38.1. Классификация

Композиционные материалы — это материалы, армированные наполнителями, определенным образом расположенными в матрице Наполнителями чаще всего являются вещества с высокой энергией межатомных связей, высо­копрочные и высокомодульиые, однако в сочетании с хрупкими матрицами могут быть применены и высокопластичные наполнители [1, 2]

Связующие компоненты, или матрицы, в композиционных материалах могут быть различными — полимерными, керамическими, металлическими или смешанными. В последнем случае говорят о полиматрнчных композицион­ных материалах.

По морфологии армирующих фаз композиционные материалы подраз­деляют [1] на:

нульмерные (обозначение: 0,), или упрочненные частицами различной дисперсности, беспорядочно распределенными в матрице;

одномерные волокнистые (обозначение: 1), или упрочненные однона­правленными непрерывными или дискретными волокнами;

двухмерные слоистые (обозначение: 2), или содержащие одинаково ориентированные упрочняющие ламели или слои (рис. 38.1).

Применяют и комбинированное армирование матриц По распределению армирующих фаз или схеме армирования можно вы­делить композиционные материалы с одноосным (однонаправленным), двух­осным (плоскостным, например, ортогональным) и трехосным (объемным) армированием. Композиционные материалы первых двух видов являются анизотропными, последнего вида — изотропными

Рис. 381. Схематическое изображение композиционных материалов с различной

структурой.

о — нульмерные; б — одномерные, в — двухмерные композиционные материалы; / — матрица, 2 — армирующий наполнитель, Sp — межчастичное расстояние, df — диаметр

волокна, df — толщина слоя

Анизотропия композиционных материалов, «проектируемая» заранее с целью использования ее в соответствующих конструкциях, называется кон­струкционной [3].

По размеру армирующих фаз или размеру ячейки армирования компо­зиционные материалы подразделяют следующим образом [2]:

субмикрокомпозиты (размер ячейки армирования, диаметр волокон или частиц <С 1 мкм), например, дисперсноупрочненные сплавы или волокни­стые композиционные материалы с очень тонкими волокнами:

микрокомпозиты (размер ячейки армирования, диаметр волокон, час­тиц или толщина слоев ^1 мкм), например материалы, армированные час­тицами, волокнами углерода, карбида кремния, бора и т д., однонаправ­ленные эвтектические сплавы;

макрокомпозиты (диаметр или толщина армирующих компонентов —100 мкм), например детали из медных или алюминиевых сплавов, ар­мированные вольфрамовой или стальной проволокой или фольгой. Макро­композиты чаще всего применяют для повышения износостойкости деталей трения в технологической оснастке.

38.2. Межфазное взаимодействие в композиционных материалах

38.2.1. Физико-химическая и термомеханическая совместимость компонентов

Сочетание в одном материале веществ, существенно различающихся по хи­мическому составу и физическим свойствам, выдвигает на первый план при разработке, изготовлении и соединении композиционных материалов проблему термодинамической и кинетической совместимости компонентов. Под гермо­

динамической совместимостью понимают способность матрицы и армирую­щих наполнителей находиться в состоянии термодинамического равновесия неограниченное время при температурах получения и эксплуатации. Почти все искусственно созданные композиционные материалы термодинамически несовместимы. Исключение составляют лишь несколько металлических си­стем (Си—W, Си—Мо, Ag—W), где нет химического и диффузионного вза­имодействия между фазами прн неограниченном времени их контакта.

Кинетическая совместимость — способность компонентов композиционных материалов сохранять метастабильное равновесие в определенных темпера­турно-временных интервалах [3]. Проблема кинетической совместимости имеет два аспекта: 1) физико-химический — обеспечение прочной связи между ком­понентами и ограничение на поверхностях раздела процессов растворения, гетеро — и реакционной диффузии, которые ведут к образованию хрупких продуктов взаимодействия и деградации прочности армирующих фаз и композиционного материала в целом; 2) термомеханический—достижение благоприятного распределения внутренних напряжений термического и ме­ханического происхождения и снижение их уровня; обеспечение рациональ­ного соотношения между деформационным упрочнением матрицы и ее спо­собностью к релаксации напряжений, предупреждающей перегрузку и преж­девременное разрушение упрочняющих фаз [4].

Существуют следующие возможности улучшения физико-химической совместимости металлических матриц с армирующими наполнителями:

I. Разработка новых видов армирующих наполнителей, стойких в кон­такте о металлом матриц при высоких температурах, например керамиче­ских волокон, нитевидных кристаллов и дисперсных частиц из карбидов кремния, титана, циркония, бора, окислов алюминия, циркония, нитридов кремния, бора и др.

