Прочность никелевых композиций

Предполагается использование композиционных материалов на никелевой основе для длительной работы при температурах выше 1000° С. Однако разработка таких материалов затруднена из-за отсутствия упрочнителей, которые могли бы без потери прочности длительно работать в контакте с никелевой матрицей. Из металлических упрочнителей с точки зрения совместимости с никелевой матрицей лучшей пока остается вольфрамовая проволока, обеспечиваюш,ая довольно высокие значения длительной прочности в композиционных материалах на основе никелевых сплавов. Характеристики прочности и длительной прочности некоторых композиций приведены в табл. 18—22 и 61. Из таблиц видно, что введение вольфрамовой проволоки в количестве 40— 70 об. % позволяет получить материал с длительной (100-часовой) прочностью при 1100° С, равной 13—25 кгс/мм . Основными недостатками этих материалов является высокая плотность и необходимость защиты от окисления при высоких температурах. В этой же таблице приведены свойства композиции никель—углеродное волокно. Композиция привлекательна своей невысокой плотностью. Однако прочность ее невелика, и композиция не может работать длительно при температурах выше 1000° С из-за взаимодействия волокна с матрицей. [c.217]

Параллельно шло развитие систем на никелевой основе, очень важных, многоцелевых и в настоящее время наиболее употребительных сплавов, упрочняемых выделениями у -фазы в у-матрице. При этом пришлось разработать технологию с применением вакуумной металлургии, чтобы путем регулирования концентрации примесей можно было обеспечить достаточную прочность "высоколегированным" композициям. Затем еще больших концентраций легирующих элементов как средства дальнейшего повышения запасов прочности и температуры достигли созданием особых способов переплава, из которых вакуумно-дуговой переплав не является самым выдающимся. [c.12]

Композиционные материалы, кроме повышенной вязкости разрушения, отличаются высоким сопротивлением усталостному разрушению. Предел выносливости сталей, алюминиевых и титановых сплавов составляет 0,3—0,5 от предела прочности, тогда как это отношение для композиционных материалов на основе алюминиевых и титановых сплавов и для никелевых эвтектических композиций составляет 0,6—0,75. [c.26]

Другим возможным путем предотвращения взаимодействия является создание барьерных слоев, т. е. покрытий на волокна. В качестве такого барьерного покрытия, обладающего химической инертностью по отношению к никелевой матрице, было использовано покрытие толщиной 5—6 мкм из нитрида титана, которое наносилось на вольфрамовые волокна путем восстановления тетрахлорида титана водородом в присутствии азота [7 ]. Эффективность покрытия нитридом титана вольфрамовых волокон проверяли на образцах композиционного материала, состоящего из матричного никелевого сплава, армированного вольфрамовыми волокнами с тонким слоем покрытия нитридом титана. После отжига образцов при температурах 1100—1200° С с выдержкой 1, 10 и 100 ч из композиций вытравливалась вольфрамовая проволока путем растворения матрицы. Предел прочности извлеченных волокон с покрытиями оказался выше предела прочности таких же волокон без покрытия. Это объясняется тем, что волокна без покрытия при изготовлении композиций, растворяясь в матрице при нагреве, уменьшают эффективный диаметр. Кроме того, покрытия залечивают некоторые поверхностные дефекты волокон. [c.31]

В композициях на основе титана и его сплавов, армированных волокнами бора, карбида кремния, двуокиси алюминия, отсутствует проблема физической совместимости, так как коэффициенты линейного расширения титана (ат1 = 8,4-10 °С ) и указанных волокон (ад = 6,3-С ) различаются несущественно с точки зрения внутренних остаточных напряжений. Однако химическая несовместимость компонентов является главной причиной, по которой в настоящее время отсутствуют высокопрочные титановые композиции, способные конкурировать с обычными титановыми или никелевыми сплавами даже по удельной прочности. [c.76]

