Уважаемый ректор УСИУ, Илья Феликсович!

Наша компания заключила договор и теперь в нашем распоряжении (ЦветМет) есть лецензия на производство металлов со специальными свойствами. Но нам нужны квалифицированные инженеры. Я предлагаю Вам создать курс, где будут обучать людей производству этих самых металлов, которые будут  необычайно высокопрочные и тугоплавкие. Специалистам будет обеспечен найм на работу в нашей корпорации.

Предлагаю следующий вариант лекции.

Здравствуйте, студенты.

На этом курсе мы с вами узнаем о самых последних научных разработках, касающихся  уникальных сплавах и научимся их производить.

Итак, наш курс будет касаться композиционных материалов. Что это? Чем они лучше? Да и нужны ли они?

Композиционные  материалы  состоят  из  металлической  матрицы    полимерной, керамической  или  другой, упрочнённой  высокопрочными  волокнами (волокнистые  материалы) или  тугоплавкими тонкодисперсными  частицами, не  растворяющимися  в  основном  металле (дисперстно-упрочненные  материалы).

Диапазон  применения  композиционных  материалов (композитов) чрезвычайно  широк: от  деталей  бытовой  техники  до  конструкций  современных  авиалайнеров  и  космических  кораблей. Они  находят  всё  большее  применение  в  атомной  энергетике, машиностроении  и  судостроении. На последний вопрос уже ответили. Производство этих материалов сейчас нужно стране для ее развития!

Но что же это такое?

1. Волокнистые  композиционные  материалы?

Композиционные  материалы  с  волокнистым  наполнителем (упрочнителем) по  механизму  армирующего  действия  делят  на  дискретные с l / d ≈ 10…10³ , где  l – длина  волокна, d – диаметр  волокна и  с  непрерывным  волокном, в  которых  l / d → ∞. Дискретные  волокна  располагаются  в  матрице  хаотично. Диаметр  волокон 0.1…100  мкм.

Часто  композит  представляет  собой  слоистую  структуру, в  которой  каждый  слой  армирован  большим  числом  параллельных   непрерывных  волокон. Нередко  волокна  сплетаются  в  трёхмерные  структуры.

Схемы  армирования  волокнистых  композиционных  материалов  представлены  на  рисунке:

Композиционные  материалы  отличаются  от  обычных  сплавов  более  высокими  значениями σв   и  σ-1 (на  50…100 %), модуля  упругости (E), коэффициента  жесткости (Е / ρ)  и  пониженной  склонностью  трещинообразованию. Применение  композитов  повышает  жесткость  конструкции  при  одновременном  снижении  ее  металлоемкости.

Прочность  композитов (волокнистых) определяется  свойствами  волокон: матрица  должна  перераспределять  напряжения  между  армирующими  элементами. Поэтому  прочность  и  модуль  упругости  волокон  должны  быть  значительно  больше, чем  прочность  и  модуль  упругости  матрицы.

Один  из  примеров  волокнистых  композиционных  материалов — композиционные  материалы  на  основе  алюминия, магния  и  их  сплавы. Для  упрочнения  Al , Mg  и  их  сплавов  применяют  борные (σв = 2500…3500 Мпа, Е = 380…420 Гпа) и  углеродные (σв = 1400…3500 Мпа, Е = 160…450 Гпа) волокна, а  также  волокна  из  тугоплавких  соединений (карбидов, нитридов, боридов  и  оксидов). Нередко  используют  в  качестве  волокон  проволоку  из  высокопрочных  сталей. Для  армирования  Ti  и  его  сплавов  применяют  молибденовую  проволоку, волокна  сапфира (разновидность  минерала  корунда (Al_² O_³)); отличается  синей  или  голубой  окраской (примеси  Ti , Fe). Драгоценный  камень  1-ого класса. Синтетический  сапфир ― лейкосапфир, карбиды Si, бориды Ti. Свойства  некоторых  волокнистых  композиционных  материалов  приведены  в  таблице.

 Металлические  волокна  используют  и  в  тех  случаях ,  когда  требуются  высокие  тепло  и  электропроводность.

Перспективными  упрочнителями  для  высокопрочных  и  волокнистых высокомодульных  композитов  являются  нитевидные  кристаллы  из  оксида  и  нитрида  Al ,  карбида  и  нитрида  Si ,  карбида  бора  и  др.,  имеющие  σв = 15000…28000  Мпа  и  Е = 400…600 Гпа.

 Таблица. Механические  свойства  некоторых  композиционных материалов.

Композиты  на  металлической  основе, обладая  высокой  прочностью (σв  и  σ-1 )  и  жаропрочностью, в  то  же  время  малопластичные. Но  волокна  в  них  уменьшают  скорость  распространения  трещин, зарождающихся  в  матрице, и  практически  полностью  исключают  внезапное  хрупкое  разрушение.

