Способы объединения волокон и матрицы при получении МКМ.

Способом объединения волокон и матрицы при разработке технологии получения МКМ и изделий из них отводится очень важное место. Неправильное расположение волокон в матрице может привести к чрезмерному увеличению расстояния между ними, нарушению ориентации волокон по отношению к направлению приложения нагрузки, к несплошностям в матрице (порам, трещинам).

Получение МКМ, армированных нитевидными кристаллами, ведут в две стадии: 1 - переработка волокон; 2 - изготовление самого композита.

Переработка волокон. Переработку волокон ведут в следующем порядке:

- отделяют годные "усы" (разбирают их), поскольку выращенные нитевидные кристаллы сильно различаются по размерам, степени совершенства кристаллической структуры и поверхности, атакже по механическим свойствам;

- ведут классификацию "усов" по площади поперечного сечения, по длине;

- при необходимости наносят металлические покрытия с целью обеспечения смачивания "усов" расплавом матрицы, тем самым предотвращая их повреждение при переработке, исключая химическое взаимодействие с матрицей, придавая им ориентировку в материале.

Существует несколько способов нанесения покрытий на "усы": химическое парофазное осаждение, распыление, вакуумное испарение, электролиз, погружение в систему металл - органическая удаляемая связка.

Особое значение придается ориентированию волокон и объединению их с матрицей, так как от расположения и направленности арматуры непосредственно зависит прочность МКМ. Многие трудности, встречающиеся в процессе ориентирования, связаны с малой величиной усов и их огромным количеством в единице объема.

Металлические композиционные материалы можно получать методами порошковой металлургии, пластической деформации, способами литья и пропитки.

Методы порошковой металлургии позволяют получать материалы с заданной пористостью, изменять в широком диапазоне концентрацию волокон. К недостаткам этого метода можно отнести - трудность равномерного распределения волокон в объеме матрицы из-за образования комков волокон в ходе перемешивания, а также возможность повреждения хрупкой арматуры в процессе дальнейшего уплотнения.

Подготовка шихты состоит в получении равномерных смесей порошка матричного металла с волокнами.

Подготовленная шихта перерабатывается в изделия способами прессования, экструзии, гидростатического прессования, мундштучного прессования. Затем полуфабрикаты спекают. Операция спекания включает в себя нагрев до температуры 0,7…0,8 температуры плавления матричного материала и выдержку при этой температуре. Чаще всего спекание проводят в среде защитных газов водорода, инертных газов, производных аммиака и др.

Применение горячего прессования позволяет получать изделия окончательно готовые.

Наиболее перспективен из всех способов получения изделий методом порошковой металлургии - это шликерное литье, позволяющее получать армированные изделия сложной конфигурации.

Методы пластической деформации при получении МКМ применяют для деформируемых матричных металлов и сплавов. При этом совместная пластическая деформация матрицы и волокон не должна приводить к разрушению арматуры.

Листовые заготовки, состоящие из чередующихся листов матричного металла и слоев арматуры (волокон, сеток, матов), заготовки типа "сэндвич" собирают на специальных приспособлениях, затем подвергают прокатке; для получения трубчатых заготовок используют цилиндрическую оправку.

Пропитка при изготовлении МКМ используется в трех вариантах: матричный расплав смачивает волокна и не растворяет их; матричный расплав смачивает волокна и ограниченно растворяет их; смачивания волокон матрицей нет и компоненты друг в друге не растворяются.

Примерами армированных систем, в которых практически нет взаимной растворимости компонентов, служат МКМ с медной или серебряной матрицей, армированной вольфрамовыми или молибденовыми проволоками.

Большинство МКМ представляет собой системы, получить которые жидкофазными методами очень трудно, так как расплавленная матрица и армирующие волокна интенсивно взаимодействуют.

Литейную технологию применяют для получения МКМ из жаропрочных никелевых и кобальтовых сплавов. Армированные отливки в виде прутков и профилей чаще всего получают методом вакуумного всасывания. По этой технологии вольфрамовые или молибденовые проволоки помещают в металлическую трубку из жаропрочного сплава. Один конец трубки запаивают тонкой мембраной, а другой через пористую ловушку и ресивер подсоединяют к вакуумному насосу. После откачки воздуха трубку опускают запаянным концом в тигель с расплавом матрицы, мембрана проплавляется, и расплав под давлением заполняет пространство между волокнами. Содержание волокон в отливках можно регулировать в широких пределах до 60 об.%.

Перспективным является способ непрерывного литья. Волокна непрерывно проходят через ванну с расплавленным металлом и собираются в кристаллизаторе или фильере. Здесь заготовка формируется, вытягиваясь из кристаллизатора или фильеры со скоростью, достаточной для кристаллизации матричного расплава. Способом непрерывного литья можно получать различные профили сложной геометрической формы и большой длины (до 1м). Однако он перспективен для КМ, компоненты которых не взаимодействуют между собой. Этим способом можно изготовлять уголки, двутавры, швеллеры, листы и др.

Метод направленной кристаллизации, используемый при получении МКМ, применяется для эвтектических сплавов. Этот метод заключается в том, что из кристаллизующихся расплавов выращивается КМ, в котором армирующей фазой выступают параллельные игольчатые или пластинчатые кристаллы, равномерно распределенные в матрице. Такая армирующая фаза имеет механические свойства, близкие к свойствам усов и хорошо связана с матрицей, поэтому прочность волокнистых эвтектик обычно высока.

Способом направленной кристаллизации получают КМ на основе алюминия, магния, меди, никеля, кобальта, титана, ниобия, тантала и некоторых других матриц.