Способ изготовления деталей из композиционных материалов с металлической матрицей

Способ изготовления деталей из композиционных материалов с металлической матрицей

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Использование: изобретение может быть использовано для изготовления тонкостенных оболочковых изделий специального назначения. Сущность: способ включает изготовление каркаса детали, преимущественно намоткой, размещение его в вакуумной камере и его пропитку металлом матрицы под давлением, при этом предварительно изготавливают экран из металла матрицы, внутренняя поверхность которого повторяет форму наружной поверхности каркаса, перед размещением каркаса в вакуумной камере экран устанавливают на каркасе без зазора, а пропитку каркаса осу-, ществляют чередующимся прожиганием экрана лучом электронной пушки до образования паров материала на внутренней поверхности экрана и взаимным перемещением в окружном и продольном направлении пушки и каркаса с экраном. 1 ил. с

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)э В 23 К 20/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4774009/27 (22) 26.12,89 (46) 15.02.93. Бюл. М 6 (71) Конструкторское бюро "Южное" (72) Л.Н. Волконский, И.П. Власов и Л.А.

Васильева (56) Портной К.И. и др, Структура и свойства композиционного материала "Машиностроение", 79 r, с. 105-107. (54) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ

ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ С

МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ МАТРИЦЕЙ (57) Использование: изобретение может быть использовано для изготовления тонкостенных оболочковых изделий специального назначения. Сущность: способ включает

Изобретение относится к материаловедению и может быть использовано в машиностроении, ракетно-космической, авиационной, химической промышленности для изготовления тонкостенных оболочковых деталей специального назначения, преимущественно несущих элементов конструкции из композиционных материалов с металлической матрицей, включая металлы с высокой температурой плавления (титан и его сплавы, ниобий, железо, вольфрам и т.д.).

Известен способ изготовления деталей из композиционного материала с металли-. ческой матрицей, включающий изготовление каркаса детали (заготовки детали), установку каркаса детали в заливочную камеру, нагрев до расчетной температуры ме„„Я„)„„1794612 А1 изготовление каркаса детали, преимущественно намоткой, размещение его в вакуумной камере и его пропитку металлом матрицы под давлением, при этом предварительно изготавлйвают экран из металла матрицы, внутренняя поверхность которого повторяет форму наружной поверхности каркаса, перед размещением каркаса в вакуумной камере экран устанавливают на каркасе без зазора, а пропитку каркаса осуществляют чередующимся прожиганием экрана лучом электронной пушки до образования паров материала на внутренней поверхности экрана и взаимным перемещением в окружном и продольном направлении пушки и каркаса с экраном. 1 ил. ааюй талла матрицы с последующей пропиткой каркаса расплавом металла матрицы s инер- О тной атмосфере при нормальном давлении.

Недостатком способа является низкая. эффективность пропитки при нормальном О давлении. В пределах указанного способа эффективность может быть повышена уве- . M личением температуры расплава металла матрицы и, как следствие, улучшением смачиваемости волокон. Однако, высокая температура расплава металла при относительно длительном времени его контактного взаимодействия с материалом каркаса ведет к снижению прочности композиционного материала детали, Так, при использовании в качестве материала каркаса волокон карбида кремния, а матрицы-алюминий хорошая смачиваемость до3 1794612 4 стигается при 1050 С, при этом прочйость твллом матрицы под давлением предварикомпозиционного материала снижается бо- тельно изготавливают экран из металла матлее чем на 30 .:.," .;... рицы, внутренняя поверхность которого

Наиболее-близкимпотехническойсущно- повторяет форму наружной поверхности стикпредлагаемомуявляетсяспособизготов- 5 каркаса, перед размещением каркаса в asления деталей из композиционных куумной камере экран устанавливают на материалов с металлйческой матрицей осно- каркасе без зазора, а пропитку каркаса осу- . ванном на изготовлении каркаса детали (ваго- ществляют чередующимся прожиганием эк- . товки детали) установку каркаса и вакуумную рана лучом электронной пушки до: камеру, вакуумирование камеры пропитки, на- " 0 образования паров металла на внутренней грев материала каркаса и матрицы до расчет- поверхности экрана и взаимным перемещеной температуры с последующей пропиткой нием в окружном и продольном направлекаркаса расплавом металла матрицы поддав- нии пушки и каркаса с:экраном. лением(иохлаждениемдетали). Это позволяет вести процесс пропитки

Указанный способ улучшает пропитку 15 каркаса детали с обеспечением одноврекаркаса при одной и той же температуре менно высокой температуры расплава матрасплава матрицы, эа счет протекания его рицы под высоким (более 1 кгс/см ) под давлением; в результате чего улучшает- давлением и кратковременности процесса ся смачиваемость волокон. пропитки, что позволяет повысить качество

