Новые материалы

Листать книгу

Страницы: ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...

скачать книгу Новые материалы

В работах Института металлургии и материаловедения им. А. А. Бай-кова (ИМЕТ) показано, что есть по крайней мере два пути преодоления указанных причин деградации композитов типа W/Ni-суперсплав: замена активной к вольфраму матрицы на Ni-основе на менее активную матрицу на основе другого металла; понижение активности никеля в Ni-сплаве за счет его связывания в термически стабильные соединения. Анализ двойных и тройных диаграмм состояния с участием вольфрама и металлов, являющихся основой жаропрочных или жаростойких сплавов, включая никелевые, показал, что возможно использование нескольких типов металлических или интерметаллидных матриц, упрочненных волокнами из высокопрочных вольфрамовых сплавов. Так, благоприятной основой для жаростойкой матрицы являются сплавы хрома, поскольку в системе W—Сг отсутствуют интерметаллиды, имеется широкая область сосуществования двух твердых растворов (на основе хрома и на основе вольфрама), что исключает активное взаимодействие W-волокна с Сг-матрицей по крайней мере до 1400 °С. На границе волокно—матрица возникает тонкий термически стабильный промежуточный слой из двух находящихся в равновесии твердых растворов W—Сг, ширина которого на порядок ниже ширины реакционной зоны в композитах с Ni(Co, Ре)-матрицами. Кроме того, в отличие от композитов W/Ni в композитах W/Cr отсутствуют приповерхностные зоны рекристаллизации W-волокна, так как хром не является поверхностно-активным к вольфраму. Благодаря этому W-волокно в Cr-матрице остается нерекристал-лизованным вплоть до 1400 °С.
...
Экспериментальная оценка такого подхода к выбору пары волокно/матрица была проведена на композитах, в которых использовали разработанные в ИМЕТ высокопрочные волокна ЖЗООмкм из сплавов типа ВМРК, упрочненных 3...4 % Re и 0,25 % HfC (ZrC), в деформированном состоянии (02°
...
ГТД из них с радиусом загиба на входной кромке 0,8 мм при угле 16°. Кроме того, из листовых заготовок можно сформировать сложные формы, включающие поверхность двойной кривизны (камеры сгорания двигателя). Методом навивки биметаллической проволоки (вольфрам с нанесенным ионно-плазменным конденсатом сплава ВХ2У) ВИАМ изготовлена модель камеры сгорания длиной 80 мм и диаметром 14 и 40 мм с толщиной стенки 1,8 мм. Во всех случаях количество вольфрамовых упрочняющих волокон составляло 0,25...0,30 объемных долей, что обеспечивало плотность материала -10 г/см3. Композиты (W + НгС)/ВХ2У показали высокие механические свойства: при 1300, 1400 и 1500°С временное сопротивление ов
...
Испытания модели камеры сгорания в высокоэнтальпийном потоке воздуха с температурой 1700...2500 °С в течение 2490 с, при которых температура поверхности камеры достигала 1600 °С (что на -130 °С превышает обычную температуру для таких изделий из Ni-суперсплавов), не выявили каких-либо видимых изменений на горячей поверхности камеры. Исследования показали также, что необходимо обращать внимание не только на физико-химическое взаимодействие основ материалов матрицы и упрочняющего волокна, но и на взаимодействие материала матрицы с легирующими элементами (ЛЭ) и фазами в упрочняющем волокне. Так, было установлено, что в хромовой матрице наиболее высокопрочные (УУ-НпМЭ-волокна не имеют преимуществ перед менее прочными (\¥-НГС)-волокнами из-за активного взаимодействия HfN с Сг и образования нитридов хрома.
...
Попытка снизить активность Ni-матрицы по отношению к жаропрочным волокнам из W-сплавов базировалась на том, что никель, связанный в интерметаллид (ИМ), менее активен, чем никель в у-твердом растворе в Ni-суперсплаве. Согласно диаграмме состояния Ni—А1, образуются два термодинамически стабильных алюминида Ni3Al и NiAl, которые находятся в равновесии с W, Мо, Сг в тройных системах Ni-Al-Me и имеют температуру начала плавления, более высокую, чем Ni-cynep-сплавы.
...
Композиты W/Ni3Al и W/NiAl получали методами порошковой металлургии (ПМ) по следующей схеме: напыление на оправку с W-проволо-кои порошков Ni^Aly-матрицы, полученных совместным гидридно-каль-пиевым восстановлением. В этих композитах отсутствует широкая реак-
...
ционная зона W^Ni , не наблюдается инициированная никелем рекристаллизация деформированного W-волокна, т. е. практически преодолены по крайней мере два недостатка, вызывающие деградацию W/Ni-компо-зитов. Это позволило получить жаростойкий композит 20W/80NiA] со ЮО-ч прочностью при 1200 °С о100
...
Направленно закристаллизованные эвтектические сплавы. Для длительной высокотемпературной службы наиболее применимыми с точки зрения термической стабильности являются композиты, полученные in-situ, фазовый состав которых соответствует псевдодвойным разрезам тройных или многокомпонентных систем, в которых упрочняющая фаза (волокно или частица) находится в равновесии с материалом упрочняемой матрицы. При этом удается избежать протекания реакций взаимодействия между ними и появления при производстве композита или его длительной высокотемпературной службе промежуточных фаз, иногда значительно более легкоплавких и хрупких, чем исходные составляющие композита, что ведет к его деградации. Такой подход к выбору пар для термодинамически стабильных композитов послужил началом большого научного направления — создания класса «естественных» композитов, в которых оба компонента композита находятся в равновесии, имеют место неограниченная взаимная растворимость компонентов в расплавленном состоянии при достаточном перегреве расплава и низкая растворимость в твердом состоянии [1].