Методика и аппаратура для получения никелевого композиционного материала, содержащего нитевидные кристаллы карбида кремния, описаны в работе [224 I. Отмечено, что большая степень реализации прочности нитевидных кристаллов в композиции может быть достигнута только при достаточной ориентации кристаллов в материале в заданном направлении. Получены образцы композиционных материалов, содержащих около 10 об. % кристаллов карбида кремния, достаточно хорошо ориентированных в одном направлении. Материал имел очень высокие прочностные свойства предел прочности при растяжении — 227 кгс/мм , модуль упругости 31 200 кгс/мм . Эти результаты дают основание полагать, что метод электроосаждения является одним из наиболее перспективных, позволяющих реализовать уникальные свойства нитевидных кристаллов в металлических композиционных материалах. [c.180]

При применении в качестве припоя многокомпонентных композиций, например при пайке титанового сплава 0Т4 (ГОСТ 19807—74 ), наибольшая прочность наблюдается при толщине медного слоя 8 мкм, а никелевого [c.41]

Разрушение композиции происходит по достижении волокнами (в результате фрагментации) критической длины. Легирование никелевой матрицы (например, Си, А1 и другими элементами) повышает ее прочность вследствие образования твердого раствора и выделения из него при охлаждении дисперсных частиц. [c.312]

Два вида композиционных материалов, разработанных для использования при высоких температурах жаропрочные эвтектические сплавы, полученные методом направленной кристаллизации, и никелевые сплавы, упрочненные волокнами окиси алюминия, — были рассмотрены в предыдущих главах. Жаропрочные композиции на основе тугоплавких сплавов, упрочненных проволокой, имеют некоторые преимущества перед указанными мате-рилами, что делает их более пригодными для ряда областей применения. Композиционные материалы, упрочненные высокопрочными неметаллическими волокнами, например окисью алюминия или углеродом, потенциально обеспечивают более высокие значения удельной прочности по сравнению с материалами, упрочненными проволокой из тугоплавких сплавов. Однако изготовление таких композиций встречает серьезные трудности. [c.238]

Данных о прочности никелевых сплавов, упрочненных сапфировым волокном, имеется немного вследствие трудностей, связанных с изготовлением композиций, подходяш их для 1 спользования в качестве образцов для испытания. Большинство результатов получено при испытаниях на растяжение небольших образцов. Теоретические свойства в этих исследованиях обычно рассчитывались по правилу смеси, используемому для большинства композиционных систем. Однако для системы Ni—AljOg рассчитанная прочность достигалась редко. В настояш ей главе представлены имеюш,иеся в наличии данные по композициям на основе никелевых сплавов, упрочненных сапфировыми нитевидными кристаллами, пламенно-полированными сапфировыми волокнами и рубиновыми стержнями, а также сапфировыми волокнами Тайко. [c.212]

Вычисленные по правилу смеси значения удельной прочности композиционного материала с никелевой матрицей, армированной 40, 50 и 60об.% углеродных волокон Торнел-50, приведены па рис. 43. Теоретическая удельная прочность этих композиций ири 900° С составляет 15—30 км, т. е. примерно в 5 раз превышает значение этой характеристики для традиционных жаропрочных никелевых сплавов. [c.394]

Система алюминий — углеродное волокно. По данным [90] алюминий практически не растворим в углероде, а растворимость углерода в алюминии не превышает 0,05% по массе при 1300— 1500° С. Главной реакцией, определяющей взаимодействие углеродного волокна с алюминием, является реакция образования карбида AI4 3. Обычно алюминиевые композиции, армированные углеродными волокнами, получают методами пропитки расплавом [169, 211]. Углеродные волокна не смачиваются расплавами на основе алюминия до 1100° С. При этой температуре волокна растворяются в расплаве на 40—60% своего объема и полностью теряют прочность. Количество карбидной фазы в материале, полученном при температуре самопроизвольного смачивания, настолько велико, что при последующем хранении образцов в течение нескольких дней они самопроизвольно разрушаются в результате выделения ацетилена при реакции карбида с влагой. Если пропитываются волокна с никелевым или медным покрытием, то последнее интенсивно растворяется в расплаве, и волокна разунроч-няются после контакта с расплавом в течение 2—5 мин на 40— 50% исходной прочности. Подобное же явление отмечено в работе [128], авторы которой обеспечивали смачивание путем химической обработки поверхности углеродных волокон. [c.85]