Однако он не исключает длительность 20 деталей и расширить технологические воз,процесса пройитки, т.е. второй основной можности способа. параметр пропитки. В то же время, исполь- . Таким образом, предложенный способ зование, приведенные ма стр. 110, то же характеризуется следующими отличительисточника, показали, что коэффициент эф- ными (от прототипа) существующими прифективности алюминиевой матрицы, оцени- 25 знаками. вающий вклад матрицы в повышение Предварительное изготовление экрана прочности композиционного материала при иэ металла матрицй, внутренняя поверхувеличении временй контакта волокон кар- ность которого повторяет форму наружной каса с расплавом металла матрицы с 2 до поверхности каркаса.

8-10 мин уменьшается в 2 раза. Эффектив- 30 Перед размещением каркаса в вакуумность пропитки согласно указанного спосо- ной камере экран устанавливают на каркасе ба еще больше снижается для матриц из без зазора. металлов с высокой 1300- 3400 С темпера- Пропитка каркаса осуществляется черетурой плавления (железо, титан и его спла- дующимся прожиганием экрана лучом элеквы, вольфрам). Временной фактор при 35 тронной пушки до образования паров изготовлении композиционных материалов металла на внутренней поверхности экрана. с указанными матрицами является опреде- Взаимное перемещение в окружном и лающим, т.к. длительное воздействие высо- продольном направлении пушки и каркаса с ких температур ведет к химическим экраном, взаимодействиям материалов каркаса и 40 На чертеже схематично показана устаматрицы и, как следсгвие, к существенному новка для изготовления детали из композиснижению механических характеристик ционного материала с металлической композиционного материала, Это ограничи- матрицей, вает. функциональные возможности указан- Она состоит из вакуумной камеры 1, усного способа изготовления деталей из 45 тановленной накарусельномстоле2в камекомпозиционных материалов, преимущест- ре 1 оправки 3, электронно-лучевой пушки . венно с матрицами из металлов с относи- 4, механизма 5 перемещения электроннотельно низкими температурами плавления лучевой пушки 4 вдоль оправки 3. вакуум— из меди, алюминия, ного насоса 6, соединенного с,вакуумной

Цельюизобретенияявляетсяповышение 50 камерой 1. источника питания Y системы качества деталей из композиционных мате- управления 8. На оправку 3 устанавливают риалов с металлической матрицей за счат ис- каркас 9 детали и на него устанавливают без пользования в. качестве матрицы металла с зазора - экран 10 иэ металла матрицы, . более высокой температурой плавления. Сущность предложенного способа изгоЭто достигается тем. что в способе из- 55 товления деталей из композиционных матеготовления деталей иэ композйционных ма- риалов с металлической матрицей териалов с металлической матрицей. заключается в следующем. Включающем йзготовление каркаса детали, . Предварительно изготавливают каркас . преимущественно намоткой, размещение 9 детали методом намотки волокна на onего в вакуумной камере и его пропитку ме- равку 3, выполненную по форме детали, и

1794612

5 6 экран 10 из металла матрицы, внутренняя воздействие на экран 10 электронно-лучеповерхность которого повторяет форму на- вой пувки 4, а после завершения полного ружной поверхности каркаса 9. Перед раз- поворота оправки 3 вокруг. оси карусельного мещением каркаса 9 в вакуумной камере 1.: стола 2 осуществляют с помощью механизэкран 10 устанавливают на каркасе 9 без 5 ма5перемещвнияпушки4вдольосиоправзазора, Затем оправку 3 с каркасом 9 и . ки 3. с повторением чередующегося:экраном 10 устанавливают в вакуумную ка-:: воздействия пушки на экран и разворот оп-: . меру 1 на карусельный стол 2. С помощью рэвки3вокружномнаправлениидо полного: насоса 6 взкуумируют камеру 1, Подают от заполнения каркаСа 9 детали расплавом ме- . системы управления 8 команду на включе- 10 талла матрйцы; Программа относительного ние электронно-лучевой пушки 4 с длитель- перемещения оправки 3 и электронно-лученостью импульса, равного длительности: Вой пушки 4 может осуществляться и по проплава металла:экрана 10.:,: более сложной траектории, определяемой