II Нанесение барьерных покрытий на армирующие наполнители, на­пример покрытий из тугоплавких металлов, карбидов титана, гафния, бора, нитридов титана, бора, окислов иттрия на волокна углерода, бора, карбида кремния. Некоторые барьерные покрытия на волокнах, преимущественно металлические, служат средством улучшения смачивания волокон матрич­ными расплавами, что особенно важно при получении композиционных ма­териалов жидкофазными методами [5]. Такие покрытия часто называют тех­нологическими

Не менее важным является обнаруженный при нанесении технологиче­ских покрытий эффект пластифицирования, проявляющийся в стабилизации и даже повышении прочности волокон (например, при алитировании во­локон бора протягиванием через ванну с расплавом или при никелирова­нии волокон углерода с последующей термической обработкой).

III. Применение в композиционных материалах металлических матриц, легированных элементами с большим сродством к армирующему наполни­телю, чем металл матрицы, или поверхностно-активными добавками. Про­исходящее при этом изменение химического состава границ раздела должно препятствовать развитию межфазного взаимодействия [6] Легирование мат­ричных сплавов поверхностно-активными или карбидообразующими добав­ками, так же как и нанесение технологических покрытий иа волокна, может способствовать улучшению смачиваемости металлическими расплавами ар­мирующего наполнителя.

IV. Легирование матрицы элементами, повышающими химический по­тенциал армирующего наполнителя в матричном сплаве, или добавками ма­териала армирующего наполнителя до концентраций насыщения при тем­пературах получения илн эксплуатации композиционного материала. Такое легирование препятствует растворению армирующей фазы, т. е повышает термическую стабильность композиции [7].

V. Создание «искусственных» композиционных материалов по типу «ес­тественных» эвтектических композиций путем выбора соответствующего со­става компонентов.

VI. Выбор оптимальных длительностей контактирования компонентов при том или ином процессе получения композиционных материалов или в условиях их службы, т. е. с учетом температурно-силовых факторов. Дли­тельность контактирования, с одной стороны, должна быть достаточной для возникновения прочных адгезионных связей между компонентами; с дру­гой стороны, не приводить к интенсивному химическому взаимодействию, образованию хрупких промежуточных фаз и снижению прочности компози­ционного материала.

Термомеханическую совместимость компонентов в композиционных ма­териалах обеспечивают:

выбором матричных сплавов и наполнителей с минимальным различием в модулях упругости, коэффициентах Пуассона, коэффициентах термического расширения;

применением промежуточных слоев и покрытий иа армирующих фазах, уменьшающих различия в физических свойствах матрицы и фаз;

переходом от армирования компонентом одного вида к полиармирова — иию, т. е. сочетанию в одном композиционном материале упрочняющих во­локон, частиц или слоев, различающихся по составу и физическим свой­ствам;

изменением геометрии деталей, схемы и масштаба армирования; морфоло­гии, размера и объемной доли армирующих фаз; заменой непрерывного на­полнителя дискретным;

выбором способов и режимов производства композиционного материала, обеспечивающих заданный уровень прочности связи его компонентов.

38.2.2. Армирующие наполнители

Для армирования металлических матриц применяют высокопрочные, высо­комодульные наполнители — непрерывные и дискретные металлические, не­металлические и керамические волокна, короткие волокна и частицы, ни­тевидные кристаллы (табл. 38.1).

Углеродные волокна являются одним из наиболее освоенных в произ­водстве н перспективных армирующих материалов. Важное преимущество углеродных волокон — их низкий удельный вес, теплопроводность, близкая к металлам (Я=83,7 Вт/(м-К)), относительно низкая стоимость.

Волокна поставляют в виде ровных или закрученных миогофиламентиых жгутов, тканей или лент из них. В зависимости от типа исходного сырья диаметр филаментов меняется от 2 до 10 мкм, количество филамеитов в жгуте — от сотен до десятка тысяч штук.

Углеродные волокна обладают высокой химической стойкостью в ат­мосферных условиях и минеральных кислотах. Термостойкость волокон не­высокая: температура длительной эксплуатации на воздухе не превышает 300—400 °С. Для повышения химической стойкости в контакте с металлами на поверхность волокон наносят барьерные покрытия из боридов титана и циркония, карбидов титана, циркония, кремния, тугоплавких металлов [4].

Борные волокна получают осаждением бора из газовой смеси водорода и треххлористого бора иа нагреваемую до температуры 1100—1200 °С вольфрамовую проволоку или углеродные моноволокна. При нагреве иа воздухе волокна бора начинают окисляться при температурах 300—350 °С, при 600—800 °С полностью теряют прочность. Активное взаимодействие с большинством металлов (Al, Mg, Ті, Fe, Ni) начинается при температурах 400—600 °С. Для повышения термостойкости иа волокна бора наносят газо­фазным способом тонкие слои (2—6 мкм) карбида кремния (SiC/B/W), карбида бора (B4C/B/W), нитрида бора (BN/B/W)

Волокна карбида кремния диаметром 100—200 мкм производят осажде­нием при 1300 °С из парогазовой смеси четыреххлористого кремния и метана, разбавленной водородом в соотношении 1:2: 10, иа вольфрамовую проволоку

