Способ получения композиционных материалов на основе алюминидов никеля, армированных высокопрочными углеродными волокнами

Способ получения композиционных материалов на основе алюминидов никеля, армированных высокопрочными углеродными волокнами

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 С 22 С 1/09

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ х

- хх

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3545834/02 (22) 24; 01. 83 (46) 30.02.93. Бюл. Р 4 (71) .Институт оптики атмосферы Томс;кого филиала СО AH СССР (72) В.E.Îâ÷àðåíêî-, С.Н.Алешин и В.Ф.Котов (56) Авторское свидетельство СССР

И 607376, кл. В 32 В 15/02, 1978.

Патент США 1". 4060412, 8 22 F 3/00, 1977. (54) (57) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ АЛЮИИНИДОВ НИКЕЛЯ, АРМИРОВАННЫХ ВЫСОКОПРОЧИзобретение относится к производству жаропрочных конструкционных ма-. териалов и может быть использовано для изготовления лопаток газотурбин" ных двигателей, деталей двигателей . внутреннего сгорания и т.д.

Целью изобретения является повышение прочности композиционного материала.

Пример. Смеси из порошков алюминия (марка ПА-4) и никеля. (мар- ка ПНЭ-1) дисперсностью меньше 60 мкм., I взятых в соотношении Nial (75 от.Ъ

Ni + 25 от.Ж Al) и NiAl (50 от.Ф Ni+

+ 50 от.Ф Аl), перемешивали с углеродными волокнами в течение 48 ч. Содержание волокон в смеси 15 об.Ж. Полученные смеси спрессовывали в сталь- .

1 ной цилиндрической пресс-форме диаметром 60 мм при давлении прессования 6 1Оз кг/см2 ло относительной плотности 0,6.

„5U„„1189124 Al

НЫМ1! УГЛЕРОДНЫМ1! ВОЛОКНАМИ, включающий смеоивание исходной шихты, холодное прессование, нагрев заготовки до температуры выше температуры плавления матрицы и горячее прессование, отличающийся тем, что, с целью повышения прочности композиционного материала, смешиванию подвергают шихту, состоящую из порошков алюминия, никеля и углеродных волокон, холодное прессование проводят до пористости 20-501, перед нагревом заготовку разогревают до температуры .

200-600 С, а нагрев осуществляют,путем воспламенения заготовки.

° а. д

Экспериментально установлено, что

Ф х прессование порошковых смесей никеля и алюминия с .углеродными волокнами до пористости менее 203 и более 503 . нецелесообразно. Оптимальной по величине температуры горения является пористость 30-403. 00

Добавление к смеси порошков нике- 0 ля и алюминия углеродных волокон мож- ъ но рассматривать как разбавление ре- р акционной смеси инертным продуктом.. ф

В данном случае это приводит к горению системы в нестационарном режиме.

Следствием последнего является ухудшение качества матрицы композиции

C из-за появления остатков непрореагировавшего материала. Предварительный разогрев заготовки до 200-450 С (при содержании волокон в смеси 15-303) г. позволяет осуществлять синтез алюминида никеля в стационарном режиме с высоким выходом качественного продукта., 1 89124

Полученные заготовки помещали в, стальной реактор, расположенный в основании пресс-формы таким образом, что Реактор является ее пРодолжением.

К заготовке подводили вольфрамовую спираль, пространство между заготовкой и стенками реактора засыпали кварцевым песком.

С целью уменьшения окисления по". 1О рошков в процессе синтеза интерметаллидов реакцию синтеза проводили в атмосфере инертного газа (аргон). Для этого в реактор с помещенной в него заготовкой из реакционной смеси подавали инертный газ при незначительном избыточном давлении. Продувку реактора осуществляли в течение 35 мин.

Воспламенение заготовки проводили 2р подачей напряжения 40- 60 В при токе

25-30 A s течение 2-5 с на вольфрамо" вую спираль. Момент окончания горе" ния заготовки фиксировали с помощью термопары, расположенной на противо- 25 положной стороне заготовки. Автоматическое устройство, подключенное че-; рез электронный потенциометр к тер-. мопаре, включало гидравлический пресс в момент окончания горения заготовки,1п а встроенное в систему управления прессом реле времени позволяло зада-.. вать время прессования с точностью до 0,5 с.

Необходимое для получения компакт- 6 ного продукта усилие прессования зависит от размеров заготовки и колеблется в пределах 5-25 кг/ммз. Время прессования определяется массой ре" акционной смеси (чем меньше образец 40 тем выше скорость его охлаждения, тем меньше время прессования) и составляет 1-10 с. Скорость прессования лимитируется скоростью охлаждения прореагировавшей смеси и должна быть не менее 1 мм/с (чем больше размеры заготовки, тем выше должна быть скорость прессования).

