Изготовления композитов

разрушения только первые семь можно считать разрушениями в соединении. Эти семь типов входят в первые четыре из пяти более общих категорий разрушения: I — когезионное; II — по склеиваемой поверхности; III — межслошюе; ГУ — разрушение армирующего слоя; V — разрушение композита. Если разрушение по поверхности раздела клеевого слоя и склеиваемого материала происходит в микромасштабе, то это явление обычно в расчетах не учитывают. Когда технология склеивания или качество материала неудовлетворительны, это явление может происходить в макромасштабе и свидетельствовать о необходимости повышения уровня контроля качества при изготовлении соединения, так как уровни разрушающих нагрузок в этих случаях обычно очень низки. Когезионное разрушение (внутри адгезионного слоя) является хрупким или вязким в зависимости от типа применяемого клея. Межслойное разрушение (не относящееся к кромочным эффектам) может быть вызвано недостатками в технологии изготовления композита, пустотами, расслоениями или термическими напряжениями. Эти причины учитываются интегрально— по их влиянию на прочность полимерной прослойки при растяжении и сдвиге. Три вида микроразрушения армирующего слоя обычно рассматривают в макромасштабе как один и тот же вид разрушения.

изготовления композита обеспечивает отсутствие их взаимодействия. Кляйн и Меткалф [24] объяснили этот эффект наличием окисных пленок между волокном и матрицей, предотвращающих взаимодействие. В композите алюминий —бор эта окисная пленка состоит в основном из окиси алюминия; если условия изготовления композита отклоняются от оптимальных или если алюминий расплавлен, стабильная пленка не образуется. Поэтому производство высокопрочных композитов А1—В путем пропитки расплавленным металлом невозможно без предварительной защиты бора соответствующим инертным покрытием, например нитридом бора [9].

Предложенный выше принцип классификации композитов был основан, главным образом, на фазовом равновесии (определяемом растворимостью или химическими реакциями). С его помощью построена удобная система классификации, основанная на равновесии (истинном или кажущемся), достигаемом после изготовления композита. При этом не учитывались ни механизм, обусловливающий связь компонентов, ни природа этой связи, хотя данные вопросы являются важными в теории поверхностей раздела.

Способ изготовления композита заметно влияет на характеристики поверхности раздела. Композиты алюминий — бор, полученные путем пропитки расплавленным алюминием, принадлежат к третьему классу; им присущи неравномерная коррозия волокна и неравномерный рост борида алюминия (рис. 6). Напротив, в композитах, изготовленных по оптимальной технологии диффузионной сварки, не происходит реакции на поверхности раздела; на рис. 7 виден лишь один случайный кристалл борида. Для выяснения причин этого различия следует рассмотреть механизм диффузионной сварки. Такое рассмотрение послужит поводом для более общего анализа влияния технологии изготовления- композита на характеристики поверхности раздела. ,

Желательно, чтобы металл матрицы в композитах имел малую плотность и высокую пластичность; как правило, такие металлы очень склонны к образованию химических соединений с высокоэффективными упрочнителями (бор, карбид кремния и т. д.). Образующиеся при этом химические соединения, часто интерметалли-•деские по природе, отличаются хрупкостью и малой эффективной фочностью. По этой причине такие соединения, образующиеся, как правило, на поверхностях раздела в процессе изготовления композита при высоких температурах, могут понизить способность поверхности раздела распределять нагрузку и сопротивляться разрушению в условиях сложного напряженного состояния. На основе этого эффекта Меткалф [44] разработал модель для объяснения снижения прочности, к которому приводит химическое взаимодействие в композитах Ti—В и А1—В. По-видимому, наличия трещин в непрочном боридном слое на поверхности раздела достаточно, чтобы вызвать преждевременное разрушение волокон

При разработке совместимых с бором матриц должны быть учтены также следующие соображения. -Сплав должен быть стабильным, легко прокатываться в фольгу «ужной для изготовления композита толщины (при использовании диффузионной сварки в твердой фазе), должен иметь низкую плотность и высокую прочность в условиях службы, а также обладать хорошей обрабатываемостью, необходимой для промышленного производства композита. Кляйн и др. [20] отметили, что легирование титановых сплавов теми элементами, которые снижают скорость реакции с борным волокном, вызывает переход титанового сплава в р-мо-дификацию, которая предпочтительна и при прокатке фольги. Максимальное содержание алюминия в р-'сплаве ограничивается образованием а-фазы или фазы Ti3Al. На основе диаграммы состояния тройной системы Ti—V—А1 [10] за вероятный предел растворимости принято содержание алюминия 2,6%. Молибден, как и алюминий, оттесняется растущим диборидом. Влияние этого элемента было изучено более подробно. В указанной выше работе [20] отмечается, что при высоком содержании молибдена в дибо-ридной фазе образуется двуслойная структура (рис. 17). Для выяснения влияния содержания молибдена был исследован ряд р-сплавов. Полученные в этой работе константы скорости реакции k при 1033 К приведены в табл. 6. Чтобы определить вклад молибдена в k, была использована величина удельной скорости ре-

