Металл матрицасы негізді компоненті материалдар

            Металл матрицасы негізді компоненті материалдар

Құрамы бір-бірінен өзгеше, өзара шекарамен бөлінген, екі немесе одан көп компоненттен тұратын, алдын ала жобаланған жаңа, жоғары қасиетті материалды композициялық материал (композит) деп аталады.

Композициялық материалдың қасиеті компоненттердің қасиетімен, олардың көлемдік бөлігімен және өзара байланыс беріктігімен анықталады. Композитте әр түрлі қасиеттер үйлесімді жоғары келеді. Мысалы, жоғары меншікті беріктік пен қатаңдық, ыстыққа беріктік, тозуға төзімділік, жылудан қорғаушылық және т.б. қасиеттері жағынан композит белгілі конструкциялық материалдардан артық.

Композициялық материалдың көлеміндегі үздіксіз компонент матрица деп аталады, ал матрицада біркелкі орналасқан компонент арматура, беріктендіргіш немесе толтырғыш деп аталады, матрица мен арматураның материалдары өзара бейтарап болып, сызықтық пен көлемдік ұлғаю коэффициенттерінің мәні жақын болуы керек.

Матрица композицияны байланыстырып, оған белгілі бір пішін береді. Матрица беріктендіргішті сыртқы ортаның әсерінен және механикалық бұзылудан сақтайды. Композитті алудың технологиялық режімі және эксплуатациялық көрсеткіштері матрицаның қасиеттеріне байланысты. Сонымен қатар композиттің қасиеттері беріктендіргіштің (толтырғыш) түрі, пішіні, өлшемі, мөлшері және орналасуына байланысты. Беріктендіргіштің серпімділік модулі, беріктігі және қаттылығы матрицадан жоғары болу керек.

Матрицаның материалы ретінде металл, қорытпа, полимер, керамика және т.б. пайдаланады. Беріктендіргіш (арматура, толтырғыш) компонент ретінде ұнтақты және талшықты материалдар (металл, болат, оксид, карбид және т.б.) қолданылады.

Композициялық материалдарды жіктеудің әр түрі бар. Композициялық материалдар негізі бойынша екі үлкен топқа бөлінеді:

1)     негізі металл композит (матрицасы металл немесе қорытпа);

2)     негізі металл емес композит (матрицасы полимер, көміртекті немесе керамикалық материал).

Әуел баста композициялық материалдың негізі ретінде органикалық емес, содан кейін органикалық материалдар қолданылды. Композициялық материалдарға қойылатын талаптар жоғарылаған сайын негізі металл, беріктендіргіші талшықты материалдан жасалған композиттер шығарыла бастады. Кейінгі кезде жоғары температуралық техника үшін негізі керамикалық материалдан тұратын композиттер шығарылуда.

Қазіргі кезде бірнеше матрицадан және арматурадан тұратын композициялық материалдар алынған. Химиялық құрамы әр түрлі бірнеше кезектесіп келген қабатты матрицадан тұратын композитті полиматрицалық деп атайды. Бірнеше беріктендіргіш (толтырғыш) пайдаланған композициялық материалды полиарматуралық деп атайды.

Композиттің қасиеті компоненттердің қасиеттеріне байланысты болумен қатар, толтырғыштың пішіні (геометриясы), өлшемі, мөлшері және матрицада орналасуына да байланысты. Беріктендіргіштің матрицада орналасу түрін композициялық материалды беріктендіру сұлбасы деп атайды.

Негізгі бөлім

Негізі металл болатын композициялық материал негізі металл емес композитке қарағанда, механикалық қасиеттерінің жоғарылығымен (σв, δ, Ε), беріктік қасиетін жоғары температураға дейін сақтай алуымен, электр өткізгіштігімен, ылғалға төзімділігімен және отқа жанбайтындығымен ерекшеленеді. 

Композицияны беріктендіруші талшықтың негізгі қасиеттері төмендегідей:

1)    тығыздығы аз;

2)    балқу температурасы жоғары;

3)    матрицада ерігіштігі өте төмен;

4)    жұмыстық температурадағы беріктігі жоғары;

5)    химиялық төзімділігі жоғары;

6)    жұмыстық температурада фазалық түрленбейді;

7)    технологиялығы жақсы;

8)    жасау және эксплуатациялау үрдісінде улы зат шығармайды.

Композициялық материалдың матрицасын беріктендіру үшін талшықтың негізінен 3 түрі қолданылады:

1)     жіп тәріздес кристалл;

2)     сым (металл, қорытпа);

3)     органикалық емес және поликристалды талшық.

    Металл матрицалы талшықты композициялық материалдадарда   композиттің матрицасы ретінде қолданылады:

1)     Al мен Mg сияқты жеңіл металдар және олардың қорытпалары;

2)     Ti мен Cu қорытпалары;

3)     негізі Fe, Ni, Co болатын қызуға берік және қызуға төзімді қорытпалар;

4)     негізі W, Mo, Nb болатын балқуы қиын қорытпалар.

Композиттің арматурасы ретінде талшық  (B,C, SiC, Al2O3 және т.б.), жіп тәріздес кристалл (SiC, Al2O3 және т.б) және сым (болат, W, Be, Mo, Ti және т.б) .

Металл матрицасы негізді компонентік материалдардың негізгі басымдылығы   олардың аса маңызды қасиеттерінде . Ол металл матрицасының құрылымына тікелей байланысты.  Бұл ең алдымен уақытша қарсыласу және созылу бағытындағы серпімділік модулі, перпендикульяр остегі  арматураланған талшықтар, сығу және майыстыру кезіндегі қаттылық,    созымдылық , сыну тұтқырлығы. Метал емес негізді материалдарға қарағанда, металл матрицасы негізді компонентті материалдар өзінің қаттылық қасиетін жоғары температураларда да сақтайды. Олар әлде қайда тұрақты , отқа төзімді , электр тоғын өткізу қасиеттері бар.

Келешектен аса зор үміт күттіретін  металл матрицасы негізді компонентті материалдар ішіндегі аса тығыз емес материалдар және олардың балқымалары болып табылады(Al , Mg ,Ti). Сонымен қатар қазіргі танда никель ыстыққа төзімді балқымалардың  негізгі компоненті ретінде қолданылады.

Термиялық өңдеу арқылы қатайтылған құйманы матрица ретінде қолдану , композицияға қосымша қаттылық эффектісін береді. Алайда талшыктар осі бағытында ол өте аз , ал оған қарсы бағытта оның құрылымы матрицаның негізгі  құрылымымен анықталады және ол 50 пайызға жетеді.

Алюминий матрицасы негізді материалдар қолданылу аясында негізінен болат сыммен , бор және көміртегі талшықтарымен арматураланады.               Матрица ретінде техникалық алюминді( мысалы АД1) ғана қолданып қоймай  сонымен қатар оның құймаларында қолданады(АМг6,  В95 ,  Д20 және т.б. ).

Әлдеқайда арзан , қажетті түрде сенімді және қол жетімді арматуралау материалы болат  сым  болып табылады. Техникалық алюминді диаметрі 0.15мм  ВНС9 болатты  сыммен  арматурлау  оның қаттылығын  10-12 есе ,    егер талшық молшерін 25  пайызға арттырса 14-15есе ,   40 пайызға арттырса    1000-1200 есеге   арттырады. Егер  арматуралауға аз диаметрлі сымды қолданса( яғни беріктігі  жоғары сымды) , онда композициялы материалдың уақытша қарсыласуы  1750 МПа дейін көтеріледі.  Осыдан қорытындылай келсе болат сыммен арматураланған алюмини негізгі құрылымдық қасиеттері бойынша аса берік алюмини құймаларын басып озып , титан құймалары құрылымының сәйкес дәрежесіне көтеріледі.  Сонымен қоса композиция тығыздығы 3900-4800 кг/м3 шегінде болады .

 Алюмини және оның  құймаларының беріктігін әлдеқайда  қымбат талшықтармен В, С, АL2O3  көтеру композициялық материялдардың бағасынын жоғарылауына әкеледі,  бірақ  дегенмен оның бірқатар құрылымы жақсарады: мысалы , бор талшықтарымен арматурлау серпімділік модулін 3-4 есе арттырады , көміртекті талшықтар тығыздықтың төмендеуіне себепкер болады.  Бор температураның артуына байланысты беріктігі азаяды , сондықтан бормен арматураланған композициялық материялдар өзінің беріктігін   400-500 градусқа дейін сақтайды . Өндірісте қолданыс тапқан материял , құрамында 50 пайыз үзілмейтін аса берік бор талшықтарынан тұрады.  Серпімділік модулі және уақытша қарсыласу 20-500 градус температура интервалында  ол барлық стандартты алюмини қоспаларын артта қалдырады , соның ішінде жоғары температурада  жұмыс істеуге арналған құймалар . Материялдардың  жоғары демпферлік қасиеті одан жасалған конструкциялардың  діріл беріктігін арттырады .  Құйма тығыздығы  2650кг/м  ге тең , ал шекті беріктігі -45км. Бұл аса берік титан және болат құймаларына қарағанда әлдеқайда жоғары көрсеткіш.

      

15.4-кесте  – Алюминий матрицалы талшықты  композиттің қасиеті 

Композит	Беріктендіргіш		ρ	Е	σВ	σ-1 (107цикл)		σ100
	Материал	Мөлшері, %	т/м3	МПа
КАС-1	Болат сым	40	4,8	120000	1600		350	440
ВКА-1	Бор талшығы	50	2,65	240000	1200		600
ВКУ-1	Көміртек талшығы	30-40	2,2-2,3	270000	900-1000		200

 

Есептемелер көрсетуі бойынша , бекітетін элементтері бар   ұшақ қанаты ланжеронын  жасайтын  В95 құймасын титан құймасымен ауыстырғанда оның қаттылығын  45 пайызға көтеріп оның массасынан 42 пайыз үнемдеуге мүмкіндік берді .

Негізі алюминий матрицаны болат сыммен беріктендіру арқылы алынған КАС-1 маркалы композит жақсы механикалық қасиеттерімен (15.4-кесте), арзандылығымен, жылу және электр өткізгіштігімен ерекшеленеді. Композит матрицасын алюминий немесе алюминий қорытпасының фольгасынан жасап, беріктігі жоғары коррозияға төзімді хромникельді болат сыммен беріктендірген. Диаметрі 0,15-0,30 мм болат сымның беріктік шегі 3500-4000МПа. Композитті жасау барысында, компоненттер өзара әрекеттеспес үшін, температура 5500С-дан аспағаны жөн.

ВКА – 1 маркалы композит алюминий қорытпасының фольгасымен және бор талшығының кезектесіп келген қабатынан тұрады. 500ºС – ға дейінгі серпімділік модулі мен беріктігі жағынан ВКА – 1 композиті беріктігі жоғары (В95 маркасы) және қызуға берік (АК4 – 1 маркасы) алюминий қорытпаларынан басым.

        Көміртегі  талшықтарымен арматураланған  алюминй  негізді  композициялы материялдар  бор талшықты материялдарға қарағанда  арзан әрі жеңіл .  Тек беріктігі  бойынша төмендеу болғанымен , ол  шекті беріктікке  (42 км) жақын  беріктікке ие . Алайда  беріктілігін  арттырғыш  коміртекті композициялық  материялдарлы дайындау үлкен  технологиялық қиындыпен байланысты  қыздыру кезінде метал матрицасымен  көміртегі байланысқа түсіп материял  беріктігінің төмендеуіне әкеліп  соғады.  Бұл жетіспеушілікті  жою үшін арнайы көміртекті  жамылғы қабаты қолданылады .

Магний матрицасы негізді  материялдар  алюминй негізді материялдарға қарағанда  өзінің аз тығыздығымен сипатталады , сондықтан шектік беріктігі әлде қайда жоғары болып есептелінеді.Бор талшықтарымен арматураланған   деформацияланатын магний құймаларының  (МА2) беріктігі   50 км-ге  дейін болады. Бор талшықты магний және оның құймаларының жақсы сәйкестігі , бір жағынан , детальдарды  сіңіру әдісімен механикалық қайта қайта өңдеусіз  жасауға мүмкіндік берсе , келесі жағынан , детальдардың өте жоғары температурада  жұмыс істегенде үлкен жұмыс өнімділігін қамтамасыз етеді. Бұл материялдардың шектік беріктігі арттыру құйма матрицаларын жеңіл литимен легірлеудің ,  сонымен қатар  жеңіл көміртекті талшықтарды қолданудын   нәтижесінде алынады . Бірақ , айтылып кеткендей көміртекті талшықтарды енгізу  онсызда технологиялық емес құймалардың техналогиясын қыиындатады. Магний және оның құймаларының техналогиялық пластикалық қасиеттері  төмен және бос оксидті қабыршақ түзуге бейім болып келеді.   