СВОЙСТВА ВОЛОКОН И ПРОВОЛОК ДЛЯ АРМИРОВАНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ [1, 3, 4, 6]

Материал

Температура

плавления,

К

Диаметр,

мкм

Плотность,

г/см3

Термический

коэффициент

линейного

расширения,

ю-вк-‘

Временное сопротивле­ние разрыву о, 10* МПа

Модуль упругости Е. ГПа

Относи­тельное удлинение 6, %

Производство

Волокна углеродные

ВМН-4

3873

6,0

1,71

—0,5-=—1,4

22,0

270

0,8

СССР

Кулон

1,90

20,0

400—600

0,4

СССР

ЛУ-3

1,7

25—30

250

1,1

СССР

ЛУ-4

1,7

30—35

250

1,3

СССР

Элур

1.6

2,0

150

1,3

СССР

Ррафил-HST

8,0

1,77

25—29

240

1,0

Англия

Модмор II

8,1

1,8

28

270

0,8—1,0

Англия

Торнел-40

6,9

1,56

17,2

276

0,8

США

Торнел-100

9,4

1,95

34,5

690

—.

США

Торайка-Т-ЗООА

8,4

1,75

25—31

220—250

0,9—1,2

Япония

Торайка-М-40А

7,9

1,8

20—25

370—430

0,5—1,7

Япония

Волокна борные

B/W

2500±100

100

2,59

7 ±0,7

29—34,4

385—388

0,75—0,9

СССР

B/W

140

2,47

34

383—392

0,9

США

SiC/B/W

145

2,6

28

400

0,8

США

B4c/B/W

140

32,9

390

СССР

Волокна карбида кремния

SiC/W

2873

100—140

3,4—3,5

4,2—4,5

25—37

380—420

0,3—0,5

США

Ни кал он

15—20

2,55—2,58

3,1

19—30

180—200

1,4

Япония

Волокна

металлические

Бериллиевые

1557

51—127

1,84

10,0

10—14,5

290

_

СССР

Вольфрамовые

3873

51—1260

19,3

4,76

20—32

410

0,3—3,1

СССР

Молибденовые

2883

250—1270

10,22

6,9

7,5—9,6

300

0,3—10

СССР

Титановые

1941

800

4,5

8,5—9,2

14—20

120

2—6

СССР

Стальные

1573

20—1500

7,8

11,0

23—45

200

1—8

СССР

ТАБЛИЦА 38.2

СПЛАВЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В КАЧЕСТВЕ МАТРИЧНЫХ В КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛАХ [3,7]

Сплавы

Состав, % (по массе)

Страна — разработчик и ГОСТ

Свойства сплавов

гпл — К

V» г/см3

а-10е,

град

0В, МПа

Е, ГПа

Алюминиевые

СССР

933

АД1

<0,3 Fe, <0,3 Si, <0,25 Mn

ГОСТ 4784—74

2,71

24,6

80

АМгб

6,8 Mg—0,8 Mn—0,005 Be

ГОСТ 4784—74

2,64

24,7

300

АДЗЗ

0,4 Cu—1,2 Mg—0,8 Si—0,35 Cr

ГОСТ 4784—74

2,71

24,1

320

Д16

4,9 Cu—1,8 Mg—0,9 Mn

ГОСТ 4784—74

2,78

24,2

520

В-95

2,0 Cu—2,8 Mg—0,6 Mn—0,25 Cr

ГОСТ 4784—74

2,85

24,2

600

АЛ 2

lO-f-13 Si

ГОСТ 2685—75

2,65

21,1

180

АЛ9

0,4 Mg—6-1-8 Si

ГОСТ 2685—75

2,66

23,0

200

1100

1 Fe—0,2 Cu—0,1 Zn

США

86

63

2024

0,5 Si—0,5 Fe—4,9 Cu—0,25 Zn—

240

71

0,9 Mn—1,8 Mg

6061

0,8 Si—0,7 Fe—0,4 Cu—0,25 Zn—

136

70

0,15 Mn—1 Mg—0,15 Ті—0,15 Cr

Магниевые

СССР

924

МА1

1,3—2,5 Mn

1,74

27,0

200

41

МЛ5

(7,5—9,0) Al—0,5 Mn—(0,2—0,8) Zn

ГОСТ 2856—68

1,81

26,8

250

45

МЛ12

(4—5) Zn—(0,6—1,1) Zr

1,81

26,2

250

44

Т итановые

СССР

1941

ВТ 1-0

4,51

8,3

343—490

103

ВТ6С

(5,3—6,5) Al—(3,5—4,5) V

4,43

8,4

950—1150

120

ВТ22

5,9 Al—5,5 V—5,5 Mo—2,0 Cr—

1400

115

1,5 Fe

Никелевые

СССР

1726

ХН78Т

(19—22) Cr—(0,15—0,35) Ті

8,35

14,22

730—780

195

ХН60ВТ

25 Cr—(13—16) W— (0,3—0,7) Ті

8,88

12,7

750—900

200

ЖС6К

(4—5) Co—12 Cr—4 Mo—5 W—

8,1

11,0

1000

200

3 Ті—6 Al—2 Fe

или пековые моиоволокна углерода. Лучшие образцы волокон имеют проч­ность 3000—4000 МПа при 1100 °С

Волокна карбида кремния бескерновые в виде многофиламеитных жгу­тов, полученные из жидких органосиланов путем вытягивания и пиролиза, состоят из сверхтонких кристаллов f}-SiC.

