Композиційний матеріал

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано в машиностроении, в частности газотурбостроении. Развитие техники требует новые жаропрочные, жарокоррозионностойкие материалы, поскольку температурный уровень, работы традиционных материалов на основе Fe, Ni, Co практически исчерпан. Весьма перспективным для работы выше 1000°С являются композиционные материалы с металлической тугоплавкой матрицей. Большой интерес в качестве матричного материала вызывают хром и его сплавы, что обусловлено высокими значениями их температуры плавления, модуля упругости в сочетании с исключительно высокой жаро- и коррозионной стойкостью в агрессивных средах. К недостаткам хрома и его сплавов следует отнести низкий запас низкотемпературной пластичности, особенно вязкости разрушения, что, в общем, сдерживает его промышленное применение. Аналогом предлагаемого изобретения является композиционный материал (Сr-SiC), состоящий из хромовой матрицы армированной волокнами карбида кремния. [Овчинский А. С, Писаренко В. А., Шадчина Н. А., Ракицкий А. Н. Прогнозирование прочности композитов на основе хрома методом машинного моделирования // Проблемы прочности. - 1985, №7, - С. 83-85]. Однако известный композит при температуре 1000°С и выше термостабилен, что обусловлено высоким химическим взаимодействием хрома с карбидом кремния. По нашим данным выдержка композита Cr-SiC под давлением в интервале температур 1000-1300°С в течение нескольких часов приводит практически к полной деградации волокна. Прочность композита при этом не превышает прочность хрома, а разрушение происходит без каких-либо признаков пластичности. Кроме того, указанный композит чрезвычайно хрупкий в исходном состоянии даже при высоких температурах испытания, что также затрудняет его использование. Наиболее близким к заявляемому конструкционному материалу является композиционный материал CrW (хромовая матрица армированная волокнами из сплавов вольфрама)[Овчинский А. С, Писаренко В. А., Шадчина Н. А., Ракицкий А. Н. Прогнозирование прочности композитов на основе хрома методом машинного моделирования // Проблемы прочности. - 1985. - №7. - С. 83-85], который и выбран в качестве прототипа. Однако недостаточный уровень низкотемпературной пластичности и высокотемпературной прочности затрудняет его использование в качестве конструкционного материала. Высокая чувствительность хромовой матрицы к концентраторам напряжений, ее низкая ударная вязкость и трещиностойкость не позволяют получить композит с удовлетворительной пластичностью незначительный статический изгиб вызывает в композиционном материале трещины критического размера. Задача решаемая изобретением заключается в повышении низкотемпературной пластичности композиционного материала при обеспечении более высокого уровня высокотемпературной прочности. Сущность изобретения заключается в том, что матрица композиционного материала выполнена в виде чередующихся слоев хрома или его сплавов толщиной 0,5-20 мкм и вязкого тугоплавкого металла толщиной 0,5-10 мкм при объемном содержании вязкой прослойки в матрице 5-50%. Общим с прототипом является армирование матрицы вольфрамовыми волокнами одинаковой конфигурации и равным объемным содержанием. Неудовлетворительная пластичность и недостаточная прочность прототипа, в основном обусловлена хрупкостью и низкой высокотемпературной (1000°С) прочностью хромовой матрицы, в предложенном материале устраняется выполнением матрицы в виде чередующихся слоев хрома или его сплавов и вязкого тугоплавкого металла. На фотографии показана структура предлагаемого композиционного материала. Слоистая матрица, состоящая из чередующихся слоев хрома или его сплавов и вязкого тугоплавкого металла ванадия, обеспечивает более высокие прочностные и пластические свойства композита в сравнении с прототипом. Важно, что использование слоистой матрицы открывает широкие возможности регулирования механических свойств композита путем изменения толщины слоев матрицы при одном и том же объемном содержании составляющих