Активирование процессов взаимодействия компонентов композита на границе раздела фаз

• 1. Введение
• 2. Композиционный материал (Ni — Аl203)
• 2.1 Компоненты композита, матрица и армирующий элемент
• 2.2 Характеристика композиционного материала
• 2.3 Взаимодействие компонентов на границе раздела фаз
• 3. Технология изготовления композиционного материла
• 4. Применение металлических композитов
• 5. Заключение
• Список литературы

1. Введение.

Главная функция поверхности раздела — передача нагрузки между упрочнителем и матрицей, определяется механическими требованиями к стабильности поверхности раздела при всевозможных методах нагружения.

Выбранный КМ (Ni — Аl203) по типу взаимодействия на границе раздела фаз относится к второй группе, т. е волокно и матрица взаимно не реакционно способны, но растворимы, то есть образуют друг с другом твердые растворы, но не образуют химические соединения. На границе раздела фаз возникает связь при смачивании и растворении которая реализуется благодаря силам поверхностного натяжения. Обычно смачивание сопровождается небольшим растворением компонентов, реализуется при пропитке волокон расплавленной матрицей в отсутствие химической реакции.

Создание КМ на основе никеля в первую очередь обусловлено необходимостью повышения жаропрочности существующих никелевых сплавов. Традиционные способы упрочнения — дисперсионное твердение, карбидное упрочнение, сложное легирование или термомеханическая обработка — позволяют сохранить работоспособность никелевых сплавов только до температур 1223−1323 К. Армирование сплавов на основе никеля высокопрочными проволоками тугоплавких металлов и сплавов, керамическими НК, керамическими волокнами и УВ обеспечивает более высокую жаропрочность, чем у современных суперсплавов. Свойства армированных КМ на основе никеля определяются в значительной мере способностью волокон и матрицы вступать во взаимодействие при изготовлении или эксплуатации КМ и степенью разупрочнения арматуры под действием высоких температур, напряжений и окружающей среды. [1].

композиционный материал никелевый сплав.

2. Композиционный материал (Ni — Аl203).

2.1 Компоненты композита, матрица и армирующий элемент.

Никель (Ni) — матрица.

Никель (лат. Niccolum), Ni, химический элемент первой триады VIII группы периодической системы Менделеева, атомный номер 28, атомная масса 58,70; серебристо-белый металл, ковкий и пластичный. При обычных условиях Никель существует в виде в-модификации, имеющей гранецентрированную кубическую решетку. Основные физико-механические характеристики никеля приведены ниже. (табл.1).

Таблица 1. Физико-механические характеристики никеля.

Никель входит в состав важнейших магнитных материалов и сплавов с минимальным значением коэффициента теплового расширения. Никель — металл средней активности. Поглощает (особенно в мелкораздробленном состоянии) большие количества газов (H2, СО и других); насыщение Никеля газами ухудшает его механические свойства.

Получение Никеля. Около 80% Никеля от общего его производства получают из сульфидных медно-никелевых руд. После селективного обогащения методом флотации из руды выделяют медный, никелевый и пирротиновый концентраты. Никелевый рудный концентрат в смеси с флюсами плавят в электрических шахтах или отражательных печах с целью отделения пустой породы и извлечения Никеля в сульфидный расплав (штейн), содержащий 10−15% Ni. Обычно электроплавке предшествуют частичный окислительный обжиг и окускование концентрата. Наряду с Ni в штейн переходят часть Fe, Со и практически полностью Cu и благородные металлы. После отделения Fe окислением (продувкой жидкого штейна в конвертерах) получают сплав сульфидов Cu и Ni — файнштейн, который медленно охлаждают, тонко измельчают и направляют на флотацию для разделения Cu и Ni. Никелевый концентрат обжигают в кипящем слое до NiO. Металл получают восстановлением NiO в электрических дуговых печах. Из чернового Никель отливают аноды и рафинируют электролитически. Содержание примесей в электролитном Никель (марка 110) 0,01%.

Наиболее совершенно и перспективно окисление жидких сульфидов. Все более распространяются процессы, основанные на обработке никелевых концентратов растворами кислот или аммиака в присутствии кислорода при повышенных температурах и давлении (автоклавные процессы). Обычно Никель переводят в раствор, из которого выделяют его в виде богатого сульфидного концентрата или металлического порошка (восстановлением водородом под давлением). [5].