 Матрицасы магний  болып, бор талшығымен беріктенген  композит (ВКМ маркасы) жақсы беріктік  шегі (860 – 1230МПа), аз тығыздығымен (1960-2200кг/м3) және жоғары серпімділік модулімен ерекшелененді .

        Титан негізді композициялық материялдарды жасау  барысында қыздыру температурасын өте үлкен шамаға көтеру мәселесі пайда болады. Өте жоғары температурада титан матрицасы өте белсенді болады : ол газды сіңіру қасиетіне ие болады , көптеген беріктігін арттырғыштармен әрекеттеседі : бормен , кремний карбидімен, алюминий оксидімен және т.б.  Соның нәтижесінде реакциялы зоналар  қалыптасады және  жеке талшықтардың беріктігі төмендегеннен  кейін композициялық материялдардың да беріктігі төменлейді.   Сонымен қатар , жоғары температура   арматураланған   материалдардың  қайта кристалдануына  әкеліп соғады , бұл  процес өз кезінде оның  арматуралау арқылы  беріктендіру  эффектін азайтады . Сондықтан титан матрицасы негізді материалдардың беріктігін арттыру үшін берилий және керамикалық  ерімейтін оксидтердің , кабиттердің  талшықтары жәнеде серпімділіктің үлкен модуліне ие сонымен қатар жоғары қайта кристалдану температурасына ие болатын ерімейтін металдар   қолданылады . Арматуралаудың негізгі мақсаты  беріктікті  одан   жоғары  ету емес, ал осы материалдың үлкен температурада жұмыс істеу қабілеті мен серпімділігін арттыру болып табылады. Ең тиімді шектік қаттылығы жоғары болатын ол кремний карбиді талшықтарымен  арматуралау .

ВТ6 құймасын молибден сымымен арматуралау оның серпімділік модулінің  800 градус  температураға дейін  сақталуына ықпал етеді. Бұл температураға оның 124 ГПа көлемі сәйкес келеді , яғни ол 33 пайызға төмендейді, сонда үзілуге уақытша қарсыласу  420 МПа-ға дейін төмендейді, яғни 3 есеге жуық шамада.

Никель негізді композициялық  материалдарды жасаудың негзгі мақсаты , оның жұмысқа төзу температурасын  1000 градусқа жеткізу болып табылады.  Сондай металдық беріктеткіштердің бірі , өте жоғары температурада  жаксы беріктік көрсете алатын вольфрам сымы . Хромды никель құймасының құрамына вольфрам сымын 40-70 об.  пайызда енгізу оның  беріктігін 130-250МПа-да  1100  градуста  100 сағатқа дейін қамтамасыз етеді , салыстыра айтсақ дәл осындай жағдайда жұмыс істейтін арматураланбаған никель құймаларының беріктігі  бар болғаны  75 МПа  болады. Ренилі немесе гафнилі вольфрам құймаларының сымдарын арматуралау бұл көрсеткішті 30-50 пайызға котереді.

Композициялық материалдарды көптеген салаларда кеңінен қолданады . соның ішінде ең көп қолданыс авиацияда тапқан, себебі бұл салада аса қатты күш түскен кездегі материалдың жоғары беріктігімен қатар оның салмағының жеңілділігі  ерекше ескеріледі. Ерекше бағаланатын беріктілік және қаттылық сыйпаттамаларына байланысты оларды: көлденең тұрақтандырғыштар мен  ұшақ  қанаттарын, бұранда қалақшалары мен тікұшақ кантейнерлерін, реактивті қозғалтқыштардың жану камераларымен корпустарын жасауға қолданылады.  Композициондық материалдарды ұшатын апараттарда қолдану олардын массасын 30-40 пайызға төмендетті, сонымен қатар олардың  ұшу ұзақтығымен жылдамдығын төмендетпей пайдалы әсерін арттырды.