Металлические волокна выпускают в виде проволоки диаметром 0,13; 0,25 и 0,5 мм. Волокна из высокопрочных сталей, сплавов бериллия пред­назначаются в основном для армирования матриц из легких сплавов и титана. Волокна из тугоплавких металлов, легированных рением, титаном, окисиыми и карбидными фазами, применяют для упрочнения жаропрочных иикельхромнстых, титановых и других сплавов.

Нитевидные кристаллы, применяемые для армирования, могут быть металлическими или керамическими. Структура таких кристаллов моно — кристаллическая, диаметр обычно до 10 мкм при отношении длины к диа­метру 20—100 Получают нитевидные кристаллы различными методами: вы­ращиванием из покрытий, электролитическим осаждением, осаждением из парогазовой среды, кристаллизацией из газовой фазы через жидкую фазу. по механизму пар — жидкость — кристалл, пиролизом, кристаллизацией из насыщенных растворов, вискеризацией [3]

38.2.3. Матричные сплавы

В металлических композиционных материалах применяют преимущественно матрицы из легких деформируемых и литейных сплавов алюминия и маг­ния, а также из сплавов меди, никеля, кобальта, цинка, олова, свинца, се­ребра; жаропрочных никель-хромистых, титановых, циркониевых, ванадиевых сплавов; сплавов тугоплавких металлов хрома и ниобия (таблица 38 2).

38.2.4. Типы связи и структур поверхностей раздела в композиционных материалах

В зависимости от материала наполнителя и матриц, способов и режимов получения по поверхностям раздела композиционных материалов реализу­ются шесть видов связи (табл 38.3). Наиболее прочную связь между ком­понентами в композициях с металлическими матрицами обеспечивает хи­мическое взаимодействие. Распространенный вид связи — смешанный, пред­ставленный твердыми растворами и интерметаллидными фазами (например, композиция «алюминийборные волокна», полученная методом непрерывного литья) или твердыми растворами, интерметаллидными и окисными фазами (та же композиция, полученная прессованием плазменных полуфабрикатов) и т. д. [8, 9].

38.3. Способы производства композиционных материалов

Технология производства металлических композиционных материалов опре­деляется конструкцией изделий, особенно если они имеют сложную форму и требуют подготовки мест соединений сваркой, пайкой, склеиванием или клепкой, и, как правило, является многопереходной.

Элементной основой производства деталей или полуфабрикатов (лис­тов, труб, профилей) из композиционных материалов чаще всего служат так называемые препреги, или ленты с одним слоем армирующего наполни­теля, пропитанным или покрытым матричными сплавами; пропитанные ме­таллом жгуты волокон или индивидуальные волокна с покрытиями из мат­ричных сплавов.

ВИДЫ СВЯЗИ ПО ПОВЕРХНОСТЯМ РАЗДЕЛА В КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛАХ

Вид связи

Примеры

Механическая связь между компо­нентами

Растворение, смачивание

Образование новых фаз иа поверх­ности раздела в результате хими­ческой реакции между компонен­тами

Обменные химические реакции ме­жду компонентами

Связь через окислы

Смешанная связь, или сочетание различных видов связи

Стекловолокно, углеволокио—полимерная матрица

Медный расплав — вольфрамовые во­локна

Взаимодействие тигаиа с волокнами бора; Ti+2B-»-TiBa

Взаимодействие матрицы из титанового сплава, содержащего алюминий, с волок­нами бора:

Ті (Al)-j-2B-4Ti, Al) В2 Ti-HTi, Al) Ba-»TiBa+Ti (Al) Образование шпинели на поверхности раз­дела волокна сапфира—никелевая матри­ца; Nt0+Ala03 NiAla04 Взаимодействие волокон бора с алюминие­вым расплавом: смачивание, образование раствора А1 (В), образование продуктов взаимодействия в виде изолированных фаз А1В1а, А1Вю, А1Ва

Детали и полуфабрикаты получают соединением (компактироваиием) ис­ходных препрегов методами пропитки, горячего прессования, прокатки или волочения пакетов из препрегов. Иногда и препреги, и изделия из компози­ционных материалов изготавливают одними и теми же способами, напри­мер по порошковой или литейной технологии, ио при различных режимах и на разной технологической осиастке.