...
Большое внимание в настоящее время уделяется естественным композитам, получаемым in-situ с матрицей, представляющей собой А1, или сложнолегированный Ni-суперсплав, или легкий ИМ (например, алю-минид никеля или титана). Упрочнение матрицы осуществляется либо дисперсными частицами, либо волокнами (дискретными или непрерывными) фаз, которые, согласно диаграммам состояния, находятся в равновесии с жаропрочной металлической или ИМ-матрицей. В зависимости от способа получения эти композиты могут иметь либо равноосную зернистую структуру, стабилизированную дисперсными жесткими частицами упрочняющей фазы, либо направленную структуру с близким к ре-
...
гулярному расположением волокон упрочняющей фазы. Для армирования упрочнения композитов этого типа используются следующие фазы:
...
- тугоплавкие термодинамически стабильные «жесткие» фазы внедрения — карбиды и бориды; элементы, образующие эти фазы, полностью растворяются в матричных расплавах, тогда как в твердом состоянии взаимная растворимость низка; оксиды и нитриды в композитах этого типа не используются из-за низкой растворимости газообразных элементов внедрения (N, О) в расплавах, не позволяющей создать в композите достаточную объемную долю упрочняющей фазы, и более высокой стабильности самих тугоплавких фаз внедрения, не склонных к диссоциации;
...
- металлические «мягкие» фазы со структурой неупорядоченного твердого раствора на основе металлов (Сг, Mo, W, V, Nb, Та, Ni—Fe, Ni—Со), находящиеся в равновесии с алюминидами никеля, которые в композициях эвтектического состава могут образовывать непрерывные пластины или волокна различного сечения и с разным межволоконным расстоянием, вследствие чего сопротивление ползучести и вязкость разрушения могут колебаться в значительных пределах;
...
- ИМ более жесткие, чем алюминиды титана, никеля, железа, с менее симметричной кристаллической решеткой типа фаз Лавеса, Гей-слера и др.
...
Способ получения in-situ термически стабильных естественных композитов имеет свои достоинства и недостатки. Так, при нагреве под нагрузкой фазовый состав естественных композитов не меняется. При наличии заметной температурной зависимости взаимной растворимости и вследствие развития диффузионных процессов, ведущих к огрублению частиц упрочняющей фазы (карбидов, боридов, других ИМ, мягких металлических фаз), могут изменяться их объемная доля и размер выделений.
...
Реакционное сплавление композитов, упрочненных частицами. Работы многих ведущих ученых посвящены созданию высокопрочных, легких, жаростойких и тугоплавких материалов на основе алюминидов никеля и титана взамен титановых сплавов и Ni-суперсплавов. Только твердора-створное легирование не обеспечивает преимуществ сплавов на основе алюминидов перед современными гетерофазными Ni-супере плавами по прочности и удельной жаропрочности. Следующим шагом было получение in-situ композиций методами реакционного сплавления (PC). Метод основан на том, что в сплавах, расположенных на псевдодвойном разрезе Ме(ИМ)-МеС(МеВ2, Ме2С), где существуют неограниченная взаим-
...
ная растворимость в жидком состоянии при достаточном перегреве расплава и ограниченная (низкая) взаимная растворимость в твердом состоянии, зародыши тугоплавкой упрочняющей фазы (карбид, борид) образуются уже в расплаве более легкоплавкой матрицы: А1-, Ni-, Ti-сплавы или сплавы на основе Ni3Al-, NiAl-, Ti3Al-, TiAl-интерметаллидов.
...
Процесс получения in-situ таких композитов разработан в Martin Marietta Lab. (MML). В США кроме MML эти работы ведутся в GE Aircraft Engines (Cincinnati), INCO Alloys International (Washington), а также в NASA Lewis Res. Center (Cleveland), Texas Instruments Auleboro (MA) и др. В Японии эти работы ведутся в Mitsubishi Materials Corporation. Эти процессы являются в определенной мере аналогами (вариантами) разработанного в СССР процесса самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), протекающего в жидкотвердой фазе, развитого позднее как дешевый процесс получения порошков заданного состава или деталей из ИМ, в том числе легированных упрочняющими фазами. Наибольшую известность получили созданные этими методами композиты с матрицей из NiAl или TiAl, содержащие от ~ 2 до ~ 60 % (об.) дисперсных частиц TiB2, HfB2, HfC. Размеры изолированных частиц указанных фаз, находящихся, согласно диаграммам состояния, в равновесии с моноалюминидом, зависят от объемной доли фазы и схемы процесса (последовательности, способа введения и скорости нагрева при PC). Так, изолированные частицы TiB2 в (у-Т1А1)-матрице получаются размером до 1...10 мкм при объемной доле 15...60 %.
...
Измельчение частиц, образующихся in-situ, достигается по технологии быстрого затвердевания расплава ИМ—MeyXz
...
Изучение свойств композитов этого типа показало, что с увеличением объемной доли вводимой фазы, например до 20...30 % TiB? в NiAl, плот-ность композита понижается до ~ 5,5 г/см , модуль упругости при всех
...