Известно, что механические свойства волокон с никелевым покрытием ухудшаются после термической обработки [147]., В связи с этим возникла необходимость нанесения на волокно адщитного покрытия, служащего диффузионным барьером и по-шшающего. прочность композиции. В качестве такого покрытия могут быть использованы карбиды (например, карбид кремния), которые почти не взаимодействуют с никелем, хромом, алюминием, медью и др. Покрытие из карбида кремния получили осаждением из газовой фазы при температуре 1200—1600° С и пониженном давлении по следующей схеме [c.210]

Материалы на никелевой основе армируют проволокой тугоплавких металлов и сплавов на основе вольфрама и молибдена, волокнами углерода и Si . Один из способов получения на основе никельхромо-вых сплавов композиций, армированных усами оксида алюминия, включает экструдирование пластифицированной смеси с последующим спеканием. Армированный никель изготовляют с применением электролитического нанесения покрытий на волокна карбида кремния или бора. Есть композиции на никелевой основе, армированные однонаправленными вольфрамовыми проволоками и сетками из них. Пакет, набранный из чередующихся слоев тонкой никелевой фольги и армирующей проволоки, подвергают горячему динамическому прессованию, способствующему приданию получаемому композиционному материалу повышенной механической прочности. Можно применить инфильтрацию каркаса из соответствующего волокна расплавом никеля. [c.185]

В работах [13, 14, 120, 236] изучено изменение структуры и свойств жаропрочных композиций при нагревах до высоких температур. Авторы отмечают, что предел прочности композиций с вольфрамовыми и молибденовыми волокнами и основой из никелевых сплавов удовлетворительно описывается уравнением [631. Длительная прочность композиции при температурах, лежащих ниже 800—900° С, повышается с упрочнением основы путем ее легирования. При более высоких нагревах это различие сглаживается. Выше 900° С, например, композиции с основой из сплавов ХН67ВМТЮ и ХН70Ю имели близкие значения длительной прочности [1201. Во время испытания на длительную прочность или при предварительном отжиге структура элементов композиции меняется, что сказывается на механических свойствах композиционных материалов. Причиной структурной нестабильности композиций является развитие диффузионных процессов. [c.186]

Сапфирные волокна в форме нитевидных кристаллов, индивидуально изготовленных стержней и непрерывных волокон применялись для армирования никелевых матриц в течение последних десяти лет с различной степенью успеха в достин ении упрочнения. В данной главе эти работы рассмотрены одновременно с изложением ситуации на сегодняшний день, а также дана оценка перспективности системы. Основные выводы, которые вытекают из этих работ, приведены ниже. Непрерывные волокна большого диаметра суш,ественно облегчают изготовление композиций и обеспечивают большую эффективность упрочнения, чем это воз-моншо с дискретными нитевидными кристаллами, несмотря на более высокую прочность последних. Поверхность упрочнителя деградирует в результате химического взаимодействия с матрицей при высокой температуре и должна быть защищена покрытиями, обеспечивающими сохранение прочности, а следовательно, и эффективность упрочнения. Большая разница в температурных коэффициентах линейного расширения волокна и матрицы вызывает разрушение связи на границе раздела в процессе термо-циклирования в предельных случаях результатом такого механического взаимодействия может быть разрушение волокон. Сапфир подвергается пластической деформации именно при тех температурах, при которых требуется упрочнение матрицы на никелевой основе это снижает степень упрочнения, которую могут обеспечить волокна. При высоком наполнении волокнами, необходимом для обеспечения прочности, превосходящей прочность суперсплавов, изготовление композиции сложно. Другие характеристики системы, такие, как сопротивление удару, снижаются по сравнению с потенциальными возможностями композиционной системы. Кроме того, стоимость сапфировых волокон, пригодных для упрочнения, остается высокой, что препятствует в большинстве случаев их применению, несмотря на значительный прогресс достигнутый недавно в производстве непрерывных волокон. [c.168]

