Бериллиевой проволокой

Свойства бериллия также исследовались для определения возможностей его использования в качестве волокнистого армирующего материала для композитов с полимерной матрицей, если он сам имелся в достаточном количестве в форме пластичной проволоки. Высокий модуль (на 40% больше, чем у стали) и низкая плотность (на 30% меньше, чем у алюминия) сделали его привлекательным конструкционным материалом для авиации, и можно было надеяться, что пластичность проволок улучшит ударные свойства композита. В работе [62] опубликованы некоторые результаты по растяжению бериллиевой проволоки диаметром 0,005 дюйм. Она разрушалась вязко даже при комнатной температуре после удлинения примерно на 1—3%. Позднее [36] исследован более детально предел упругости проволоки и определено ее остаточное удлинение при различных уровнях нагру-жения. Кроме того, исследованы также свойства длительной прочности проволоки при комнатной температуре. Данные показывают уменьшение прочности с ростом продолжительности действия нагрузки, однако результаты имеют большой разброс.

— — бериллиевой проволоки 278

позиционного материала применяют пакеты, состоящие из чередующихся слоев бериллиевой проволоки, полученных методом намотки, и слоев алюминиевой фольги; уложенную в форму берил-лиевую проволоку с нанесенным на ее поверхность алюминием; пакеты, состоящие из слоев алюминиевой фольги с уложенной на ее поверхности методом намотки бериллиевой проволокой, закрепленной слоем алюминия, нанесенного методом плазменного напыления; чередующиеся слои, состоящие из бериллиевой и алюминиевой проволоки. Технологические параметры получения и некоторые свойства композиций приведены в табл. 28.

Применявшаяся в указанных выше работах бериллиевая проволока имела диаметр от 0,11 до 0,127 мм. Прочность проволоки после процесса нанесения на нее методом, осаждения_из газовой фазы алюминиевого покрытия снижается с ~130 до 82 кгс/мм2. Это и является причиной сравнительно низкого значения прочности при изгибе композиции, содержащей 68 об. % бериллиевой проволоки (в табл. 28).

Композиции титан — бериллиевая проволока пробовали получать при температурах от 590 до 870° С, давлениях от 420 до 5600 кгс/сма и времени выдержки от 0,5 до 10 ч. Основной трудностью изготовления этих композиций являлось то, что при технологических температурах бериллий более пластичен, чем титан, и в процессе изготовления материала из чередующихся слоев бериллиевой проволоки и титановой фольги бериллиевая проволока деформируется. Кроме того, имеет место химическое взаимодействие титановой матрицы с бериллиевым упрочнителем. Оба эти фактора приводят к снижению прочности бериллиевой проволоки, поэтому были предприняты попытки обеспечить равномерное всестороннее давление на каждую проволоку в результате укладки проволоки в канавки, полученные в титановой фольге методом травления. Однако получить канавки с идеальной геометрией не удалось, и деформация проволоки наблюдалась и в этом случае. Уменьшение величины взаимодействия достигалось в результате снижения температуры прессования и уменьшения времени выдержки. Композиционный материал с наиболее высокими свойствами был получен в результате совместной на-

мотки титановой и бериллиевой проволоки, чередующихся между собой, и прессования таких матов, помещенных между титановой фольгой. Состав и технологические параметры изготовления такого материала приведены в табл. 81 [210].

Метод прокатки был опробован для изготовления композиционного материала титан—беррилиевая проволока [173]. В качестве матрицы применяли фольгу из титановых сплавов Ti—6% А1—4% V и Ti—8% А1—1% Mo—1% V толщиной 0,5 мм. На фольгу, закрепленную на оправке, наматывали бериллиевую проволоку диаметром 0,127 мм или бериллиевую проволоку с титановым покрытием диаметром 0,2 мм. После намотки проволоку закрепляли либо нанесением плазменным напылением слоя алюминиевого сплава 6061, либо нанесением слоя связующего на основе полистирола. Собранные в пакет чередующиеся слои титанового сплава и бериллиевой проволоки подвергали прокатке. Прокатанный материал на основе сплава Ti—8% А1—1%Мо—1%V, упрочненного берриллиевой проволокой с титановым покрытием, имел предел прочности 106,9 кгс/мм2 при среднем значении относительного удлинения до разрушения 2,3%.

Высокий модуль упругости, равный 30 900 кгс/мм2, и малая плотность — 1,85 г/см3 при сравнительно высокой прочности, достигающей 105 кгс/мм2, делают весьма перспективным применение берриллиевой проволоки в качестве упрочнителя алюминиевых и титановых сплавов. В табл. 51 приведены свойства материалов на основе алюминия, содержащих различные количества бериллиевой проволоки. Из таблицы видно, что при содержании 50 об. % бериллиевой проволоки композиционный материал имеет высокую прочность (—70 кгс/мм2), в 3 раза более высокий по

риллиевой проволокой, при повышенных температурах. Материал сохраняет высокий уровень прочности и жесткости до температуры 300° С. Материал на основе алюминия, упрочненный 33 об. % бериллиевой проволоки, имел при 260° С длительную прочность за 100 ч, равную 13 кгс/мм2, и за 1000ч — 8 кгс/мм2 [210].

