Способ изготовления деталей из композиционных материалов с металлической матрицей

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 179461 3)5 В 23 К 20/О ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНВЕДОМСТВО СССР(54) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ СМЕТАЛЛИЧЕСКОЙ МАТРИЦЕЙ(57) Использование: изобретение можетбыть 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 меизготовление 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. талла матрицы с последующей пропиткой каркаса расплавом металла матрицы в инер- р твой атмосфере при нормальном давлении,Недостатком способа является низкая. эффективность пропитки при нормальном О давлении, В пределах указанного Способа эффективность может быть повышена уве- . ЬЭ 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 до 3 1794612 4стигается 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 которогоНаиболее-близкимпотехническойсущно- повторяет форму наружной поверхностистикпредлагаемомуявляетсяспособизготов каркаса, перед размещением каркаса в валения деталей из композиционных куумной камере экран устанавливают наматериалов с металлйческой матрицей осно- каркасе без зазора, а пропитку каркаса осуванном на изготовлении каркаса детали (ваго- ществляют чередующимся прожиганием эк-,товки детали) установку каркаса и вакуумную рана лучом электронной пушки докамеру, вакуумирование камеры пропитки, на образования паров металла на внутреннейгрев материала каркаса и матрицы до расчет- поверхности экрана и взаимным перемещеной температуры с последующей пропиткой нием в окружном и продольном найравлекаркаса расплавом металла матрицы поддав- нии пушки и каркаса с:экраном.лением(иохлаждениемдетали).Это позволяет вести процесс пропиткиУказанный способ улучшает пропитку 15 каркаса детали собеспечением 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 процессася смачиваемость волокон. пропитки, что позволяет повысить качествоОднако 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 способзование, приведенные ма стр. 110, то же характеризуется следующими отличительисточника, показали. что коэффициент эф- ными (от прототипа) существующими прифективности алюминиевой матрицы, оцени знаками.вающий вклад матрицы в повышение Предварительное изготовление экранапрочности композиционного материала при из 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 Перед размещением каркаса в вакуумность пропитки согласно указанного спосо- ной камере экран устанавливают на каркасеба 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 паровизготовлении композиционных материалов металла на внутренней поверхности экрана.с указанными матрицами является опреде- Взаимное перемещение в окружном илающим, т.к. длительное воздействие высо- продольном направлении пушки и каркаса ских 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 металлическойкомпозиционного материала, Это ограничи- матрицей,вает функциональные возможности указан- Она состоит из вакуумной камеры 1, усного способа изготовления деталей из 45 тановленной накарусельномстоле 2 в камекомпозиционных материалов, преимущест- ре 1 оправки 3, электронно-лучевой пушки. венно с матрицами из металлов с относи, механизма 5 перемещения электроннотельно низкими температурами плавления лучевой пушки 4 вдоль оправки 3, вакуум - из меди, алюминия,.ного насоса 6, соединенного с,вакуумнойЦельюизобретенияявляетсяповышение 50 камерой 1, источника питания 7 системыкачества деталей из композиционных мате- управления 8. На оправку 3 устанавливаютриалов с металлической матрицей за счат ис- каркас 9 детали и на него устанавливают безпользования 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 товления деталей из композиционных матеготовления деталей иэ композйционных ма- риалов с металлической матрицейтериалов с металлической матрицей, заключается в следующем.включающем йзготовление каркаса детали Предварительно изготавливают каркас .преимущественно намоткой, размещение 9 детали методом намотки волокна на опего в вакуумной камере и его пропитку ме- равку 3, выполненную по форме детали, и1794612 5 6экран 10 из металла матрицы, внутренняя воздействие на экран 10 электронно-лучеповерхность которого повторяет форму на- вой пущки 4, а после завершения полногоружной поверхности каркаса 9. Перед раз- поворота оправки 3 вокруг. оси карусельногомещением каркаса 9 в вакуумной камере 1.: стола 2 осуществляют с помощью механизэкран 10 устанавливают на каркасе 9 без 5 ма 5 перемещения пушки 4 вдоль оси оправзазора, Затем оправку 3 с каркасом 9 и. ки 3, с повторением чередующегосяэкраном 10 устанавливают в вакуумную ка- .: воздействия пушки.