Композиционные материалы с никелевой матрицей

Упрочняющим компонентом в композиционных материалах с никелевой матрицей являются токсичные частицы диоксида тория (Т1Ю₂) или диоксида гафния (НЮ₂). Эти материалы обозначаются ВДУ-1 и ВДУ-2 соответственно. В сплаве ВДУ-3 матрицей служит никелево-хромовый твердый раствор (20% хрома), а упрочнителем — диоксид гафния. Оксиды гафния и тория обнаруживают высокие значения микротвердости и прочности при сжатии (табл. 11.3), а также максимальную стабильность в матрице. Объемное содержание упрочняющей дисперсной фазы оксидов тория и гафния находится в пределах 2—3%.

Твердость оксида НЮ₂ составляет 9070 МПа и мачо отличается от твердости Th0₂.

Жаропрочные свойства дисперсно-упрочненных сплавов зависят как от количества и размеров оксидных частиц, так и от разме;

Таблица 113

Механические свойства оксидов Th0₂

ров, формы и строения зерен и субзерен матриц, формируемых при оптимальных режимах обработки давлением и термической обработки.

Композицонныс материалы ВДУ-1, ВДУ-2 и ВДУ-3 при умеренных температурах по прочности уступают жаропрочным никелевым сплавам. При комнатной температуре временное сопротивление разрыву сплавов ВДУ-1 и ВДУ-2 составляет 540—570 и 450—500 МПа соответственно, а у сплава ВДУ-3 — 800—850 МПа. Большая прочность сплава ВДУ-3 по сравнению с остальными двумя связана с легированием матрицы хромом. При высоких температурах по жаропрочности дисперсно-упрочненные сплавы превосходят стареющие деформируемые никелевые сплавы (табл. 11.4).

Пониженная жаропрочность сплава ВДУ-2 (а также сплава ВДУ-3) в сравнении с ВДУ-1 связана с меньшими размерами частиц оксида тория относительно частиц оксида гафния. Объемная доля частиц ТЬ0₂ и Ш0₂ в сплавах не превышает 2%.

Дисперсио-унрочненные сплавы ВДУ-1, ВДУ-2 и ВДУ-3 целесообразно применять при рабочих температурах 1100—1200°С.

Композиционные материалы ВДУ-1 и ВДУ-2 пластичны, и полуфабрикаты этих сплавов деформируются в широком интервале температур различными методами (ковка, штамповка, осадка, глубокая вытяжка и др.). Для соединения деталей из сплавов тина ВДУ применяют высокотемпературную пайку либо диффузионную сварку, с тем чтобы избежать расплавления. В зоне расплавления происходят агломерация частиц упрочняющей фазы и, как следствие, потеря сплавами жаропрочности.

Сплавы ВДУ-2, ВДУ-3 выпускают в виде труб, прутков, листов, проволоки, фольги. Их применяют главным образом в авиационном двигатслсстроснии. Из композиций ВДУ-2 и ВДУ-3 изготавливают сопловые лопатки, стабилизаторы пламени, камеры сгорания, а также трубопроводы и сосуды, работающие при высоких температурах в агрессивных средах.

Таблица 11.4

Характеристики длительной прочности сплавов ВДУ-1, ВДУ-2 и стареющего никелевого сплава.

В композиционных материалах этого типа упрочнителями являются одномерные элементы в форме нитевидных кристаллов, волокон (проволоки). Волокна и другие армирующие элементы скрепляются матрицей в единый монолит. Матрица защищает упрочняющие волокна от повреждений, служит средой, передающей нагрузку на волокна, и перераспределяет напряжения в случае разрыва отдельных волокон. Важно, чтобы прочные волокна были равномерно распределены в пластичной матрице.

На свойства волокнистой композиции помимо высокой прочности армирующих волокон и жесткости пластичной матриц оказывает влияние прочность связи на границе «матрица — волокно».

Для армирования композиционных материалов используют непрерывные дискретные волокна с размерами в поперечном сечении от долей до сотен микрометров.