Основной  недостаток  композитов  с  одномерным  и  двумерным  армированием  является  низкое  сопротивление  межслойному  сдвигу  и  поперечному  обрыву, чего  лишены  материалы  с  объемным  армированием.

2. Дисперсно-упрочненные  композиционные  материалы.

В  отличие  от  волокнистых  композитов, в  дисперсно-упрочненных  материалах, матрица  является  основным  элементом, несущим  нагрузку, а  дисперсные  частицы  тормозят  в  ней  движение  дислокации, то  есть  являющиеся  ее  упрочняющей  фазой. Высокая  прочность  достигается  при  размере  частиц  10…500 нм  при  среднем  расстоянии  между  частицами  100…500 нм  и  равномерном  их  распределении  в  матрице. Оптимальное  содержание  2  фазы  для  различных  материалов  неодинаково, но  обычно  не  превышает  5…10 % (об.).

Использование  в  качестве  упрочняющих  фаз  стабильных  тугоплавких  соединений (оксиды  тория, гафния, индия) сложные  соединения  оксидов  и  РЗМ), не растворяющихся  в  матричном  металле, позволяет  сохранить  высокую  прочность  материала  до  0.9…0.95  Т_пх. Поэтому  такие  материалы  применяют  как  жаропрочные. Дисперсно-упрочненные  композиты  могут  быть  получены  на  основе  большинства  применяемых  в  технике  металлов  и  сплавов.

Наиболее  широко  используют  сплавы  на  основе  Al – САП (спеченный  алюминиевый  порошок). САП  состоит  из  Al  и  дисперсных  чешуек  Al₂O₃, тормозящих  движение  дислокации, повышающих  прочность  сплава. Содержание Al₂O₃  в  САП  колеблется  от  6…9% (САП-1), до  13…18% (САП-3). Плотность  этих  материалов  равна  плотности Al; они  не  уступают  ему  по  коррозийной  стойкости; по  длительности  прочности  они  превосходят  деформированные  алюминиевые  сплавы. САП-1: σв= 300 Мпа, δ= 8%. САП-3: σв= 400 Мпа, δ=3%.

Большие  перспективы  у  никелевых  дисперсно-упрочненных  материалов. Наиболее  высокую  жаропрочность  имеют  сплавы  на  основе  Ni  с  2…3% (об.), диоксида  тория (ThO₂) или  диоксида  гафния (HfO₂). Матрица  этих  сплавов ― γ- твёрдый  раствор (Ni + 20% Cr), (Ni + 15% Mo), или (Ni + 20% Cr и Mo). Широкое  распространение  получили  сплавы: ВДУ-1 (Ni, упрочнённый  диоксидом  тория), ВДУ-2 (Ni, упрочнённый  диоксидом  гафния) и  ВДУ-3 (Ni + 20% Cr, упрочнённый  оксидом  тория). Эти  сплавы  обладают  высокой  жаропрочностью: при  температуре 1200˚С сплав  ВДУ-1  имеет  σ₁₀₀≈ 75 Мпа (σ₁₀₀ – длительная  прочность (характеризует  склонность  металла  к  разупрочнению  при  температуре = const. за  длительное  время  испытания))  и  σ₁₀₀₀≈65Мпа, а  ВДУ-3  имеет  σ₁₀₀≈ 65 Мпа. 

 Области  применения  композитов  не  ограничены.  Они  применяются  в  авиации  для  высоконагруженных  деталей  самолетов  (обшивки,  лонжеронов,  нервюр,  панелей  и  т.д.)  и  двигателей  (лопаток  компрессора  и  турбины  и  т.д.);  в  космической  технике  для  узлов  силовых  конструкций  аппаратоов,      подвергающисхя  нагреву,  для  элементов  жесткости,  панелей;  в  авто -  для  облегчения  кузовов,  рессор,  рам,  бамперов  и  т.д.;  в  горнодобывающей  промышленности ―  буровой  инструмент,  детали  комбайнов  и  т.д.;  в                         строительстве ─  пролеты  мостов,  элементы  сборных  конструкций  высотных  сооружений  и  так  далее.

Применение  композитов ─  новый  качественный  скачок  в  увеличении  мощности  двигателей,  энерго -  и  транспортных  установок,  уменьшении  массы  машин  и  приборов. 

3.  Слоистые  композиционные  материалы

Это  важнейший  класс  композитов,  обладающих  широким  спектром  и  уникальным  сочетанием  таких  ценных  свойств,  как  высокая  прочность,  коррозионная  стойкость,  электро -  и  теплопроводность,  жаропрочность,  износостойкость  и  др.  Сегодня  эти  материалы  найдут    применение  в  судо -,  авто -,  тракторостроении,  приборостроении,  металлургической,  горнодобывающей,  нефтяной  и  др.  отраслях  машиностроения.  Из  поли-  и  биметаллов  можно изготавливавать  листы,  ленты,  трубки,  проволоки,  трубы,  фасонные  профили,  детали  и  др.  конструкции.  Их  использование  позволит  существенно  сократить  расход  высоколегированных  сталей,  дефицитных  и  дорогостоящих  цветных  металлов ( Ni,  Cu,  Cr,  Mo и  др.)