на экран и разворот оп- .. меру 1 на карусельный стол 2, С помощьюрэвки 3 вокружномнаправлениидо полного:насоса 6 взкуумируют камеру 1, Подают от заполнения каркаСа 9 детали расплавом ме-системы управления 8 команду на вквоче таллз матрйцы; Программа относительногоние электронно-лучевой пушки 4 с длитель- перемещения оправки 3 и электронно-лученостью импульса, равного Длительности вой пушки 4 может осуществляться и попроплава металла:экрана 10,:,: более сложной траектории, определяемойПропитку каркаса 9 осуществляю 1 Ьвреду- системой управления 8,ющимся прожйгзнием экрана 10 лучаГэлект . Предложенный способ был опробованронной пушки 4 дообразованияпаровметаллэ для изготовления образцов в 2-х вариантах:нэ внутренней поверхности экрана 10. 1-каркас из углеродной ткани типа "кенПри этом образуются пары металле эк- тавр" толщиной 3 мм, экран из алюминиеворана 10(матрицы), обладающие направлен-; го сплава АМг 6 толщиной 1,5 мм,ной кинетической энергией - реактивной 20И-каркасизуглероднойтканитипа "кенсилой, на несколько порядков превосходя-.тавр". толщиной 3 мм, экран из титановогощей давление. окззываемое электронами сплава Вгтолщиной 1,5 мм.на металл экрана. Температура паров ме- . -Образцы йомещэлись в камеру элеюталла экрана 10 имеет величину большую ронно-лучевой установки УЛразработвеличины температурй йлавления металла 25 ки ИЭС им. Е.О. Патона АН УССР. Дляи не зависит от вида металла,пропитки использовалась электронно-лучеПри взаимодействии паров металла с на- вая пушка У 530 М и источник питания У 25 ОА.ружной поверхностью каркаса 9 происходит Проплав экрайа осуществлялся при ускоинтенсивное смачивание и пропитка матери-.ренном направлении 30 кВТ и величине тоала каркаса детали; обусловленные высокой 30 ка луча 450 мА. Фокусировка лучатемпературой и высоким давлением паров обеспечивала мощность в пятне нагрева неметалла. При этом длительность взаимодей-менее 10 Вт/см. Длительность импульсаствияоченьмалаисоставляетнеболеесотыхсоставила 0,65 с. Давление вакуумированиядолей. секунды. Локальный характер впрыска . камеры 510 мм.рт.ст.металла матрицы способствует интенсивной 35, Полученные образцы имели йлотность:.: теплопередаче от рэсйлавз металла матрицыУглеалюминий - 2,1 г/см, углетитан - 3;6в тело каркаса, Малая длительностьароцессз г/смз в сравнении собрэзцзми; полученнымипропитки.и интенсивное остываниФрасплавэ: способом описанном в прототипе: углеалюметалла в каркасе деталй существенно миний - 1.9 г/сиз, углетитан-изготовительуменьшают протекание химических реакций 40 образец не представлялось возможйым,между материалом матрицы и каркаса, что . : В предлагаемом способе длительностьспособствует достиженйю более высокйх,; процесса пфопитки в 10-0 раз выше помеханических характеристик комйозициом-. сравнению с прототипом.ного материала детали.Совокупность основных параметров 45Проведенный микроструктурный анапредложенного способа высокая,.нелими-, лиз подтвердив более высокое качествотированная по величине температура рас-пропитки обоих образцов предлагаемыйплаза металла матрицы, высокое давление - способом засчет проведения процесса про-пропитки, кратковременность воздействияпитки с обеспечением высокой температурыи интенсивностьохлаждения позволяют 50 расплава металла матрицы йод .высокимприменять в качестве матрицы металлы с: давлейием икратковременности процесса "высокой температурой плавления (титан. и . "пропитки. Предлагаемый способ также п 6- его сплавы, железо, никель. вольфрам и:,зволяетиспользовать вкачестве материала .т.д.), что недостйжимо при использованииматрицы металлас высокой температуройизвестных способов изготовленйя деталей 55 плавления, что не представляется воэможиэ композиционных материалов с металли-ным в прототипе, Механические характери-.,ческой мзтрицей.: . стаки комйозиционного материала,В дальнейшем осуществляют чередую- получаемого предлагаемым способом. вщийся поворот карусельного стола 2 с оп- . 1,2-1,5 раз выше по сравнению с прототиравкой 3 в окружном напрввленйи и пом.Государ ГКНТ СССР енного комитета по из 13035, Москва, Ж, Р оизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гага 01 Способ изготовления деталей из композиционных материалов с металлической матрицей, включающий изготовление каркаса детали, преимущественно намоткой, размещение его в вакуумной камере и нанесение на него металла матрицы,о т л и ч а ющ и й с я 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 чередующимсяпрожигзйием, 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.