Лучшие свойства, достигнутые на композиционной системе Ni — AlgOg, не были очень высокими максимальная прочность при комнатной температуре составляла около 1170 МН/м (119 кгс/ммЗ), прочность при 1000° С 621 МН/м (63 кгс/мм ) прочность измерена на очень маленьких образцах, изготовленных ручной укладкой индивидуальных нитевидных кристаллов [7]. Насколько известно авторам, суш,ественного упрочнения при температурах выше 1000° С в композиционном материале никель или никелевый сплав — нитевидные кристаллы а — AlgOs на образцах диаметром выше 2,5 мм до сих пор не получено. Основными препятствиями в изготовлении композиций с использованием нитевидных кристаллов остаются разрушение кристаллов, падение прочности из-за взаимодействия с матрицей, трудности в создании ориентации нитевидных кристаллов и достижении достаточного объемного наполнения, нестабильность покрытий на кристаллах, слабая связь между волокнами и матрицей и в результате неудовлетворительная передача нагрузки от матрицы к упрочнителю. [c.171]

Другой способ изготовления композиции нихром — AlgOg (в котором также использованы волокна Тайко) предложен Бренном 13]. По этому способу совместной намоткой (или ручной укладкой) чередующихся рядов сапфировых волокон и нихромовой проволоки изготовляли заготовки в виде монослойной ленты. Далее заготовки помещали на нихромовую или никелевую фольгу и приклеивали к ней с помощью органики (например, полистирола). Ленту разрезали по размеру, закладывали в пресс-форму и прессовали при 1250° С и давлении 41,4 МН/м в течение 1 ч. После 85-часовой выдержки при 1200° G результаты взаимодействия почти не проявлялись это наблюдение совпадает с результатами, отмеченными Механом [20, 21]. Прочность композиции невысокая (434 МН/м или 45 кгс/мм при 30% наполнения) к сожалению, химического выделения волокон для оценки их состояния после прессования проведено не было. Ранее при испытаниях на растяжение акустическим методом зафиксированы раз- [c.208]

Материал с никелевым порошком в качестве матрицы прессовали для получения композиций с 20 об. % волокон при 1200° С, давлении 21 МН/м в течение 30 мин в вакууме. Для этого метода изготовления характерно поперечное разрушение волокон, хотя суш ественного взаимодействия между матрицей и волокном не наблюдалось. При использовании волокон с никелевым покрытием плотные композиции получали только в случае прессования при 1220° G и давлении 31 МН/м (3,1 кгс/мм ) в течение тех те 30 мин. Поскольку толш,ина покрытия была равна диаметру волокна (0,25 мм), это снижало объемную долю наполнителя до 11—15%. Разрушения волокна не наблюдалось. Взаимодействия между волокном и матрицей обнаружено также не было (измерением прочности извлеченных волокон), хотя, как отмечалось выше, при использовавшихся условиях неизбежно взаимодействие между никелем и сапфиром (в композициях, приготовленных при 1300° С, на поверхности раздела между матрицей и волокном образовывалась шпинель NiAlgOJ. В случае комбинированной матрицы (порошка никеля и волокон с никелевылк покрытием) разрушение волокон при аналогичных условиях прессования происходило реже. В наилучшем варианте длина 90% волокон оставалась выше критической, достаточной для упрочнения никеля как при 20° С, так и при 1100° С. [c.210]

Рис. 33. Зависимость удельной прочности от температуры испытания для композиции с одним (О), тремя (п) и шестью ( ) пламенно-полированными волокнами а-AlgOg в электролитически осажденной никелевой матрице (все образцы длинои 13 мм). Приведены также данные для вольфрамовой (0) и никелевой ) проволоки в электролитически осажденном никеле. Штриховая линия — верхняя граница значений для промышленных сплавов на никелевой основе [33] fe-j

Кэло и Мур [26] определяли прочность при растяжении композиций, изготовленных горячим прессованием непрерывных волокон в никелевых матрицах. В связи с плохим уплотнением композиций с 20 об.% волокон в матрице из карбонильного никеля прочность при комнатной температуре составила лишь 182 МН/м (18 кгс/мм ). г [c.224]

