Дисперсно-упрочненные композиционные материалы.

Структура и свойства. В дисперсно-упрочненных композиционных материалах наполнителями служат дисперсные частицы тугоплавких фаз-оксидов, нитридов, боридов, карбидов ( и др.). К достоинствам тугоплавких соединений относятся высокие значения модуля упругости, низкая плотность, пассивность к взаимодействию с материалами матриц, а таких, как оксиды алюминия и кремния, - большая распространенность в природе и невысокая стоимость образующих их элементов.

Дисперсно-упрочненные композиционные материалы в основном получают методами порошковой металлургии, но существуют и другие методы, например, метод непосредственного введения наполнителей в жидкий металл или сплав перед разливкой. В последнем случае для очистки от жировых и других загрязнений, улучшения смачиваемости частиц жидким металлом и равномерного распределения их в матрице

применяют ультразвуковую обработку жидкого расплава.

В дисперсно-упрочненных композиционных материалах основную нагрузку воспринимает матрица, а дисперсные частицы упрочнителя оказывают сопротивление движению дислокаций при нагружении материала, мешают развитию пластической деформации. Чем больше это сопротивление, тем выше прочность. Поэтому прочность зависит также от дислокационной структуры, формирующейся в процессе пластической деформации при изготовлении изделий из композиционного материала. Кроме того, дисперсные частицы наполнителя оказывают «косвенное» упрочняющее действие, способствующее образованию структуры с большой степенью неравноосности зерен (волокнистой). Такая структура формируется при сочетании пластической деформации и отжигов. При этом дисперсные включения частично или полностью препятствуют рекристаллизационным процессам.

Уровень прочности зависит от объемного содержания упрочняющей фазы, равномерности ее распределения, степени дисперсности и расстояния между частицами. Согласно формуле Орована, сопротивление сдвигу увеличивается с уменьшением расстояния между частицами :

где — модуль сдвига; — межатомное расстояние; - расстояние между частицами.

Большое упрочнение достигается при размере частиц в пределах мкм и расстоянии между ними мкм. Объемное содержание частиц зависит от схемы армирования (см. с. 250).

Преимущество дисперсно-упрочненных композиционных материалов по сравнению с волокнистыми-изотропность свойств. К дисперсно-упрочненным композиционным материалам на алюминиевой основе, нашедшим промышленное применение, относится материал из спеченной алюминиевой пудры на никелевой основе - известны композиции, упрочненные частицами оксидов тория, иттрия, гафния и др.

Дисперсно-упрочненные композиционные материалы на алюминиевой основе. Материал САП характеризуется высокой прочностью, жаропрочностью, коррозионной стойкостью и термической стабильностью свойств.

САП состоит из алюминия и оксида алюминия. Получают САП путем последовательного брикетирования, спекания и прессования окисленной с поверхности алюминиевой пудры.

Исходным материалом при получении пудры служит порошок пульверизат, который изготовляют распылением расплавленного алюминия Порошок размельчают в шаровых мельницах в атмосфере азота с добавлением кислорода и стеариновой кислоты. Кислород добавляют для окисления вновь образованных поверхностей пудры, стеарин - для облегчения скольжения и препятствия свариванию частиц пудры. Частицы пудры имеют форму чешуек толщиной менее 1 мкм. Размер частиц по длине и ширине одного порядка. Он зависит от длительности размола. Толщина оксидной пленки частиц равна мкм. Чем продолжительнее время размола, тем мельче частицы пудры, больше их общая поверхность и, следовательно, выше содержание окиси алюминия. Например, пудра марки с размером частиц 30-50 мкм содержит а пудра имеющая размер частиц 10—15 мкм, . В СССР освоена технология получения алюминиевой пудры четырех марок и соответствующих им марок САП (табл. 13.3).

Структура САП представляет собой алюминиевую основу с равномерно распределенными дисперсными включениями . С увеличением содержания повышаются прочность,

ТАБЛИЦА 13.3. Механические свойства САП

твердость, жаропрочность САП и уменьшается его пластичность (рис. 13.20). Высокая прочность САП объясняется большой дисперсностью оксидной фазы, малым расстоянием между ее частицами. Нерастворимость в алюминии и отсутствие склонности к коагуляции тонкодисперсных частиц обеспечивает стабильность структуры и высокую прочность при температурах до 500 °С.

САП хорошо деформируется в горячем состоянии, хуже в холодном, легко обрабатывается резанием и удовлетворительно сваривается контактной, аргонодуговой сваркой. В настоящее время в основном применяют из них производят все виды полуфабрикатов: листы, профили, штамповые заготовки, трубы, фольгу. САП используют для деталей, работающих при температуре 300 —500 °С, от которых требуются высокая удельная прочность и коррозионная стойкость (поршневые штоки, лопатки компрессоров, лопасти вентиляторов и турбин в химической и нефтяной промышленности, конденсаторы, обмотки трансформаторов в электротехнике).

Спеченные алюминиевые сплавы (САС) изготовляют в основном по той же технологии, что и САП - из порошков, полученных распылением сплавов заданных составов.

Практическое значение имеют сплавы с низким температурным коэффициентом линейного расширения, близким к коэффициенту линейного расширения стали, и высоким модулем упругости. Так, САС состава: остальное — имеет . Эти сплавы заменяют более тяжелые стали при изготовлении отдельных деталей приборов. Механические свойства САС характеризуются достаточно высокой прочностью, твердостью и низкой пластичностью Преимущества спекаемых алюминиевых сплавов по сравнению с обычными аналогичного состава - отсутствие литейных дефектов (ликвации, шлаковых включений и т. д.) и мелкозернистая структура с равномерным распределением фаз.

Дисперсно-упрочненные композиционные материалы на никелевой основе. В качестве матрицы используют никель и его сплавы с хромом (~20%) со структурой твердых растворов. Сплавы с хромоникелевой матрицей обладают более высокой жаростойкостью. Упрочнителями служат частицы оксидов тория, гафния и др. Временное сопротивление в зависимости от объемного содержания упрочняющей фазы изменяется по кривой с максимумом. Наибольшее упрочнение достигается при содержании . Легирование никелевой

Рис. 13.20. Зависимость механических свойств САП от содержания

Рис. 13.21. Теоретическая зависимость эффективности упрочнения композиционного материала от соотношения упрочнителя

матрицы обладающими переменной растворимостью в никеле, дополнительно упрочняет материалы в результате дисперсионного твердения матрицы, происходящего в процессе охлаждения с температур спекания. Методы получения этих материалов довольно сложны. Они сводятся к смешиванию порошков металлического хрома и легирующих элементов с заранее приготовленным (методом химического осаждения) порошком никеля, содержащим дисперсный оксид гафния или другого элемента. После холодного прессования смеси порошков проводят горячую экструзию брикетов.