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

)5 С 22 С 1/ ЕТЕНИ ПЬСТВУ ВТОРСИОМУ СВИ орошковкеля, (мар-ныне 60 мкм.,(75 от.Ж 0 от.Ж Кд+и с углее 48 ч, Со" ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР(71) .Институт оптики атмосферы Том;кого филиала СО АН СССР(56) Авторское свидетельство СССРк 6 о 7376, кл. В зг В 15/ог, 1978."Патент США Р 4060412,кл. В 22 Р 3/00, 1977,.(54)(57) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ АЛЮИИНИДОВ НИКЕЛЯ, АРМИРОВАННЫХ ВЫСОКОПРО Изобретение относится к производ-. ству 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 ма" териала. П р и м е р, Смеси из иалюминия (марка ПА) и ника ПНЭ) дисперсностью мевзятых в соотношении 01 А 10 + 25 от.Ф А 1) и БдА 1 (5+ 50 от.Ф А 1), перемешивалродными волокнами в теченидержание волокон в смеси 15 об,Ф. Полученные смеси спрессовывали в сталь-,1ной цилиндрической пресс-форме диаметром 60 мм при давлении прессования 6 1 Оз кг/см 2 ло относительнойплотности 0,6,НЫМИ УГЛЕРОДНЫМИ ВОЛОКНАМИ, включающий смеоивание исходной шихты, холодное прессование, нагрев заготовки до температуры выше температуры плавле" ния матрицы и горячее прессование, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения прочности композиционного материала, смешиванию подвер" гают 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.. еа:д Экспериментально установлено, что прессование порошковых смесей никеля й алюминия с углеродными волокнами до пористости менее 203 и более50. нецелесообразно. Оптимальной по величине температуры горения является ь пористость 30-40, 00Добавление к смеси порошков нике ля и алюминия углеродных волокон мож- а но рассматривать как разбавление ре-р акционной смеси инертным продуктом., д В данном случае это приводит к горению системы в нестационарном режиме. Следствием последнего является ухуд- ф шение качества матрицы композиции из-за появления остатков непрореагировавшего материала. Предварительный разогрев заготовки до 200-450 С (при содержании волокон в смеси 15-303)г. позволяет осуществлять синтез алюминиданикеля в стационарном режиме с высоким выходом качественного продукта., 189121Полученные заготовки помещали в,стальной реактор, расположенный восновании пресс-Формы таким образом,что реактор является ее продолжением.К заготовке подводили вольфрамовуюспираль, пространство между заготовкой и стенками реактора засыпаликварцевым песком.С целью уменьшения окисления по". 1 Орошков в процессе синтеза интерметаллидов реакцию синтеза проводили в атмосфере инертного газа (аргон). Дляэтого в реактор с помещенной в негозаготовкой из реакционной смеси подавали инертный газ при незначительном избыточном давлении. Продувкуреактора осуществляли в течение 35 мин,Воспламенение заготовки проводили 2 Оподачей напряжения ч 0-60 В при токе25-30 А в тецение 2-5 с на вольфрамо."вую спираль. Момент окончания горе"ния заготовки фиксировали с помощьютермопары, расположенной на противоположной стороне заготовки. Автоматическое устройство, подключенное че-,рез электронный потенциометр к тер-.мопаре, включало гидравлический прессв момент окончания горения заготовки, ЗОа встроенное в систему управленияпрессом реле времени позволяло зада".вать время прессования с точностьюдо 0,5 с.Необходимое для полуцения компакт- ЭБного продукта усилие прессования за"висит от размеров заготовки и колеблется в пределах 5-25 кг/ммз. Времяпрессования определяется массой ре"акционной смеси (чем меньше образец 4 Отем выше скорость его охлаждения,тем меньше время прессования) и составляет 1-10 с. Скорость прессованиялимитируется скоростью охлажденияпрореагировавшей смеси и должна быть 45не менее 1 мм/с (цем больше размерызаготовки, тем выше должна быть скорость прессования),Полученный продукт представляетсобой компактный материал на основеинтерметаллицеского соединения, армированного преимущественно ориентированными в плоскости прессования волокнами. Рентгеноструктурный анализ.показал, что состав матрицы соответствует составу шихты (1 Я А 1 или МА). 55Структура углеродных волокон в процессе синтеза, алюминидов никеля и ихкомпактирования не изменяется,Прочность композиционных материалов МА 1 + 20 об.ь углеродных волокон и БхА 1 + 20 об,Ж углеродных волокон (6 , кг/мм), полученных методами протяжки волокон через расплав (1), спекания смеси порошка матрицы с волокнами (11) и СВ-синтеза алюми- Ф,нида никеля в смеси. порошков чистых металлов с волокном (111) приведена в табл. 1.Предел прочности на растяжение композиционных материалов (бкг/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 практицески одновременно во всем объеме заготовки. Поэтому образование интерметаллида происходитодновременно во всем объеме заготовки. Этот режим синтеза соединения называют тепловым взрывом. В этом режиме кинетика об" разования 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 заготов" ки из реакционной смеси (увеличивается с повышением температуры) и слабо зависит от пористости в пределах 20" 50. 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 Мглеродные волокна можно покрывать тонким (около 1 мкм) слоем никеля. Никелевое покрытие наносится на волокна химическим спосо-. бом. В процессе синтеза интерметал" лического соединения никелевое покрытие, нагреваясь до температур,Таблица 3 Составматрицы Температура подогрева зааготовки, С Пористость заготовкиВ покры- с никетиялевымпокры- тием с карбиднымпокрытием 6 8 6 8 5 8 6,5 1 О 0200450600 20 01 А 1 55,56 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 5-8. С целью предотвращения порчи во- локон как в процессе изготовления, так и в процессе эксплуатации композиционного материала на углеродные волокна можно наносить защитное по" крытие из карбида титана толщиной 0,1-0,6 мкм. Нанесение защитного покрытия способствует увеличению прочности связи волокон с матрицей, уве 89124 . 6личивает термическую стабильностькомпозиционного материала,чоосДлительная прочность ( 6 С) комооч 5позиционных материалов, армированныхуглеродными волокнами, волокнами сникелевым покрытием и волокнами спокрытием их карбида титана, приведе- .10 на в табл. 3. Прочность, кг/ммз, при получении методом Длительная прочность,кг/ммз, волокна118912 ч Длительная прочность,кг/мм 2, волокна Температура подогрева эаь готовки, С Составматрицы Пористость заготовки 3 с карбиднымпокрытием с. никелевымпокрытием покрытия 200 450 600 7 7 7 8 8 ЙО И 1 А 1 200 450 600 5 5 3 Ц Ц 6 8 8 8 50 200 ч 50 600 20 200 Й 50 600 910 10888 И 1 А 1 20 10 200 450 600 910 1 О6 30 9910 200 450 600 10 ЙО ИхА 1 200Щ6000 7 3 50 200 150 600 5 5 5 6 Ц 5 3 3 7 6 7 7 6 7 8 67 5 5 6 3 продолжение табл. 3