Композиционные материалы на металлической основе.

Преимуществами КМ на металлической основе являются более высокие значения характеристик, зависящих от свойств матрицы. Это временное сопротивление и модуль упругости при растяжении в направлении, перпендикулярном оси армирующих волокон, прочность при сжатии и изгибе, пластичность, вязкость. Эти КМ сохраняют свои прочностные характеристики до более высоких температур, чем многие материалы с неметаллической основой. Они более влагостойки, негорючи, обладают электрической проводимостью.

Промышленное применение нашли КМ с алюминиевой, магниевой, титановой, никелевой матрицами.

КМ с алюминиевой матрицей в основном армируют (упрочняют) стальной проволокой, борным волокном и углеродным волокном. В качестве матрицы используют как технический алюминий, так и его сплавы.

Применение в качестве матрицы сплава (например, В95), упрочненного термообработкой (закатка и старение), дает дополнительный эффект упрочнения КМ.

Наиболее дешевым, доступным и достаточно эффективным армирующим материалом является высокопрочная стальная проволока. Алюминий, армированный стальной проволокой (25…40 об.%), по основным свойствам значительно превосходит даже высокопрочные алюминиевые сплавы и выходит на уровень соответствующих свойств титановых сплавов. При этом плотность композиции находится в пределах 3,9…4,8 т/м³.

Упрочнение алюминия и его сплавов более дорогими волокнами (борными, углеродными, Al₂O₃) повышает стоимость КМ, но при этом улучшаются некоторые его свойства. Например, при армировании борными волокнами модуль упругости увеличивается в 3…4 раза, углеродные волокна снижают плотность.

КМ, армированные борными волокнами, сохраняют высокую прочность до 400…500 °С. По модулю упругости и временному сопротивлению в интервале 20…500 °С превосходят все стандартные алюминиевые сплавы, в том, числе высокопрочные, и сплавы, специально предназначенные для работы при высоких температурах.

КМ на алюминиевой основе, армированные углеродными волокнами, дешевле и легче, чем материалы с борными волокнами. Однако они несколько уступают по прочности, но их удельные прочности близки. При изготовлении КМ с углеродным упрочнителем возникают технологические трудности вследствие взаимодействия углерода с металлическими матрицами при нагреве. Для устранения этого недостатка применяют специальные покрытия углеродных волокон.

Композиционные материалы с магниевой матрицей характеризуются меньшей плотностью (1,8…2,2 т/м³), чем с алюминиевой, при примерно такой же высокой прочности (s_в=1000…1200 МПа) и поэтому более высокой удельной прочностью. Деформируемые магниевые сплавы (МА2 и др.), армированные борными волокнами, имеют более высокую удельную прочность. Хорошая совместимость магния и его сплавов с борным волокном позволяет изготовлять детали методом пропитки практически без последующей механической обработки и обеспечивает большой ресурс работы деталей при повышенных температурах.

Удельная прочность этих материалов повышается благодаря применению в качестве матрицы сплавов, легированных легким литьем, а также в результате использования более легкого углеродного волокна. Но введение углеродного волокна усложняет технологию и без того нетехнологических сплавов. Как известно, магний и его сплавы обладают низкой технологической пластичностью, склонностью к образованию рыхлой оксидной пленки.

Композиционные материалы с титановой матрицей. При создании КМ на титановой основе встречаются трудности, вызванные необходимостью нагрева до высоких температур. При таких температурах титановая матрица становится очень активной; она приобретает способность к газопоглощению, взаимодействию с многими упрочнителями: бором, карбидом кремния, оксидом алюминия и др. В результате образуются реакционные зоны, снижается прочность как самих волокон, так и КМ в целом. Кроме того, высокие температуры приводят к рекристаллизации и разупрочнению многих армирующих материалов, что снижает эффект от армирования. Поэтому для упрочнения материалов с титановой матрицей используют проволоку из бериллия и керамических волокон тугоплавких оксидов (Al₂O₃), карбидов (SiC), а также тугоплавких металлов, обладающих большим модулем упругости и высокой температурой рекристаллизации (Mo, W). Целью армирования является в основном не повышение и без того высокой удельной прочности, а увеличение модуля упругости и рабочих температур.

Армирование сплава ВТ6 молибденовой проволокой способствует сохранению высоких значений модуля упругости до 800 °С.

Композиционные материалы на никелевой основе. Основная задача при создании КМ на никелевой основе заключается в повышении рабочих температур до 1000 °С и более. Одним из лучших металлических упрочнителей, способных обеспечить хорошие показатели прочности при высоких температурах, является вольфрамовая проволока. Введение вольфрамовой проволоки в количестве от 40 до 70 об.% в сплав никеля с хромом обеспечивает s_в в пределах 130…250 МПа, тогда как лучший неармированный никелевый сплав, предназначенный для работы в аналогичных условиях имеет s_в=75 МПа. Использование для армирования проволоки из сплавов вольфрама с рением или гафнием увеличивает этот показатель на 30…50 %.