температурах до 1030 °С повышается на 20...30 %, ТКЛР сохраняется примерно на уровне NiAl [от (12...14)-10"6 при 25 °С до (18...22)-10"6 К"1 при 1200 °С], сопротивление ползучести растет, а вязкость разрушения невысока и сохраняется примерно на уровне К1с = 6...7,5 МПа-м1/2.
...
Таким образом, полученные мелкозернистые композиты демонстрируют «обнадеживающую» жаропрочность, более высокую, чем у исходной NiAl-матрицы, но они не могут соперничать с традиционными Ni-суперсплавами ни по жаропрочности, ни по вязкости разрушения при низких температурах. Очевидно также, что в этих композитах алюмини-ды TiAl и NiAl являются насыщенными твердыми растворами по отношению к упрочняющим фазам - карбидам и боридам. Это приводит к упрочнению алюминидов и ухудшает их пластичность в отсутствие вязкой структурной составляющей, присутствующей, например, в Ni-cynep-сплавах. Следует также отметить, что стойкость к высокотемпературной газовой коррозии (окислению) композитов с карбидами и боридами хуже, чем исходных алюминидов (например, NiAl), в связи с чем экономичные процессы получения деталей из композитов с интерметаллид-ной матрицей методами PC или СВС-компактирования с плотностью, близкой к теоретической, по-видимому, можно рекомендовать либо для изготовления относительно недорогих заготовок (в том числе с формой, близкой к окончательной) деталей массового назначения для различных энергетических отраслей промышленности, либо как промежуточную операцию получения интерметаллидной порошковой матрицы для композитов, в которые частицы или волокна упрочняющей фазы вводятся механическим путем.
...
Направленная кристаллизация естественных композитов. Термическая стабильность структуры и фазового состава максимальна для естественных композитов эвтектического состава, полученных in-situ, так как их фазовый состав соответствует псевдодвойным политермическим сечениям типа Ni-суперсплав или интерметаллидная матрица—упрочняющая Фаза (ИМ11, Me1, Me11, МеС, Ме2С, MeN, МеВ2 и др.). В этих композитах межфазная граница наиболее прочная (определяется хорошей ко-гезией фаз в эвтектике и структурным соответствием на межфазной границе) и чистая по примесям. Методом направленной кристаллизации композиций эвтектического состава формируются естественные композиты с интерметаллидной матрицей, упрочненные непрерывными волокнами второй фазы. Эта фаза может быть как пластичной и мягкой (.металлы), так и жесткой и твердой (другой ИМ, фазы внедрения, силициды).
...
Следует отметить, что получение совершенного композита, содержащего как вязкую структурную составляющую в матрице, так и равномерно расположенные по сечению непрерывные волокна диаметром < 1 мкм тугоплавкого высокопрочного карбида [2...6 % (об.)], требует прецизионной работы оборудования для направленной кристаллизации низких скоростей процесса (К ст = 8 мм/ч), что делает его экономически нерентабельным, но позволяет получить уникальные характеристики длительной прочности и сопротивления ползучести. Так, демонстрирующие минимальный интервал кристаллизации и максимальную температуру плавления эвтектики типа N1TAC-13, N1TAC-16, СОТАС, ВКЛС20-Р имеют низкую межфазную энергию ТЧЬСДт+У), ТаС/(у+у). Их 100- и 500-ч прочность превосходит таковую для известных рений-содержащих наиболее жаропрочных никелевых сплавов типа ЖС-32 и CMSX-4.
...
Создание естественных композитов с тугоплавкими карбидами позволяет повысить рабочие температуры Ni-суперсплавов до 1100...1150 °С.
...
Примером естественных композитов с иитерметаллидной матрицей, армированной при направленной кристаллизации пластинами или волокнами упрочняющих фаз, являются NiAl—Me (Mo, Сг, W, Fe—Ni и др.) или NiAl-NiAlMe (NiAlTa, NiAlNb и др.).
...
Регулируя объемную долю и расстояние между волокнами (пластинами) мягкой или жесткой упрочняющей фазы, можно менять характеристики низкотемпературной пластичности или вязкости разрушения и длительной прочности, сопротивления ползучести. Так, уменьшение расстояния между пластинами вязкой у-фазы (Fe—Ni) в случае направленной кристаллизации композита NiAl/y с 12...15 до 2,2 мкм при одинаковом напряжении ~30 МПа при 825 °С приводит к понижению скорости ползучести композита приблизительно на три порядка. Волокно или пластины О ЦК-тугоплавких металлов (твердых растворов на основе хрома, молибдена сечением 0,2...1,0 мкм) обеспечивают высокую жаропрочность при удовлетворительной низкотемпературной вязкости разрушения, а включения фазы Лавеса NiAlMe со структурой типа С14 сечением < 0,5 мкм увеличивают прочность при высоких температурах.
...
Общий недостаток всех естественных композитов, сформировавшихся in-situ при направленной кристаллизации или PC, заключается в том, что и волокно (пластины), и матрица являются предельно насыщенны-
...
ми твердыми растворами. Для волокон (частиц) из фаз внедрения или ИМ это не имеет особого значения, но это может привести к охрупчи-ванию материала металлической или ИМ-матрицы, если матрица не является гетерофазной и не содержит вязкую составляющую, обеспечивающую удовлетворительную пластичность композита в целом, как, например, Ni-суперсплавы (y+Y)
...
