ลักษณะทั่วไปและการจำแนกประเภท

วัสดุโลหะและอโลหะที่ใช้กันทั่วไปมีความแข็งแรงถึงขีดจำกัดของโครงสร้างเป็นส่วนใหญ่แล้ว ในเวลาเดียวกัน การพัฒนาเทคโนโลยีสมัยใหม่จำเป็นต้องสร้างวัสดุที่ทำงานได้อย่างน่าเชื่อถือในการผสมผสานที่ซับซ้อนของสนามแรงและอุณหภูมิเมื่อสัมผัสกับ สภาพแวดล้อมที่ก้าวร้าว, การแผ่รังสี, สุญญากาศลึก และแรงดันสูง บ่อยครั้งที่ข้อกำหนดสำหรับวัสดุอาจมีความขัดแย้ง ปัญหานี้สามารถแก้ไขได้โดยใช้วัสดุคอมโพสิต

วัสดุคอมโพสิต(CM) หรือคอมโพสิตเป็นระบบสามมิติที่ต่างกัน ซึ่งประกอบด้วยส่วนประกอบที่ไม่ละลายน้ำร่วมกันซึ่งมีคุณสมบัติแตกต่างกันอย่างมาก โครงสร้างที่ทำให้สามารถใช้ประโยชน์จากข้อดีของแต่ละองค์ประกอบได้

มนุษย์ยืมหลักการสร้าง CM จากธรรมชาติ วัสดุคอมโพสิตทั่วไปได้แก่ ลำต้นของต้นไม้ ลำต้นพืช กระดูกมนุษย์และสัตว์

CM ช่วยให้คุณมีคุณสมบัติที่ต่างกันหลายอย่างรวมกัน: ความแข็งแรงและความแข็งแกร่งจำเพาะสูง ทนความร้อน ทนต่อการสึกหรอ คุณสมบัติป้องกันความร้อน ฯลฯ ไม่สามารถรับช่วงคุณสมบัติของ CM ได้โดยใช้วัสดุทั่วไป การใช้งานทำให้สามารถสร้างการออกแบบใหม่ที่ไม่สามารถเข้าถึงได้ก่อนหน้านี้

ต้องขอบคุณ CM ที่ทำให้สามารถก้าวกระโดดเชิงคุณภาพครั้งใหม่ได้ในการเพิ่มกำลังของเครื่องยนต์ การลดน้ำหนักของเครื่องจักรและโครงสร้าง และการเพิ่มประสิทธิภาพน้ำหนักของยานพาหนะและยานพาหนะการบินและอวกาศ

ลักษณะสำคัญของวัสดุที่ทำงานภายใต้สภาวะเหล่านี้คือความแข็งแรงเฉพาะ σ ใน /ρ และความแข็งเฉพาะ อี/ρ โดยที่ σ in คือความต้านทานชั่วคราว อี- โมดูลัสของความยืดหยุ่นปกติ ρ – ความหนาแน่นของวัสดุ

ตามกฎแล้วโลหะผสมที่มีความแข็งแรงสูงจะมีความเหนียวต่ำ มีความไวสูงต่อหัวความเค้นสูง และความต้านทานต่อการเกิดรอยแตกร้าวจากความเมื่อยล้าค่อนข้างต่ำ แม้ว่า วัสดุคอมโพสิตนอกจากนี้ยังอาจมีความเหนียวต่ำ มีความไวต่อตัวสร้างความเครียดน้อยกว่ามากและทนทานต่อความล้มเหลวจากความเมื่อยล้าได้ดีกว่า สิ่งนี้อธิบายได้ด้วยกลไกต่างๆ ของการเกิดรอยแตกร้าวในเหล็กและโลหะผสมที่มีความแข็งแรงสูง ในเหล็กที่มีความแข็งแรงสูง รอยแตกร้าวซึ่งถึงขนาดวิกฤตจะพัฒนาในอัตราที่ก้าวหน้าในเวลาต่อมา

กลไกที่แตกต่างกันทำงานในวัสดุคอมโพสิต รอยแตกที่เคลื่อนที่ในเมทริกซ์พบกับสิ่งกีดขวางที่อินเทอร์เฟซของเมทริกซ์-ไฟเบอร์ เส้นใยยับยั้งการเกิดรอยแตกร้าว และการมีอยู่ของมันในเมทริกซ์พลาสติกทำให้ความทนทานต่อการแตกหักเพิ่มขึ้น

