2.2. 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. 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.

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. Свойства. ДКМ на основе никеля предназначаются главным образом для работы при температурах выше 1273 К [6]. Наиболее высокие показа‑­ тели кратковременных и длительных прочностных характеристик при этих температурах имеют ДКМ с матрицей из нелегированного никеля. ДКМ с матрицей из легированных никелевых сплавов менее прочны при высоких температурах, однако при комнатных и умеренных температурах (до 1073 К) их прочность превосходит прочность КМ с матрицей из нелегированного никеля. Из ДКМ на основе никелевых сплавов промышленностью выпускается TD-нихром (сплав 80 % Ni, 20 % Сr, упрочненный 2 % Th0₂). Экструдированные прутки из ДКМ имеют более высокие показатели длительной прочности и ползучести при высоких температурах, чем холоднокатаные листы.

Применение. ДКМ на основе никеля и его сплавов применяются в авиастроении и космической технике. Их используют для изготовления камер сгорания и лопаток газовых турбин, стабилизаторов пламени и других деталей, эксплуатируемых при температурах выше 1373 К. Предполагается применение в теплозащитных панелях орбитальных космических кораблей многократного действия, подвергающихся аэродинамическому нагреву при входе в плотные слои атмосферы, в трубопроводах и сосудах давления, работающих при высоких температурах в агрессивных средах.

Заключение Преимуществами материала ДКМ являются:

• повышенная твердость и прочность;

• высокая жаростойкость и жаропрочность;

• высокая износостойкость;

• превосходная механическая обрабатываемость.

Области применения композитов не ограничены. Они применяются в авиации для высоконагруженных деталей самолетов (обшивки, лонжеронов, нервюр, панелей и т.д.) и двигателей (лопаток компрессора и турбины и т.д.); в космической технике для узлов силовых конструкций аппаратов, подвергающихся нагреву, для элементов жесткости, панелей; в авто - для облегчения кузовов, рессор, рам, бамперов и т.д.; в горнодобывающей промышленности ― буровой инструмент, детали комбайнов и т.д.; в строительстве ─ пролеты мостов, элементы сборных конструкций высотных сооружений и так далее.

Применение композитов ─ новый качественный скачок в увеличении мощности двигателей, энерго - и транспортных установок, уменьшении массы машин и приборов.