3.5. Композиционные материалы на никелевой матрице

Армированию чаще подвергают жаропрочные никелевые сплавы, чтобы увеличить время их работы и рабочую температуру 1100— 1200°С. Для армирования никелевых сплавов применяют упрочнители: нитевидные кристаллы А1₂0₃ (усы), проволоки тугоплавких металлов и сплавов на основе W и Мо, волокна углерода и карбида кремния.

Армирование никеля и нихрома усами Аl₂0₃ выполняют методами порошковой металлургии. Для улучшения прочности связи волокно—матрица в шихту вводят титан и хром. Прочность композиции при содержании усов 9% А1₂0₃ достигает 1800—2100 МПа, а удельная прочность 22—25 км.

Наиболее широкое распространение получило армирование жаропрочных никелевых сплавов вольфрамовой проволокой. Композиционный материал в этом случае получают способами пластического деформирования: прокаткой, сваркой взрывом.

Так, методом динамического горячего прессования в вакууме пакетов из чередующихся слоев жаропрочного никельхромовольфрамового сплава ХН60В и слоев проволоки BT15 диаметром 0,15—0,18 мм получают композицию, отличающуюся повышенной кратковременной прочностью при 1100— 1200°С по сравнению с неармированной матрицей (рис. 15). Прочность вольфрамовой арматуры до конца не используется в связи с появлением дефектов в отдельных волокнах при ударном уплотнении. Модуль упругости композиции увеличивается с ростом содержания упрочнителя согласно закону аддитивности и при 34% проволоки ВТ15 он составляет 265 • 10³ МПа. Длительная прочность композиции ХН60В—ВТ15 (34%) на базе 100 ч при 1100 и 1200°С равна соответственно 104 и 55 МПа.

Длительная работа композиции приводит к разупрочнению арматуры в связи с развитием в проволоке ВТ15 рекристаллизационных процессов, ускоряемых действующей нагрузкой и диффузией никеля и хрома из матрицы в волокна.

Композиционный материал ВКН-1 (матрица — литейный жаропрочный сплав ЖС6К, упрочненный вольфрамовой проволокой ВА диаметром 0,5 мм) получают вакуумным всасыванием. Длительная прочность ВКН-1 выше прочности сплава ЖС6К, и при одинаковых значениях нагрузки и долговечности он по сравнению с неармированной матрицей имеет резерв по температуре 100°С (рис. 16).

Рис. 15. Зависимость предела прочности чистого никеля (1), сплава ЖС6К (2), сплава ХН60В (3) и сплава ХН60В, упрочненного проволокой ВТ15 в количестве 34% (4), 28% (5), 22% (6), 15% (7)

Рис. 16. Длительная прочность сплава ВКН-1 при температурах 1100°С (1) 1200°С (3) и сплава ЖС6К при температуре 1100°С (2)

Перспективными упрочнителями для жаропрочных матриц могут быть волокна карбида кремния и углеродные волокна, отличающиеся высокой температурой разупрочнения. Их использование в качестве армирующих элементов сдерживается совместимостью с жаропрочной матрицей. Проблема решается в настоящее время путем разработки барьерных покрытий для этих видов упрочнителей.

4. Эвтектические композиционные материалы

Эвтектическими композиционными материалами называют сплавы эвтектического или близкого к эвтектическому состава, в которых упрочняющей фазой выступают ориентированные кристаллы, образующиеся в процессе направленной кристаллизации. Ориентированная структура в сплавах эвтектического состава получается методами направленной кристаллизации (методы Чохральского, Бриджмена, зонной плавки). В отличие от обычных композиционных материалов, получаемых путем последовательного выполнения нескольких трудоемких технологических операций, эвтектически композиционные материалы получают за одну операцию. Ценно то, что направленная ориентированная структура может быть получена на уже готовых изделиях. Это существенное преимущество эвтектических композиций по сравнению с другими технологиями получения композиционных материалов.

Структура образующейся эвтектики в результате направленной кристаллизации состоит, как правило, из кристаллов твердой прочной фазы (карбидов, интерметаллидов), распределенных в матрице, представляющей собой твердый раствор.

форма образующихся кристаллов может быть в виде волокон или пластин. При объемной доле упрочняющей фазы меньше 32% она имеет форму стержня, а при большем содержании — пластинчатую.

Равновесные условия кристаллизации обеспечивают высокую термическую стабильность эвтектических композиционных материалов. Между фазами эвтектики, волокнами и матрицей отсутствует химическое взаимодействие, поскольку химические потенциалы фаз равны. Особенности строения эвтектических микроструктур, полукогерентные границы раздела фаз с минимальной поверхностной энергией определяют термическую стабильность эвтектической микроструктуры и, как следствие, высокие механические свойства при температурах, близких к температурам плавления эвтектики.

Способами направленной кристаллизации получают композиционные материалы на основе Al, Mg, Cu, Ni Co, Ti, Nb, Та и других элементов. Поэтому эвтектические композиционные материалы могут эксплуатироваться в широком интервале температур.