ดังนั้น ระบบคอมโพสิตจึงรวมคุณสมบัติที่ขัดแย้งกันสองประการที่จำเป็นสำหรับวัสดุโครงสร้าง ได้แก่ ความแข็งแรงสูงเนื่องจากเส้นใยมีความแข็งแรงสูง และความเหนียวแตกหักเพียงพอเนื่องจากเมทริกซ์พลาสติกและกลไกการกระจายพลังงานการแตกหัก

CM ประกอบด้วยวัสดุฐานเมทริกซ์ที่ค่อนข้างเป็นพลาสติกและมีส่วนประกอบที่แข็งและทนทานมากกว่าซึ่งก็คือสารตัวเติม คุณสมบัติของ CM ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของฐาน สารตัวเติม และความแข็งแรงของพันธะระหว่างกัน

เมทริกซ์จะผูกองค์ประกอบให้เป็นเสาหินทำให้มีรูปร่างและทำหน้าที่ถ่ายโอนภาระภายนอกไปยังการเสริมแรงของฟิลเลอร์ ขึ้นอยู่กับวัสดุฐาน CM จะแตกต่างด้วย เมทริกซ์โลหะหรือวัสดุคอมโพสิตโลหะ (MCM) ด้วยวัสดุคอมโพสิตโพลีเมอร์ - โพลีเมอร์ (PCM) และวัสดุคอมโพสิตเซรามิก - เซรามิก (CCM)

บทบาทนำในการเสริมสร้างความแข็งแกร่งของ CM นั้นเล่นโดยฟิลเลอร์ซึ่งมักเรียกกันว่า เสริมสร้างความเข้มแข็ง- มีความแข็งแรง ความแข็ง และโมดูลัสยืดหยุ่นสูง ขึ้นอยู่กับประเภทของสารตัวเติมเสริมความแข็งแกร่ง CM จะถูกแบ่งออกเป็น การกระจายตัวมีความเข้มแข็ง,เป็นเส้นใยและ เป็นชั้นๆ(รูปที่ 28.2)

ข้าว. 28.2.แบบแผนโครงสร้างของวัสดุคอมโพสิต: ก) การกระจายตัวมีความเข้มแข็ง ข) เส้นใย; วี) เป็นชั้น ๆ

อนุภาคทนไฟขนาดเล็กที่กระจายอย่างสม่ำเสมอของคาร์ไบด์ ออกไซด์ ไนไตรด์ ฯลฯ ถูกนำมาใช้อย่างเทียมใน CM ที่เสริมการกระจายตัวซึ่งไม่ทำปฏิกิริยากับเมทริกซ์และไม่ละลายในนั้นจนถึงอุณหภูมิหลอมเหลวของเฟส ยิ่งอนุภาคตัวเติมมีขนาดเล็กลงและระยะห่างระหว่างอนุภาคเหล่านี้ก็จะน้อยลง CM ก็จะยิ่งแข็งแกร่งขึ้น ต่างจากเส้นใยที่มีเส้นใย ใน CM ที่เสริมการกระจายตัว องค์ประกอบรับน้ำหนักหลักคือเมทริกซ์ การรวมตัวกันของอนุภาคตัวเติมที่กระจายตัวจะเสริมความแข็งแกร่งให้กับวัสดุโดยต้านทานการเคลื่อนที่ของการเคลื่อนตัวภายใต้การรับน้ำหนัก ซึ่งทำให้การเปลี่ยนรูปพลาสติกทำได้ยาก ความต้านทานที่มีประสิทธิภาพต่อการเคลื่อนที่ของการเคลื่อนที่นั้นถูกสร้างขึ้นตามอุณหภูมิหลอมเหลวของเมทริกซ์ เนื่องจาก CM ที่เสริมการกระจายตัวมีความโดดเด่นด้วยความต้านทานความร้อนสูงและความต้านทานการคืบคลาน

การเสริมแรงในวัสดุคอมโพสิตที่เป็นเส้นใยอาจเป็นเส้นใยที่มีรูปร่างหลากหลาย: ด้าย, เทป, ตาข่ายที่มีการทอต่างกัน การเสริมแรงของเส้นใย CM สามารถทำได้ตามรูปแบบแกนเดียว, สองแกนและสามแกน (รูปที่ 28.3, ก).

