2.17.1.1. Дисперснозміцнені мкм на основі алюмінію

Представником цього найпоширенішого виду МКМ є матеріали типу САП (спечена алюмінієва пудра). Матрицею служить алюміній, зміцнювальним ком­понентом — частинки оксиду алюмінію А1,О₃. Алюмінієва пудра з частинками завбільшки 1 мкм збагачується оксидом алюмінію під час її мелення в кульових млинах, де концентрація кисню менша, ніж в атмосфері. Виготовлення виробів з порошків А1 і А1,О, відбувається шляхом пресування й подальшого спікання.

Матеріали типу САП (САП-1, САП-2, САП-3) містять 6...17 % А1,О₃ (таблиця 2.17.1). Зі збільшенням об'ємної концентрації оксиду алюмінію зростають міцність, твердість та жаротривкість і знижується пластичність САП. Навіть під час підвищення температури частинки А1,О₃ не проявляють схильності до коагуляції й до розчинення в матриці. Тому при температурах експлуатації 300.„500 °С САП перевищують за жаротривкістю всі деформівні промислові стопи алюмінію.

220

Таблиця 2.17.1

Марки й механічні властивості САП

Матеріал	Об'ємна концентрація А1,О,,	σ0.2		δ
	%	МПа Л		%
САП-1 САП-2 САП-3	6...9 9,1...13 13,1...17	200 230 340	300 320 400	8 4 3

САП добре деформуються у гарячому стані, обробляються різанням, легко зварюються. З них виробляють профільні напівфабрикати, листи, фольгу і штамповки. САП успішно застосовуються для деталей з високою питомою міц­ністю й корозійною тривкістю (штоки поршнів, лопатки компресорів, труби теплообмінників).

2.17.1.2. Дисперснозміцнені мкм на основі магнію

Дисперснозміцнені металеві композитні матеріали на основі магнію порів­няно високоміцні (таблиця 2.17.2), легкі, відпірні до рекристалізації й достатньо пластичні (δ = 8...12 %). Зміцнювальним компонентом служить оксид магнію MgO (оптимальна концентрація 1,0 %), а іноді — оксид берилію ВеО. Оксид магнію утворюється під час мелення порошку магнію в контрольованій атмо­сфері. МКМ Mg — MgO не рекомендують застосовувати при температурах понад 400 °С з огляду на істотне зниження їх корозійної тривкості. Щоб її підви­щити, магнієву матрицю легують 2...8 % берилію.

МКМ на основі магнію використовують у авіаційній, ракетній і ядерній техніці переважно для виготовлення корпусних деталей.

Таблиця 2.17.2 Механічні властивості дисперснозміцненого МКМ Mg — 1 % MgO

ί,	σ0.2	σ.,	δ
°С	МПа		%
20 400 450 500	250...260 16...18	285...300 50...60 25...30 15...20	8 9 9 10...12

2.17.1.3. Дисперснозміцнені мкм на основі нікелю

Дисперснозміцнені МКМ на основі нікелю і його стопів відзначаються високою жароміцністю й використовуються для роботи при температурах понад 1000 °С. Матрицею служить нікель або стоп нікелю з 20 % хрому (ніхром), а зміцнюваль-

221

ним компонентом — оксиди торію ThO₂, гафнію НГО₂ або цирконію ZrO_r Оксиди гафнію і торію дуже стабільні в нікелевій матриці навіть при високих температу­рах. Недоліком оксиду торію є його підвищена токсичність. 3.-поміж композитних матеріалів з нікелевою матрицею відомі ВДУ-1 (98 % Ni, 2 % ТЮ,) і ВДУ-2 (98 % Ni, 2 % НЮ₂), а з нікель-хромовою матрицею — TD-ніхром (78 % Ni, 20 % Сг, 2 % ThO,). Жароміцність матеріалу ВДУ-1, зміцненого оксидом торію, вища від жароміцності ВДУ-2, зміцненого оксидом гафнію (див. таблицю 2.17.3). МКМ TD-ніхром високо міцний в інтервалі температур від кімнатної до 800 °С, проте при підвищених температурах його жароміцність нижча порівняно з ВДУ-1 і ВДУ-2.

Таблиця 2.17.3

Марки й механічні властивості дисперснозміцнених МКМ на основі нікелю

Матеріал	t	СТ0.2		<5	Ψ
	°С	МПа		/о
	20	400	555	22	72
	200	330	450	22,5	—
	400	265	360	22,5	—
ВДУ-1	600	220	290	22,5	45
	800	155	210	15	30
	1000	125	150	11,5	22
	1200	105	125	8	17
	20	425	525	13,5	—
	500	225	280	7	—
ВДУ-2	800	200	215	4	—
(листовий)	1000	135	150	7,5	—
	1100	90	105	8,5	—
	1200	70	80	6,5	—
	20	625	925	23	—
	200	525	875	19	—
	400	475	800	17	—
TD-ніхром	600	375	500	10
(листовий)	800	230	255	4,5	—
	1000	115	130	2.5	—
	1100	83	95	2,5	—
	1200	55	65	2,5	—