Способы получения препрегов, полуфабрикатов и изделий из компози­ционных материалов с металлическими матрицами можно разделить иа пять основных групп: 1) парогазофазиые; 2) химические и электрохимиче­ские; 3) жидкофазиые; 4) твердофазные; 5) твердожидкофазные [3, 4].

38.4. Свойства композиционных материалов с металлической матрицей

Композиционные материалы с металлическими матрицами имеют ряд не­оспоримых преимуществ перед другими конструкционными материалами, предиазначеииыми для работы в экстремальных условиях. К этим преиму­ществам относятся: высокие прочность и. жесткость в сочетании с высокой вязкостью разрушения; высокие удельные прочность и жесткость (отноше­ние предела прочности и модуля упругости к удельному весу а/у и Е/у); высокий предел усталости; высокая жаропрочность; малая чувствительность к тепловым ударам, к поверхностным дефектам, высокие демпфирующие свойства, электро — и теплопроводность, технологичность при конструирова­нии, обработке и соединении (табл. 38 4).

КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ С МЕТАЛЛИЧЕСКИМИ МАТРИЦАМИ В СРАВНЕНИИ С ЛУЧШИМИ МЕТАЛЛИЧЕСКИМИ КОНСТРУКЦИОННЫМИ МАТЕРИАЛАМИ

Свойства, условия эксплуатации

Лучшие

металлические

материалы

Композиционные

материалы

Удельная прочность ajy, км

20—30

50—70

Удельный модуль упругости Е/у, км

(2—3) 103

(5—7) 103

Предел усталости

(0,3—0,5)ав

(0,6—0,75)ав

Отношение максимальной температуры

0

1

О

СЛ

°1

О

1

00

о

эксплуатации к температуре плавления

Тэкспл^Т ПЛ

ТАБЛИЦА 385

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ С МЕТАЛЛИЧЕСКИМИ МАТРИЦАМИ [3, 4]

Композиция

s*

gtr

*%

Метод

Механические

свойства

2 * a x

P

O 8

получения

и

а

о

ов, МПа

Е, ГПа

6, %

Алюминиевые сплавы — волокна, проволока, НК АДМ2Х18Н10Т

24,3

Прокатка

3,8

846

АМг6-12Х18НДТ

20

То же

3,67

628

90

АДІ-ВНС9

40

Горячее

1450

А1—В

40

прессование

Диффузион­

2,67

900—1140

190—220

0,7

6061—В

60

ная сварка То же

2,66

1400—1600

260—277

0,6

А1—7 % Mg—Tornel 75

31

Пропитка

612—873

199

Al—12 % Si—Tornel 50

28

То же

660—730

148

Al—SiOa

50

Горячее

770—840

_

Al—SiC/W

50

прессование То же

950

_

Al—Ala03 (HK)

20

»

380

122

Магниевые сплавы—на­полнитель Mg-B

28

Пропитка

545

119

0,30

30

Непрерыв­

960

220

45

ное литье Диффузион­

2,2

1200—1300

220

0,5

Mg—Tornel 75

42

ная сварка Пропитка

1,77

450

185

При отсутствии специальных требований к материалам по теплопровод­ности, электропроводности, хладостойкости и другим свойствам температур­ные интервалы работы композиционных материалов определяют следующим образом: <250 °С — для материалов с полимерными матрицами; >1000 °С — для материалов с керамическими матрицами; композиционные материалы с металлическими матрицами перекрывают эги пределы

Прочностные характеристики некоторых композиционных материалов приведены в табл 38 5.

Основные виды соединения композиционных материалов сегодня — бол­товые, клепаные, клеевые, соединения пайкой и сваркой и комбинирован­ные Соединения пайкой и сваркой особенно перспективны, поскольку от­крывают возможность наиболее полно реализовать уникальные свойства композиционного материала в конструкции, однако их осуществление пред­ставляет сложную научную и техническую задачу и во многих случаях еще не вышло из стадии эксперимента

38.5. Проблемы свариваемости композиционных материалов

Если под свариваемостью понимать способность материала об­разовывать сварные соединения, не уступающие ему по своим свойствам, то композиционные материалы с металлическими матрицами, особенно волокнистые, следует отнести к трудносва — риваемым материалам. К тому имеется несколько причин.