Важным условием стабильности естественных композитов, полученных НК, является выбор в качестве их основы таких систем, где на псевдодвойном политермическом разрезе отсутствует заметная температурная зависимость взаимной растворимости компонентов, иначе при термоцик-лировании это может привести к частичному растворению упрочняющих фаз - пластин или волокон (особенно при забросах рабочих температур до предплавильных) с последующим выделением при низких температурах из пересыщенного твердого раствора на основе матрицы дисперсных равноосных частиц упрочняющей фазы. Это приведет к деградации структуры пластин или волокон и свойств композитов. .
...
^вяз'костьСОПРО™ВЛеНИе "^ЗУ460™ <°) ПРИ 1025 °С (скорость ползучести е = 1(Г6 см"1) закристалпиРаЗРУШеНИЯ ^1с^ при 20 °С двух" и трехфазных эвтектических направленно ишзованных композитов с матрицей на основе NiAl
...
В целом же следует признать, что большинство описанных в научной литературе естественных композитов эвтектического происхождения, полученных направленной кристаллизацией, не удовлетворяют требованиям, предъявляемым к современным конструкционным материалам, по ряду параметров: выбор композиций ограничен узким кругом эвтектических систем, что, в свою очередь, ограничивает рабочие температуры а относительно высокое сопротивление ползучести при 1050 °С сочетается с низкотемпературной хрупкостью (кроме композитов с матрицей из Ni-суперсплавов) и низкой жаростойкостью. Большинство композитов этого типа содержит значительное количество тяжелых тугоплавких элементов, например Та, Mo, Re. Обращает также на себя внимание, что естественные НК-композиты на основе TiAl практически не рассматриваются ввиду более высокой активности TiAl к возможным упрочняющим фазам внедрения — карбидам, боридам, а также из-за соответствующих трудностей аппаратурного оформления процесса (высокая химическая активность TiAl). Мешает также и низкая производительность процесса, определяемая низкой скоростью кристаллизации (большая скорость приводит к появлению дополнительных центров кристаллизации и нарушению роста направленных кристаллов упрочняющей фазы).
...
ственных композитов, в том числе эвтектического происхождения на базе Ni-суперсплавов или алю-минидов никеля, перечисленные выше недостатки указанных композиций и процессов их производства во многом тормозят их разработку' и стимулируют развитие работ, связанных с получением более дешевых и доступных, термически стабильных, легких, жаростойких и жаропроч
...
легированных ИМ - алюминидов титана, никеля, ниобия или даже на более тугоплавких основах, упрочненных тугоплавкими, керамическими фазами (например, оксидами), не взаимодействующими или слабо взаимодействующими с материалами матриц.
...
В работе Г. С. Бурханова рассмотрены свойства и перспективы применения в конструкциях карбидов и боридов редких металлов, в том числе в виде направленно закристаллизованных тугоплавких эвтектик. Среди огромного числа металлоподобных соединений редких металлов заметное место занимают карбиды и бориды. Они могут использоваться или как основа конструкционного материала, или как упрочняющий компонент в сочетании с пластичной матрицей. Такие конструкционные материалы могут предназначаться для работы в экстремальных условиях. Особый интерес представляют монокарбиды и дибориды переходных металлов IV—VI групп периодической системы Д.И.Менделеева — циркония, гафния, ниобия, тантала, молибдена, вольфрама. Карбиды и бориды переходных металлов IV—VI групп имеют четко выраженный металлический характер: металлический блеск, хорошую электро- и теплопроводность, что указывает на преобладание металлического типа химической связи.
...
Карбиды и бориды переходных металлов отличаются следующими свойствами, представляющими наибольший интерес для их применения при разработке конструкционных материалов.
...
1. Высокая тугоплавкость. Температура плавления ZrC, HfC, NbC, ТаС выше, чем у вольфрама. По тугоплавкости карбиды гафния и тантала превосходят все известные синтезированные вещества.
...
3. Высокая химическая устойчивость в компактной форме против воздействия сильно концентрированных кислотных смесей. Наибольшей химической стойкостью отличается диборид тантала - ТаВ2.
...
Наряду с монокарбидами и боридами представляют интерес и их двойные системы. Все изоморфные пары монокарбидов и диборидов, соответствующие правилу Юм-Розери (разность диаметров атомов металлов не более 15 %), обладают неограниченной взаимной растворимостью. Отсутствие неограниченной растворимости наблюдается в системах монокарбидов ZrC-VC, HfC-VC и диборидов HfB2-VB2, ZrB-CrB, для которых
...
Вопросы напрвленной кристаллизации для сплавов вольфрама пока не получили достаточного развития. Общим для изучаемых систем является то, что эвтектическое затвердевание весьма чувствительно к величине градиента температуры, концентрационному переохлаждению, скорости кристаллизации. Продольная микроструктура доэвтектического сплава вольфрама [1,6 % (масс.) С] состоит из переплетающихся вольфрамовых и карбидных WC-волокон, вытянутых в направлении теплоот-вода. При приближении состава сплавов к эвтектическому наблюдается более четко выраженный направленный рост кристаллов W и WC. Для заэвтектических сплавов [2,5...2,8 % (масс.) С]
...
Важно подчеркнуть, что при направленной кристаллизации эвтектики W-W2C происходит сопряжение кристаллических решеток кристаллизующихся фаз по плоскостям с малыми индексами — (100), (ПО). Для полученного при этом слитка характерно исключительно высокое сопротивление разрушению.
...
