Дисперсно-упрочненные композиционные материалы

Содержание

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение 
 
 Дисперсно-упрочненные композиционные материалы (ДКМ) относятся к классу порошковых композиционных материалов. Структура ДКМ представляет собой матрицу из чистого металла или сплава, в которой равномерно распределены на заданном расстоянии одна от другой тонкодисперсные частицы упрочняющей фазы размером менее 0,1 мкм, искусственно введенные в материал на одной из технологических стадий. Объемная доля этих частиц (включений) составляет 0,1—15 %. В качестве упрочняющей фазы используют дисперсные частицы оксидов, карбидов, нитридов, боридов и других тугоплавких соединений, а также интерметаллических соединений.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.Общая характеристика

 
  Дисперсно-упрочненные композиционные материалы представляют собой материал, в матрице которого равномерно распределены мелкодисперсные частицы второго вещества. В таких материалах при нагружении всю нагрузку воспринимает матрица, в которой с помощью множества практически не растворяющихся в ней частиц 2-й фазы создается структура, эффективно сопротивляющаяся пластической деформации.

 
  Упрочнение таких материалов заключается в создании в них структуры, затрудняющей движение дислокации. Наиболее сильное торможение передвижению дислокаций создают дискретные частицы второй фазы, например химические соединения типа карбидов, нитридов, боридов, оксидов, характеризующиеся высокой прочностью и температурой плавления.  
 В дисперсно-упрочненных материалах заданные прочность и надежность достигаются путем формирования определенного структурного состояния, при котором эффективное торможение дислокаций сочетается с их равномерным распределением в объеме материала либо (что особенно благоприятно) с определенной подвижностью скапливающихся у барьеров дислокаций для предотвращения хрупкого разрушения. В ДКМ (как и в порошковых композиционных материалах) матрица несет основную нагрузку. 

 

 

 

2. Дисперсно-упрочненные композиционные материалы на основе различных металлов 
 
2.1. Дисперсно-упрочненные композиционные материалы на основе алюминия.

 
  Оксиды являются наиболее распространенными соединениями, применяемыми в качестве упрочняющейся фазы в ДКМ на основе алюминия и его сплавов. Получают упрочненные оксидами ДКМ, называемые САП, из алюминиевых порошков, покрытых оксидной пленкой. В странах СНГ в промышленном масштабе выпускаются три марки ДКМ на основе алюминия: САП-1, САП-2 и САП-3, отличающиеся между собой концентрацией оксидов (таблица 1). Зарубежным аналогом САП-1 является SAP-930, САП-2 — SAP-895, САП-3 — SAP-865. Сплавы SAP — ISML-930, SAP — ISML-895 и SAP — ISML-865 отличаются повышенной структурной стабильностью и коррозионной стойкостью за счет пониженного содержания железа в матрице (менее 0,1 %).

Таблица 1. Химический состав ДКМ типа САП 

 

 

 

 

 

  Наряду с материалами типа САП разработаны ДКМ А1 — С, основной упрочняющей дисперсной фазой в которых служит карбид алюминия А14Сз, образующийся в результате взаимодействия алюминия с углеродом.

 

 
Технология получения.

  Материалы САП-1 и САП-2 получают из пудры АПС-3. Технология их получения включает операции брикетирования и горячей экструзии. Все три типа САП могут обрабатываться методами горячей пластической деформации при температурах 723—793 К с охлаждением на воздухе.

  САПы сохраняют стабильную структуру после нагрева до 773 К в течение 10 000—100 000 ч. Термическая обработка не требуется. Поставляются в виде листов, фольги, полос, профилей, труб, прутков, проволоки, штамповок [3]. 
 Плакированные листы из САПов могут свариваться контактной точечной сваркой. Для повышения способности к сварке плавлением брикеты подвергают высокотемпературному вакуумному отжигу.

  ДКМ Al — С получают методом реакционного смешивания алюминиевого порошка с мелкоизмельченной сажей в течение 0,5—4 ч, в процессе которого происходит образование карбида алюминия А14С3. Последующий нагрев до 823 К в течение 0,5 ч приводит к завершению процесса образования карбидов, после чего ДКМ подвергают горячей экструзии при 803 К, позволяющей получать различные профили. Применяемая технология дает хорошие результаты при концентрации углерода не более 5 %, что соответствует объемной доле А14Сз, примерно равной 20—22 %. ДКМ содержит также до 2 % Аl203, присутствующего в исходном алюминиевом порошке. ДКМ А1 — С по устойчивости к рекристаллизации при высоких температурах близки к материалам типа САП. Их можно подвергать горячей экструзии, прокатке, ковке.

 

 

Свойства.