2.17.2. Волоконні МКМ

Для металевої матриці найчастіше використовують алюміній, магній, титан, нікель, кобальт або стопи на їх основі. Армують МКМ високоміцними й високомодульними волокнами з бору, вуглецю, важкотопких оксидів, карбідів, нітридів, а також волокнами зі сталі, берилію, вольфраму. З огляду на істотну

222

відмінність властивостей матриці й волокон МКМ з однонапрямленими волокнами анізотропні й найміцніші вздовж волокон. Волокна за об'ємом займають в МКМ від 10 до 75 %, вони добре сприймають осьові напруження. У зв'язку з цим орієнтація волокон повинна збігатись з напрямком найбільших напружень.

Для виготовлення волоконних МКМ використовують рідкофазові (лиття) й твердофазові (деформування) процеси, порошкові технології тощо.

2.17.2.1. Волоконні МКМ на основі алюмінію

Застосування алюмінію і його стопів марок АМц, АМг2, АМгб, АДЗЗ, Д16, В95 та ін. для матриці пояснюється їх дешевизною, малою густиною, доброю корозійною тривкістю й здатністю багатьох з цих стопів до істотного зміцнення термічною обробкою.

Найпоширенішим серед МКМ є бороалюміній ВКА-1. За міцністю при кімнатній температурі він вдвоє перевищує конструкційні стопи алюмінію, а за жорсткістю — у 3,5 рази. Волокна бору, що займають у матеріалі ВКА-1 об'єм від 40 до 50 %, високоміцні (σ, = 2800...3500 МПа) і жорсткі при густині (2,50...2,65) · 10³ кг/м³. їх недолік — підвищена крихкість і висока хімічна ак­тивність. Уже при температурі понад 400 °С волокна бору оксидуються, а при температурі понад 500 °С вони взаємодіють з алюмінієвою матрицею. Для захисту від хімічної взаємодії на борні волокна наносять тонкі покриття з карбіду кремнію чи карбіду або нітриду бору завтовшки 3...5 мкм. Волокна бору, покриті тонким шаром карбіду кремнію, називають борсиком. Густина бороалюмінію становить (2,63...2,65) ■ 10' кг/м³. З нього виготовляють деталі, що застосовуються в авіації.

У МКМ алюміній — вуглецеві волокна поєднуються низька густина матриці та арматури з високою міцністю й жорсткістю волокон, внаслідок чого компо­зит характеризується значними питомими міцністю й жорсткістю. Окрім того, вуглецеві волокна добре проводять тепло й електричний струм. Міцність вуг­лецевих волокон становить 1500...3500 МПа і більше при густині (1,6... 1,8) · 10³ кг/м³. їх недоліками є висока хімічна активність, крихкість і погана змочуваність розтопами основних конструкційних металів. Під час нагрівання волокон до температури понад 450 °С вони взаємодіють з киснем атмосфери, хоча в нейтральній атмосфері витримують температуру до 2200 °С. Щоб захистити вуглецеві волокна від хімічної взаємодії з киснем й матеріалом матриці, їх покривають боридами титану, нітридами титану й цирконію, карбідом кремнію, карбідом титану, хромом, молібденом і вольфрамом. Водночас нанесені покриття покращують змочуваність волокон матеріалом матриці.

Вуглецеві волокна отримують із синтетичних органічних волокон, терміч­но розкладаючи їх в інертному середовищі.

МКМ алюміній — вуглецеві волокна формують рідкофазовими методами зокрема литтям під тиском. Ці матеріали успішно застосовують в авіаші для виготовлення паливних баків сучасних винищувачів. МКМ алюміній — вуглецеві волокна дешевші й легші, ніж МКМ алюміній — борні волокна.

223

Армування алюмінієвих стопів безперервними волокнами з таких важко-топких матеріалів як бор, карбіди кремнію, оксиди алюмінію істотно підвищує жароміцність МКМ.

Із МКМ алюмінієвий стоп — волокна SiC виготовляють труби, фасонні деталі, танкові траки, поршні для двигуна автомобіля тощо.

МКМ алюмінієва матриця — металевий дріт відзначаються підвищеними міцністю, модулем пружності та втомною міцністю. Металевий дріт використо­вують у вигляді волокон і сітки. Звичайно застосовують дріт 0 20...1500 мкм, з високовуглецевих або легованих сталей з границею міцності ст_м = 1800...3150 МГТа. Границя міцності дроту з вуглецевих сталей зберігається до температур 350...450 °С. Сталевий дріт належить до найдешевших зміцнювачів.

Перспективним зміцнювальним компонентом є берилієвий дріт з високими питомими міцністю й жорсткістю. Границя міцності берилієвого дроту 0 50 мкм становить о_и= 1450 МПа, а густина — 1,8 • 10³ кг/м³.

Зі стопів алюмінію, армованих сталевим і берилієвим дротом, виготовля­ють деталі корпусів ракет й паливні баки літальних апаратів.