Дисперсно-упрочненные композиционные материалы

 

Дисперсно-упрочненные композиционные материалы

Дисперсно-упрочненные композиционные материалы представляют собой материал, в матрице которого равномерно распределены мелкодисперсные частицы второго вещества. В таких материалах при нагружении всю нагрузку воспринимает матрица, в которой с помощью множества практически не растворяющихся в ней частиц 2-й фазы создается структура, эффективно сопротивляющаяся пластической деформации.

Упрочнение таких материалов заключается в создании в них  структуры, затрудняющей движение дислокации. Наиболее сильное торможение передвижению дислокаций создают дискретные частицы второй фазы, например химические соединения типа карбидов, нитридов, боридов, оксидов, характеризующиеся высокой прочностью и температурой плавления.

В дисперсно-упрочненных  материалах заданные прочность и  надежность достигаются путем формирования определенного структурного состояния, при котором эффективное торможение дислокаций сочетается с их равномерным распределением в объеме материала либо (что особенно благоприятно) с определенной подвижностью скапливающихся у барьеров дислокаций для предотвращения хрупкого разрушения. В ДКМ (как и в порошковых композиционных материалах) матрица несет основную нагрузку.

Дисперсно-упрочненные  композиционные материалы на основе алюминия

Оксиды являются наиболее распространенными соединениями, применяемыми в качестве упрочняющейся фазы в ДКМ на основе алюминия и его сплавов. Получают упрочненные оксидами ДКМ, называемые САП, из алюминиевых порошков, покрытых оксидной пленкой. В странах СНГ в промышленном масштабе выпускаются три марки ДКМ на основе алюминия: САП-1, САП-2 и САП-3, отличающиеся между собой концентрацией оксидов (таблица 1). Зарубежным аналогом САП-1 является SAP-930, САП-2 — SAP-895, САП-3 — SAP-865. Сплавы SAP — ISML-930, SAP — ISML-895 и SAP — ISML-865 отличаются повышенной структурной стабильностью и коррозионной стойкостью за счет пониженного содержания железа в матрице (менее 0,1 %).

Таблица 1                              Химический состав ДКМ типа САП

 

 

 

 

Наряду с материалами  типа САП разработаны ДКМ А1 — С, основной упрочняющей дисперсной фазой в которых служит карбид алюминия А1₄Сз, образующийся в результате взаимодействия алюминия с углеродом.

Технология получения. Материалы САП-1 и САП-2 получают из пудры АПС-3. Технология их получения включает операции брикетирования и горячей экструзии. Все три типа САП могут обрабатываться методами горячей пластической деформации при температурах 723—793 К с охлаждением   на   воздухе.

САПы сохраняют стабильную структуру после нагрева до 773 К в течение 10 000—100 000 ч.   Термическая   обработка не  требуется.   Поставляются в виде листов, фольги, полос, профилей, труб, прутков, проволоки, штамповок [3].

Плакированные листы из САПов  могут свариваться контактной точечной сваркой. Для повышения способности к сварке плавлением брикеты подвергают высокотемпературному вакуумному отжигу. Обрабатываемость резанием удовлетворительная.

ДКМ Al — С получают методом реакционного   смешивания алюминиевого порошка с мелкоизмельченной сажей в течение 0,5—4 ч, в процессе которого происходит образование карбида алюминия А1₄С₃. Последующий нагрев до 823 К в течение 0,5 ч приводит к завершению процесса образования карбидов, после чего ДКМ подвергают горячей экструзии при 803 К, позволяющей получать различные профили. Применяемая технология дает хорошие результаты при концентрации углерода не более 5 %, что соответствует объемной доле А1₄Сз, примерно равной 20—22 %. ДКМ содержит также до 2 % Аl₂0₃, присутствующего в исходном алюминиевом порошке. ДКМ   А1 — С по устойчивости к рекристаллизации при высоких температурах близки к материалам типа САП. Их можно подвергать горячей экструзии, прокатке, ковке.

Свойства. Увеличение концентрации оксида алюминия в САП и концентрации карбида алюминия в ДКМ Al — С приводит к повышению прочности и снижению пластичности. Оптимальное соотношение прочности и пластичности САП обеспечивается при концентрации оксида алюминия    6—16 %, а ДКМ Al — С— при концентрации углерода 3—5 %.