ความแข็งแรงและความแข็งแกร่งของวัสดุดังกล่าวถูกกำหนดโดยคุณสมบัติของเส้นใยเสริมแรงที่รับภาระหลัก การเสริมแรงทำให้มีความแข็งแกร่งเพิ่มมากขึ้น แต่การเสริมกำลังด้วยการกระจายตัวนั้นทำได้ง่ายกว่าทางเทคโนโลยี

วัสดุคอมโพสิตแบบชั้น (รูปที่ 28.3, ข) ประกอบด้วยชั้นของฟิลเลอร์และวัสดุเมทริกซ์สลับกัน (ประเภท "แซนวิช") เลเยอร์ฟิลเลอร์ใน CM ดังกล่าวสามารถมีการวางแนวที่แตกต่างกันได้ สามารถใช้ชั้นฟิลเลอร์ที่ทำจากวัสดุต่าง ๆ ที่มีคุณสมบัติเชิงกลต่างกันได้ สำหรับองค์ประกอบที่เป็นชั้น ๆ มักใช้วัสดุที่ไม่ใช่โลหะ

ข้าว. 28.3.รูปแบบการเสริมแรงด้วยไฟเบอร์ ( ก) และชั้น ( ข) วัสดุคอมโพสิต

วัสดุคอมโพสิตที่ได้รับการคืนสภาพแบบกระจาย

ในระหว่างการเพิ่มการกระจายตัว อนุภาคจะปิดกั้นกระบวนการเลื่อนในเมทริกซ์ ประสิทธิภาพของการชุบแข็งขึ้นอยู่กับปฏิสัมพันธ์กับเมทริกซ์น้อยที่สุด ขึ้นอยู่กับชนิดของอนุภาค ความเข้มข้นของปริมาตร และความสม่ำเสมอของการกระจายตัวในเมทริกซ์ มีการใช้อนุภาคที่กระจายตัวของเฟสทนไฟ เช่น Al 2 O 3, SiO 2, BN, SiC ซึ่งมีความหนาแน่นต่ำและโมดูลัสยืดหยุ่นสูง โดยทั่วไป CM จะผลิตโดยโลหะผสมผง ซึ่งมีข้อดีที่สำคัญคือไอโซโทรปีของคุณสมบัติในทิศทางที่ต่างกัน

ในอุตสาหกรรม CM ที่เสริมการกระจายตัวมักใช้กับอะลูมิเนียมและฐานนิกเกิล ซึ่งน้อยกว่าปกติ ตัวแทนทั่วไปของวัสดุคอมโพสิตประเภทนี้คือวัสดุ เช่น SAP (ผงอะลูมิเนียมเผาผนึก) ซึ่งประกอบด้วยเมทริกซ์อะลูมิเนียมเสริมความแข็งแกร่งด้วยอนุภาคอะลูมิเนียมออกไซด์ที่กระจายตัว ผงอลูมิเนียมได้มาจากการพ่นโลหะหลอมเหลว ตามด้วยการบดในโรงสีลูกกลมให้มีขนาดประมาณ 1 ไมครอนต่อหน้าออกซิเจน เมื่อเวลาบดเพิ่มขึ้น ผงจะละเอียดขึ้นและมีปริมาณอะลูมิเนียมออกไซด์เพิ่มขึ้น เทคโนโลยีเพิ่มเติมสำหรับการผลิตผลิตภัณฑ์และผลิตภัณฑ์กึ่งสำเร็จรูปจาก SAP รวมถึงการรีดเย็น การเผาล่วงหน้า การอัดร้อน การรีดหรือการอัดขึ้นรูปแท่งอะลูมิเนียมเผาผนึกในรูปแบบของผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปที่สามารถผ่านการบำบัดความร้อนเพิ่มเติม

โลหะผสมประเภท SAP มีรูปร่างผิดปกติอย่างน่าพอใจในสภาวะร้อนและโลหะผสมที่มี Al 2 O 3 6-9% แม้ที่อุณหภูมิห้อง จากนั้นสามารถใช้การดึงเย็นเพื่อผลิตฟอยล์ที่มีความหนาสูงสุด 0.03 มม. วัสดุเหล่านี้ตัดง่ายและมีความต้านทานการกัดกร่อนสูง