Матрицы на основе никеля. Никель и никелевые сплавы, пригодные для применения в качестве матрицы КМ, выпускаются промышленностью в виде листов, лент и порошков. Технически чистый никель можно использовать при получении КМ, армированных проволоками тугоплавких металлов, керамическими волокнами и УВ, методами, предотвращающими взаимодействие волокон и матрицы. Однако жаростойкость КМ на основе технически чистого никеля низка. Более широко применяются КМ на основе промышленных окалиностойких и жаропрочных никелевых сплавов. Добавки вольфрама, молибдена, алюминия и титана увеличивают жаропрочность и термическую стойкость.

Жаропрочные деформируемые сплавы сочетают существенную окалиностойкость со способностью работать в нагруженном состоянии при высоких температурах. Повышенные длительная прочность, сопротивление ползучести и усталости достигаются в этих сплавах за счет введения титана и алюминия, образующих дисперсные упрочняющие фазы Ni3Ti и Ni3Al (г'-фаза), а также за счет легирования тугоплавкими элементами (вольфрамом, молибденом, ниобием), упрочняющими твердый никелевый раствор, и малыми добавками бора, церия и других элементов, увеличивающими стабильность межзеренных границ. Жаропрочные литейные сплавы имеют тот же механизм упрочнения, что и деформируемые, однако они легированы большим количеством тугоплавких элементов, которые обеспечивают более высокую жаропрочность вплоть до температуры 1373 К. Их основной технологический недостаток — низкая пластичность. Поэтому жаропрочное литье применяют преимущественно в термически обработанном состоянии.

Матрицы КМ на никелевой основе должны быть совместимы с материалом армирующих волокон, прочными при высоких температурах, пластичными, обладать сопротивлением высокотемпературной коррозии и технологичностью. Никелевый матричный сплав считается совместимым с армирующими волокнами, если при температурах предполагаемой эксплуатации КМ не происходят процессы, разупрочняющие арматуру и материал в целом (химическая реакция между компонентами, взаимная диффузия, интенсивная рекристаллизация волокон). Наилучшей совместимостью с вольфрамовой проволокой при температурах 1273−1473 К обладает отечественный сплав ХН60ВТ, из зарубежных (США) — NASA-1, NASA-3, NASA-5 и NASA-7.

При температурах ниже 1373 К жаропрочная матрица способна вносить достаточно большой вклад в прочность КМ. Пластичность ряда никелевых сплавов позволяет обеспечить сопротивление КМ ударным нагрузкам и снятие термических напряжений, возникающих в КМ вследствие различных к. т. р. Внутренние термические напряжения образуются в КМ при нестационарных температурных режимах и могут привести к растрескиванию хрупкой матрицы. При создании КМ на никелевой основе необходимо учитывать значения к. т. р. и теплопроводности матричных сплавов.

В условиях эксплуатации КМ подвергаются воздействию внешней среды (окислению, сульфидной коррозии и т. д.), поэтому одними из требований, предъявляемых к жаропрочной матрице, являются жаростойкость и обеспечение надежной защиты поверхности легкоокисляющейся армировки от коррозионного разрушения.

Окалиностойкие никелевые сплавы хорошо деформируются в холодном и горячем состоянии. Жаропрочные деформируемые сплавы обрабатываются методами пластической деформации при нагревании. Для получения КМ на основе окалиностойких сплавов используются заготовки типа «сэндвич», состоящие из чередующихся тонких матричных листов и слоев армирующих волокон, которые уплотняют методами пластической деформации (динамическое горячее прессование, диффузионная сварка, прокатка и др.). [4].

Жаропрочные деформируемые никелевые сплавы выпускают в виде отливок, поковок или проката. Их армируют волокнами с помощью жидко — фазных методов (литья, вакуумного всасывания), прокаткой либо способами порошковой металлургии. Литейные жаропрочные сплавы выпускают в виде отливок, выплавляемых преимущественно в вакууме методами индукционной, дуговой, электронно-лучевой и плазменной плавок. КМ из них изготавливают жидкофазными методами и методами порошковой металлургии. Окалиностойкие никелевые сплавы хорошо свариваются различными видами сварки с применением присадочного материала того же состава. Прочность сварного соединения достигает 70−100% прочности свариваемого материала. Жаропрочные дисперсионно-твердеющие сплавы склонны к образованию при сварке трещин, поэтому перед сваркой их необходимо закаливать на твердый раствор, а после сварки сварное соединение подвергать термической обработке.