При пониженном содеря ании волокна (11 —15 об.%) уплотнение облегчалось и прочность на растяжение при комнатной температуре увеличивалась до 287 МН/м (29 кгс/мм ). Мягкая матрица из карбонильного никеля позволяла избегать разрушения волокон в процессе изготовления, однако прочность их после извлечения была 1540 МН/м (157 кгс/мм ), что является типичным значением для волокна, ухудшенного взаимодействием с матрицей (см. табл. 3). Значительное разрушение волокон имело место при изготовлении композиции в аналогичных условиях, но с использованием в качестве матрицы никелевого порошка. Зафиксированное значение предела п1)очности при комнатной температуре [c.224]

При высоких температурах непокрытые сапфировые волокна взаимодействуют с матрицами на никелевой основе. В результате при комнатной температуре прочность волокна составляет лишь около 1500 МН/м (153 кгс/мм ), т. е. около 700 МН/м (71 кгс/мм ) при 1000° С. Было высказано предположение, что указанный уровень прочности достаточен для армирования, усилия по сохранению первоначальной прочности волокна не оправданы. Очевидно, однако, что для достижения той же прочности композиционного материала потребовалось бы ослабленных волокон больше по объемному наполнению (почти вдвое), чем волокон с защищенной поверхностью. Подробно рассмотренное в разделе П1 максимальное, практически достижимое в процессе изготовления композиций с матрицами па никелевой основе объемное наполнение волокон составляет около 25%. Даже при этом уровне наполнения композиция может быть перегружена хрупкой фазой, что приводит к невысокому сопротивлению удару. Расчеты по правилу смеси показывают, что с 25%-ным наполнением ослабленными волокнами прочностные свойства при растяжении не позволяют этой композиции конкурировать с обычными суперсплавами. В результате продолжающихся усовершенствований в разработке суперсплавов становится очевидным, что даже при исполь-аовании высокопрочных волокон с защищенной поверхностью армированным композициям будет трудно конкурировать (по прочности или даже по удельной прочности при наполнении волокнами менее 40 об.%) с постоянно совершенствующимися сплавами для деталей газотурбинных двигателей. [c.233]

Взаимодействие на поверхности раздела матрицы с волокном оказывает также влияние на сопротивление удару композиционных материалов. Уинз и Петрасек [28] рассмотрели данные по сопротивлению удару композиций на основе металлической матрицы, упрочненной волокнами вольфрама. Были исследованы матрицы трех видов медь, медь —10% Ni и никелевый жаропрочный сплав. Изменение вида матрицы позволило сравнить влияние различных факторов на сопротивление удару композиции при испытаниях на маятниковом копре. Медь представляла пластичную нереакционноспособную матрицу, а жаропрочный сплав — хрупкую реакционноспособную матрицу. Сопротивление удару композиций, в которых наблюдали взаимодействие с волокном, было ниже сопротивления удару композиций, в которых данное взаимодействие отсутствовало. Кроме того, сопротивление удару уменьшалось с увеличением глубины зоны взаимодействия. Хрупкий слой рекристаллизованного вольфрама действует на снижение сопротивления удару таким же образом, как было показано ранее для предела прочности. [c.250]

В работе [52] исследовали процесс получения углеалюминиевого композиционного материала, заключающийся в предварительном нанесении на углеродные волокна Торнел-50 электролитического никелевого покрытия, укладке покрытых волокон на фольгу из алюминиевого сплава 1100, закреплении их на фольге органическим клеем, выгорающим при последующих операциях, сборке многослойного пакета и диффузионном прессовании при 540° С. Образцы композиционного материала содержали около 8об.% армирующих волокон, что приблизительно равно критическому содержанию, а их прочность составила около 160 МН/м (16,3 кгс/мм ), т. е. была значительно выше прочности матричного алюминиевого сплава. В работе отмечается, что возмояшость использования подобного технологического процесса для получения композиций с более высоким содержанием армирующих волокон является сомнительной и, следовательно, отрицается перспективность метода диффузионной сварки для получения углеметаллических композиционных материалов. [c.368]