เกรด SAP ที่ใช้ในรัสเซียประกอบด้วย Al 2 O 3 6–23% มี SAP-1 ที่มีเนื้อหา 6–9, SAP-2 ที่มี 9–13, SAP-3 ที่มี 13–18% Al 2 O 3 เมื่อความเข้มข้นของอะลูมิเนียมออกไซด์ในปริมาตรเพิ่มขึ้น ความแข็งแรงของวัสดุคอมโพสิตจึงเพิ่มขึ้น ที่อุณหภูมิห้อง ลักษณะความแข็งแรงของ SAP-1 มีดังนี้: σ in = 280 MPa, σ 0.2 = 220 MPa; SAP-3 มีดังนี้: σ ใน = 420 MPa, σ 0.2 = 340 MPa

วัสดุเช่น SAP มีความต้านทานความร้อนสูงและเหนือกว่าโลหะผสมอะลูมิเนียมดัดทั้งหมด แม้ที่อุณหภูมิ 500 °C σ ก็มีค่าอย่างน้อย 60–110 MPa ความต้านทานความร้อนอธิบายได้จากผลการยับยั้งของอนุภาคที่กระจัดกระจายต่อกระบวนการตกผลึกใหม่ ลักษณะความแข็งแรงของโลหะผสมประเภท SAP มีความเสถียรมาก การทดสอบความแข็งแรงในระยะยาวของโลหะผสมประเภท SAP-3 เป็นเวลา 2 ปีแทบไม่มีผลกระทบต่อระดับคุณสมบัติทั้งที่อุณหภูมิห้องและเมื่อถูกความร้อนถึง 500 °C ที่อุณหภูมิ 400 °C ความแข็งแกร่งของ SAP จะสูงกว่าความแข็งแกร่งของโลหะผสมอลูมิเนียมที่มีอายุมากถึง 5 เท่า

โลหะผสมประเภท SAP ใช้ในเทคโนโลยีการบินเพื่อการผลิตชิ้นส่วนที่มีความแข็งแรงจำเพาะสูงและทนต่อการกัดกร่อน โดยทำงานที่อุณหภูมิสูงถึง 300–500 °C ใช้ทำก้านลูกสูบ ใบพัดคอมเพรสเซอร์ เปลือกส่วนประกอบเชื้อเพลิง และท่อแลกเปลี่ยนความร้อน

CM ผลิตขึ้นโดยใช้ผงโลหะวิทยาโดยใช้อนุภาคที่กระจายตัวของซิลิคอนคาร์ไบด์ SiC สารประกอบทางเคมี SiC มีคุณสมบัติเชิงบวกหลายประการ ได้แก่ จุดหลอมเหลวสูง (มากกว่า 2,650 °C) ความแข็งแรงสูง (ประมาณ 2000 MPa) และโมดูลัสยืดหยุ่น (> 450 GPa) ความหนาแน่นต่ำ (3200 กก./ลบ.ม.) และทนต่อการกัดกร่อนได้ดี . การผลิตผงซิลิกอนที่มีฤทธิ์กัดกร่อนได้รับการควบคุมโดยอุตสาหกรรม

อลูมิเนียมอัลลอยด์และผง SiC จะถูกผสม โดยบดอัดล่วงหน้าภายใต้แรงดันต่ำ จากนั้นจึงกดร้อนในภาชนะเหล็กในสุญญากาศที่อุณหภูมิหลอมเหลวของเมทริกซ์อัลลอยด์ กล่าวคือ ในสถานะของแข็ง-ของเหลว ชิ้นงานที่ได้จะถูกเปลี่ยนรูปขั้นที่สองเพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์กึ่งสำเร็จรูปที่มีรูปร่างและขนาดที่ต้องการ: แผ่น แท่ง โปรไฟล์ ฯลฯ

วัสดุคอมโพสิตด้วยเมทริกซ์โลหะในการทำงานมากขึ้นด้วย อุณหภูมิสูงใช้เมทริกซ์โลหะ

Metal CM มีข้อดีมากกว่าโพลีเมอร์หลายประการ นอกจากจะสูงขึ้นแล้ว อุณหภูมิในการทำงานโดยมีลักษณะเฉพาะคือไอโซโทรปีที่ดีขึ้นและความเสถียรของคุณสมบัติระหว่างการทำงานที่มากขึ้น และความต้านทานการกัดกร่อนที่สูงขึ้น