Оксид алюминия (Аl203).

Оксид алюминия Аl203 — в природе распространён как глинозём, нестехиометрическая смесь оксидов алюминия, калия, натрия, магния и т. д.

Свойства:

· бесцветные нерастворимые в воде кристаллы.

· химические свойства — амфотерный оксид. Практически не растворим в кислотах. Растворяется в горячих растворах и расплавах щелочей.

· tпл 2044 °C.

· Является полупроводником n-типа, но несмотря на это используется в качестве диэлектриков в алюминиевых электролитических конденсаторах.

· Диэлектрическая проницаемость 9,5 — 10.

· Электрическая прочность 10 кВ/мм.

Применение. Оксид алюминия (б-Аl203), как минерал, называется корунд. Крупные прозрачные кристаллы корунда используются как драгоценные камни. Из-за примесей корунд бывает окрашен в разные цвета: красный корунд называется рубином, синий, традиционно — сапфиром. Согласно принятым в ювелирном деле правилам, сапфиром называют кристаллический б-оксид алюминия любой окраски кроме красной. В настоящее время кристаллы ювелирного корунда выращивают искусственно, но природные камни всё равно ценятся выше, хотя по виду не отличаются. Также корунд применяется как огнеупорный материал.

Остальные кристаллические формы используются, как правило, в качестве катализаторов, адсорбентов, инертных наполнителей в физических исследованиях и химической промышленности.

Так называемый в-оксид алюминия в действительности представляет собой смешанный оксид алюминия и натрия. Он и соединения с его структурой вызывают большой научный интерес в качестве металлопроводящего твёрдого электролита.

2.2 Характеристика композиционного материала.

Структура.

Поперечное сечение «Al2O3-Ni». В матрице анодированного алюминия (оксида алюминия) электрохимическим осаждением выращены нанонити металлического никеля, практически полностью заполнившие поры.

Вид «сверху» пленки мезопористого оксида алюминия с искусственно варьируемым диаметром пор, который определяется условиями анодного окисления (характером поверхности подложки, температурой, напряжением и током в цепи, концентрацией электролита и вспомогательных агентов, продолжительностью процесса, использованием процедуры химического травления и т. д.). В результате средний диаметр пор можно контролируемо варьировать с целью изменения характеристик конечного нанокомпозита.

Свойства. Кратковременная прочность КМ на основе никеля, армированных НК оксида алюминия, в значительной степени зависит от технологии изготовления КМ. Прочность КМ при комнатной температуре существенно превышает прочность матрицы. При высокой температуре наблюдается большой разброс данных. Разрушение КМ сопровождается вытягиванием НК из матрицы и ее расслоением из-за неудовлетворительной связи между компонентами. Высокая прочность никелевых КМ, армированных НК оксида алюминия, при низких температурах объясняется механической (фрикционной) связью между компонентами, возникающей из-за различия к. т. р. При охлаждении от температуры горячего прессования до комнатной матрица плотно обжимает волокна, однако при нагревах до температуры испытаний степень обжатия волокон матрицей снижается, вследствие чего уменьшается эффективность передачи напряжений от матрицы к волокнам. Разупрочняющими факторами являются также дробление НК или огрубление их структуры, зависящее от температуры и давления горячего прессования, и неравномерность армирования по объему образцов, обусловленная трудностями укладки армирующих волокон.

При высоких температурах эффект упрочнения никелевых матриц непрерывными поликристаллическими волокнами незначителен, а разброс экспериментальных значений предела прочности КМ велик. Главными разупрочняющими факторами в этих КМ являются слабая связь между волокнами и матрицей и повреждения поверхности волокон.

Термостойкость KM Ni — А1203 низка: после 20 циклов нагрева до температуры 1473 К и охлаждения обдувом воздухом с последующим погружением в воду волокна растрескиваются и полностью утрачивают связь с матрицей.

