4.1. Эвтектические композиционные материалы на алюминиевой основе

Методом направленной кристаллизации получают композиции Аl-Аl₃Ni и Аl-СuАl₂.

При затвердении эвтектического сплава Al—Al₃Ni фаза Al₃Ni выделяется в виде сильно вытянутых частиц, объемное содержание которых -11%. Направленность частиц Al₃Ni достигается кристаллизацией со скоростью 2—10 см/ч.

Прочность сплава, полученного без направленной кристаллизации, низкая (~90 МПа), в то время как при ориентации армирующих частиц Al₃Ni его прочность повышается до 330 МПа.

При растяжении композиции, из-за высокой прочности связи Усов Al₃Ni с матрицей, разрушение начинается с волокон.

С повышением температуры прочность сплава Al—Al₃Ni понижается (рис. 17, кривая I) и при 500°С составляет 75 МПа. Композиция отличается высокой стабильностью структуры вплоть до температур плавления. Частицы Al₃Ni при этих условиях сохраняют прочную связь с матрицей, не укорачиваются и не подвергаются сфероидизации до 611 °С.

Композиция Аl— Al₃Ni обнаруживает высокий предел усталости. Например, на базе 10⁸ циклов он в 4—5 раз выше предела усталости алюминия. Усталостная трещина в композиции Аl—Al₃Ni, зарождаясь в матрице, огибает волокно Al₃Ni и не разрушает его. Предел прочности композиции Аl—Al₃Ni составляет 270 МПа.

Рис. 17. Зависимость прочности композиции Аl— Al₃Ni (1) и Аl—СuАl₂ (2) и относительного удлинения композиции CuAl₂ (3)от температуры

В композиции Аl— CuAl₂, при направленной кристаллизации эвтектика имеет пластинчатое строение. Объемная доля концентрации пластин СиА1₂ среди пластин твердого раствора меди в алюминии составляет ~50%. Пластины CuAl₂, концентрация которых в композиции весьма высокая, имея меньшую прочность, чем Al₃Ni, упрочняют матрицу меньше, чем Al₃Ni. Сплав А1—СuА1₂ из-за пластинчатого строения эвтектики отличается высокой хрупкостью. Разрушение материала начинается с разрушения пластин, за которым следует разрушение матрицы.

С повышением температуры у композиции А1—СuА1₂ отмечено существенное возрастание относительного удлинения и падение предела прочности до 30 МПа (рис. 17, кривая 2).

Эвтектические композиционные материалы Al—Al₃Ni, Al— CuAl₂, хорошо свариваются методом диффузионной сварки и обрабатываются холодной пластической деформацией. Диффузионную сварку можно вести при 525°С и получать листы с перекрестным армированием.

Степень обжатия листов при холодной прокатке поперек волокон не более 70—80%, так как при больших степенях обжатия волокна разрушаются. В результате прочность композиции А1—Al₃Ni вдоль волокон становится меньше исходной.

Композиционные материалы Аl— Al₃Ni и Аl— СuАl₂ применяет как конструкционный материал, а также для изготовления высокопрочных электрических проводов и контактов электрических выключателей.

4.2. Эвтектические композиционные материалы на основе никеля

Композиционные материалы на основе никеля являются жаропрочными материалами. Физико-механические свойства некоторых композиционных материалов приведены в табл. 10.

Таблица 10. Физико-механические свойства эвтектических композиционных материалов на основе никеля

Матрица	Упрочнитель	Общая доля упрочнителя, %	tпл, °С	р, г/см3	σв,МПа	Е•10-3, МПа	σ,%
Волокнистые композиционные материалы
Ni	W	6	1500	-	830	—	45
Ni	NbC	11	1328	8,8	890	—	9,5
Ni-Co-Cu-Al	TaC	9	—	8,8	1650	-	5
Пластинчатые композиционные материалы
Ni	NiBe	38-40	1157	-	918	215	9
Ni	Ni3Nb	26	1270	8,8	745	-	12,4
Ni-Ni3Al	Ni3Nb	-	1270	-	1140	-	2,3
Ni3Al	Ni3Nb	44	1280	8,44	1240	24,2	0,8

Пластинчатые композиции, содержащие объемную долю упрочняющей фазы более 33—35%, относятся к хрупким. К пластичным относятся композиции на основе никеля с содержанием объемной Доли волокон 3—15% из карбидов тантала, ниобия, гафния. Прочность карбидов близка к прочности усов полученных из газовой фазы, и колеблется в пределах 600—1200 МПа. Процесс деформирования эвтектических композиций никель-карбид (Та, Nb, Hf) сопровождается интенсивным дроблением (фрагментацией) армирующих волокон. Фрагментация охватывает всю рабочую зону и происходит в произвольном сечении. Разрушение волокон тем не менее не приводит к разрушению всей композиции поскольку деформирующаяся и вследствие этого упрочняющаяся матрица воспринимает нагрузку, которую несли разрушающиеся волокна. Разрушение композиции происходит по достижении волокнами (в результате фрагментации) критической длины. Легирование никелевой матрицы (например, Си, А1 и другими элементами) повышает ее прочность вследствие образования твердого раствора и выделения из него при охлаждении дисперсных частиц. Повышение прочности матрицы в результате ее легирования неизбежно приводит к повышению прочности всей композиции.

Рис. 18. Зависимость σ_в пластинчатой эвтектики Ni₃Al—Ni₃Nb от температуры и скорости кристаллизации

Рис. 19. Влияние температуры на 100-часовую длительную прочность жаропрочных никелевых сплавов (1 — ЭИ741, 2 – ЭИ437Б, 3 — ЖС6, 4 — ЖС6Ф) и эвтектических композиционных материалов (5 - (Ni-Ni₃Al)-Ni₃Nb, 6 - Ni,Al-Ni₃Nb)

Прочность пластинчатых эвтектик возрастает с уменьшением межпластинчатого расстояния, которое в свою очередь зависит от скорости охлаждения композиции (рис. 18). Разрушение хрупких пластинчатых эвтектик происходит вслед за разрушением небольшого числа пластин.

При повышенных температурах пластичность волокнистых эвтектик понижается. С ростом температуры деформационное упрочнение матрицы не происходит и она не способна воспринимать напряжения, появляющиеся в результате фрагментации волокон. Дробление волокон при высоких температурах происходит в узкой области, прилегающей непосредственно к зоне разрушения.

Пределы длительной прочности эвтектических композиционных материалов превосходят пределы длительной прочности современных жаропрочных сплавов при рабочих температурах выше 900°С (рис. 19).

Эвтектические композиционные материалы на основе никеля применяют в основном в космической и ракетной технике для изготовления сопловых рабочих лопаток и крепежных деталей, газотурбинных двигателей.