Способ получения изделий из металлических композиционных материалов на основе алюминиевых сплавов, армированных углеродными волокнами

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ, АРМИРОВАННЫХ УГЛЕРОДНЫМИ ВОЛОКНАМИ, включающий сборку заготовки в контейнере, нагрев, прессование и охлаждение заготовки, отличающийся тем, что, с целью повышения прочностных свойств композиционного материала, прессование осуществляют во время охлаждения заготовки от температуры ликвидуса до температуры солидуса алюминиевых сплавов при давлении не менее 300 кгс/см² плитами, нагретыми до температуры солидуса алюминиевых сплавов.

Изобретение относится к технологии получения изделий из металлических композиционных материалов (МКМ) и может быть использовано в области машиностроения.
Известен способ получения изделий из металлических композиционных материалов методом вакуумно-компрессионной пропитки, заключающийся в сборке заготовки (каркаса) из упрочняющих волокон в контейнере, нагреве его и пропитке расплавом алюминиевого сплава под давлением (аналог).
Данный способ не позволяет обеспечить высокие прочностные свойства материала, так как в процессе пропитки углеродные волокна интенсивно взаимодействуют с расплавом алюминиевого сплава, что приводит к деградации углеродных волокон и, как следствие, снижению прочностных свойств композиционного материала.
Известен, принятый за прототип, способ получения металлического композиционного материала алюминий-углерод методом прессования, заключающийся в сборке заготовки из чередующихся слоев матрицы и волокна в контейнере, вакуумировании его и последующем нагреве между обогреваемыми плитами пресса до 600^оС при давлении 140 кгс/см². В момент расплавления матрицы выключали нагрев плит, а давление повышали до 560 кгс/см² и поддерживали его в продолжении всего процесса кристаллизации.
Недостатками данного способа являются низкие прочностные свойства получаемого композиционного материала ( _b 10-50 кгс/мм²), что обусловлено механическим повреждением углеродных волокон в процессе приложения давления при нагреве, а также взаимодействием углеродных волокон с расплавом матрицы, приводящим к их деградации. В процессе приложения давления при нагреве заготовки, когда матричный материал находится в твердом состоянии, в местах контакта хрупких углеродных волокон, которые используются в виде жгутов, развиваются высокие давления, приводящие к их разрушению. Кроме того, в процессе нагрева заготовки в интервале температур от температуры солидуса до 600^оС образующаяся жидкая фаза матричного материала под действием давления пропитывает (частично) углеродные жгуты, что приводит к физико-химическому взаимодействию углеродных волокон с расплавом алюминия и как следствие к их деградации. Помимо вышеизложенного при одновременном прессовании (Р 560 кгс/см²) и охлаждении МКМ плитами, нагретыми до температуры 600^оС, интенсивное взаимодействие углеродных волокон с расплавом алюминия протекает до температуры солидуса матричного материала. Причем чем больше длительность охлаждения МКМ от температуры 600^оС до температуры солидуса, тем больше происходит разупрочнение волокон, а следовательно, тем ниже свойства МКМ. Уменьшать время охлаждения МКМ при больших габаритах изделия из МКМ не представляется возможным из-за массивности плит.
Целью изобретения является повышение прочностных свойств металлического композиционного материала алюминий углерод, получаемого прессованием.
Поставленная цель достигается тем, что в известном способе получения изделий из металлического композиционного материала на основе алюминиевых сплавов, армированных углеродным волокном, включающим сборку заготовки из чередующихся слоев матрицы и волокна в контейнере, нагрев и прессование заготовки, прессование осуществляют во время охлаждения заготовки от температуры ликвидуса до температуры солидуса алюминиевых сплавов при давлении не менее 300 кгс/см² плитами, нагретыми до температуры солидуса алюминиевых сплавов. Применение данного способа позволяет повысить прочностные свойства МКМ за счет уменьшения деградации волокон путем уменьшения времени их взаимодействия с расплавом алюминия в процессе его кристаллизации при прессовании.
П р и м е р. Производили прессование листовой заготовки из углеродной (с) ленты "Кулон" и алюминиевой фольги (ф)АМг2 толщиной 150 мкм, собранной по схеме (ф+с+ф+с+ф+с+ф+с+ф+с+ф). Заготовку размещали в титановом контейнере. Для свободного извлечения МКМ из контейнера с двух сторон заготовку из МКМ прокладывали слюдой. Нагрев заготовки проводили в печи до температуры 640^оС, плиты пресса нагревали до температуры 570^оС. После нагрева заготовку помещали между плитами пресса и охлаждали под действием 300 кгс/см² в течение 2 мин. Величина давления 3000 кгс/см² обеспечивает получение полной пропитываемости материала и отсутствий литейных пор. При меньшем давлении в материале имеет место образование пор. При более высоких давлениях каких-либо изменений в свойствах или структуре материала не обнаружено. МКМ алюминий-углерод, полученный по предлагаемому способу, имеет прочность не растяжение 65-85 кг/мм², прочность на изгиб 75-90 кгс/мм² при объемном содержании углеродных волокон 27% Аналогичный результат получен на сплаве АМг6.
Применение предлагаемого способа получения изделий из МКМ позволяет по сравнению с существующим способом существенно (с 10-50 до 65-85 кгс/мм²) повысить свойства МКМ алюминий углерод за счет уменьшения степени деградации упрочняющих волокон при физико-химическом взаимодействии с расплавом матрицы.
Сущность изобретения: способ включает сборку заготовки в контейнер, нагрев и прессование, осуществляемое во время охлаждения заготовки от температуры ликвидуса до температуры солидуса алюминиевых сплавов при давлении не менее 300 кгс/см² плитами, нагретыми до температуры солидуса алюминиевых сплавов.