Пропитку каркаса 9 осуществляю ччереду- системой управления 8. ющимся прожйгзниемэкрана10лучом злект- 15 Предложенный способ был опробован ронной пушки4дообразованияпаровметаллэ для изготовления образцов в 2-х вариантах: нз внутренней поверхности экрана 10.: 1-каркас из углеродной ткани типа "кенПри этом образуются пары металле эк- тавр" толщиной3 we, экран из алюминиево. рана 10(матрицы), обладающие направлен-:; го сплава AMr 6 толщиной 1.5 мм, ной кинетической энергией - реактивной 20 .. It-кэркасизуглероднойтканитипа "кенсилой, на несколько порядков превосходя-. тавр". толщиной 3 мм, экран из титанового щей давление. окззываемое электронами сплава Br-4толщиной1,5мм. на металл экрана. Температура паров ме- — .. Образцы йомещэлись в камеру элеюталла экрана 10 имеет величину большую ронно-лучевой установки УЛ-110 разработвеличины температурй йлавления металла 25 ки ИЭС им. Е.О. Патона AH УССР. Для и не зависит от вида металла. пропитки использовалась электронно-лучеПри взаимодействии паров металла с на- вая nyuwa У530М и источник питания У250А. ружной поверхностью каркаса 9 происходит Проплав экрайа осуществлялся при ускоинтенсивное смачивание и пропитка матери-. ренном направлении 30 «ВТ и величине тоала каркаса детали, обусловленные высокой 30 ка луча 450 MA. Фокусировка луча темйературой и высоким давлением паров обеспечивалэ мощность в пятне нагрева неметалла. При этом длительность взаимодей- менее 10 Вт/см . Длительность импульса ствияоченьмалаисоставляетнеболеесотых .. составила О,бу. Давление вакуумирования долей секунды. Локальный характер впрыска::. камеры 5 10 мм.рт.ст. металла матрицы способствует интенсивной 35, Полученные образцы имели йлотность: .-: теплопередаче от рэсйлавэ металла матрицы .. углеалюминий — 2,1 г/см, углетитан — 3;6 з в тело каркаса, Manas длительностьмроцессэ г/смз в сравнении с oáðýçöçìè; полученными пропитки и интенсивное остываниФрасплавэ: способом описанном в прототипе: углеалюметалла в каркасе деталй существенно .миний — 1.9 г/сиз, углетитан-изготовитель уменьшают протекание химических реакций 40 образец не представлялось возможйым. между материалом матрицы и каркаса, что . : В предлагаемом способе длительность способствует достиженйю более высокйх,; процесса пфопитки в 10 -10 раз выше по механических характеристик комйозициом-. сравнению с прототипом. ного материала детали.

Совокупность основных параметров 45 Проведенный микроструктурный анапредложенного способа высокая,.нелими- . лиз подтвердив более высокое качество тированная по величине температура рас- пропитки обоих образцов предлагаемый плаза металла матрицы, высокое давление — способом засчет проведения процесса про- - пропитки. кратковременность воздействия витки с обеспечением высокой температуры и интенсивность охлаждения позволяют 50 расплава металла матрицы йод высоким применять.в качестве матрицы металлы с - давлейием и кратковременности процесса высокой температурой плавления (титан. и . " пропитки. Предлагаемый способ также поего сплавы, железо, никель. вольфрам и:.зволяетиспользовать вкачестве материала . т.д.), что недостйжимо при использовании матрицы металла с высокой температурой известных способов иэготовленйя деталей 55 плавления, что не представляется воэможиэ композиционных материалов с металли- ным в прототипе. Механические характери-., ческой мзтрицей..: . cTMKN комйозиционного материала, В дальнейшем осуществляют чередую- получаемого предлагаемым способом. в щийся поворот карусельного стола 2 с on- . 1,2-1,5 раз выше по сравнению с прототирзвкой 3 в окружном нзпрввленйи и пом.

1794612

Формула изобретения

Составитель Л.Волконский

Техред М.Моргентэл Корректор О.Кравцова

Редактор Т,Иванова

Заказ 390 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Способ изготовления деталей из композиционных материалов с металлической мэтрицей, включающий изготовление каркаса детали, преимущественно намоткой, размещение его в вакуумной камере и нанесение на него металла матрицы,о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения качества деталей за счет использования в .качестве матрицы металла с более высокой температурой плавления, предварительно изготавливают экран из металла матрицы, внутренняя поверхность которого повторяет форму наружной поверхности каркаса, перед размещением каркаса в вакуумной камере экран устанавливают на каркасе без зазора, а нанесение металла матрицы осуществляют чередующимся I прожигзйием . экрана лучом электронной пушки до образования паров металла на внутренней поверхности экрана и взаимным перемещением в окружном и продольном направлениях пушки и каркаса с экраном.