К одним из наиболее значимых достижений в материаловедении и технологии неметаллических материалов за последние годы следует отнести разработку процессов производства углеродных материалов, которые характеризуются химической инертностью, малой плотностью, хорошими электрофизическими свойствами, возможностью регулирования теплопроводности и электрического сопротивления в широких пределах.
...
Класс углеродных материалов достаточно обширен, и если в основе классификации лежит принцип, согласно которому в состав материала должен входить атом углерода, то кроме традиционных форм углерода -графита и алмаза — к нему можно отнести полимерные материалы и карбидные соединения. Однако в технике понятие «углеродные материалы» традиционно связано с материалами, обладающими графитоподоб-нои структурой — от кристаллической до полностью аморфной, в том числе углерод-углеродные композиционные материалы (УУКМ). Клас-
...
сификационными признаками углеродных материалов могут быть: состав исходных компонентов (коксо-пековые композиции, саженаполненные пековые или феноло-формальдегидные композиции и т.д); технология получения (газофазная, жидкофазная, твердофазная); характеристика структуры (молекулярная, кристаллическая, пористая, а для УУКМ -схема армирования); функциональное назначение (конструкционные, теплозащитные, антифрикционные и др.); области применения (самолето- и ракетостроение, металлургия и химическое машиностроение, ядерная энергетика и др.). Однако устоявшейся классификации углеродных материалов, в том числе УУКМ, не существует.
...
В настоящее время наиболее интенсивно развивается материаловедение, технология и области применения УУКМ. Несмотря на относительно высокую стоимость, УУКМ находят применение прежде всего в авиации и космонавтике [17], кроме этого в медицине, в узлах реакторов термоядерного синтеза, в автомобилестроении и при изготовлении спортивного инвентаря.
...
Специфика использования свойств УУКМ связана с рядом уникальных особенностей, присущих классу углеродных материалов. Присутствие волокнистого наполнителя в объеме УУКМ делает уровень их физико-механических свойств недостижимым для традиционных углеродных материалов. Варьирование пространственным расположением волокнистого наполнителя композита является эффективным инструментом в управлении анизотропией свойств УУКМ.
...
Развитие композиционных углеродных материалов связано с поиском новых связующих и армирующих наполнителей, разработкой уникального технологического оборудования, снижением длительности технологического цикла, затрат энергии, повышением качества получаемого материала и улучшением его характеристик.
...
Армирующие каркасы. Для армирования в УУКМ используют углеродные волокна (УВ), на основе которых формируют пространственные структуры, обеспечивающие направленную анизотропию свойств конечного материала. В достижение требуемых физико-механических свойств УУКМ свой вклад вносят не только характеристики УВ, но и тип пространственного армирования композита, изменение которого оказывает влияние на процесс заполнения каркаса углеродной матрицей, что, в свою очередь, отражается на свойствах материала в целом.
...
ет получать материалы с уникальным набором теплофизических, химических, механических характеристик в сочетании с возможностью управления анизотропией перечисленных свойств. Каждый тип волокна обладает индивидуальными свойствами, влияющими на технологические параметры изготовления композита.
...
Конечными температурами обработки и обусловлено разделение УВ на высокопрочные, с температурой обработки до 1500 °С, и высокомодульные, конечной стадией изготовления которых является графитация. В настоящее время известны способы получения углеродного волокна на основе целлюлозы (ГТЦ-волокно), полиактрилонитрильного волокна (ПАН-волокно), поливинилспиртового волокна (ПВС-волокно), песков (нефтяного и каменного), лигнина, а также фенольной смолы.
...
Хорошая смачиваемость УВ органическим связующим является необходимым условием для достижения адгезионной связи на границе между матрицей и наполнителем в композитах, что оказывает большое влияние на их свойства.
...
Для улучшения взаимодействия УВ со связующим используют различные технологические методы воздействия на поверхность волокон, например плазмой и др., что оказывает значительное влияние на смачиваемость волокон связующим и качество пропитки углеродного каркаса.
...
Методы изготовления объемных структур углеродных каркасов разнообразны. Известны такие технологические приемы, как ткачество сухих
...
Управление анизотропией свойств УУКМ осуществляется путем варьирования укладкой арматуры. Выбор схемы армирования композита производят на основании данных о распределении температурных и силовых полей и характере нагружения готового изделия. Широкое распространение получили тканые системы на основе двух, трех и п
...
На основе стержней получают материалы, армированные в одном, двух, трех, четырех, пяти и более направлениях. Композиты с однонаправленным расположением волокон (ID)
...
термической обработки на первой стадии в жидкой фазе, а на завершающей — в твердом состоянии образует углерод с требуемой структурой В газофазной технологии углеродная матрица в волокнистом углеродном каркасе формируется в результате осаждения углерода, образующегося в результате разложения природного газа, при этом в зависимости от условий процесса формируется пироуглерод (аморфная структура) или пирографит (кристаллическая структура).
...
Определяющими факторами при выборе исходного материала углеродной матрицы, формируемой пиролизом из жидкой фазы, является его природа и состав, поверхностные и реологические свойства, выход коксового остатка и способность к графитации. Наиболее часто в качестве сырья матриц применяют пеки — продукты термических превращений веществ, получаемых из каменного угля, нефти или другого органического сырья.
...
Несмотря на широкое использование пеков в различных отраслях промышленности, представления об их структуре неоднозначны. Большинство исследователей характеризуют пек как гетерогенную полидисперсную систему, содержащую высококонденсированные карбо- и гетероциклические соединения, различающиеся по молекулярной структуре и степени ароматичности.