ความเป็นพลาสติกของเมทริกซ์โลหะทำให้โครงสร้างมีความหนืดที่ต้องการ สิ่งนี้มีส่วนช่วยในการปรับสมดุลเชิงกลในท้องถิ่นอย่างรวดเร็ว

ข้อได้เปรียบที่สำคัญของ CM โลหะคือความสามารถในการผลิตที่สูงขึ้นของกระบวนการผลิต การขึ้นรูป การอบชุบด้วยความร้อน และการก่อตัวของข้อต่อและการเคลือบ

ข้อดีของวัสดุคอมโพสิตที่ทำจากโลหะคือค่าคุณลักษณะที่สูงกว่าขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของเมทริกซ์ ประการแรกคือ ความต้านทานชั่วคราวและโมดูลัสแรงดึงของความยืดหยุ่นในทิศทางตั้งฉากกับแกนของเส้นใยเสริมแรง แรงอัดและการดัดงอ ความเหนียว และความเหนียวของการแตกหัก นอกจากนี้ วัสดุคอมโพสิตที่มีเมทริกซ์โลหะยังคงรักษาลักษณะความแข็งแรงไว้ที่อุณหภูมิสูงกว่าวัสดุที่มีเมทริกซ์ที่ไม่ใช่โลหะ ทนทานต่อความชื้น ไม่ติดไฟ และมีค่าการนำไฟฟ้าสูง CM โลหะมีค่าการนำไฟฟ้าสูง ช่วยปกป้องรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า ฟ้าผ่า ได้ดี และลดอันตรายจากไฟฟ้าสถิต ค่าการนำความร้อนสูงของ CM โลหะจะช่วยป้องกันความร้อนสูงเกินไปในท้องถิ่น ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับผลิตภัณฑ์ต่างๆ เช่น.

วัสดุที่มีแนวโน้มมากที่สุดสำหรับเมทริกซ์ของวัสดุคอมโพสิตโลหะคือโลหะที่มีความหนาแน่นต่ำ (A1, Mg, Ti) และโลหะผสมที่ขึ้นอยู่กับพวกมัน เช่นเดียวกับนิกเกิลซึ่งปัจจุบันมีการใช้กันอย่างแพร่หลายเป็นส่วนประกอบหลักของโลหะผสมทนความร้อน

คอมโพสิตได้มาจากวิธีการต่างๆ ซึ่งรวมถึงการทำให้มัดมัดเส้นใยด้วยการละลายของเหลวของอลูมิเนียมและแมกนีเซียม การพ่นด้วยพลาสมา และการใช้วิธีการอัดร้อน บางครั้งตามด้วยการอัดขึ้นรูปด้วยน้ำหรือการรีดช่องว่าง เมื่อเสริมกำลังองค์ประกอบประเภทแซนวิชซึ่งประกอบด้วยชั้นสลับของอลูมิเนียมฟอยล์และเส้นใยด้วยเส้นใยต่อเนื่องจะใช้การรีดการกดร้อนการเชื่อมด้วยการระเบิดและการเชื่อมแบบแพร่กระจาย การหล่อแท่งและท่อที่เสริมด้วยเส้นใยที่มีความแข็งแรงสูงนั้นได้มาจากเฟสโลหะเหลว มัดเส้นใยจะถูกส่งผ่านอ่างหลอมอย่างต่อเนื่องและชุบภายใต้แรงกดดันด้วยอลูมิเนียมเหลวหรือแมกนีเซียม เมื่อออกจากอ่างเคลือบ เส้นใยจะถูกรวมเข้าด้วยกันและส่งผ่านสปินเนอร์เพื่อสร้างแท่งหรือท่อ วิธีนี้ช่วยให้มั่นใจได้ถึงการเติมเส้นใยคอมโพสิตสูงสุด (มากถึง 85%) โดยมีการกระจายสม่ำเสมอ ภาพตัดขวางและความต่อเนื่องของกระบวนการ

วัสดุอะลูมิเนียมเมทริกซ์วัสดุอะลูมิเนียมเมทริกซ์ส่วนใหญ่เสริมด้วยลวดเหล็ก (SWI) เส้นใยโบรอน (BFA) และคาร์บอนไฟเบอร์ (CF) ทั้งอะลูมิเนียมเชิงเทคนิค (เช่น AD1) และอัลลอยด์ (AMg6, V95, D20 เป็นต้น) ใช้เป็นเมทริกซ์