Жаростойкость KM Ni — Аl203 определяется способностью никеля окисляться диффузионно проникающим кислородом с образованием шпинели по реакции NiO + Аl203 = NiА1204. Эта реакция возможна при условии, что расходуемый на окисление никеля кислород возмещается непрерывным растворением кислорода в матрице. При температуре 1473 К и выдержке 50 ч толщина слоя шпинели составляет 3 мкм, а при более высоких температурах она увеличивается. Наиболее надежным способом повышения жаростойкости KM Ni — А1203 является защита поверхности изделий жаростойкими покрытиями, препятствующими проникновению кислорода к поверхности волокон и образованию шпинелей.

2.3 Взаимодействие компонентов на границе раздела фаз.

Взаимодействие. Согласно термодинамическим расчетам стабильность оксида алюминия в никеле высока вплоть до температуры плавления никеля. Однако длительные нагревы при высоких температурах на воздухе приводят к насыщению никеля кислородом, образованию оксида никеля NiO и взаимодействию оксидов никеля и алюминия с образованием шпинели NiAl204 на границе волокно — матрица. При этом нарушается связь между волокном и матрицей. Чтобы увеличить прочность связи между волокнами или НК оксида алюминия и никелевой матрицей при получении КМ горячим прессованием на волокна наносят тонкие покрытия из металлов или керамики. Лучшие результаты получены при нанесении на волокна оксидов иттрия и тория, вольфрамовых пленок и технологических слоев из никеля или нихрома.

Жидкая никелевая матрица не смачивает поверхность волокон оксида алюминия. Для улучшения пропитки в матрицу вводят добавки титана, циркония и хрома. Титан уменьшает краевой угол смачивания и межфазную энергию, снижает прочность на сдвиг, но увеличивает работу адгезии. Хром повышает краевой угол смачивания, увеличивает межфазную энергию, но уменьшает работу адгезии. Цирконий увеличивает краевой угол смачивания, снижая межфазную энергию и работу адгезии.

Добавки титана, циркония и хрома к никелевой матрице взаимодействуют с волокнами оксида алюминия. Одновременно с увеличением межфазной энергии между волокном и матрицей это взаимодействие ухудшает структуру волокон и разупрочняет их. Интенсивность взаимодействия волокон оксида алюминия и никелевой матрицы можно регулировать подбором матриц либо защитных покрытий. При получении КМ литьем нельзя использовать промышленные никелевые сплавы, содержащие титан и цирконий. В качестве покрытий на волокнах для литых KM Ni — Аl203 используют тугоплавкие металлы, например вольфрам, платину. Рекомендуются двойные покрытия, состоящие из внутреннего слоя Y2O3 (для защиты волокна в процессе эксплуатации при высоких температурах) и наружного слоя вольфрама толщиной 6−10 мкм (для улучшения условий пропитки).

3. Технология изготовления композиционного материла.

Способы получения КМ, армированных НК оксида алюминия, включают операции переработки НК, объединение волокон и матрицы, уплотнение и формирование КМ и зависят от методов объединения НК и матрицы, характера ориентирования НК и наличия на них покрытий. Лучшие результаты получены при уплотнении КМ горячим прессованием и электролитическим формованием. Недостатком методов пластической деформации является повреждаемость НК во время уплотнения. При спекании она уменьшается, однако ввиду длительности процесса может происходить нежелательное взаимодействие компонентов в КМ. Жидкофазные процессы применяют для НК оксида алюминия с покрытиями, улучшающими смачивание.

Основным методом, используемым для получения КМ, армированных керамическими поликристаллическими и монокристаллическими волокнами оксида алюминия, является горячее прессование заготовок типа «сэндвич» в инертной атмосфере. Из жидкофазных методов получения таких КМ пригодным оказалось вакуумное всасывание, при котором продолжительность контакта жидкой матрицы с волокнами до затвердевания не превышает нескольких секунд.

4. Применение металлических композитов.

Композиционные материалы можно смело назвать материалами XXI века. Области применения км определяются не только механическими, но и физическими их свойствами — электрическими, магнитными, ядерными, акустическими и др. Практически ни одна отрасль промышленности не обходится без них, но чаще всего композиционные материалы применяются там, где особые условия работы не допускают применения традиционных металлических материалов.