Полученный продукт представляет собой компактный материал на основе интерметаллического соединения, армированного преимущественно ориентированными в плоскости прессования волокнами. Рентгеноструктурный анализ. показал, что состав матрицы соответствует составу шихты (Ni Al или МА!), 55

Структура углеродных волокон в про- . цессе синтеза, алюминидов никеля и их компактирования не изменяется.

Прочность композиционных материалов Ni>A1 + 20 об.Ф углеродных волокон и IJiA1 + 20 об.Ж углеродных волокон (5, кгlмм ), полученных методами протяжки волокон через расплав (Х), спекания смеси порошка матрицы с волокнами (II) и СВ-синтеза алюмиФ ,нида никеля в смеси. порошков чистых металлов с волокном (Ш) приведена в табл. 1.

Предел прочности на растяжение композиционных материалов (Gz,кг/ммз) (15 об.3 углеродного волокна) в зависимости от температуры предварительного нагрева и пористости заготовки из реакционной смеси приведен в табл. 2.

При нагреве реакционной смеси до температуры плавления алюминия (660 С) и выше образование интерме" таллида происходит за счет реакции растворения никеля в алюминии практически одновременно во всем объеме заготовки-. Поэтому образование интерметаллида происходит одновременно во всем объеме заготовки. Этот режим синтеза соединения называют тепловым взрывом. В этом режиме кинетика образования интерметаллида практически не зависит от температуры предварительного йодогрева реакционной смеси и определяется закономерностями вза" имной растворимости в системе алюминий - никель.. Образование интерметаллида в объеме заготовки происходит с очень большой скоростью и не поддается контролю.

Величина предела прочности компо" зиционных материалов заметно зависит от температуры подогрева заготовки из реакционной смеси (увеличивается с повышением температуры) и слабо зависит от пористости в пределах 20"

503. При меньших (153) и больших (553) значениях пористости происходит срыв фронта горения в заготовке из реакционной смеси.

Для увеличения прочности связи. углеродных волокон с интерметаллической матрицей глеродные волокна можно покрывать тонким (около 1 мкм) слоем никеля. Никелевое покрытие наносится на волокна химическим спосо-. бом. В процессе синтеза интерметаллического соединения никелевое покрытие, нагреваясь до температур, Таблица 1

Состав

15 матрицы

II III

И1з Al

NiAl

25

Табли ца 2

Состав матрицы

Предел прочности, кгlмм, при пористости заготовки, 4

Температура нагрева, С

20 30 40 50

49

48

54

0

600

Нь А1

64

61

63

0

600

NiAl о

Таблица 3

Состав матрицы

Температура подогрева заа готовки, С

Пористость заготовки,Ж

6 8

6 8

5 8

6,5 .10

600

Ni>Al

5.

5 11 близких или превышающих температуру плавления никеля, взаимодействуя одновременно с матрицей и волокном, способствует образованию узкой зоны взаимодействия волокон с матрицей, представляющей собой твердый раствор. углерода и алюминия в никеле.

Применение никелевого покрытия на углеродных волокнах позволяет увеличить .прочность композиционного материала на 5-83.

С целью предотвращения порчи во- локон как в процессе изготовления, так и в процессе эксплуатации композиционного материала на углеродные волокна можно наносить защитное покрытие из карбида титана толщиной

0,1-0,6 мкм. Нанесение защитного покрытия способствует увеличению прочности связи волокон с матрицей, уве89124 . 6 личивает термическую стабильность композиционного материала.

900 с

Длительная прочность (6 С) ком1009

5 позиционных материалов, армированных углеродными волокнами, волокнами с никелевым покрытием и волокнами с покрытием их карбида титана, приведе- .

10 на в табл. 3.

Прочность, кг/ммз, при получении методом

Длительная прочность, кг/ммз, волокна покры- с нике- с картия левым бидным покры- покрытием тием

1189124

Длительная прочность кг!мм, волокна

Температура подогрева эаь готовки, С

Состав матрицы

Пористость заготовки Ф с карбидным покрытием с- никелевым покрытием покрытия

Ий. А1

5

6

4.

4

3

3

7

7

6

8

?

5

6

3

600

7. 9

8

40

И1 А1

600

5

4

6

8

Ni Al

5

5

600

NiA1

600

10

8

И1А1

10

600

10

NiA1

9

600 t0

NiA1

7

600 продолжение табл.