การใช้โลหะผสม (เช่น B95) เป็นเมทริกซ์ ซึ่งได้รับการเสริมความแข็งแรงด้วยการบำบัดความร้อน (การชุบแข็งและการเสื่อมสภาพ) จะให้ผลเพิ่มเติมในการเสริมความแข็งแกร่งให้กับองค์ประกอบ อย่างไรก็ตาม ในทิศทางของแกนไฟเบอร์จะมีขนาดเล็ก ในขณะที่ในทิศทางตามขวาง ซึ่งคุณสมบัติถูกกำหนดโดยคุณสมบัติของเมทริกซ์เป็นหลัก ถึง 50%

วัสดุเสริมแรงที่ถูกที่สุด มีประสิทธิภาพมากที่สุด และเข้าถึงได้คือลวดเหล็กที่มีความแข็งแรงสูง ดังนั้นการเสริมแรงอะลูมิเนียมทางเทคนิคด้วยลวดเหล็ก VNS9 ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 0.15 มม. (σ in = 3600 MPa) จะเพิ่มความแข็งแรง 10-12 เท่าโดยมีปริมาณเส้นใย 25% และ 14-15 เท่าโดยเพิ่มปริมาณเป็น 40% หลังจากนั้นความต้านทานชั่วคราวจะอยู่ที่ 1,000-1200 และ 1,450 MPa ตามลำดับ หากคุณใช้ลวดที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กกว่าในการเสริมแรง เช่น ความแข็งแรงสูงกว่า (σ in = 4200 MPa) ความต้านทานชั่วคราวของวัสดุคอมโพสิตจะเพิ่มขึ้นเป็น 1750 MPa ดังนั้นอลูมิเนียมที่เสริมด้วยลวดเหล็ก (25-40%) ในคุณสมบัติพื้นฐานนั้นเหนือกว่าโลหะผสมอลูมิเนียมที่มีความแข็งแรงสูงอย่างมีนัยสำคัญและถึงระดับคุณสมบัติที่สอดคล้องกันของโลหะผสมไทเทเนียม ในกรณีนี้ ความหนาแน่นขององค์ประกอบอยู่ในช่วง 3900-4800 กิโลกรัม/ลูกบาศก์เมตร 3

การเสริมความแข็งแกร่งของอลูมิเนียมและโลหะผสมด้วยเส้นใยที่มีราคาแพงกว่า B, C, A1 2 O e ทำให้ต้นทุนของวัสดุคอมโพสิตเพิ่มขึ้น แต่ในขณะเดียวกันคุณสมบัติบางอย่างก็ได้รับการปรับปรุงอย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น ตัวอย่างเช่น เมื่อเสริมด้วยเส้นใยโบรอน โมดูลัสยืดหยุ่นจะเพิ่มขึ้น 3 -4 เท่า เส้นใยคาร์บอนช่วยลดความหนาแน่น โบรอนจะอ่อนตัวลงเล็กน้อยเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ดังนั้นองค์ประกอบที่เสริมด้วยเส้นใยโบรอนจึงคงความแข็งแรงสูงได้สูงถึง 400-500 ° C วัสดุที่ประกอบด้วยเส้นใยโบรอนที่มีความแข็งแรงสูงและโมดูลัสโมดูลัสสูงต่อเนื่อง (VKA-1) 50 vol.% พบว่าในอุตสาหกรรม แอปพลิเคชัน. ในแง่ของโมดูลัสความยืดหยุ่นและความต้านทานชั่วคราวในช่วงอุณหภูมิ 20-500°C นั้นเหนือกว่าอลูมิเนียมอัลลอยด์มาตรฐานทั้งหมด รวมถึงความแข็งแรงสูง (B95) และโลหะผสมที่ออกแบบมาเป็นพิเศษสำหรับการใช้งานที่อุณหภูมิสูง (AK4-1) ซึ่งแสดงไว้อย่างชัดเจนในรูป. 13.35.ความสามารถในการหน่วงสูงของวัสดุช่วยให้มั่นใจได้ถึงความต้านทานการสั่นสะเทือนของโครงสร้างที่ทำจากวัสดุ ความหนาแน่นของโลหะผสมคือ 2,650 กก./ลบ.ม. และความแข็งแรงจำเพาะคือ 45 กม. ซึ่งสูงกว่าเหล็กที่มีความแข็งแรงสูงและโลหะผสมไทเทเนียมอย่างมาก

