II. Методы изготовления композиционных материалов

По методам изготовления композиционные материалы делятся на материалы, полученный жидко- и твердофазными методами, методами осаждения - напыления, и комбинированными методами.

К жидкофазным методам относятся пропитка (например, пропитка каркасов из карбида титана сталями или жаропрочными материалами), непрерывное литье, направленная кристаллизация эвтектических сплавов. К твердофазным методам относятся прессование, прокатка, ковка, волочение, диффузионная сварка и др. Для композиционных материалов, полученных твердофазными методами, характерно использование матрицы в виде порошка, листов или фольги. При изготовлении композитов методом осаждения - напыления матрицу наносят на волокна из растворов солей, парогазовой фазы, газоплазменным и плазменным напылениями. Комбинированные методы заключаются в использовании комбинации нескольких методов. Например, плазменное напыление используют как предварительная операция, а в качестве окончательной операции применяют прокатку или прессование.

III. Жидкофазные методы получения комплексных материалов

Эти методы обладают рядом существенных преимуществ, главные из которых: возможность получения изделий сложной конфигурацией с минимальной последующей обработкой или без нее; ограниченное силовое воздействие на хрупкие компоненты; широкая номенклатура компонентов; упрощенное аппаратурное обеспечение; высокая производительность и возможность механизации; реализация непрерывных технологических процессов.

Жидкофазные методы предполагают использование ряда технологий.

1. Литейные технологии.

Р исунок 4 Литейные цеха и оборудование технологии литья по газифицируемым моделям.

С их помощью композиты получают двумя способами: соединением твердых и жидких фаз и соединением различных компонентов, находящихся в жидком состоянии.

Процесс соединения твердых и жидких фаз осуществляется в следующем порядке:

• Укладка, установка армированных элементов в полость литейной формы перед заливкой матричным расплавом (I-III, VI, VII);

• Заливка в литейную форму гетерогенного матричного расплава, содержащего армированные элементы, приготовленного в ковше (IV);

• Введение армированных элементов в матричный расплав в процессе заливки его в кристаллизатор или литейную форму (V, X);

• сборка (намотка армированных элементов в присутствии жидкого матричного сплава (IX)).

А ) Методом вакуумного всасывания (Рисунок 5)(VII) получают, например, композиционные отливки из жаропрочного сплава, армированные W-волокнами.

Б) Метод литья с комплексным электромагнитным и вакуумным воздействием (VIII) позволяет устранить нежелательное эрозионное разрушение поверхности армированных волокон, при вакуумном всасывании ― электромагнитное поле регулирует скорость движения расплава при заливке и пропитке.

Одним из наиболее распространенных методов получения многослойного металла является так называемое литое плакирование ― жидких металлов твердых армированных элементов, предварительно размещенных в литейной форме или изложнице. Например, для получения биметаллического плакированного листа, сляб из легированной коррозионностойкой стали с предварительно простроганной и обезжиренной поверхностью устанавливается на некотором расстоянии от стенки. Затем производится сифонная заливка в изложницу жидкой, углеродистой стали.

2. Электрошлаковый обогрев.

Патоном Б.Е. и др. разработан способ получения слоистых композитов с использованием электрошлакового обогрева (ЭШО), который позволяет получить биметалл с надежным соединением независимо от толщины прокатываемого металла.

П рименение метода плакирования с использованием ЭШО позволяет расширить возможности композиций различных элементов для получения заданного сочетания свойств, экономить легированные стали, повышать качества изделий из биметалла.

3.Центробежное литьё. (Рисунок 6)

Широкое развитие получило литейное плакирование втулок, цилиндров, трубных заготовок с помощью центробежного литья, технологические схемы которого различны.

4.Электрошлаковый переплав.(Рисунок 7)

Д ля получения композитных заготовок является технология электрошлакового переплава (ЭШП): общая металлическая ванна разделяется металлической, охлаждаемой перегородкой на два сообщающиеся между собой отделения, над которыми переплавляются электроды соответствующего состава. При стационарном закреплении кристаллизатора по мере наплавления слитка, перегородка поднимается.

5.Метод наплавки. (Рисунок 8)

П лакирование деталей и заготовок с участием жидкой фазы осуществляется и методом наплавки. Процесс наплавки может осуществляться проволочными или ленточными электродами. Метод характеризуется высокой производительностью, обеспечивает небольшую глубину проплавления основного металла.

Недостатки: трудоёмкость; дополнительная механическая обработка;

Используется и способ ЭШ-наплавки главным образом для ремонта крупногабаритных изделий (прокатных валков, штампов и других).

6.Пайка.

Для получения ряда многослойных композиций из металлов с резко различными свойствами применяется эффективный метод жидкофазного совмещения ― пайка (между соединёнными слоями помещается припай в виде фольги, порошка; собранный пакет нагревается до температуры расплавления припая и охлаждается).

7.Метод направленной кристаллизации. (Рисунок 9)

Получение микрогетерогенных композитов осуществляется методом направленной кристаллизации эвтектических расплавов: из расплава, кристаллизирующегося в условиях интенсивного направленного отвода тепла, выпадают параллельные направлению теплоотвода игольчатые или пластинчатые кристаллы, равномерно распределенные в матрице. Эти кристаллы (армирующая фаза) имеют механические свойства, близкие к свойству усов, хорошо связаны с матрицей, поэтому прочность волокнистых эвтектик достаточно высока.

С помощью направленной кристаллизации получены композиты на основе Al, Mg, Cu, Ni, Co, Nb, Ti и другие. Эти новые материалы, состоящие из направленно расположенных взаимопроникающих друг в друга фаз, получили название естественных композиционных материалов. В отличие от обычных жаропрочных сплавов они являются анизотропными, характеризуются более высокими показателями прочности и жаропрочности. Использование литых эвтектических жаропрочных материалов перспективно в первую очередь в энергетическом машиностроении и космической технике, где требуется высокая жаропрочность (стойкость) изделия.