  Увеличение концентрации оксида алюминия в САП и концентрации карбида алюминия в ДКМ Al — С приводит к повышению прочности и снижению пластичности. Оптимальное соотношение прочности и пластичности САП обеспечивается при концентрации оксида алюминия 6—16 %, а ДКМ Al — С— при концентрации углерода 3—5 %. 
При температурах 573—773 К ДКМ на основе алюминия превосходят по прочности все промышленные алюминиевые сплавы (таблицы 2 и 3). Отличительной особенностью этих ДКМ являются высокие показатели длительной прочности и ползучести (таблицы 4 и 5), а также стабильность механических характеристик после высокотемпературных отжигов.

Введение дисперсных частиц в легированные алюминиевые сплавы менее эффективно повышает прочность ДКМ при высоких температурах, чем дисперсное упрочнение нелегированного алюминия. Это связано с понижением температуры плавления и уменьшением энергии дефектов упаковки при легировании. При низких и средних температурах прочность легированных ДКМ выше, чем нелегированных.

 
  К. т. р. и теплопроводность уменьшаются, а удельное электрическое сопротивление и теплоемкость растут с увеличением концентрации оксида алюминия в ДКМ типа САП и концентрации карбида алюминия в ДКМ Al — С. С повышением температуры к. т. р. увеличивается, а тепло- и электропроводность САП уменьшаются (таблица 6).

Электрическое сопротивление ДКМ Al — С составляет 3 ∙ 10-8 Ом∙м при общей объемной доле карбидов и оксидов алюминия 4 %; 3,3 ∙ 10-8 Ом∙м при 8%; 3,7 ∙ 10-8 Ом∙м при 12 %; 4,2 ∙ 10-8 Ом∙м при 16 %; 4,9 ∙ 10-8 Ом∙м при 20 %; 5,5 ∙ 10-8 Ом∙м при 24 %. 
ДКМ типа САП имеют высокую коррозионную стойкость, близкую к стойкости алюминия АД1. ДКМ Аl — С предположительно имеют более низкую коррозионную стойкость на воздухе и в воде.

 
Применение.

Высокие показатели прочностных характеристик позволяют применять ДКМ на основе Аl в изделиях, длительно работающих при температурах 573—773 К, а также испытывающих кратковременные перегревы до 973—1273 К. САПы можно использовать при работе в тяжелых коррозионных условиях.

Таблица 2. Механические свойства ДКМ типа САП

Таблица 3. Механические свойства ДКМ Al – C

 

Таблица 4. Длительная прочность и пределы ползучести САП

 

 

 

 

Таблица 5. Длительная прочность ДКМ   Al – C

 

Таблица 6. Физические свойства ДКМ на основе алюминия

 

 

 

2.2. Дисперсно-упрочненные  композиционные материалы на основе железа

Наиболее приемлемыми упрочнителями для железа и сталей являются оксиды ввиду значительно меньшей растворимости кислорода в матричном металле по сравнению с углеродом и азотом, входящими в состав карбидов и нитридов. В качестве дисперсных добавок используют А12О3, ТiO2, ZrO2. 
Использование дисперсного упрочнения для повышения механических характеристик железа и сталей не является оптимальным путем, поскольку многие легированные стали обладают более высокими показателями кратковременной и длительной прочности. Однако ДКМ на основе сталей представляют интерес в связи с их стойкостью против охрупчивания в условиях нейтронного облучения. Это связано с влиянием оксидных включений на более равномерное распределение в материале гелия, выделяющегося при ядерных реакциях. 
 
Технология получения.

Для получения исходных смесей применяют методы механического смешивания, термического разложения солей с последующим селективным восстановлением и др. ДКМ получают брикетированием с последующей экструзией либо изостатическим горячим прессованием. 
 
Свойства.

Прочность ДКМ на основе железа увеличивается с повышением концентрации оксидов. Например, для ДКМ, содержащего 0,4 % А1203, при 293 К σв = 560 МПа, а для ДКМ, содержащего 6,2 % Аl203, σв = 710 МПа при 293 К, 88 МПа при 1088 К и 70 МПа при 1253 К. Длительная прочность этого ДКМ при 100-часовой выдержке при 923 К составляет 76 МПа. 
 
Применение.

ДКМ на основе нержавеющих сталей предполагается использовать в конструкциях атомных реакторов, подверженных интенсивному радиационному облучению при повышенных температурах. ДКМ на основе фехралей целесообразно применять в электротехнической промышленности в качестве нагревателей, работающих в течение длительного времени.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.3. Дисперсно-упрочненные  композиционные материалы на  основе никеля

 
  В качестве упрочняющей фазы в ДКМ на основе никеля и его сплавов используют обычно оксиды, так как их стабильность в никеле при высоких температурах выше стабильности других тугоплавких соединений. Наиболее эффективен оксид тория Th02. Он используется для упрочнения чистого никеля и нихрома. Содержание оксида тория в ДКМ, полученных в результате такого упрочнения (ДКМ ВДУ-1, TD-никель, DS-никель и TD-нихром), составляет 2 %. Недостатком оксида тория является его токсичность. Применение оксида гафния НfO2 в качестве упрочняющей фазы в ДКМ ВДУ-2 (98% Ni, 2 % НfO2) позволяет избежать этого недостатка, однако жаропрочность ДКМ, упрочненных оксидом гафния, ниже, чем ДКМ, упрочненных оксидом тория.