Установлено, что величины плотности материала, модуля упругости при растяжении и модуля сдвига достигают максимальных значений при температуре, времени и давлении прессования, близких к верхним предельным значениям интервала варьирования, однако максимальная прочность композиции наблюдается лишь при низком давлении прессования (около 140 кгс/см ). Прессование при сравнительно низком давлении в сочетании с хорошей ориентацией волокон в пресс-форме и достаточной равномерностью никелевого покрытия позволило свести к минимуму механическое повреждение волокон и получить композиционный материал с пределом прочности при растяжении 800 МН/м (81,5 кгс/мм ) и модулем упругости 240 ГН/м (24 500 кгс/мм ) при содер кании углеродных волокон Торнел-50 около 50об.%. Для композиции с армирующими волокнами Торпел-75 предел прочности при растяжении и модуль упругости составили 830 МН/м (84,6 кгс/мм ) и 310 ГН/м (31 700 кгс/мм ) соответственно. Значения удельной прочности и удельного модуля материала 15 км и 6000 км. [c.395]

Дальнейшее усовершенствование процесса электроосаждения никеля и подбор оптимального состава электролита позволило получить никелевые покрытия, не содержащие фосфора. Методом изостатического прессования этих волокон были получены образцы композиционного материала с плотностью, составляющей 98% от теоретической. Результаты испытаний композиций с 50об.% углеродных волокон приведены на рис. 43. Прочность композиционного материала оказалась несколько ниже расчетной, причем расхождение теоретических и экспериментальных данных увеличивается при возрастании температуры испытаний. Главной причиной недостаточно высоких прочностных характеристик полученного материала авторы считают разупрочнение углеродных волокон при формировании композиции, к этому следует добавить, что снижение механических свойств может быть также вследствие недостаточной прочности связи на границе матрицы и волокон. При исследовании взаимодействия никелевой матрицы с углеродным волокном при температуре 980° С (предполагаемой температуре использования материала) и жаростойкости композиции установлено, что последняя для композиционного материала определяется скоростью окисления углеродных волокон с образованием моноокиси углерода в результате массовой диффузии кислорода через слой матричного металла, а также вследствие окисления волокон по длине при выходе торцов волокон на поверхность исследуемого образца. Было показано, что при достаточно высоких температурах и длительных выдержках углеродные волокна полностью выгорают, оставляя открытые поры в матричном металле. [c.398]

Последующие исследования композиции на основе никелевой матрицы были направлены на изучение механических свойств и характера разрушения композиционного материала [13], контролируемого методами оптической и электронной сканирующей микроскопии. Компактные образцы материала в этой работе также получали горячим прессованием углеродных волокон с предварительно нанесенным электролитическим никелевым покрытием (использовали углеродный жгут фирмы Курто с числом элементарных филаментов около 10 ООО). Чрезвычайно низкие значения механических характеристик полученного композиционного материала авторы объясняют малой прочностью связи матрицы и волокна, охрупчиванием матрицы и разупрочнением углеродных волокон в процессе формирования композиции. Как и в предшествующей работе, отмечается, что композиционный материал никель — углеродное волокно обладает чрезвычайно низкой стойкостью в окислительных средах при 600° С волокна полностью выгорали за 5 ч. Скорость окисления волокон в композиции значительно выше, чем волокон, взятых отдельно. Это явление объясняется, по всей вероятности, тем, что кислород диффундирует через никелевую матрицу в атомарном состоянии, т. е. в наиболее активной форме. [c.399]

В целом следует отметить, что метод элех тролитического осаждения никеля -и никелевых сплавов на углеродные волокна обеспечивает формирование плотного покрытия, однородного по толщине по всему сечению жгута. Однако различные дефекты (пористость, разупрочнение й механическое разрушение волокон, формирование недостаточной прочности связи на межфазной границе и т. п.), образующиеся при получении компактного материала, не позволяют реализовать высокую исходную прочность углеродных волокон и получить материал с теоретической прочностью. Верхний предел рабочей температуры композиции никель — углеродное волокно ограничен наличием интенсивного взаимодействия в системе, приводящего к рекристаллизации и разупрочнению армирующих волокон, и низким сопротивлением материала окислению, протекающему весьма интенсивно из-за разложения молекулярного 1 ислорода на атомарный при диффузии его через никелевую матрицу. Возможно, что использование более жаростойких никелевых сплавов, специальная поверхностная обработка волокон и разработка методов формирования компактного композиционного, материала прессованием через жидкую фазу позволит преодолеть все эти трудности. [c.400]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...