Волочение бериллиевой проволоки ведут с подогревом до 400—480 °С. При этих температурах пластичность бериллия высокая и близка к пластичности малоуглеродистых сталей. Волочение бериллия осуществляют в металлической оболочке из пластичного металла, например никеля. После волочения оболочку удаляют стравливанием покрытия и выполняют сглаживание поверхности проволоки электрохимической полировкой. В качестве оболочки может использоваться и материал матрицы композиции, что исключает операции электрохимического травления и полирования.

высокую температуру рек-?•10 ' МПа ристаллизации (700 °С). К недостаткам, препятствующим использованию бериллиевой проволоки в композиционных материалах, относят его низкую пластичность (6 = 1—2 %) и высокую токсичность.

шить при помощи уложенных в ряд вольфрамовых или стальных проволок. Подобное улучшение наблюдалось в алюминиевом сплаве, армированном бериллиевой проволокой [54].

По-видимому, циклическая стабильность (отсутствие как упрочнения, так и разупрочнения) характерна для металлов, армированных волокнами, в противоположность обычно наблюдаемому циклическому упрочнению в отожженных металлах или циклическому разупрочнению в предварительно упрочненных металлах. Циклически стабильное напряженно-деформированное состояние алюминиевых сплавов, армированных либо вязкой бериллиевой проволокой, либо хрупкими борными волокнами, показано на рис. 3. Циклическое упрочнение технически чистого алюминия необычно тем, что оно не достигает величины насыщения, как у большинства металлов, а происходит непрерывно вплоть до разрушения [52]; на рис. 3 для сравнения с поведением композитов показано непрерывное упрочнение алюминия 1235. В [55] сообщалось, что алюминий 6061-Т6, армированный непрерывными волокнами бора с объемным содержанием 25 и 40%, циклически упрочняется, но величина упрочнения минимальна и состояние композита может быть охарактеризовано как циклически стабильное.

Рис. 11, а и 11, б превосходно иллюстрируют предсказанное влияние поля напряжений у конца трещины на вид роста трещины во время ее распространения из высокомодульного материала в низкомодульный в алюминиевом сплаве 1235, упрочненном бериллиевой проволокой. Усталостная трещина после пересечения поверхности раздела волокна и матрицы, как и предсказывалось, разветвилась и стала расти параллельно ей. Подобное разветвление трещин широко встречается в композиционных мате-

Рис. 11. Разветвление усталостных трещин в алюминиевом сплаве 1235, армированном бериллиевой проволокой, после прорастания трещины через поверхность раздела в матрицу, состоящую из алюминия 1235 (G^G^ > 1) [22].

Алюминий — бериллиевая проволока. Бериллиевая проволока является перспективным упрочнителем благодаря малой плотности, равной 1,83 г/см3, высокому модулю упругости и прочности, равным соответственно 29 500 кгс/мм2 и 130 кгс/мм2. Исследование возможности получения композиционного материала методом пропитки бериллиевой проволокой расплавом алюминия, по данным Флекка и Гольдштейна, дало отрицательный результат, так как при температуре 644° С между алюминием и бериллием происходит эвтектическая реакция, сопровождающаяся растворением бериллия. В связи с этим одним из основных технологических путей получения материала алюминий — бериллиевая проволока в настоящее время является диффузионная сварка под давлением. При этом в качестве предварительных заготовок ком-

позиционного материала применяют пакеты, состоящие из чередующихся слоев бериллиевой проволоки, полученных методом намотки, и слоев алюминиевой фольги; уложенную в форму берил-лиевую проволоку с нанесенным на ее поверхность алюминием; пакеты, состоящие из слоев алюминиевой фольги с уложенной на ее поверхности методом намотки бериллиевой проволокой, закрепленной слоем алюминия, нанесенного методом плазменного напыления; чередующиеся слои, состоящие из бериллиевой и алюминиевой проволоки. Технологические параметры получения и некоторые свойства композиций приведены в табл. 28.

Многие организации проводят работы по исследованию возможности применения и оценке эффективности композиционных материалов с металлическими матрицами в деталях газотурбинных двигателей. Так, фирма «Дженерал Моторс» оценивает перспективность применения композиционных материалов на основе алюминия и титана, армированных бериллиевой проволокой, для лопаток вентилятора и компрессора. Фирмами «Юнайтед Текнолод-жиз», «Дженерал Электрик», «Детройт Дизел Эллисон», ТРВ и др. предполагается разработка стойких к уадарам боралюминиевых лопаток вентиллятора для двигателей типа GF-6, JT9D и J-79 [182]. Фирма «Пратт энд Уитни» разрабатывает конструкцию лопатки с титановой сердцевиной и боралюминиевой оболочкой для двигателя F-100, применение которой позволит обеспечить снижение массы на 28%.

Среди различных композиционных материалов с арматурой особое место занимает алюминий, армированный стальной проволокой, кремнеземными волокнами, волокнами бора, «усами» окиси алюминия (сапфира), углеродными" волокнами и бериллиевой проволокой.

132. Свойства композиционных материалов с матрицей из сплава Ti + 6A1 -f- 4V, армированной бериллиевой проволокой 8], при растяжении при комнатной температуре

-f- 4V, армированных бериллиевой проволокой, полученных различными методами, приведены в табл. 132. Горячее вакуумное прессование проводилось при температурах 580—700 °С и давлении 0,21 ГПа; материалы получали совместной экструзией при 700 °С.

(08X18Н9Т, 1Х15Н4АМЗ, ЭП322 и др.), бериллиевой проволокой и волокнами бора, карбида кремния, углерода.