I. Методы сварки и пайки предполагают соединение компо­зиционных материалов по металлической матрице. Армирую­щий наполнитель в сварном или паяном шве или полностью от­сутствует (например, в стыковых швах, расположенных поперек направления армирования в волокнистых или слоистых компо­зиционных материалах), или присутствует в уменьшенной объ­емной доле (при сварке дисперсно-упрочненных материалов про­волоками, содержащими дискретную армирующую фазу), или происходит нарушение непрерывности и направленности армиро­вания (например, при диффузионной сварке волокнистых ком­позиций поперек направления армирования). Следовательно, сварной или паяный шов является ослабленным участком кон­струкции из композиционного материала, что требует учета при конструировании и подготовке места соединения под сварку. В литературе имеются предложения по автономной сварке ком­понентов композиции для сохранения непрерывности армирова­ния (например, сварка давлением вольфрамовых волокон в ком­позиции вольфрам — медь [10]), однако автономная сварка встык волокнистых композиционных материалов требует спе­циальной подготовки кромок, строгого соблюдения шага арми­рования и пригодна лишь для материалов, армированных ме­таллическими волокнами. Другое предложение состоит в под­готовке стыковых соединений с перекрытием волокон на длине больше критической, однако при этом возникают трудности с заполнением стыка матричным материалом и обеспечением прочной связи по границе волокно—матрица.

II. Влияние сварочного нагрева на развитие физико-химиче­ского взаимодействия в композиционном материале удобно рас­смотреть на примере соединения, образующегося при проплав­лении дугой волокнистого материала поперек направления ар­мирования (рис. 38.2). Если металл матрицы не обладает полиморфизмом (например, Al, Mg, Cu, Ni и др.), то в соедине­нии можно выделить 4 основные зоны: 1 — зона, нагреваемая до температуры возврата матрицы (по аналогии со сваркой одно­родных материалов назовем этот участок основным материа­лом); 2 — зона, ограниченная температурами возврата и ре­кристаллизации металла матрицы (зона возврата); 3— зона,

‘/77 / )ГУ//,/////[>////Ї7

Рис. 38 2. Основные структурные зоны в сварном со­единении волокнистого композиционного материала, вы­полненного сваркой плавлением

и

ограниченная температурами рекристаллизации и плавления матрицы (зона рекристаллизации); 4 — зона нагрева выше тем­пературы плавления матрицы (назовем эту зону сварным швом). Если матрицей в композиционном материале явля­ются сплавы Ті, Zr, Fe и других металлов, имеющих поли­морфные превращения, то в зоне 3 появятся подзоны с полной или частичной фазовой перекристаллизацией матрицы, ио для данного рассмотрения этот момент несуществен.

Изменения свойств композиционного материала начинаются в зоне 2. Здесь процессы возврата снимают деформационное упрочнение матрицы, достигнутое при твердофазном компакти — ровании композиционного материала (в композициях, получен­ных жидкофазными методами, разупрочнение в этой зоне не наблюдается).

В зоне 3 происходит рекристаллизация и рост зерен металла матрицы. Вследствие диффузионной подвижности атомов мат­рицы становится возможным дальнейшее развитие межфазного взаимодействия, начало которому было положено в процессах производства композиционного материала, увеличивается тол­щина хрупких прослоек и ухудшаются свойства компози­ционного материала в целом. При сварке плавлением материа­
лов, полученных методами твердофазного компактирования по­рошков или препрегов с порошковой или напыленной матрицей, возможна пористость по границе сплавления и примыкающим к ней межфазным границам, ухудшающая не только прочност­ные свойства, но и герметичность сварного соединения.

В зоне 4 (сварном шве) можно выделить 3 участка:

— участок 4′, примыкающий к оси шва, где из-за сильного перегрева под дугой металлического матричного расплава и наи­большей длительности пребывания металла в расплавленном состоянии происходит полное растворение армирующей фазы;

— участок 4", характеризующийся более низкой температу­рой нагрева расплава и меньшей длительностью контактирова­ния армирующей фазы с расплавом. Здесь эта фаза лишь ча­стично растворяется в расплаве (например, уменьшается диа­метр волокон, на их поверхности появляются раковины; нарушается однонаправленность армирования);

— участок 4"’, где заметного изменения размеров армирую­щей фазы не происходит, но развивается интенсивное взаимо­действие с расплавом, образуются прослойки или островки хрупких продуктов взаимодействия, снижается прочность арми­рующей фазы. В итоге зона 4 становится зоной максимального повреждения композиционного материала при сварке.

III. Из-за различий в тепловом расширении материала мат­рицы и армирующей фазы в сварных соединениях композици­онных материалов возникают дополнительные термоупругие на­пряжения, вызывающие образование различных дефектов: растрескивание, разрушение хрупких армирующих фаз в наи­более нагретой зоне 4 соединения, расслоения по межфазным границам в зоне 3.

Для обеспечения высоких свойств сварных соединений ком­позиционных материалов рекомендуется следующее.

Во-первых, из известных методов соединения следует отдать предпочтение методам сварки в твердой фазе, при которых вследствие меньшей подводимой энергии можно достичь мини­мальной деградации свойств компонентов в зоне соединения.

Во-вторых, режимы сварки давлением должны быть вы­браны так, чтобы исключить смещение или дробление армирую­щего компонента.

В-третьих, при сварке плавлением композиционных материа­лов следует выбирать способы и режимы, обеспечивающие ми­нимальное тепловложение в зону соединения.