...
Химический состав пеков сложен. Как правило, изучается структура отдельных фракций пека и их влияние на технологические параметры всей высокомолекулярной системы. Методом компонентного анализа каменноугольные пеки разделяют на следующие составляющие: а(-фрак-ция нерастворима в хинолине; а2-фракция растворима в хинолине, но нерастворима в толуоле; (э
...
Влияние химического состава пеков на качество уплотнения углеродных материалов было подробно исследовано. Улучшение качества пропитанных изделий наблюдается при увеличении содержания в пеке а2- и (3-фракций и при снижении а^фракции. Причем, если при увеличении содержания ^-фракции наблюдается постоянное улучшение качества пропитанных изделий, то накопление в пеке веществ ос2-фракции свыше 23 % способствует ухудшению свойств пропитанных изделий. Четкой зависимости между качеством заготовок и содержанием в пеке у-фрак-ции не было обнаружено. Вещества ocj-фракции не только не участвуют в процессе пропитки, но и тормозят его. В связи с этим, содержа-
...
ние веществ этой фракции в пеке, используемом в качестве связующего, нежелательно. Низкомолекулярные соединения у-фракции обладают малой вязкостью и в полной мере участвуют в процессе пропитки, выполняя роль растворителя, но при дальнейшей термообработке они почти полностью улетучиваются, не образуя кокса. Вещества ос2- и (3-фрак-ций обладают способностью при нагреве до температур пропитки переходить в состояние ньютоновской жидкости, а при дальнейшей термообработке образовывать углеродную матрицу. Таким образом, именно эти вещества являются основными коксообразующими составными частями пека, от которых, в основном, зависит плотность композиционного материала и комплекс его физико-химических свойств.
...
Итогом термохимических превращений пека в процессе термообработки является образование кокса, связывающего отдельные элементы углеродного каркаса. Основные физико-химические превращения пеков при нагреве приходятся на довольно узкий температурный интервал 400...500 °С. Именно при этих температурах происходят термохимические превращения деструкция-синтез, сопровождающиеся удалением большей части летучих продуктов и началом формирования основного углеродного скелета коксового остатка. Продолжительность и характер протекания мезофазного превращения позволяют прогнозировать способность пеков к образованию графитирующегося остатка. Термохимические процессы формирования коксового остатка из пекового сырья определяются не только температурой и временем ведения процесса, но и скоростью нагревания и давлением. Уменьшение скорости нагрева позволяет увеличивать выход коксового остатка. При пиролизе пека давление оказывает влияние, главным образом, на протекание реакций в паровой фазе. Реакции пиролиза от давления не зависят, тогда как реакции конденсации и полимеризации находятся в прямой зависимости от давления. Увеличение давления повышает выход кокса и степень совершенства кристаллической структуры кокса.
...
Актуальной проблемой при использовании в технологии УУКМ в качестве коксообразующих компонентов отверждающихся полимерных связующих является формирование заданной структуры углеродной матрицы при карбонизации и высокотемпературной обработке или образование в ней жаростойкой и прочной карбидной, нитридной или оксидной фаз, а также обеспечение многофункциональности углеродных материалов и изделий: сочетание высокой несущей способности с заданными теплозащитными, теплоизоляционными, электрическими и агнитными свойствами и другими свойствами [19]. Одним из возмож-
...
ных путей эффективного решения этих проблем является разработка термореактивных связующих на основе доступных и дешевых компонентов содержащих в своей структуре заданное количество химически связанных на молекулярном или коллоидно-химическом уровне атомов или ионов соответствующим образом выбранных металлов.
...
В литературе описаны два основных способа образования молекулярной структуры металлокомплексных олигомеров и полимеров: соединение мономерных молекул между собой непосредственно ионно-коорди-национными (металлокомплексными) связями с участием ионов металлов и противоионов мономерных лигандов; соединение мономерных звеньев между собой обычными ковалентными связями с участием ре-акционноспособных функциональных групп и последующим образованием ионно-коордионационных комплексов ионов металлов с дополнительными (боковыми) ионообразующими группами мономерных звеньев. Наиболее перспективным является использование в качестве исходных мономеров полифункциональных веществ, содержащих атомы или группы, способные образовать стабильные комплексы при взаимодействии с оксидами, гидроксидами, солями и другими соединениями металлов, а также атомы или группы, способные реагировать между собой или с функциональными группами других веществ с образованием густосетчатых полимеров в процессе отверждения. К таким веществам относятся фенолы, ароматические амины, кислоты и их производные, широко используемые в качестве исходного сырья для синтеза традиционных термореактивных (феноло-, амино- и амидоальдегидных) смол, обеспечивающих большие возможности направленного регулирования как технологических свойств связующих на их основе до и в процессе отверждения, так и их жесткости, прочности, теплостойкости и высокого выхода кокса при карбонизации.
...
Для получения реакционноспособных (металлсодержащих) комплексов, отверждающих композиций и карбонизующих полимеров наиболее перспективным лигандом служит триметилолфенол и продукты его частичной конденсации по метилольным группам.
...
В литературе [19] для получения карбонизующихся связующих были выбраны ионы никеля, способные оказывать каталитический эффект в формировании углеродной матрицы турбострастной структуры, и ионы циркония, способные образовывать при карбонизации оксидную фазу, а при высокотемпературной обработке — карбидную.
...
Карбонизацию полученных углепластиков производили в коксовой засыпке в среде аргона при двухступенчатом нагреве: до 1000 °С со
...
