3.4. Композиционные материалы с алюминиевой матрицей

Технический алюминий и его сплавы (АМц, АМг6, АД1, Д16, САП и др.) используют в качестве матриц композиционных материалов. Армирование матриц выполняют высокопрочной стальной проволокой из сталей (08Х18Н9Т, 1Х15Н4АМЗ, ЭП322 и др.), бериллиевой проволокой и волокнами бора, карбида кремния, углерода.

Композиции, упрочненные стальными проволоками, получают прокаткой между валками прокатного стана до компактного состояния. Прокатке подвергают сэндвич из алюминиевой фольги и волокон. Режим прокатки определяется температурой, направлением и степенью деформации. Температура разупрочнения стальных волокон определяет температуру прокатки композиции алюминий—сталь. Так, температура прокатки для композиции алюминий—сталь при использовании в качестве упрочнителя проволоки из стали 08Х18Н9Т и 12Х18Н10Т, составляет 380—400°С и 420—450°С при использовании волокон из стали 15Х15Н4АМЗ и ЭП322, имеющих более высокую температуру разупрочнения (400 и 450°С соответственно). Направление деформации при прокатке выбирают под некоторым углом к направлению армирующих волокон, с тем чтобы избежать обрыва волокон при деформации в ходе продольной прокатки и искривления волокон при поперечной прокатке.

Промышленностью освоен выпуск композита КАС-1. В качестве упрочнителя применяют проволоку 1Х15Н4АМЗ диаметром 0,15 мм. Матрицей в этих композициях служит сплав АВ или САП-1. Механические свойства листов композиционных материалов с алюминиевой матрицей, армированных стальной проволокой, приведены в табл. 8.

Таблица 8. Механические характеристики композиций с алюминиевой матрицей, армированной стальными проволоками

Материал матрицы	Наполнитель		Плотность, т/м3	Прочность, МПа	Модуль упругости Е • 10-3, МПа
	материал проволоки, МПа	количество, %
АД1	Х18Н9Т 1850	7-24	3,1-3,9	160-465	100
АМг6	Х18Н9Т 2000	5-20	2,9-3,7	390-630	70—90
АМг6	ЭП322 2700	5-25	2,9-4	420-1000	80-101
САП1	1Х15Н4АМЗ 4200	40	4,8	1700	100

В результате армирования алюминиевой матрицы прочность композиции увеличивается в 10—12 раз при объемной доле упрочнителя до 25%. При увеличении объемной доли армирующего волокна до 40% временное сопротивление прочности композиции достигает 1700 МПа.

Алюминиевая матрица, армированная стальной проволокой (25—40%), по прочностным свойствам превосходит высокопрочные алюминиевые сплавы и приближается к уровню аналогичных свойств титановых сплавов.

Прочность алюминиево-стальной композиции можно дополнительно повысить холодной пластической деформацией и закалкой с последующим старением, если матрицей служит алюминиевый сплав упрочняемый термической обработкой.

При повышенных температурах прочность алюминиево-стальной композиции превышает прочность теплостойких алюминиевых сплавов. Для работы при высоких температурах рационально в качестве матрицы использовать дисперсионно-упрочненные материалы типа САП.

Введение стальной проволоки в матрицу из САП увеличивает прочностные свойства композиции. Так, предел прочности композиции САП-1 с 15% проволоки Х18Н9 (σ_в = 1750 МПа) при температуре 250°С и 415—435 МПа в 2,3 раза больше, чем предел прочности САП-1 при тех же температурах, а при 350°С — в 3,9 раза, при 500°С — 5,6 раза.

Композиция САП-1—стальная проволока имеет удовлетворительную термическую стабильность микроструктуры при высоких температурах. На границе матрица—волокно при 450°С в течение 150 ч под нагрузкой не происходит образования интерметаллических соединений.

Композиция А1—волокно бора отличается высокой прочностью и жесткостью и способна работать при 400—500°С, поскольку бор мало разупрочняется с повышением температуры.

Основная проблема при армировании алюминия волокнами бора — предотвращение взаимодействия бора с алюминием. Поэтому промышленный композиционный материал (ВКА-1), содержащий 50% волокон бора, был получен диффузионной сваркой пакета, составленного из чередующихся листов алюминиевой фольги с закрепленными на них слоями борных волокон. Покрытие борного волокна нитридом бора или карбидом кремния (волокно борсик) снижает его взаимодействие с алюминиевой матрицей даже в расплавленном состоянии. В этом случае открывается возможность получения композиционного материала жидкофазными методами.

Увеличение объемного содержания бора увеличивает прочность и жесткость композиции А1-В (табл. 9)

Таблица 9. Прочность и жесткость композиции Al—В в зависимости от содержания волокон бора

Содержание волокон бора, % (об.)	0	10	20	30	40	50
Прочность, М Па	70-140	300-380	500-650	700-900	900-1140	1100-1400
Модуль упругости Е • 10-3, МПа	70	105	135	180	190-200	200-257

Прочность и модуль упругости материала ВКА-1 до температуры 500°С превосходят соответствующие характеристики высокопрочного сплава В95 и сплава АК4-1 (рис.14). Наиболее значительно преимущество композиционного материала при 250—400°С. Модуль упругости материала ВКА-1 с повышением температуры меняется незначительно и составляет при содержании волокон бора 30 и 50% соответственно 136000 и 228000 МПа. Плотность материала ВКА-1 — 2650 кг/м³, а удельная прочность 45 км.

Предел прочности алюминия, армированного волокнами борсика, при 500°С составляет 600 МПа. Прочность такой композиции при объемном содержании борсика 65% составляет 1600 МПа и сохраняется после длительной выдержки (до 1000 ч) материала при 300 и даже 500°С.

Рис.14. Изменение предела прочности ( − ) и модуля упругости (----) композиционного материала ВКА-1, сплавов В95 и АКА-1 от температуры

Композиционные материалы на алюминиевой основе, армированные углеродными волокнами, уступают по удельной прочности (42 км) материалам, армированным борным волокном, хотя они дешевле и легче последних.

Производство композиционного материала с углеродным волокном связано с большими технологическими трудностями вследствие взаимодействия углерода с металлической матрицей (в том числе и алюминиевой) при нагреве. В результате отмечается понижение прочности материала. Композиции А1 — углеродное волокно получают быстрым протягиванием пучка углеродных волокон через расплав алюминия.

Попытки получить композицию алюминий — углеродное волокно другими методами (диффузионная сварка, электроосаждение материала матрицы) не дали положительных результатов из-за разрушения волокон при понижении давления.

Характеристики прочности алюминиево-углеродных композиций из-за большого разброса характеристик углеродных волокон, различия в технологических режимах процессов производства полуфабрикатов и изделий из этого материала проявляются в широком диапазоне значений. При объемной доле упрочнителя 18—53% прочность композиций Аl — углеродное волокно вдоль расположения волокон составляет от 150—400 до 500—1000 МПа, а модуль Юнга — (116-168)•10³МПа.

Добиться улучшения свойств композиционного материала можно, совершенствуя технологию его изготовления.

Композиционные материалы с титановой матрицей армируют с целью увеличения модуля упругости и повышения рабочих температур. Производство композиционных материалов с титановой матрицей связано с необходимостью нагрева до высоких температур, что резко активизирует способность матрицы к газопоглощению и взаимодействию со многими упрочнителями (бором, карбидом кремния, оксидом алюминия и др.).