Эвтектические композиционные материалы – ЭКМ

Эвтектические КММ – это сплавы эвтектического или близкого к нему состава, в которых армирующей фазой служат ориентированные волокнистые или пластинчатые кристаллы, образовавшиеся в процессе направленной кристаллизации.

Структура таких материалов формируется естественным путем, а не в результате искусственного введения армирующих компонентов в матрицу.

Технология формирования эвтектических КММ включает операции, сущность которых заключается в создании плоского фронта кристаллизации, т.е. плоской поверхности раздела между расплавом компонентов КММ и кристаллизующимся телом.

Для формирования эвтектических КММ наиболее часто используют методы Бриджмена и зонной плавки. Метод Бриджмена состоит в том, что расплав вытягивают из зоны нагрева с постоянной скоростью. Форма фронта кристаллизации зависит от скорости вытяжки и условий теплообмена.

Метод зонной плавки заключается в расплавлении участка заготовки – прутка, например с помощью индукционного или электронно-лучевого нагрева и перемещении расплавленной зоны по длине прутка.

Достоинством эвтектических КММ является технологичность их изготовления – изделие формируется за одну операцию.

Эвтектические КММ делят на два вида. Первый – это материалы конструкционного назначения на основе легких сплавов, жаропрочные, на основе тугоплавких металлов. Второй – материалы с особыми физическими свойствами – полупроводниковые, ферромагнитные и др.

Волокнистые материалы

В КММ, армированных волокнами, используются высокие механические характеристики волокон. Заранее проектируемая конструкционная анизотропия таких материалов обусловливает оптимальную реализацию их свойств в технических изделиях.

Технология формирования волокнистых КММ включает процессы прессования, прокатки, совместной вытяжки, экструзии, сварки, напыления или осаждения, а также пропитки.

Горячим прессованием, т.е. прессованием с нагревом на воздухе или в контролируемой фазе, получают материалы с матрицами из порошков, фольги, лент, листов и других металлических полуфабрикатов. Этим методом изготовляют многослойные листы, ленты, стержни, профильные изделия и т.п.

Методом прокатки из тех же полуфабрикатов формируют КММ, армированные проволокой.

Метод совместной вытяжки заключается в следующем. В заготовке из матричного металла высверливают отверстия, в которые вставляют армирующие прутки или проволоку. Нагрев и обжатие завершают волочением и отжигом.

Методом экструзии изготовляют КММ в виде прутков или труб. Исходным материалом служат порошки, прутки, трубчатые заготовки.

Высокоскоростную сварку листовых КММ осуществляют из заготовок в виде чередующихся слоев фольги и волокон с помощью машин диффузионной сварки с валками, выполненными из тугоплавкого металла.

Достоинством сварки взрывом является возможность соединения компонентов, сварка которых обычными методами затруднена, а также технологичность получения крупногабаритных листовых изделий.

Пропитку заготовок из волокон металлическими расплавами осуществляют в вакууме или контролируемой атмосфере.

Номенклатура волокнистых КММ включает множество материалов на матрицах из алюминия, магния, титана, меди, никеля, кобальта и др.

КММ из алюминия и высокопрочных волокон характеризуются высокими удельной прочностью и жесткостью, высокой жаропрочностью и анизотропией механических свойств. Материалы, упрочненные стальной проволокой, перспективны в различных отраслях техники благодаря сравнительно малой стоимости. КММ типа алюминий-бор имеют высокие электро- и теплопроводность, пластичность, ударную вязкость и абразивную стойкость.

КММ алюминий-углерод отличают жаропрочность и стойкость к действию радиации.

КММ на основе алюминия предназначены для авиационной и космической техники, где высокая первоначальная стоимость разработки материалов окупается за счет выигрыша в их эксплуатационных характеристиках.

Особенностью КММ на основе магния является термическая стабильность структуры вплоть до температуры начала размягчения матрицы. По удельным показателям прочности и жесткости эти материалы превосходят большинство КММ, в том числе и на основе алюминия.

Их армируют волокнами бора, карбида кремния, оксида алюминия, углеродными волокнами, проволокой из стали, титана, тантала.

КММ на основе магния эффективны в высоконагруженных конструкциях, применяются в космической технике, строительстве ядерных реакторов.

Материалы на основе титана имеют высокую прочность при растяжении. Важной особенностью этих материалов является стойкость к удару. Из КММ на основе титана и волокон борсика (бора с покрытием из карбида кремния) изготовляют лопатки вентиляторов газотурбинных двигателей, которые должны иметь высокую жесткость при повышенной температуре и низкую плотность для снижения напряжений от центробежных сил.

КММ на основе меди – преимущественно электротехнические материалы, обладающие лучшим сочетанием прочности и электропроводности, чем медные сплавы, особенно при повышенных температурах.

КММ на основе никеля отличаются от никелевых сплавов более высокой жаропрочностью. Их свойства в значительной мере определяются взаимодействием матрицы и арматуры. КММ на основе никеля применяют для деталей газотурбинных двигателей, рабочие напряжения в которых соизмеримы с пределом прочности материала.

Волокнистые КММ на матрице из кобальта имеют такое же, но ограниченное применение в связи с дефицитом кобальта. В качестве упрочнителей используют проволоку из молибдена и вольфрама, а также нитевидные кристаллы оксида алюминия и карбида кремния.