ИЗГОТОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ ИЗ КОМПОЗИТОВ С МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ МАТРИЦЕЙ

Для производства деталей и заготовок из композитов с металлической матрицей используются принципиально различные технологии:

  • - осаждение металла из газовой или паровой фазы;
  • - химическое и электрохимическое осаждение;
  • - твердофазные технологии;
  • - жидкофазные технологии.

Технология изготовления деталей и заготовок из дисперсно-упрочненных композитов

Изделия получают, используя технологии порошковой металлургии. При этом возможно получение и полуфабриката, и готовой детали или заготовки, конфигурация которой приближена к форме детали. Формообразование достигается прессованием и последующим спеканием. Технология порошковой металлургии рассмотрена в главе 3, здесь отметим только две особенности.

Во-первых, зависимость свойств от технологии спекания. Холодное — ХПС (холодное прессование + спекание) — для него характерна меньшая плотность и прочность, горячее — ГП (совмещение процессов прессования и спекания) — повышенные плотность и прочность, горячее изостатическое прессование — ГИП (в условиях всестороннего давления в изостатах) — высокие плотность и прочность.

Во-вторых, возможность последующего после спекания упрочнения термической обработкой.

Технология изготовления деталей и заготовок из волокнистых композитов

Детали из волокнистых композитов с металлической матрицей, как правило, получают в два этапа: первый — это изготовление полуфабрикатов. При изготовлении деталей из компактированных заготовок — полуфабрикатов получение необходимой формы достигается традиционными методами — обработкой резанием, давлением, сваркой.

Изготовление полуфабрикатов.

Намотка, укладка. При получении заготовок с помощью этих технологий волокна размещают с определенным шагом между слоями матричных элементов, после этого выполняют компактирование (получение композита) давлением при повышенных температурах за счет образования адгезионных связей. Положение волокон не фиксируется, поэтому при компактировании они могут смещаться, при этом расстояние между волокнами меняется. Это определяет неодинаковые напряжения (концентрацию напряжений в некоторых участках) при нагружении изделия и, как следствие, снижение прочностных характеристик.

Прочность композита может быть пониженной вследствие того, что волокна не защищены от окисления при нагреве, это может ослабить адгезию между матрицей и волокнами.

Плазменное напыление выполняется в специальных установках. Соединение матричного и армирующего компонентов, т.е. получение композита, достигается в результате того, что порошок матричного металла, расплавленный в высокотемпературной плазменной струе, распыляется и осаждается на каркасе упрочняющего компонента, лежащего на подложке, постепенно соединяя его элементы, и образуя тем самым изделие (деталь, заготовку).

Температура поверхности волокна, образующего каркас, может достигать 0,8...0,9 температуры плавления напыляемого материала. При этом возникает опасность разупрочнения или даже разрушения некоторых видов волокон.

Для предотвращения или ослабления воздействия плазмы на волокна используют метод импульсной обработки, при котором нагрев и плавление металла осуществляются дискретно, длительность разрядного импульса составляет 10-4... 10-3 с. Эффективно также использование волокон с защитными, предварительно нанесенными покрытиями. Например, напыление алюминия на волокна бора позволяет сохранить 90...92 % исходной прочности.

Плазменное напыление используют для получения ленточных монослойных полуфабрикатов — препрегов. Наиболее широкое применение получили ленточные композиты системы «алюминий — бор». Ленты получают двумя способами:

  • — непрерывное волокно наматывают по винтовой канавке на поверхность барабана, после закрепления концов волокон производят напыление матричной составляющей композита;
  • — на поверхности барабана фиксируют слой фольги из матричного материала, затем наматывают волокно, фиксируя концы, затем плазменным нагревом соединяют матричный материал и волокно.

В первом случае можно получать ленты с большим количеством и более равномерным распределением волокон в матрице.

Толщина ленты с одним рядом волокон составляет 150...250 мкм, ширина — от нескольких десятков миллиметров до нескольких метров, длина — до Юм.

Недостаток технологии — пористость 5...40 % в зависимости от технологии напыления.

Получение композитных полуфабрикатов типа «жгутов» методами литья. Длинномерные полуфабрикаты изготавливают методами непрерывного и полунепрерывного литья.

Менее прочную матрицу упрочняют высокопрочным армирующим компонентом — проволокой. Армирование позволяет существенно повысить прочность.

Схема получения композита методом непрерывного литья

Рис. 27.29. Схема получения композита методом непрерывного литья:

  • 1 — шпуля с намотанным армирующим материалом; 2 — плавильная печь; 3 - тигель с расплавом;
  • 4 — фильера; 5 — протяжное устройство; 6 - термопары и КИП

В промышленности нашли применение жгуты с алюминиевой матрицей, упрочненной высокопрочными волокнами из бора — бороалюминий,волокнами из стали — сталеалюминий. Композит с магниевой матрицей, упрочненной волокнами бора — бормагний. Малая плотность матрицы и высокая прочность армирующего компонента позволяет получить композит с высокой удельной прочностью. Так, предел прочности при растяжении сталеалюминиевых жгутов, армированных проволокой из высокопрочной стали (объем волокна ~60 %), — 1060... 1120 МПа, тогда как предел прочности дуралюмина Д16 (один из наиболее прочных алюминиевых сплавов) составляет ~500 МПа.

Возможно армирование волокнами из разных материалов — гибридные композиты.

Технология непрерывного литья позволяет получать длинномерные (бесконечной длины) полуфабрикаты типа прутков, моноволокно, жгут (рис. 27.29) протягиванием волокон через расплавленный металл.

При непрерывном литье (рис. 27.30) волокна разматываются с катушек, оснащенных тормозными устройствами (для создания натяжения), подогреваются, проходят тигель с расплавом матричной составляющей композита. Формируемый полуфабрикат проходит через фильеру, сечение которой определяет форму сечения полуфабриката. Скорость

Композиты с металлической матрицей

Рис. 27.30. Композиты с металлической матрицей: а — моноволокно; б — жгут; в, г — профили, армированные моноволокнами

протягивания назначается так, чтобы синхронизировать перемещение волокон и кристаллизующегося на этих волокнах матричного металла.

Метод полунепрерывного литья отличается от непрерывного литья лишь тем, что получают заготовку определенной длины.

К достоинствам методов следует отнести возможность получения профилей разнообразного сечения в зависимости от формы сечения фильеры (уголок, тавр, двутавр и др.).

Жидкофазная технология непрерывного литья ограничивается возможным окислением материалов волокна и матрицы, поэтому процессы рекомендуется проводить в вакууме или с применением защитных атмосфер. Волокна целесообразно защищать покрытием.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >