СЛОИСТЫЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ

Предлагаемая полезная модель относится к области слоистых композиционных материалов конструкционного назначения для изготовления изделий повышенной прочности и жаропрочности.
Задачи, требующие применения новых материалов с высоким комплексом механических и эксплуатационных характеристик, во многих случаях эффективно решаются за счет применения композиционных материалов. Одним из наиболее востребованных видов композитов являются материалы, состоящие из пластичной матрицы и упрочняющего компонента, обеспечивающего необходимые прочностные или специальные функциональные свойства.
Эффективными материалами такого рода являются слоистые композиты типа «металл-интерметаллид». Эффективность таких материалов обусловлена благоприятными свойствами интерметаллидов, а именно высокими значениями их модуля упругости и твердости, повышенной жаропрочностью, а также высоким уровнем износостойкости и стойкостью к окислению. Основной недостаток интерметаллидов, существенно ограничивающий область их применения, заключается в низкой пластичности и трещиностойкости при комнатной температуре. Формирование слоистой структуры в композиционном материале системы «металл-интерметаллид» является одним из эффективных способов решения этой проблемы. Благодаря чередованию твердых слоев, содержащих интерметаллиды, со слоями пластичного и вязкого металла повышается прочность и жаропрочность композиционного материала с сохранением высоких характеристик пластичности и трещиностойкости. Это способствует снижению вероятности внезапного разрушения и позволяет добиться высокого уровня надежности и долговечности материала.
Отмеченные преимущества делают слоистые композиционные материалы системы «металл-интерметаллид» перспективными для изготовления ответственных деталей конструкционного назначения, работающих в условиях взрывного нагружения, деталей реактивных двигателей различного назначения, элементов теплообменного оборудования и различного рода функциональных материалов.
Значительное повышение механических свойств может быть достигнуто за счет уменьшения толщины слоев содержащих интерметаллиды и размера интерметаллидных фаз. Указанная зависимость отчетливо прослеживается по результатам работы В.Е. Панина и др. [1. В.Е. Панин, В.П. Сергеев, М.В. Федорищева, О.В. Сергеев, А.В. Воронов. Структура и механические свойства нанокристаллических покрытий на основе карбидов и нитридов титана и алюминия. Физическая мезомеханика - 2004. - №7 - с. 321-324].
1-x
x
1-x
x
x
y
2
В работе исследованы нанокристаллические покрытия, полученные методом магнетронного напыления. Размер и фазовый состав полученных нанокристаллических покрытий, содержащих: TiAlN со средним размером зерна 20 нм; TiAlN (85%) - TiAl (15%) со средним размером зерен в пределах 20-25 нм; TiCN (94-96%) - β-TiN (4-6%) со средним размером зерна основной фазы в пределах 10-18 нм. В работе установлено, что уменьшение размера упрочняющего компонента от 25 до 5 нм приводит к повышению микротвердости полученных покрытий от 30 до 40 ГПа. Значительное повышение микротвердости привело к пятикратному повышению износостойкости покрытий.
-9
-7
-9
-7
Формирование слоистых композиционных материалов, имеющих размер элементов структуры от 10 м до 10 м, связано с большими трудностями. В частности, технология получении слоистого композиционного материала системы «металл-интерметаллид» подразумевает наличие высоких температур. Высокая температура приводит к укрупнению элементов структуры и, как следствие, снижению характеристик прочности, жаропрочности, пластичности и трещиностойкости. Однако снижение температуры получения слоистого композиционного материала не обеспечивает необходимой прочности соединения между слоями. Одной из возможных технологий получения слоистого композиционного материала, позволяющей сохранить наноразмерную упрочняющую фазу, является технология искрового плазменного спекания. В процессе спекания имеет место лишь поверхностное оплавление спекаемых частиц без нагрева всего объема материала, что позволяет сохранить размер интерметаллидов на уровне от 10 до 10.
-6
-9
-7
Также при соединении материалов, имеющих различные температурные коэффициенты линейного расширения, появляется опасность возникновения трещин при термическом воздействии на материал в процессе изготовления. Эти проблемы значительно ограничивают получение и применение слоистых композиционных материалов системы «металл-интерметаллид». Поэтому актуальной является задача получения слоистого композиционного материала с высокой прочностью и жаропрочностью за счет получения слоев интерметаллидов толщиной от 10-8 до 5*10 м, содержащих частицы интерметаллидов размером от 10 до 10 м.