Благодаря высокому сопротивлению эвтектических композиционных материалов пластическому течению, вплоть до температур близких к температуре плавления, они могут использоваться на базе тугоплавких металлов для изготовления составляющих частей газовых турбин.

Металлические композиты на основе легких сплавов активно применяют в авиационной, ракетной и космической технике. Из алюминиевых сплавов, армированных стальной и бериллиевой проволоками, изготовляют корпусные детали ракет и топливные баки. Благодаря использованию металлических композитов происходит снижение массы самолета, что значительно улучшает его летно-технические характеристики. За счет экономии в массе можно увеличить емкость баков (на 20−25%), повысить массу полезной нагрузки без снижения скорости и дальности полета, увеличить время пребывания самолета в воздухе. Получило известность применение металлических композитов, как конструкционного материала для панелей одного из рабочих модулей корабля «Аполлон» .

Применяют их и в ядерной технике. Так, алюминиевый сплав, армированный стекловолокном, содержащим окись урана, обладает повышенной прочностью при температурах 550 °C и может быть использован в качестве топливных пластин реакторов.

Широкое применение металлические композиционные материалы нашли при изготовлении подшипников, работающих без смазки, как износостойкий материал в коробках передач, дисковых муфтах, направляющих пусковых устройствах и других тяжело нагруженных механизмах.

Большие потенциальные возможности открывают такие композиты и в электронике. Антикатоды, контактные модуляторы, термические проводники, ферромагнитные системы, бесщеточные двигатели постоянного тока — вот далеко не полный список устройств электронной техники, где армированные композиции смогут найти применение.

Композиционные материалы постепенно занимают все большее место в нашей жизни. Области применения композиционных материалов многочисленны. Кроме авиационно-космической, ракетной и других специальных отраслей техники, они могут быть успешно применены в энергетическом турбостроении, в автомобильной и горнорудной, металлургической промышленности, в строительстве и т. д. Диапазон применения этих материалов увеличивается день ото дня и сулит еще много интересного.

5. Заключение.

В данной работе мы рассмотрели металлические композиционные материалы, способы их получения и сферы применения.

Мы выяснили, что основными преимуществами композиционных материалов с металлической матрицей, по сравнению с обычным металлом, являются: повышенная прочность, повышенная жесткость, повышенное сопротивление износу, повышенное сопротивление ползучести, сопротивлению образованию трещин усталости и ползучести, повышенным сопротивлением износу, а одним из главных недостатков является высокая стоимость.

Межфазное взаимодействие оказывает влияние на прочность связи компонентов, возможность химических реакций на границе и образование новых фаз, формируя такие характеристики композита, как термостойкость, устойчивость к действию агрессивных сред, прочность и другие важные эксплуатационные характеристики нового материала. Осуществление контроля не только за составом, но и за структурой требует развития теории, которая позволила бы предсказать, как будет влиять то или иное изменение на свойства композита.

Не смотря на важность вопросов технологии, наиболее актуальным в решении проблемы композиционных материалов является обеспечение химической стабильности армирующих компонентов в металлической матрице, как на стадии изготовления, так и в процессе эксплуатации композиционных материалов. Экспериментальные оценки совместимости компонентов композитов дали основания полагать, что без разработки теоретических основ, глубокого изучения процессов взаимодействия и механизма формирования связи между составляющими композита на фазовой границе их раздела невозможно создание композита с заданным уровнем свойств.

Но в тоже время прогресс не стоит на месте, с каждым годом разрабатывается всё более совершенные композиты и новые технологии их получения. И нет сомнения, что и будущем процесс освоения и создания новых композиционных материалов не остановится.

1. Справочник КМ., под. ред.Д. М. Карпиноса. Киев, Наука 1985 г.592с.

2. «Структура и свойства КМ», Портной К. И, Салибеков С. Е, — М.: Машиностроение, 1979 г. — 255с.

3. Справочник по КМ: в 2-х книгах. Кн.1 под ред. Дж. Любина; пер. с англ.А. Б. Геллера. — М.: Машиностроение, 1988 г. — 448с.

4. Браутман Л. Н. Композиционные материалы с металлической матрицей, 1978 г.

5. Большая советская энциклопедия, 1973.