В-четвертых, сварку плавлением следует рекомендовать для соединения композиционных материалов с термодинамически совместимыми компонентами, такими, как медь — вольфрам, медь — молибден, серебро — вольфрам, или армированных термостойкими наполнителями, например волокнами карбида кремния, или наполнителями с барьерными покрытиями, напри­мер волокнами бора с покрытиями карбида бора или карбида кремния.

В-пятых, электродный или присадочный материал или мате­риал промежуточных прокладок для сварки плавлением или пайки должен содержать легирующие добавки, ограничиваю­щие растворение армирующего компонента и образование хрупких продуктов межфазного взаимодействия в процессе сварки и при последующей эксплуатации сварных узлов.

38.5.1. Сварка композиционных материалов

Волокнистые и слоистые композиционные материалы чаще всего соединяют внахлестку. Отношение длины перекрытия к толщине материала обычно превышает 20. Такие соединения могут быть дополнительно усилены заклепочными или болто­выми соединениями. Наряду с нахлесточными соединениями возможно выполнение стыковых и угловых сварных соединений в направлении армирования и, реже, поперек направления ар­мирования. В первом случае при правильном выборе способов и режимов сварки или пайки возможно достижение равнопроч­ности соединения; во втором случае прочность соединения обычно не превышает прочности матричного материала.

Композиционные материалы, армированные частицами, ко­роткими волокнами, нитевидными кристаллами, сваривают с использованием тех же приемов, что и дисперсионно-твердею — щие сплавы или порошковые материалы. Равнопрочность свар­ных соединений основному материалу в этом случае может быть достигнута при условии, если композиционный материал изготовлен методами жидкофазной технологии, армирован тер­мостойкими наполнителями и при выборе соответствующих ре­жимов сварки и сварочных материалов. В ряде случаев элек­тродный или присадочный материал может быть аналогичен или близок по композиции основному материалу.

38.5.2. Дуговая сварка в среде защитных газов

Метод используют для сварки плавлением композиционных ма­териалов с матрицей из химически активных металлов и спла­вов (алюминия, магния, титана, никеля, хрома). Сварку осуще­ствляют неплавящимся электродом в атмосфере аргона или смеси с гелием. Для регулирования теплового воздействия сварки на материалы целесообразно применение импульсной дуги, сжатой дуги или трехфазной дуги.

Для повышения прочности соединений рекомендуют выпол­нять швы композиционными электродами или присадочными проволоками с объемным содержанием армирующей фазы 15—20%. В качестве армирующих фаз применяют короткие во­локна бора, сапфира, нитрида или карбида кремния.

38.5.3. Электронно-лучевая сварка

Преимущества метода — в отсутствии окисления расплав­ленного металла и армирующего наполнителя, вакуумной дега­зации металла в зоне сварки, высокой концентрации энергии в пучке, позволяющей получить соединения с минимальной ши­риной зоны плавления и околошовной зоны. Последнее преиму­щество особенно важно при выполнении соединений волокнис­тых композиционных материалов в направлении армирования. При специальной подготовке соединений возможна сварка с ис­пользованием присадочных проставок.

38.5.4. Контактная точечная сварка

Наличие армирующей фазы в композиционном материале снижает его тепло — и электропроводность по сравнению с мате­риалом матрицы и препятствует формированию литого ядра. Удовлетворительные результаты получены при точечной сварке тонколистовых композиционных материалов с плакирующими слоями. При сварке листов различной толщины или компози­ционных листов с однородными металлическими листами для того, чтобы вывести ядро сварной точки в плоскость соприкос­новения листов и сбалансировать разницу в электропроводно­сти материала, подбирают электроды с разной проводимостью, с обжатием периферийной зоны, изменяют диаметр и радиус закругления электродов, толщину плакирующего слоя, приме­няют дополнительные прокладки [11].

Средняя прочность сварной точки при сварке одноосноарми — рованных бор алюминиевых пластин толщиной 0,5 мм (с объем­ной долей волокон 50%) составляет 90% от прочности бора — люминия эквивалентного сечения. Прочность соединения листов боралюминия с перекрестным армированием выше, чем листов с одноосным армированием.

38.5.5. Диффузионная сварка

Процесс проводят при высоком давлении без использования припоя. Так, детали из боралюминия, подлежащие соединению, нагревают в герметичной реторте до температуры 480 °С при давлении до 20 МПа и выдерживают в этих условиях в течение 30—90 минут. Технологический процесс диффузионной точечной сварки сопротивлением боралюминия с титаном почти не отли­чается от точечной сварки плавлением. Разница в том, что ре­жим сварки и форма электродов подобраны так, чтобы темпера­тура нагрева алюминиевой матрицы была близка к температуре плавления, но ниже ее. В результате в месте контакта образу­ется диффузионная зона толщиной от 0,13 до 0,25 мкм.