Известен слоистый композиционный материал системы «металл-интерметаллид» (см. американскую заявку US 20110300403 A1, опубл. 08.12.2011), который состоит из чередующихся слоев металла и интерметаллида, соединенных друг с другом. При этом каждый слой содержит металл первого типа, а каждый интерметаллидный слой представляет собой сплав металлов первого и второго типа. В качестве слоя металла первого типа может быть использован титан, никель, железо, ванадий, тантал, магний, и сплавы на их основе, в качестве металла второго типа используют алюминий и его сплавы.
-8
-6
Недостатком отмеченного слоистого композиционного материала системы «металл-интерметаллид» источника US 20110300403 является то, что материал формируется из тонколистовых заготовок методом их реакционного спекания под давлением в воздушной атмосфере. Спекание по данному способу, вне вакуума или вне защитной атмосферы, может являться причиной образования в композиционном материале оксидных пленок и примесей, адсорбированных поверхностными слоями исходных заготовок при нагреве. Данный эффект приводит к снижению прочностных характеристик получаемого слоистого композиционного материала. Кроме того, использование в качестве исходных заготовок в виде тонких листов обоих металлов делает невозможным получение слоев, содержащих интерметаллиды размером от 10 до 5*10 м, что также отрицательно сказывается на прочности и жаростойкости композиционного материала.
3
3
12
11
3
-5
-5
Наиболее близким к предлагаемому слоистому композиционному материалу системы «металл-интерметаллид» является композиционный материал (см. заявку CN 103805810 A, опубл. 09.11.2012), включающий слои металла (Ti) и слои, содержащие интерметаллиды титана и алюминия. Композиционный материал состоит из слоев α-Ti и слоев интерметаллидов TiAl, TiAl, TiAl, TiAl, TiAl. Толщина упрочняющих слоев, содержащих интерметаллиды TiAl и TiAl, составляет от 2,7*10 до 4,5*10 м. В качестве технологии соединения используется технология искрового плазменного спекания фольг титана и алюминия.
-8
-6
-9
-7
Недостатком слоистого композиционного материала по заявке CN 103805810 является то, что, во-первых, в качестве исходных слоев титана и алюминия используется фольга микрометровых размеров, что делает невозможным получение слоев, содержащих интерметаллиды размером от 10 до 5*10 м, что снижает механические и эксплуатационные свойства слоистого композиционного материала. Кроме того, использование в качестве исходного материала тонколистового алюминия делает невозможным получение частиц интерметаллидов размером от 10 до 10 м. Следовательно, данным способом невозможно изготовить материалы с упрочняющими слоями нанометровой толщины, содержащими интерметаллиды нанометрового диапазона, имеющими более высокий комплекс прочностных и функциональных характеристик.
-8
-6
-9
-7
Техническая проблема, решаемая предлагаемой полезной моделью, заключается в получении слоистого композиционного материала системы «металл-интерметаллид» с высокой прочностью и жаропрочностью с сохранением высокой надежности и трещиностойкости за счет получения чередующихся слоев интерметаллидов толщиной от 10 до 5*10 м, содержащих частицы интерметаллидов размером от 10 до 10 м.
Реализация предложенного композиционного материала системы «металл-интерметаллид» возможна только для тех сочетаний металлов, которые способны образовывать интерметаллидные соединения.
-8
-6
-9
-7
Поставленная проблема решается тем, что слоистый композиционный материал системы «металл-интерметаллид», включает чередующиеся слои пластичного металла и упрочняющие слои, содержащие интерметаллиды, при этом упрочняющие слои, содержащие интерметаллиды, выполнены с толщиной от 10 до 5*10 м, а размер частиц интерметаллидов в слое составляет от 10 м до 10 м. Получение слоистого композиционного материала происходит в два этапа.