скоростью 50°С/ч и до 1900 °С - 100°С/ч. Цикл повторной пропитки заготовки связуюшим и последующей карбонизации проводили в автоклавном режиме при избыточном давлении 1,0 МПа. Состав и свойства УУКМ, полученные по указанному режиму после четырехкратной пропитки, приведены в табл. 3.10. Приведенные данные свидетельствуют об эффективности и перспективности использования Zr-содержащих фено-ло-фурфурольных связующих на основе олигометиленфенолятных комплексов в производстве ПКМ и УКМ с повышенными физико-механическими свойствами и окислительной устойчивостью.
...
Углерод, получаемый пиролизом какого-либо газообразного углеводорода при повышенной температуре, уменьшает пористость с ростом толщины осаждаемого слоя. Данный способ называется химическим осаждением углерода из паровой фазы. Установлено, что в большинстве случаев заполнение углеродного каркаса химическим осаждением углерода из паровой фазы более эффективно улучшает структурную целостность материала, чем множественная пропитка смолами.
...
Пропитка с помощью осажденного химическим способом из паровой фазы углерода может быть проведена с помощью одного из трех основных методов. Первый метод (изотермический процесс) заключается в пропускании углеродсодержащего газа при умеренно низком давлении через нагретую пористую заготовку. Углеродсодержащий газ диффунди-
...
материалов на основе углеродной ленты ЛУ-3 и фенолофур-фурольных связующих при 25 °С (Zr-содержащего ггФФС-8 и его безионного аналога ФФ)
...
рует внутрь структуры и осаждает углерод на внутренних поверхностях пор. При использовании второго метода (процесс с градиентом давления) поперек толщины пористого материала устанавливается разность давлений, заставляющая газ - источник углерода - диффундировать сквозь пористую структуру. Разность давлений выступает в роли движущей силы процесса пропитки. Третий метод (процесс с термическим градиентом), как и первый, является диффузионно контролируемым. Он отличается тем, что поперек толщины пористой заготовки устанавливается разность температур, и углеродсодержащий газ пропускается над поверхностью с меньшей температурой. Этот метод позволяет свести к минимуму осаждение на поверхности за то время, пока внешняя поверхность обладает температурой меньшей, чем пороговая температура пиролиза для углеродсодержащего газа.
...
Степень уплотнения пористой заготовки при использовании этих трех процессов зависит от совместимости структуры армирующего каркаса с конкретным методом пропитки. Каркасы, обладающие низкой проницаемостью для газов, лучше поддаются обработке с помощью метода с разностью давлений, поскольку перепад давления по толщине заготовки является движущей силой пропитки. Каркасы с полостями большого размера лучше уплотняется с помощью метода с термическим градиентом. Но для заготовок малой толщины или неправильной формы эти два метода подходят мало. Основным же недостатком метода с градиентом температуры является необходимость применения специально сконструированных нагревателей для пропитки деталей различной формы. Кроме того, в печи может обрабатываться только одна деталь. Для одновременной обработки нескольких заготовок, в том числе разных форм, вполне пригоден изотермический процесс. Однако при использовании изотермического метода возможно возникновение поверхностной корки из осажденного углерода, когда скорость химического осаждения углерода на расположенных на внешней поверхности волокнах существенно превышает скорость его осаждения на поверхности внутренних волокон. Вместе с тем при правильном выборе температуры, давления и скорости протекания газового потока удается скорость осаждения на внутренних волокнах приблизить к скорости осаждения на внешних волокнах.
...
Изотермический метод осаждения углерода из паровой фазы является наиболее надежным и дающим наиболее воспроизводимые результаты среди всех трех методов пропитки. При этом структура и свойства УУКМ оказываются наиболее однородными.
...
Применение УУКМ. В последние годы во всех промышленно развитых странах ведутся интенсивные разработки по применению целой гаммы композиционных материалов в конструкции газотурбинных двигателей, что обусловлено возможностью повышения рабочих температур, уменьшения массы, габаритов, увеличения удельной тяги двигателя и т. д.
...
Перспективными для применения в ГТД являются углерод-углеродные композиционные материалы. К числу их достоинств относятся низкая плотность, высокие прочностные характеристики, теплопроводность. Однако для них необходимо решение проблемы выгорания или окисления при температурах выше 370 °С путем применения защитных покрытий веществ, связывающих кислород. В частности, фирма «Уил-льяма интернейшнл» (США) проводит испытания турбинной форсунки из углерод-углеродного композиционного материала с покрытием из карбида кремния.
...
Новые УУКМ, которые смогут работать при температурах до 1927 °С, предлагается применять в ГТД с очень низким расходом топлива. Получение таких композитов возможно с использованием защитных покрытий, не изменяющих механические свойства композита. Кроме того, проводятся работы по снижению степени окисления в интервале температур 538...760°С. Однако отмечается ограниченность возможностей применения широкого круга противоокислительных веществ, так как возникает проблема сохранения высокого уровня механических свойств УУКМ.
...
Фирмой «Лицзяс дивижн» (США) изготовлено колесо турбины диаметром 365 мм, массой 3,4 кг из УУКМ, успешно прошедшее стендовое испытание при действии нагрузки на колесо 2000 Н и скорости его вращения 28000 мин-1.
...
