нитрид бора.

СВОЙСТВА И МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ МВКМ НА ОСНОВЕ Мg

Особенности:

- повышенные удельная прочность и жесткость

- высокая термическая стабильность вплоть до Т = 500 С ( Т_пл = 650 С )

- низкая реактивная способность Mg (возможность применения и ЖФМ и ТФМ)

МВКМ Mg – В

Получение

Магний — практически единственный конструкционный металл, стабильный по отношению к бору в жидком состоянии, что позволяет получать КМ Mg —В и методами ЖФМ и ТФМ.

Недостатком МКМ Mg - B является пониженная коррозионная стойкость

СВОЙСТВА И МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ МВКМ НА ОСНОВЕ Ti

Особенности

- высокие показатели удельной прочности, жесткости,

- жаропрочность (высокий предел ползучести)

- КМ на основе титана имеют высокую прочность при растяжении под углом к оси волокон и в поперечном направлении ( высокая внеосевая прочность )

- диапазон рабочих температур до 800 С.

Получение:

Титан и сплавы титана при повышенных температурах химически активны и в условиях изготовления КМ и их эксплуатации склонны к взаимодействию с неметаллическими наполнителями, которое приводит к образованию хрупких реакционных зон и снижению прочности волокон и КМ.

Исключение: волокна бериллия и молибдена практически не разупрочняются при взаимодействии с матрицей.

Познавательные статьи:



Техника прыжка в длину с разбега

Тактические действия в защите

История Олимпийских игр

История развития права интеллектуальной собственности