К псевдоперйому классу, как указывалось выше, относятся системы, ведущие себя аналогично системам первого класса (в которых компоненты взаимно нерастворимы и нереакционноспособ-ны), пока сохраняемся окисная пленка на поверхности раздела; истинный характер поверхности раздела выявляется по разрушении окисной пленки. С разрушением пленки в этих системах может начаться реакция (как в системах третьего класса, например алюминий—бор) или растворение компонентов (как в системах второго класса). К последним, возможно, относится система алюминий—карбид кремния, однако, чтобы уточнить 'класс этой системы, необходимы дополнительные исследования. Если желательно, чтобы композит вел себя как система псевдопервого класса, то в процессе его изготовления необходимо обеспечить сохранение окисной пленки. Этот вопрос и будет обсужден вначале; затем рассмотрим, как влияют на продольную прочность изменения поверхности раздела, происходящие после изготовления композита.

А. Влияние условий изготовления композита

Поскольку связь условий изготовления композита с состоянием поверхности раздела и механическими свойствами пока не подвергалась систематическому исследованию, представленные ниже со-

Специалисты по технологии производства композитов с алюминиевой матрицей придерживаются общей точки зрения относительно-оптимальных условий изготовления композита. Если поддерживать постоянство двух из трех параметров технологического процесса— температуры, давления и продолжительности обработки, то с ростом значения третьего параметра прочность при растяжении вначале растет, затем проходит через максимум и потом снижается. Эти данные согласуются с моделью, предполагающей, что> на поверхности раздела имеется окисная пленка. Рост прочности при растяжении объясняют уменьшением пористости и улучшением окисной связи между матрицей и воло'кнами. Снижение прочности при растяжении с увеличением давления, температуры или продолжительности процесса происходит из-за общего разрушения окисной связи и излишнего развития реакции. Оптимальное значение параметров отвечает равновесию между завершением процесса образования связи и началом развития локальной реакции на участках разрушения пленки. При повышенной температуре или продолжительности процесса прессования разрушение пленки может происходить по механизму сфероидизации, а при повышенном давлении — механическим путем вследствие сдвига. Однако наличие оптимальных значений параметров процесса приводит к заметным изменениям состава и строения поверхности раздела. Эти изменения имеют место как в пределах одного образца композита, так и от одной партии горячепрессованного композита к другой, поскольку трудно тщательно контролировать состояние поверхности компонентов, технологические циклы и все остальные параметры, определяющие характеристики поверхности раздела.

1. Влияние условий изготовления композита на его механические свойства

1. Ввпросы изготовления композитов

Многие композиты изготавливают посредством процессов, протекающих в твердой фазе под давлением. Важным параметром таких процессов является степень пластической деформации. ;Со-гласно определению, данному Американским обществом сварки '[3], термин «диффузионная сварка» относится к способам, не связанным с макроскопической деформацией свариваемых элементов, а термин «сварка под давлением» — к способам, предусматривающим значительные степени деформации. Однако анализ диффузионных способов изготовления композитов показывает, что необходима более детальная классификация, учитывающая такие характеристики материала, как предел текучести или параметры ползучести; далее, следует различать, как прилагалось усилие —• статически или динамически. Кроме того, наибольший интерес в настоящее время представляют способы сварки, находящиеся на стыке двух указанных выше разновидностей сварки [3], и поэтому в настоящей работе для всех способов изготовления композитов в твердой фазе использован общий термин «диффузионная сварка».

Возможность регулирования газовой или паровой фазы очень важна для воспроизведения условий, существующих при изготовлении и эксплуатации композита. В гл. 10 Бонфилд описывает заметное влияние состава газовой атмосферы на смачиваемость нитрида кремния алюминием, что может служить основой для выбора оптимальной атмосферы изготовления композитов. С другой стороны, Ваше [5] приводит результаты исследований совместимости борного волокна, покрытого карбидом кремния, с титаном (волокна нагревали в контакте с порошком титана). Как компонент композита титановая матрица поддерживает крайне низкое давление диссоциации кислорода и азота у поверхностей волокон. Низкая скорость реакции волокон с порошком титана, по-видимому, определяется наличием газа около волокон.

Борные волокна с покрытием из нитрида бора оказались весьма стабильными в контакте с расплавленным алюминием. Кэй-мехорт [8] -показал, что до тех пор, пока сохраняется целостность этого покрытия, борное волокно остается неповрежденным в расплаве алюминия при 1073 К. На основании этих данных был разработан способ изготовления композитов А1—В путем пропитки волокон расплавленным металлом. Форест и Кристиан [11] исследовали сдвиговую и поперечную прочности композита, состоящего из борных волокон с нитридным покрытием и матрицы из алюминиевого сплава 6061. Материал был изготовлен диффузионной сваркой. Прочность этого композита на сдвиг оказалась меньше, а поперечная прочность — существенно меньше, чем материалов, армированных волокнами бора и борсика. Такие низкие значения прочности, возможно, обусловлены слабой связью между нитридом бора и алюминием, хотя в работе отсутствуют данные о характере разрушения, которые могли бы подтвердить это предположение. Связь между алюминием и борным волокном с покрытием из карбида кремния в меньшей степени зависит от способа изготовления материала. По заключению авторов цитируемой работы, наиболее удачное сочетание механических свойств имеет композит алюминиевый сплав 6061'—непокрытое борное волокно, закаленный с 800 К с последующим старением.

