ВОЛОКНИСТЫЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ С МАТРИЦЕЙ НА ОСНОВЕ НИОБИЯ
FIBROUS COMPOSITE MATERIAL WITH MATRIX BASED ON NIOBIUM

Изобретение относится к волокнистым металломатричным композиционным материалам, а именно к высокотемпературным композиционным материалам на основе ниобия, упрочненным оксидными волокнами, применяемым для изготовления конструкционных деталей авиационного назначения при температурах до 1700°C.
Повышение рабочих температур газовых турбин требует новых жаропрочных конструкционных материалов с высокими механическими свойствами и окислительной стойкостью при повышенных температурах. В качестве кандидатов таких материалов рассматривают металломатричные композиционные материалы, упрочненные оксидными волокнами.
Известен волокнистый композиционный материал с металлической матрицей, получаемый путем нанесения на слои волокнистого материала металлических покрытий, образующих металлическую матрицу. Волокна могут быть стеклянными, углеродными и/или арамидными, волокнистый материал может быть образован системой уложенных определенным образом волокон, например нетканым материалом, или тканью, или плетеным изделием из волокон. Слои металла могут содержать алюминий, медь, никель (Патент РФ №2465364, опубл. 27.02.2011). Основным недостатком данного материала является его невысокая рабочая температура, обусловленная невысокими температурами плавления металлов, образующих матрицу. Материал предложено использовать в конструкциях крыла самолета, при изготовлении автомобилей и спортивных снарядов, однако он неприменим в качестве конструкционного материала при высоких температурах.
2
3
Известен жаропрочный композиционный материал на основе интерметаллической матрицы алюминида никеля (NiAl), армированной монокристаллическими волокнами оксида алюминия (АlО), получаемый методом горячего прессования («Front. Mater. Science China», 2008, №2, стр. 182-193). Такой материал имеет более высокую температуру эксплуатации по сравнению с предыдущим аналогом, однако максимальная рабочая температура такого материала не превышает 1380°C, что обусловлено температурой плавления NiAl~1650°C.
Известен волокнистый композиционный материал, выбранный авторами за прототип. Это волокнистый композиционный материал с матрицей на основе ниобия, армированный монокристаллическим волокном оксида алюминия (слои монокристаллических волокон оксида алюминия и фольги ниобия), получаемый вакуумным горячим прессованием слоистой заготовки (Composites Science and Technology, vol. 51, 1994, pages. 27-33). Основной недостаток данного материала - образование пористых зон и так называемых «ушей» между волокнами при прессовании слоев волокна и ниобиевой фольги, а также проблематичность получения изделия сложной формы. Кроме того, при размещении волокна монокристаллического оксида алюминия между слоями фольги и последующем горячем прессовании заготовки сложно предотвратить смещение волокна и обеспечить его равномерное распределение в материале, а следовательно, получить равномерность свойств композиционного материала и необходимые прочностные свойства.
Целью данного изобретения является создание волокнистого композиционного материала для изготовления конструкционных деталей авиационного назначения при температурах до 1700°C с высокими прочностными свойствами при повышенных температурах.
изг
Техническим результатом данного изобретения является композиционный материал с металлической матрицей, армированный монокристаллическими волокнами оксида алюминия, с высокими прочностными свойствами (σ - прочностью на изгиб), как при комнатной, так и при повышенной температуре и с максимальной рабочей температурой до 1700°C.
Для достижения технического результата предложен волокнистый композиционный материал с матрицей на основе ниобия, армированный монокристаллическим волокном оксида алюминия, в качестве материала матрицы на основе ниобия используют ниобий или соединения на основе ниобия, полученные путем высокоэнергетического помола, при этом используют монокристаллические волокна оксида алюминия с диаметром от 50 до 500 мкм и объемной долей в композиционном материале от 10 до 60%. На поверхности вышеуказанного волокна может быть выполнено покрытие, совместимое с материалом матрицы. Матрица на основе ниобия может содержать по меньшей мере один элемент, выбранный из группы, включающей Si, Ti, Al, Cr, Mo, W, Hf.
Материал матрицы получают путем высокоэнергетического помола исходных порошков из указанной группы, что позволяет получать композиционные гранулы с заданным химическим составом и равномерно распределенным по объему каждой гранулы фазовым составом. Высокоэнергетический помол обеспечивает механическое активирование порошка матричного материала, а также позволяет производить перемешивание одновременно с размолом, во время которого происходит механическая активация смеси, увеличивается контакт между частицами порошка, уменьшается пористость, происходит деформация или разрушение отдельных частиц порошка. В результате в процессе прессования получали заготовку нужной формы и достаточной прочности для заявленных в настоящем изобретении диапазонов диаметров монокристаллического оксидного волокна и его объемной доли в композиционном материале.
