Методы получения дисперсно-упрочненных композиционных материалов

Текст:
Мин
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 [1, 2]. 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