При температурах 573—773 К  ДКМ на основе алюминия превосходят  по прочности все промышленные алюминиевые сплавы (таблицы 2 и 3). Отличительной особенностью этих ДКМ являются высокие показатели длительной прочности и ползучести (таблицы 4 и 5), а также стабильность механических характеристик после высокотемпературных отжигов.

Введение дисперсных частиц в легированные алюминиевые сплавы менее эффективно повышает прочность ДКМ при высоких температурах, чем дисперсное упрочнение нелегированного алюминия. Это связано с понижением температуры плавления и уменьшением энергии дефектов упа-ковки при легировании. При низких и средних температурах прочность легированных ДКМ выше, чем нелегированных.

К. т. р. и теплопроводность уменьшаются, а удельное электрическое  сопротивление и теплоемкость растут с увеличением концентрации оксида алюминия в ДКМ типа САП и концентрации карбида алюминия в ДКМ       Al — С. С повышением температуры к. т. р. увеличивается, а тепло- и электропроводность САП уменьшаются (таблица 6).

Электрическое сопротивление  ДКМ Al — С составляет 3 ∙ 10^-8 Омм при общей объемной доле карбидов и оксидов алюминия 4 %; 3,3 ∙ 10^-8 Ом∙м при 8%; 3,7 ∙ 10^-8 Ом∙м при 12 %; 4,2 ∙ 10^-8 Ом∙м при 16 %; 4,9 ∙ 10^-8 Ом∙м при 20 %; 5,5 ∙ 10^-8 Ом∙м при 24 %.

 ДКМ типа САП имеют  высокую коррозионную стойкость,  близкую к стойкости алюминия АД1. ДКМ Аl — С предположительно имеют более низкую коррозионную стойкость на воздухе и в воде.

Применение. Высокие показатели прочностных характеристик позволяют применять ДКМ на основе Аl в изделиях, длительно работающих при температурах 573—773 К, а также испытывающих кратковременные перегревы до 973—1273 К. САПы можно использовать при работе в тяжелых коррозионных условиях.

 

Таблица 2                   Механические свойства ДКМ типа САП

Таблица 3                          Механические свойства ДКМ Al – C

 

 

 

 

 

Таблица 4                  Длительная прочность и пределы ползучести САП

 

 

 

Таблица 5                             Длительная прочность ДКМ   Al – C

 

 

 

 

Таблица 6         Физические свойства ДКМ на основе алюминия

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Дисперсно-упрочненные  композиционные материалы на основе железа

 

Наиболее приемлемыми  упрочнителями для железа и сталей являются оксиды ввиду значительно  меньшей растворимости кислорода  в матричном металле по сравнению  с углеродом и азотом, входящими  в состав карбидов и нитридов. В  качестве дисперсных добавок используют А1₂О_3, ТiO₂, ZrO₂.

Использование дисперсного  упрочнения для повышения механических характеристик железа и сталей не является оптимальным путем, поскольку многие легированные стали обладают более высокими показателями кратковременной и длительной прочности. Однако ДКМ на основе сталей представляют интерес в связи с их стойкостью против охрупчивания в условиях нейтронного облучения. Это связано с влиянием оксидных включений на более равномерное распределение в материале гелия, выделяющегося при ядерных   реакциях.

Технология получения. Для получения исходных смесей применяют методы механического смешивания, термического разложения солей с последующим селективным восстановлением и др. ДКМ получают брикетированием с последующей экструзией либо изостатическим горячим прессованием.

Свойства. Прочность ДКМ на основе железа увеличивается с повышением концентрации оксидов. Например, для ДКМ, содержащего 0,4 % А1₂0₃, при 293 К σ_в = 560 МПа, а для ДКМ, содержащего 6,2 % Аl₂0₃, σ_в = 710 МПа при 293 К, 88 МПа при 1088 К и 70 МПа при 1253 К. Длительная прочность этого ДКМ при 100-часовой выдержке при 923 К составляет 76 МПа.

Механические характеристики сталей и фехралей (сплавов Fe — Сr — Al), упрочненных дисперсными включениями оксидов, приведены в таблицах 7—9. ДКМ на основе фехраля (65 % Fe, 10 % А1, 25% Сr), содержащие 2% ТiO₂ или ZrO₂ имеют в полтора — два раза большую прочность, чем фехраль при комнатной и высоких температурах.