композит. Высокая трещиностойкость предлагаемого композита обусловлена эффективным блокированием роста хрупких трещин вязкой прослойкой путем ее пластической деформации, а высокая прочность - приростом прочности слоистой матрицы по сравнению с хромовой. Упрочнение слоистой матрицы вызвано суперпозицией различных факторов, среди которых толщина слоев, блокировка дислокаций межслойными границами раздела и специфическое объемно-напряженное состояние прослойки являются доминирующими. В качестве вязких прослоек релаксирующих напряжения в композите взят ванадий. Выбор ванадия обусловлен его высокой (как и хрома) температурой плавления, относительно низкой плотностью в сочетании с высокой ударной вязкостью (0,21 МДж/м2) и соизмеримым с хромом в широком интервале температур коэффициентом термического расширения. Материал получали методом диффузионной сварки пакета, состоящего из чередующихся слоев сплава хрома, ванадия и вольфрамовых волокон. Исходными компонентами служат фольги из малолегированных сплавов хрома (ВХ-2К, ВХ-2У), фольги ванадия марки ВнМ1, тонкая диаметром (50-300 мкм) проволока из сплавов вольфрама (ВТ-15, ВО-20). По режимам: Тсв.=1200°С, р=100 МПа, t=1 ч была получена партия предлагаемого композиционного материала и прототипа. Исследованы их прочность аи и пластичность (Тх, °С, N)(см. табл. 1, 2, 3). Прочностные свойства определяли согласно ГОСТ 9651-84. Пластичность композита характеризовали температурой хладноломкости (Т и способностью выдерживать без разрушения циклический нагиб на 90° (N). Температуру хладноломкости определяли на плоских образцах размерами 1,0x3,0x30 на изгиб по трехточечной схеме нагружения при скорости изгибающего ножа 21 мм/мин. Циклический изгиб (т. е. изгиб разгиб) осуществляли на плоских образцах размерами 1,0x5,0x100 мм при длине консоли 50-60 мм. Под циклом N подразумевается один изгиб на 90°. Данные приведенные в таблицах 1, 2, 3 однозначно свидетельствуют о том, что выполнение матрицы в виде чередующихся слоев сплава хрома толщиной 0,5-20 мкм и ванадия толщиной 0,5-10 мкм при объемном содержании ванадия в матрице 5-50% приводит к значительному повышению прочности композита при его высоких характеристиках пластичности в сравнении с прототипом. Например, прочность предлагаемого композита при температуре 1100°С достигает 455 МПа (прочность прототипа при этом - 279 МПа), а температура хладноломкости ниже комнатной и составляет 0 - минус 10°С (для прототипа 150°С). Низкая температура хладноломкости и высокая трещиностойкость (способность композита выдерживать несколько гибов без разрушения), позволяют подвергать его необходимым техническим операциям (гибкие, штамповке, прокатке) при низких температурах, а также эксплуатировать предлагаемый материал при сложном нагружении (например, изгиб с растяжением). Как видно из представленных данных, с уменьшением толщины слоев в матрице прочность возрастает. Однако использование слоев менее 0,5 мкм к дальнейшему существенному росту прочности не приводит, но при этом снижается пластичность материала. Применение более толстых слоев (хрома 20 мкм, а ванадия 10 мкм), равно как и увеличение содержания в матрице ванадия свыше 50%, повышает пластичность материала, но его прочность при таком исполнении не превышает значений прототипа. Из табл. 3 следует, что увеличение объемной доли жаропрочных волокон приводит к естественному росту прочности композита при достаточно высоких характеристиках пластичности. Наладка производства и применение предлагаемого композиционного материала позволит решить целый ряд важнейший народнохозяйственных задач в газотурбостроении, ядерной энергетике и других отраслях промышленности. Существенным преимуществом предлагаемого композиционного материала является наличие слоистой комбинированной матрицы Cr-V, что позволяет получить материал с более высокими прочностными и пластическими свойствами. Кроме того, слоистая матрица позволяет посредством изменения толщины ее слоев регулировать механические свойства композита в широком интервале температур.