Образцы, сваренные внахлестку диффузионной точечной свар­кой, при испытании на растяжение в интервале температур 20—120 °С разрушаются по основному материалу с вырывом вдоль волокон. При температуре 315 °С образцы разрушаются сдвигом по месту соединения.

38.5.6. Клинопрессовая сварка

Для соединения законцовок из обычных конструкционных сплавов с трубами или корпусами из композиционных материа­лов разработан способ сварки разнородных металлов, резко различающихся по твердости, который можно назвать микро- клинопрессовым. Давление впрессовывания получают за счет термических напряжений, возникающих при нагреве оправки и обоймы приспособления для термокомпрессионной сварки, выполненных из материалов с различными коэффициентами термического расширения (К. ТР). Элементы законцовки, на контактную поверхность которых нанесена клиновая резьба, со­бирают с трубой из композиционного материала, а также с оп­равкой и обоймой. Собранное приспособление нагревают в за­щитной среде до температуры 0,7—0,9 от температуры плавле­ния наиболее легкоплавкого металла. Оправка приспособления имеет больший КТР, чем обойма. В процессе нагрева расстоя­ние между рабочими поверхностями оправки и обоймы сокра­щается, и выступы («клинья») резьбы на законцовке впрессо­вываются в плакировочные слои трубы. Прочность твердофаз­ного соединения не ниже прочности матричного или плакировочного металла.

38.5.7. Сварка взрывом

Сварку взрывом применяют для соединения листов, профи­лей и труб из металлических композиционных материалов, ар­мированных металлическими волокнами или слоями, имеющими достаточно высокие пластические свойства, чтобы избежать дробления армирующей фазы, а также для соединения компо­зиционных материалов с закоицовками из различных металлов и сплавов. Прочность соединений обычно равна или даже выше (за счет деформационного упрочнения) прочности наименее прочного матричного материала, применяемого в соединяемых деталях. Для повышения прочности соединений применяют промежуточные прокладки из других материалов.

В соединениях обычно отсутствуют поры или трещины. Оп­лавленные участки в переходной зоне, особенно при сварке взрывом разнородных металлов, представляют собой смеси фаз эвтектического типа.

38.6. Пайка композиционных материалов

Процессы пайки весьма перспективны для соединения компози­ционных материалов, поскольку могут осуществляться при тем­пературах, не оказывающих влияния на армирующий наполни­тель и не вызывающих развития межфазного взаимодействия.

Пайка выполняется обычными техническими приемами, т. е. погружением в припой или в печи. Весьма важен вопрос о ка­честве подготовки поверхности под пайку. Соединения, выпол­ненные твердыми припоями с применением флюсов, подвер­жены коррозии, поэтому флюс должен быть полностью удален из зоны соединения.

Пайка твердыми и мягкими припоями

Разработано несколько вариантов пайки боралюминия. Оп­робованы припои для низкотемпературной пайки [12]. При­пои состава 55% Cd —45% Ag, 95% Cd —5% Ag, 82,5 % Cd—17,5% Zn рекомендуются для деталей, работающих при температурах не выше 90 °С; припой состава 95% Zn — 5% Al — для рабочих температур до 315 °С. Для улучшения смачи­вания и растекания припоя на соединяемые поверхности нано­сят слой никеля толщиной 50 мкм. Высокотемпературную пайку производят с использованием эвтектических припоев системы алюминий — кремний при температурах порядка 575—615 °С. Время пайки должно быть сведено к минимуму из-за опасно­сти деградации прочности борных волокон.

Основные трудности при пайке углеалюминиевых компози­ций как между собой, так и с алюминиевыми сплавами связаны с плохой смачиваемостью углеалюминия припоями. Лучшими припоями являются сплав 718 (А1—12% Si) или чередую­щиеся слои фольги из сплава 6061. Пайку производят в печи в атмосфере аргона при температуре 590 °С в течение 5— 10 мин. Для соединения боралюминия и углеалюминия с тита­ном могут быть применены припои системы алюминий — крем­ний— магний. Для повышения прочности соединения рекомен­дуют на поверхность титана наносить слой никеля.

Эвтектическая диффузионная пайка. Метод состоит в нане­сении на поверхность свариваемых деталей тонкого слоя вто­рого металла, образующего эвтектику с металлом матрицы. Для матриц из сплавов алюминия используют слои из Ag, Си, Mg, Ge, Zn, температура эвтектики которых с алюминием соот­ветственно 566, 547, 438, 424 и 382 °С. В результате диффузион­ного процесса концентрация второго элемента в зоне контакта постепенно снижается, и температура плавления соединения повышается, приближаясь к температуре плавления матрицы. Таким образом, паяные соединения могут работать при темпе­ратурах, превышающих температуру панки.

При диффузионной пайке боралюминия поверхности соеди­няемых деталей покрывают серебром и медью, затем сжимают и выдерживают под давлением до 7 МПа при температуре 510—565 °С в стальной реторте в вакууме нли инертной атмо­сфере.