В последнее время были проведены детальные исследования процесса изготовления композитов с матрицей Ti-6Al-4V, содержащих от 45 до 50 об.% волокон B/SiC диаметром 140 мкм [5]. Хотя корреляция параметров изготовления со структурой поверхности раздела была неполной, последовательное увеличение температуры горячего прессования приводило к росту толщины слоя продукта реакции на поверхности раздела. Продолжительность прессования была постоянной (30 мин), а давление выбирали таким, чтобы при каждой температуре обеспечить прочную диффузионную сварку композита. На каждом режиме обрабатывали четыре образца; усредненные результаты этих испытаний, а также результаты некоторых многократных испытаний на поперечную прочность приведены на рис. 14. Хотя в испытаниях на поперечную прочность влияние поверхности раздела непосредственно не оценивалось, их результаты приведены потому, что значения деформации разрушения разупрочненных композитов, полученных прессованием при 1144 К и 1172 К, совпадают со значениями, предсказанными для поверхности раздела титан—карбид кремния.

Для изготовления композитов было успешно применено кварцевое стекловолокно, которое сохраняло высокую прочность после быстрого нанесения на поверхность волокна покрытия из жидкого алюминия. Нежелательное взаимодействие в системе Al —

ние являлось частью работы, посвященной выяснению возможности изготовления композитов практического применения из титановой матрицы, упрочненной А12О3. Образцы были изготовлены из монокристальных волокон сапфира с-ориентировки диаметром •0,25 мм, размещаемых между листами фольги титановых сплавов, методом диффузионной сварки в вакууме при 1088—1116 К в .течение 15—30 мин. Последующая термообработка проводилась в вакууме ~ЫО-5 мм рт. ст. (1,33 мПа). Микроструктура композита чистый титан — окись алюминия после выдержки при 1144 К в течение 60 ч показана на рис. 16. Вблизи волокна видна обширная зона взаимодействия, состоящая из двух областей. Между титановой матрицей и внутренней областью (вблизи волокна) зоны взаимодействия находится широкая, сильно отражающая свет область упрочненного и рекристаллизованного a-Ti. Электронно-микроскопическое исследование методом реплик показало, что во внутренней области зоны взаимодействия вблизи волокна имеются включения второй фазы. Все исследованные композиты имели подобную микроструктуру, состоящую из одних и тех же фаз.

пользовать при температурах выше 1270 К- В дальнейшем эта группа исследователей работала в двух направлениях. Ноуан 37] пошел по пути разработки оптимальных покрытий на волокне для снижения его разупрочнения в процессе изготовления композитов из никелевых сплавов. Меган и Харрис i[31] избрали путь детального исследования механизма разупрочнения композита никель —

Армированные композиты с металлической матрицей часто разрабатываются следующим образом: сначала изготовляется новый композит, а затем испытывается образец полученного материала. Однако такой способ бывает чреват разочарованием, поскольку получаемые свойства редко соответствуют предсказанным теоретически. Затем появляются трудности, связанные с необходимостью оптимизации большого числа параметров технологии изготовления композитов. Именно в связи с этим представляется важным описанный в данной главе способ оценки совместимости отдельных волокон и усов, так как в этом случае роль всех важных факторов для любой заданной системы композита можно оценить непосредственно. На примерах композитов с никелевой матрицей, упрочненных усами сапфира, нитрида кремния и углеродными волокнами, показано, что оптимизация температур и выдержек может быть достигнута при условии контроля за содержанием примесей. Эти принципы будут положены в основу оценки и выбора технологического процесса, который обеспечит получение композитов с оптимальной совместимостью упрочнителя и матрицы для каждой системы. Эта технология, возможно, будет сложнее (и дороже) тех, которые обычно применяются, но если бы удалось существенно понизить склонность упрочнителя к разрушению и дроблению, то это могло бы стать важным достижением. Сюда же относятся некоторые интересные возможности улучшения связи в композите путем стимулирования роста боко-

Технология изготовления композитов, влияние на свойства 16, 17, 167, 168, 175—178

Для органических полимеров, армированных минеральными волокнами, характерно сочетание полезных свойств пластиков и минералов. Такие композиты имеют сходство с пластиками по коррозионной стойкости, диэлектрическим свойствам, вязкости разрушения, низкой плотности и просты в изготовлении. В то же время они обладают жесткостью и прочностью минералов, использование которых в качестве наполнителей дает возможность существенно понизить стоимость изготовления композитов. Некоторые свойства рассматриваемых композитов значительно превосходят суммарные показатели свойств входящих в них компонентов. Так, например, энергия разрушения стекла составляет ~0,00068 кгс/мм, типичного пластика ~0,021 кге/мм, а композита на основе этих компонентов ~ 17 кгс/мм.