Технические науки / Отраслевое машиностроение

Скачков В.О., Сергієнко С.С., Іванов В.І., Болюк С.В.

ПРО СУМІСНІСТЬ ВУГЛЕЦЕВИХ ВОЛОКОН І АЛЮМІНІЄВОЇ МАТРИЦІ В КОМПОЗИЦІЯХ НА ОСНОВІ Al-C

Запорізька державна інженерна академія

Алюмінієві сплави, армовані вуглецевими волокнами, потенційно можуть забезпечити найбільш високі показники питомої міцності та жорсткості серед усіх існуючих композицій на алюмінієвій основі, оскільки вуглецеві волокна є найлегшими з волокон, що використовують для армування металевих матриць. Проте твердофазна технологія (дифузійне зварювання, порошкова металургія) не забезпечує проникнення матричного металу до капілярів між окремими моноволокнами. Застосування рідкофазної технології (просочення) дозволяє подолати такі складнощі та одержати монолітний матеріал.

Головні проблеми з’являються під час вивчення сумісності вуглецевих волокон і розплавленого алюмінію через необхідність усунення хімічної та дифузійної міжфазної взаємодії, що супроводжується руйнуванням волокон.

Відомо, що розчинність вуглецю в алюмінії є дуже малою: не перевищує 0,5% за температури 1570…1770 К і практично дорівнює нулю за температури 1270…1370 К. Змочування поверхні вуглецю розплавленим алюмінієм у вакуумі та інертній атмосфері спостерігається за температури вище за 1373 К. Сплави алюмінію з міддю, кремнієм і магнієм змочують поверхню вуглецю за температури вище ніж 1110 К, причому при збільшенні часу контакту значення межового кута змочування q знижується. Встановлено, що добавки 1% хрому, нікелю та кальцію дозволяють за температури 1200 К одержати значення кута q < 90°, а додавання 1% ніобію, титану та цирконію практично не змінюють умов змочування порівняно з чистим алюмінієм.

Високі температури початку змочування вуглецевих матеріалів алюмінієвими сплавами пояснюються наявністю на поверхні рідкого металу плівок оксиду алюмінію. При видаленні даної плівки алюміній починає змочувати графіт марки ГМЗ за температури 1173 К, а графіт марки ВПП - за температури 1123 К.

Одним з шляхів поліпшення змочування вуглецевих волокон є нанесення покриттів, що одночасно є спробою вирішити й проблему захисту волокон від взаємодії з алюмінієм. Вуглецеві волокна, покриті нікелем, добре змочуються евтектичним алюмінієво-нікелевим сплавом за температури 910…970 К. Проте проникнення розплаву до простору між волокнами є ускладненим і за вказаної температури просочення не відбувається. Умови просочення поліпшуються, коли використовують вуглецеві волокна з подвійним покриттям - внутрішнім з карбіду кремнію, одержаним газофазовим осадженням, і зовнішнім з хімічно відкладеного нікелю.

Слід зазначити, що нікелеві покриття за ізотермічної витримки (температура ~ 1070 К) протягом декількох хвилин взаємодіють з вуглецевими волокнами, знижуючи їхню міцність. Нікель також активує окислення волокон за температури вище 750 К. Підвищення температури розплаву, яке забезпечує краще змочування, спричиняє значне зниження міцності волокон. Використання порівняно товстих нікелевих покриттів приводить до насичення матричного сплаву нікелем з утворенням інтерметаллідов Аl₃Ni і охрупчуванню як матриці, так і волокон. Зниження тривалості контакту волокон з алюмінієвим розплавом можливо шляхом просочення під тиском, але при цьому ускладнюється технологія та знижується продуктивність процесу.

Під час розглядання взаємодії розплавлених алюмінієвих сплавів і вуглецевих волокон з покриттям із тугоплавких металів (вольфрам, молібден, хром) та інтерметалевих сполук встановлено, що покриття з хромом за температури 1123 К забезпечує добре змочування волокон силуміном у вакуумі 1,33×10^-3 Па. За температури 1373 К двошарові покриття (перший шар - з карбіду кремнію, другий - з хрому) забезпечують ефективне змочування, просочення та захист волокон від рідкого алюмінієвого розплаву.

Слід враховувати, що двошарові покриття з хромом дозволяють одержувати легші композиційні матеріали, ніж з покриттями з інших тугоплавких металів і є перспективними. Хорошою перешкодою взаємодії вуглецевих волокон з розплавленим алюмінієм є покриття з танталу, яке робить сприятливий вплив на умови просочення, полегшуючи проникнення матриці між волокнами.

Під час вивчення впливу товщини нікелевих покриттів на просочення вуглецевих волокон алюмінієм, який оцінювали коефіцієнтом просочення k_пр, встановлено що коли товщина покриттів менше ніж 0,1 мкм уповільнене просочення алюмінієм у вакуумі за температури 973….1023 К не спостерігали (k_пр = 0). Коли товщину покриття збільшували до 0,2 мкм, значення k_пр різко підвищувалося та досягала 0,6 і за товщини покриття більше ніж 0,35 мкм дорівнювало одиниці. Характер залежності k_пр від товщини покриття визначається будовою поверхні та суцільністю покриття. Після нагрівання до температури 973…1173 К протягом декількох хвилин нікелеве покриття товщиною менше ніж 0,3 мкм розділяється на окремі краплі; при більш товщих покриттях їх суцільність зберігається, але змінюється геометрія поверхні через зростання шорсткості.

Покриття з нікелю та міді під час просочення поділяються на окремі острівці, а покриття з хрому, вольфраму і молібдену залишаються у вигляді безперервної оболонки. Покриття з тугоплавких металів, особливо з хрому, розширюють область режимів просочення під тиском, що дозволяє одержувати високу міцність композицій. Для вуглецевих волокон, покритих карбідом кремнію, кращі результати було одержано за температури 940 К і тиском 3×10⁶ Па: міцність вуглецевого матеріалу сягала 900 МПа. Застосування даних технологічних покриттів дозволяє одержати композиції з міцністю, величина якої наближається до значення, розрахованого за правилом сумішей.