По  функциональным  признакам  все  производимые  в  настоящее  время  слоистые  композиты  подразделяются  на  следующие  виды:  коррозионностойкие,  антифрикционные,  электротехнические,  инструментальные  и  др.

Изделия  из  слоистых  композитов  производятся  различными  методами:  литья,  литейного  плакирования,    прокатки,  сварки  и  наплавки.

Для  очень  высоких  температур, например  в  камерах  сгорания  реактивных  двигателей, используются  системы, содержащие  молибденовую  и  вольфрамовую  проволоку  в  матрицах  из  титана  и  суперсплавов. Наибольшей  прочностью (σв= 2.2 Гпа) при  температуре  1093ºС  обладает  проволока  из  сплава  W―Re―Hf―C, что  в  6  раз  выше  прочности  никелевых  или  кобальтовых  суперсплавов  при  такой  же  температуре. 

Крупногабаритные  биметаллические  листы  размерами   100×600 ÷ 1500 × 1800 ÷8000  мм  пакетной  прокаткой  или  литейным  плакированием  с  последующей  прокаткой.  Основной  слой ─  малоуглеродистых (углеродистых)  и  низколегированных  сталей  плакируется  слоем  (Cr-Ni)  и   Cr – сталей,  сплавов  на  Ni- основе  или  цветных  металлов.

Технология  центробежного  литья  биметаллических  заготовок (сталь 50Л+ 260Х28ВМ)  втулок  насосов  буровых  установок  позволяет  получить  высококачественные  детали,  эксплуатационная  стойкость  которых  в  2,5-3  раза  выше  серийных  из  стали  70.

Листовой  коррозионностойкий  биметалл  находит  применение  в  судостроении,  пищевой  промышленности  и  т.д.

Биметаллы,  основной  слой  которых ─ конструкционная  или  низколегированная сталь, а плакирующий  слой  ―          высоколегированная  аустенитная  сталь ─ применяется  для  изготовления  сосудов  атомных  электростанций.  Пример: сталь 22К+  стальО8Х18Н10Т.

Износостойкие  биметаллы  получают  с  помощью  различных  методов  литья  и  др.  жидко -  и  твердофазными  способами.  Непрерывная  и  полунепрерывная  разливка ─ один  из  наиболее  перспективных  методов  производства  заготовок  из  слоистых  износостойких  композитов.

Трехслойная  композиционная:  сталь 60 + сталь 10 + сталь 60  получила  применение  для  изготовления                 плугов  с  соотношением  толщин  1:1:1.  Ее  изготовляют  способом  литейного  плакирования:  пластина  основного  металла  подвергается  травлению,  а  затем  в  изложницу  производится  заливка  плакированного  металла.

Дальнейшее  увеличение  стойкости  литых  биметаллических  штампов  возможно  путем  армирования.  Оптимальное  армирование  нерасплавляемое  вставками  обеспечивает  времени  и изменения  характера  затвердевания  штамповых  заготовок,  улучшает  кристаллическую  структуру,  что  снижает  уровень  напряжений  по  сечению  штампа  в  процессе  эксплуатации (ИПЛ  и  концерн   Азовмаш).  Армирование  увеличивает  ресурсы  работ  биметаллических  штампов  в  1,3-1,5  раза.

Методы  армирования  с  последующей  прокаткой  армирующих  заготовок, положены  в  основу  технологии  получения  армированной  квазимонолитной  стали  (АКМ).

Армированные  вставки  оказывают  комлексное  воздействие  на  формирование  структуры  слитка:  как  внутренние  макрохолодильники  способствуют  увеличению  скорости  кристаллизации  и  развитию  объемного  затвердевания  с  образованием  однородной  дисперсной  структуры;  как  вставки  препятствуют  развитию  ликвационных  процессов.

Многослойный  лист,  полученный  из  слитка  с  внутренними  кристаллизаторами,  при  статистических  нагрузках  не  отличается  от  обычного.  Его  можно  без  затруднений  резать,  варить,  вальцевать  и  др.  Особенности  его  внутреннего  строения  проявляются  при  динамических  нагрузках.                    

Способность  сталей     АКМ     проявлять  свойства  монометалла (при  статистических  нагрузках)  и  многослойного (при  динамических  нагрузках)  позволяет  рекомендовать  ее  для  изготовления  газопроводных  труб.  Для  этих  целей  применяются  малоперлитные  стали  типа  09Г2  с  добавками   Nb,  V,  Ti,  Mo,  Ni:  09Г2ФБ,  09Г2ОФ,  09Г2ОФ,  09Г2БТ  и пр.