Сохранение формы и прочности заготовок после прессования вызвано действием, в первую очередь, сил механического сцепления частиц порошка, электростатических сил притяжения и сил трения.
Под совместимостью волокна и матрицы понимается способность компонентов сохранять метастабильное равновесие в определенных температурно-временных интервалах и имеет два аспекта:
1) физико-химический - обеспечение достаточной связи между компонентами и ограничение на поверхностях раздела процессов химического взаимодействия и диффузии, которые могут приводить к образованию новых фаз, ухудшающих свойства матрицы, и деградации волокна;
2) термомеханический - достижение совместимости КТР и снижение уровня термических напряжений; обеспечение рационального соотношения между деформационным упрочнением матрицы и ее способностью к релаксации напряжений, предупреждающей перегрузку и преждевременное разрушение упрочняющих фаз.
Оксидное волокно, используемое в предложенном композиционном материале в качестве армирующего наполнителя, обладает достаточной стойкостью в контакте с ниобием при высоких температурах. Однако для обеспечения совместимости при использовании в качестве матрицы сплавов на основе ниобия желательно нанесение барьерных покрытий на волокно, например покрытий из тугоплавких металлов, карбидов титана, гафния, бора, нитридов титана и бора. Это способствует обеспечению прочных связей волокна с матрицей и предотвращает их химический контакт в процессе высокотемпературной обработки при изготовлении металломатричного композиционного материала и в процессе эксплуатации.
Преимуществом данного материала является его высокая прочность при изгибе при повышенных температурах, достигаемая за счет использования жаропрочной металлической матрицы на основе ниобия, полученной порошковым методом, а также армирования ее высокотермостойкими монокристаллическими оксидными волокнами.
Примеры осуществления
Пример 1
2
3
Композиционный материал «10% AlO/Nb»
Методом горячего прессования были изготовлены образцы композиционного материала, содержащие объемную долю 10% монокристаллических волокон оксида алюминия и матрицу из порошка ниобия. Полученные образцы были испытаны на прочность при изгибе и ударную вязкость. Результаты испытаний представлены в таблице.
Пример 2
2
3
Композиционный материал «10% AlO/TiN/Nb»
На монокристаллические волокна оксида алюминия было нанесено покрытие нитрида титана, после чего были изготовлены образцы композиционного материала, содержащее оксидное волокно с покрытием из нитрида титана в матрице из порошка ниобия. Полученные образцы были испытаны на прочность при изгибе и ударную вязкость. Результаты испытаний представлены в таблице.
Пример 3
2
3
Композиционный материал «20% AlO/Nb-Si»
Методом горячего прессования были изготовлены образцы композиционного материала, содержащие объемную долю 30% монокристаллических волокон оксида иттрия и матрицу из ниобиевого сплава, содержащего 1 ат % кремния. Полученные образцы были испытаны на прочность при изгибе и ударную вязкость. Результаты испытаний представлены в таблице.
Пример 4
2
3
Композиционный материал «30% АlО/АlNi» (по прототипу).
Методом вакуумного горячего прессования были изготовлены образцы композиционного материала, содержащие объемную долю 30% монокристаллических волокон оксида алюминия и матрицу из фольги ниобия. Полученные образцы были испытаны на прочность при изгибе и ударную вязкость. Результаты испытаний (свойства композиционного материала с металлической матрицей, армированной оксидными волокнами) представлены в таблице.
№ примера
Состав композиционного материала
Максимальная рабочая температура, °C
σ<sub>изг</sub> МПа, 20°C
σ<sub>изг</sub> МПа, 1300°C
1
10% Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>/Nb
1700
480
110
2
10% Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>/TiN/Nb
1700
545
90
3
20% Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>/Nb-Si
1650
555
60
4
30% Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>/Nb
1650
400
55
Из таблицы видно, что прочность при изгибе предложенного композиционного материала превосходит прочность материала-прототипа, особенно при повышенных температурах.
Во всех случаях для материала матрицы на основе ниобия использовали ниобий или соединения на основе ниобия, полученные путем высокоэнергетического помола (результата одновременного процесса размола и перемешивания исходных порошков ниобия и его соединений). Такой процесс заключается в смешивании ниобия и/или его соединений в форме порошков с использованием высокоэнергетических размольных агрегатов, например аттриторов с относительно высоким содержанием измельчающих шаров (отношение массы шаров к массе порошка лежит в диапазоне 1/100-1/50).
Испытания проводились для заявленных в настоящем изобретении диапазонов диаметров монокристаллического оксидного волокна (от 50 до 500 мкм) и его объемной доли в композиционном материале. Необходимое для достижения технического результата объемное содержание вышеуказанных волокон было рассчитано с помощью компьютерного моделирования и подтверждено экспериментом. Прочностные свойства материала при этом превосходили прочность материала-прототипа.