Фирма «Пратт и Уитни» (США) изготовляет панели из трехмерного тканого УУКМ с ребрами жесткости для слабонагруженных конструкций с внутренним креплением, предназначенных для использования в перспективных ГТД. Из УУКМ ЗД-структуры на основе вискозных углеродных волокон фирма «Аэрогент» (Франция) предлагает изготавливать выходные сопла двигателей.
...
Основные направления работ по применению деталей из УУКМ в конструкции ГТД направлены на получение антиокислительных покрытии или замену, полную или частичную, углеродной матрицы на карбидную.
...
Существует много факторов, которые необходимо принимать во внимание при разработке системы защиты от окисления для УУКМ. С внешней стороны покрытие должно представлять собой эффективный
...
барьер, препятствующий диффузии в материал кислорода. Кроме того оно должно содержать мало летучих веществ во избежание лишней эрозии в высокоскоростных газовых потоках. Внутри же должна обеспечиваться хорошая адгезия покрытия с подложкой, но без излишнего проникновения покрытия в подложку. Внутренние слои не должны содержать углерод и сохранять монолитность в условиях эксплуатации чтобы предотвратить карботермические восстановления оксидов во внешних слоях. И, наконец, все поверхности раздела должны иметь химическую совместимость друг с другом и хорошую механическую совместимость с поверхностью УУКМ.
...
Наилучшую совместимость по термическому расширению и наименьшие скорости окисления среди высокотемпературных керамических материалов имеют материалы на основе кремния. Поэтому большое число публикаций посвящено использованию материалов на основе кремния для долговременной защиты УУКМ. Однако верхний температурный предел их применения определен 1700... 1800 °С. При более высоких температурах рассматриваются покрытия на основе более тугоплавких элементов Ti, Zr, Hf.
...
Ввиду образования трещин за счет напряжений, обусловленных разностью термических коэффициентов линейного расширения композита и покрытия, требуется включение в материал веществ, которые могли бы заполнять трещины и таким образом обеспечивать более надежную защиту. Все системы защиты УУКМ, успешно действующие при температурах до 1500 °С в течение длительных периодов времени, используют бор. Элементный бор и его соединения вводят в виде модификаторов в углеродные волокна или как компонент покрытия. Основными проблемами в этих системах являются чувствительность к влаге стеклообразу-ющих боратов, длительная совместимость их с наружным покрытием и стойкость в условиях высоких температур в течение длительного времени. При температурах до 1760 °С самозалечивание обеспечивается главным образом в результате образования на поверхности Si02.
...
Высокие скорости окисления огнестойких карбидов, таких как HfC, и боридов не позволяют использовать их в качестве долговременной защиты при температурах выше 1800 °С. Поэтому более перспективными являются оксиды.
...
Критерием при выборе оксидных покрытий является точка плавления, давление паров и ТКЛР. Термостабильность, достаточную для долговременного использования при температурах выше 2000 °С, имеют Zr02 и НЮ2, при более низких температурах можно применять А1203.
...
Другую проблему использования оксидов составляет диффузия кислорода при высоких температурах. Высокая проницаемость кислорода делает указанные системы неэффективными для применения в качестве кислородных барьеров. Оксид кремния имеет самую низкую проницаемость кислорода и является лучшим материалом для использования в качестве барьера. В связи с этим для создания защиты композита при температурах выше 1800 °С применяют многослойные покрытия: наружный слой — жаростойкий оксид, внутренний слой — из стекловидного Si02. Повышение температуры использования УУКМ связано с разработкой многокомпонентных покрытий, в состав которых входят дибо-рит гафния, диоксид гафния и иридий. Эти вещества имеют очень высокую температуру плавления:
...
При разработке покрытия важным параметром является его толщина. Слишком тонкие покрытия не будут достаточно надежно защищать основу от кислорода, а слишком толстые, как правило, бывают хрупкими, легко разрушаются и отслаиваются от поверхности УУКМ.
...
Широкое применение в деталях ГТД нашли композиты с керамической матрицей SiO. Один из наиболее известных материалов — УВ/SiC (Sepcarbinox) фирмы «SEP». Сопло из Sepcarbinox может выдержать несколько циклов работы при 1700 К в течение 300 с без системы охлаждения.
...
Sepcarbinox был создан с целью улучшения механических свойств и стойкости против окисления УУКМ путем замены углеродной матрицы на керамическую, состоящую из карбида кремния. При формировании матрицы SiC используется процесс химической пропитки из пара. С помощью этого процесса, применяя в качестве полуфабриката пористые волокнистые каркасы из УВ, получили армированную волокном керамику со следующими матрицами: SiC, SiC+C, TiC, TiC+C, ВС, B3N4 и A1203. Наивысшие механические характеристики получены с матрицей из ВС, а наилучшую защиту от окисления гарантировала матрица из SiC.
...
В качестве сырья использовали поликарбосилан и листы целлюлозной бумаги толщиной 0,26 мм. Листы бумаги погружали в раствор по-ликарбосилана в бензоле на 1 ч и высушивали 30 мин на воздухе. После этого полуфабрикат нагревали до 1200, 1300, 1400 °С со скоростью подъема температуры до 100°С в час в среде азота и выдерживали при заданной температуре в течение часа. Таким образом получали листо-
...

Сварка на контактных машинах
Краткий справочник технолога-термиста
Спутник термиста
Новые материалы
Твердые сплавы
Цементация стали
Зварювальні матеріали

"Сварка-ЛИБ" - Техническая библиотека сварщика | Сварка, термообработка, материалы, металлы и сплавы

admin

Новые материалы