Прочность и пластичность стали, содержащей 22 % Сr и 22 % Ni, упрочненной частицами оксида алюминия, ниже, чем у спеченной стали без дисперсных включений и чем у литой и деформированной сталей. Однако ДКМ более крипоустойчивы при высоких температурах. Упрочнение оксидом титана эффективнее повышает длительную прочность при высоких температурах, чем упрочнение оксидом алюминия, в связи с тем, что оксид титана не реагирует с оксидом хрома, присутствующим на поверхности частиц в виде пленок [4]. Дисперсные включения оксидов алюминия и титана снижают плотность ДКМ на основе железа и сталей.

Добавки оксида титана в  сталь 12X13 существенно не изменяют ее прочность. Пластичность ДКМ на основе стали 12X13 увеличивается при уменьшении среднего размера включений от нескольких микрометров до     1 мкм. Оксид титана повышает сопротивление ползучести ферритной стали [5].

Теплопроводность, электропроводность и к. т. р. уменьшаются с увеличением концентрации частиц оксидов. Удельное электрическое сопротивление ДКМ на основе стали, содержащей 22 % Сr и 22 % Ni, увеличивается от 157 ∙ 10^-8 Ом∙м при 5 % А1₂0₃ до 196 ∙ 10^-8 Ом∙м при 10 % А1₂0₃ и до 211 ∙ 10^-8 Ом∙м при 12 % Al₂O₃. Та же сталь, содержащая 10 % Ti0₂, имеет удельное электрическое сопротивление 239 ∙ 10^-8 Ом∙м.

Применение. ДКМ на основе нержавеющих сталей предполагается использовать в конструкциях атомных реакторов, подверженных интенсивному радиационному облучению при повышенных температурах. ДКМ на основе фехралей целесообразно применять в электротехнической промышленности в качестве нагревателей, работающих в течение длительного времени.

 

Таблица 7       Механические свойства ДКМ на основе стали

 

 

Таблица 8    Механические свойства горячепрессованных прутков из ДКМ на основе стали

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 9          Механические свойства ДКМ на основе фехралей

 

 

 

 

 

2.3. Дисперсно-упрочненные композиционные материалы на основе никеля

 

В качестве упрочняющей фазы в ДКМ на основе никеля и его  сплавов используют обычно оксиды, так как их стабильность в никеле при высоких температурах выше стабильности других тугоплавких соединений. Наиболее эффективен оксид тория Th0_2. Он используется для упрочнения чистого никеля и нихрома. Содержание оксида тория в ДКМ, полученных в результате такого упрочнения (ДКМ ВДУ-1, TD-никель, DS-никель и TD-нихром), составляет 2 %. Недостатком оксида тория является его токсичность. Применение оксида гафния НfO₂ в качестве упрочняющей фазы в ДКМ ВДУ-2      (98% Ni, 2 % НfO₂) позволяет избежать этого недостатка, однако жаропрочность ДКМ, упрочненных оксидом гафния, ниже, чем ДКМ, упрочненных оксидом тория.

Технология получения. В промышленности для получения порошков ДКМ на основе никеля используются методы химического осаждения из растворов солей и водородного восстановления в растворах. Полуфабрикаты поставляются в экструдированном (горячепрессованном) или холоднокатаном состоянии в виде прутков, труб, проволоки, листов, лент, фольги.

ДКМ ВДУ-1, ВДУ-2, TD-никель и DS-никель обладают хорошей технологической пластичностью, их можно обрабатывать ковкой, штамповкой, подвергать холодной прокатке и вытяжке. ДКМ на основе легированных сплавов имеют ограниченную технологическую пластичность. Так, максимальная степень обжатия TD-нихрома при холодной деформации не превышает   10-15 %.

Неразъемные соединения деталей  из ДКМ осуществляются, как правило, методами диффузионной сварки или пайки. Обычные методы сварки с оплавлением не обеспечивают равнопрочности швов при температурах выше 1373 К. Для соединения ДКМ, работающих при более низких температурах, можно использовать электродуговую сварку с применением вольфрамовых электродов и присадочных жаропрочных сплавов. При этом характеристики длительной прочности и ползучести сварного шва определяются свойствами присадочного материала.