 
Технология получения.

В промышленности для получения порошков ДКМ на основе никеля используются методы химического осаждения из растворов солей и водородного восстановления в растворах. Полуфабрикаты поставляются в экструдированном (горячепрессованном) или холоднокатаном состоянии в виде прутков, труб, проволоки, листов, лент, фольги. 
ДКМ ВДУ-1, ВДУ-2, TD-никель и DS-никель обладают хорошей технологической пластичностью, их можно обрабатывать ковкой, штамповкой, подвергать холодной прокатке и вытяжке. ДКМ на основе легированных сплавов имеют ограниченную технологическую пластичность. Так, максимальная степень обжатия TD-нихрома при холодной деформации не превышает 10-15 %.

Неразъемные соединения деталей из ДКМ осуществляются, как правило, методами диффузионной сварки или пайки. Обычные методы сварки с оплавлением не обеспечивают равнопрочности швов при температурах выше 1373 К. Для соединения ДКМ, работающих при более низких температурах, можно использовать электродуговую сварку с применением вольфрамовых электродов и присадочных жаропрочных сплавов. При этом характеристики длительной прочности и ползучести сварного шва определяются свойствами присадочного материала.

 
Свойства.

ДКМ на основе никеля предназначаются главным образом для работы при температурах выше 1273 К [6]. Наиболее высокие показа- 
тели кратковременных и длительных прочностных характеристик при этих температурах имеют ДКМ с матрицей из нелегированного никеля. ДКМ с матрицей из легированных никелевых сплавов менее прочны при высоких температурах, однако при комнатных и умеренных температурах (до 1073 К) их прочность превосходит прочность КМ с матрицей из нелегированного никеля. Из ДКМ на основе никелевых сплавов промышленностью выпускается TD-нихром (сплав 80 % Ni, 20 % Сr, упрочненный 2 % Th02). Экструдированные прутки из ДКМ имеют более высокие показатели длительной прочности и ползучести при высоких температурах, чем холоднокатаные листы.

 
Применение.

ДКМ на основе никеля и его сплавов применяются в авиастроении и космической технике. Их используют для изготовления камер сгорания и лопаток газовых турбин, стабилизаторов пламени и других деталей, эксплуатируемых при температурах выше 1373 К. Предполагается применение в теплозащитных панелях орбитальных космических кораблей многократного действия, подвергающихся аэродинамическому нагреву при входе в плотные слои атмосферы, в трубопроводах и сосудах давления, работающих при высоких температурах в агрессивных средах.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Другие сплавы  
1. Дисперсно-упрочненные вольфрамовые сплавы

Дисперсно-упрочненные вольфрамовые сплавы широко используют в ракетно–космической технике.

2. Молибденовые сплавы упрочняют карбидами, нитридами, оксидами. Карбидное упрочнение дает возможность получить сплавы с высоким пределом прочности при температуре 1400 °С. При температурах выше 1500–1600 °С эти сплавы сильно разупрочняются из-за рекристаллизации.

Упрочнение сплава оксидом тория (ThO2) дает высокий эффект даже в рекристализованном состоянии, а легированние вольфрамом и упрочнение карбидом тантала (TaС) дает возможность получения сплава с высокими механическими свойствами при температурах 1600–2000 °С.

3. Дисперсно-упрочненные молибденовые сплавы

Дисперсно-упрочненные молибденовые сплавы применяются в авиационной технике. Упрочненные железные сплавы получают введением в железо около 6% Al2O3. Это обеспечивает хорошие прочностные характеристики сплавов при температурах 650–950 °С. Более высокие свойства имеют дисперсноупрочненные стали. Так, хромоалюминиевая сталь, упрочненная Al2O3, и сложнолегированная, упрочненная TiO2, имеют характеристики при температуре 650 °С почти вдвое выше, чем упрочненные железные сплавы.

4. Дисперсно-упрочненные стали

Дисперсно-упрочненные стали превосходят литые по длительной прочности. Кроме того, в них снижается эффект охрупчивания под действием облучения. Поэтому они используются в реакторостроении, даже если они не имеют преимуществ перед стандартными материалами по прочности.

5. Дисперсно-упрочненные медные сплавы

Медные упрочненные сплавы получают путем введения оксидов алюминия, бериллия и тория. Для сохранения электропроводности и пластичности содержание оксидов недолжно превышать 1,5–2,0%.

Дисперсно-упрочненная медь обладает высоким сопротивлением ползучести и высокой жаропрочностью, что позволяет использовать ее для изготовления деталей, работающих при повышенных температурах (детали теплообменников, электровакуумных приборов). Медь, содержащая включения тугоплавких соединений, применяется для изготовления электродов точечной и роликовой сварки.