Композиционные материалы на металлической основе

Преимуществом композиционных материалов на металлической основе являются более высокие значения характеристик, зависящих от свойств матрицы. Это прежде всего временное сопротивление и модуль упругости при растяжении в направлении, перепендикулярном оси армирующих волокон, прочность при сжатии и изгибе, пластичность, вязкость разрушения. Кроме того, композиты с металлической матрицей сохраняют свои прочностные характеристики до более высоких температур, чем многие материалы с неметаллической основой. Они более влагостойки, негорючи, обладают электропроводностью.

Таким образом, металлические композиционные материалы представляют собой такие материалы, в которых матрицей выступают металлы и их сплавы, а арматурой – металлические и неметаллические наполнители.

Рассмотрим некоторые композиционные материалы.

Композиционные материалы с алюминиевой матрицей.

Использование алюминия в качестве матричного материала обусловлено широким распространением его в технике и доступностью, разнообразными механическими характеристиками, возможностью регулировать свойства алюминиевых сплавов термической обработкой и подвергать их практически всем видам обработки давлением, литья и порошковой металлургии.

В качестве матрицы используют как технически чистый алюминий, так и его сплавы. В качестве наполнителя применяют стальную проволоку, борное волокно, углеродные волокна и дисперсные частицы.

Композиция, алюминий – стальная проволока улучшает комплекс физико-механических свойств матричной основы: повышает модуль упругости и сопротивление усталости и раширяет температурный интервал службы материала.

Композиция, алюминий – кремнеземные волокна получают, нанося их на волокна алюминиевую оболочку пропусканием их через расплав матрицы и применяя последующее горячее прссование. Данная композиция выдерживает наиболее длительные нагрузки при высоких температурах, чем материалы типа САП. Скорость ползучести этих композитов при температуре 200-300⁰С на два порядка ниже ползучести нормированной матрицы. Композиции с волокнами SiO₂ применяют при повышенных температурах.

В композиции, алюминий – бериллиевая проволока, реализуются высокие физико-механические свойства бериллиевой арматуры и в первую очередь ее низкая плотность и высокая удельная жесткость. Эти композиции обладают более высокой пластичностью, чем Al, армированный стальной арматурой и волокнами бора.

Композиция, алюминий – волокна бора дает высокую прочность и жесткость композита, а также значительное увеличение температурного уровня эксплуатации до 400-500⁰С и длительную и циклическую прочность. Типичным представителем бора-алюминиев являются материалы марки ВКА-1, ВКА-1Б.

Композиционные материалы с магниевой матрицей – отличаются малой плотностью (1,8 – 2,2 т/м³), чем алюминиевые, но имеют почти такую же высокую прочность ( МПа). В качестве матричных сплавов применяют сплавы МА2-1, МА5, МА8.

При создании данных композитов применяются углеродное, борное волокна и волокно карбида кремния.

Сравнительная оценка механических свойств композиционных материалов приведена в табл. 10.2, 10.3.

^{Таблица 10.2}

Механические свойства композиционных материалов

с металлической матрицей.

КМ	Матрица	Наполнитель	, т/м3	, МПа	, ГПа
Материал	Количество, % (об.)
ВКА-1	Алюминий	Борное волокно		2,65
ВКУ-1	Алюминий	Углеродное волокно	30-40	2,2-2,3	900-1000
КАС-1	Алюминий	Стальная проволока		4,8
ВКМ-3	Магний	Борное волокно		2,2

Таблица 10.3

Свойства композиционных материалов магний/волокно SiC

Содержание волокна, % (об.)	, МПа	, ГПа	, %
			0,83
			0,95
			0,88

Хорошая совместимость магния и его сплавов с борным волокном позволяет изготавливать детали методом пропитки практически без последующей механической обработки и обеспечивает большой ресурс работы деталей при повышенных температурах.

При создании композиционных материалов на титановой основеиспользуют проволоку из бериллия, керамических тугоплавких оксидов (Al₂O₃), карбидов (SiC), а также тугоплавких металлов. Целью армирования является увеличение модуля упругости и рабочих температур. На примере механических свойств титанового сплава ВТ6, армированного волокнами Mo, Be и SiC, видно, что наиболее эффективно удельная жесткость повышается при армировании волокнами карбида кремния (таблица 10.4).

Таблица 10.4

Механические свойства композиционных материалов

на основе сплава ВТ6

Упрочнитель	Содержание упрочнителя, % (об.)	, т/м3	, МПа	, ГПа
Мо		6,25
Ве		-
SiC		4,3

Основная задача при создании композиционных материалов на никелевой основезаключается в повышении рабочих температур до 1000⁰С и более. Одним из лучших упрочнителей является вольфрамовая проволока. Введение вольфрамовой проволоки в количестве от 40 до 70% в сплав никеля с хромом, обеспечивает 130-250 МПа. Тогда как назначенный для работы в аналогичных условиях сплав имеет 75 МПа. Использование проволоки для армирования из сплавов вольфрама с рением или гафнием увеличивает этот показатель на 30-50%.