-8
-6
-9
-7
На первом этапе на пластичном металле формируют наноструктурированное покрытие из другого металла толщиной от 10 до 5*10 м. Размер зерен в полученном покрытии составляет от 10 м до 10 м. Одной из технологий получения покрытий такой толщины может служить технология магнетронного напыления.
-9
-7
-9
-7
На втором этапе происходит укладка пластичного металла с покрытиями друг на друга и соединение слоев между собой при воздействии давления и температуры ниже температуры плавления металла покрытия. На данном этапе происходит процесс образования интерметаллидов за счет взаимодействия пластичного металла и наноструктурированного металла покрытия. При этом металл покрытия полностью взаимодействует с пластичным металлом и образует интерметаллидные фазы. При размере зерна наноструктурированного покрытия от 10 м до 10 м происходит образование интерметаллидов размером от 10 м до 10 м. Одной из технологий соединения слоев может являться технология искрового плазменного спекания.
-8
-6
-9
-7
Формирование слоистого композиционного материала системы «металл-интерметаллид» позволяет повысить прочность и жаропрочность с сохранением высокой пластичности и трещиностойкости. Благодаря чередованию твердых слоев (толщиной от 10 до 5*10 м), содержащих частицы интерметаллидов (размером от 10 м до 10 м) с пластичными вязкими слоями металла, удается существенно снизить вероятность внезапного разрушения и добиться высокого уровня надежности и долговечности материала.
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежами, где на Фиг. 1 схематически представлен заявляемый слоистый композиционный материал.
Слоистый композиционный материал включает, по меньшей мере, два слоя пластичного металла 1, по меньшей мере, один слой, содержащий интерметаллиды 2. При этом слой интерметаллидов 2 образован магнетронным распылением, а слои композиционного материала соединены между собой методом искрового плазменного спекания.
Слоистый композиционный материал используется следующим образом.
Слоистый композиционный материал устанавливают в требуемом месте. В процессе эксплуатации материал испытывает статические и динамические нагрузки (растяжения, сжатия, изгиб). В этом случае высокую прочность и жаропрочность придает слой интерметаллидов. В случае возникновения ударных нагрузок в процессе эксплуатации высокую трещиностойкость материалу обеспечивает пластичный металл 1.
Пример изготовления заявляемого слоистого композиционного материала.
-6
-4
-8
-6
-9
-7
-3
На фольгу из никеля толщиной от 1*10 до 1*10 м напыляют магнетронным методом слой алюминия толщиной от 10 до 5*10 м с размером зерна (кристаллитов) размером от 1*10 до 1*10 м. Режимы напыления: - давление аргона в вакуумной камере - 5,4*10 hPa; рабочее напряжение - 200…430 В; рабочий ток - 0,5…1,3 A; время напыления 3…30 мин. Такое покрытие отличается высокой удельной поверхностью и, соответственно, высокой химической активностью (Фиг. 2).
3
3
3
-8
-6
-9
-7
Для получения слоистого композиционного материала системы «Ni-NiAl» с высоким уровнем прочности и жаропрочности никелевые фольги с напыленным наноструктурированным алюминиевым покрытием укладываются друг на друга в пакет и подвергаются искровому плазменному спеканию путем пропускания высокочастотного импульсного тока через пакет, находящийся в графитовой пресс-форме. Такое спекание позволяет сформировать слоистый композиционный материал системы «Ni-NiAl» с твердыми слоями толщиной 10 до 5*10 м, содержащими интерметаллид NiAl, имеющие размер частиц интерметтлидов от 10 м до 10 м.
На Фиг. 3 представлена фотография микроструктуры слоистого композиционного материала.
-8
-6
-9
-7
Преимущество предлагаемого слоистого композиционного материала обеспечивается тем, что, во-первых, он обладает высокой прочностью и жаропрочностью с сохранением высокой надежности и трещиностойкости. Благоприятное сочетание прочности и трещиностойкости обеспечивается наличием твердых слоев, толщиной от 10 до 5*10 м, содержащих интерметаллиды. Во-вторых, использование наноструктурированного покрытия в сочетании с искровым плазменным спеканием позволяет осуществить соединение слоев композиционного материала без объемного нагрева, что приводит к образованию частиц интерметаллидов размером от 10 м до 10 м.