จากการคำนวณแสดงให้เห็นว่าการแทนที่โลหะผสม B95 ด้วยโลหะผสมไทเทเนียมในการผลิตสปาร์ปีกเครื่องบินด้วยองค์ประกอบเสริมจาก VKA-1 จะเพิ่มความแข็งแกร่ง 45% และช่วยลดน้ำหนักได้ประมาณ 42%

วัสดุคอมโพสิตเสริมใยคาร์บอน (CFRP) ที่มีอะลูมิเนียมเป็นหลักมีราคาถูกกว่าและเบากว่าวัสดุผสมใยโบรอน และถึงแม้ว่าพวกเขาจะด้อยกว่าอันหลัง แต่ก็มีความแข็งแกร่งเฉพาะที่คล้ายกัน (42 กม.) อย่างไรก็ตาม การผลิตวัสดุคอมโพสิตที่มีตัวเสริมคาร์บอนมีความเกี่ยวข้องกับปัญหาทางเทคโนโลยีอย่างมาก เนื่องจากปฏิกิริยาของคาร์บอนกับเมทริกซ์โลหะเมื่อถูกความร้อน ทำให้ความแข็งแรงของวัสดุลดลง เพื่อขจัดข้อเสียเปรียบนี้จึงใช้การเคลือบคาร์บอนไฟเบอร์แบบพิเศษ

วัสดุที่มีเมทริกซ์แมกนีเซียมวัสดุที่มีเมทริกซ์แมกนีเซียม (MCM) มีความหนาแน่นต่ำกว่า (1800-2200 กิโลกรัม/ลูกบาศก์เมตร) เมื่อเทียบกับอะลูมิเนียม โดยมีความแข็งแรงสูงประมาณ 1,000-1200 MPa โดยประมาณ จึงมีความแข็งแรงจำเพาะสูงกว่า แมกนีเซียมอัลลอยด์ที่เปลี่ยนรูปได้ (MA2 และอื่นๆ) เสริมด้วยเส้นใยโบรอน (50 โดยปริมาตร%) มีความแข็งแรงจำเพาะ > 50 กม. ในแง่หนึ่งความเข้ากันได้ดีของแมกนีเซียมและโลหะผสมกับเส้นใยโบรอนช่วยให้สามารถผลิตชิ้นส่วนโดยการชุบโดยแทบไม่ต้องตามมาอีกเลย เครื่องจักรกลในทางกลับกัน จะทำให้ชิ้นส่วนมีอายุการใช้งานยาวนานที่อุณหภูมิสูง ความแข็งแรงจำเพาะของวัสดุเหล่านี้เพิ่มขึ้นโดยการใช้โลหะผสมลิเธียมเบาเป็นเมทริกซ์ เช่นเดียวกับการใช้คาร์บอนไฟเบอร์ที่เบากว่า แต่ตามที่ระบุไว้ก่อนหน้านี้ การแนะนำคาร์บอนไฟเบอร์ทำให้เทคโนโลยีของโลหะผสมที่ใช้เทคโนโลยีต่ำอยู่แล้วมีความซับซ้อน ดังที่ทราบกันดีว่าแมกนีเซียมและโลหะผสมนั้นมีความเป็นพลาสติกทางเทคโนโลยีต่ำและมีแนวโน้มที่จะสร้างฟิล์มออกไซด์ที่หลวม

วัสดุคอมโพสิตที่ใช้ไทเทเนียมเมื่อสร้างวัสดุคอมโพสิตที่ใช้ไทเทเนียม จะเกิดปัญหาเนื่องจากต้องให้ความร้อนที่อุณหภูมิสูง ที่อุณหภูมิสูง เมทริกซ์ไทเทเนียมจะมีความกระฉับกระเฉงมาก มันได้รับความสามารถในการดูดซับก๊าซและทำปฏิกิริยากับสารเสริมกำลังหลายชนิด: โบรอน, ซิลิคอนคาร์ไบด์, อลูมิเนียมออกไซด์ ฯลฯ เป็นผลให้เกิดโซนปฏิกิริยาและความแข็งแรงของทั้งเส้นใยเองและวัสดุคอมโพสิตโดยรวมลดลง นอกจากนี้ อุณหภูมิสูงยังนำไปสู่การตกผลึกซ้ำและทำให้วัสดุเสริมแรงหลายชนิดอ่อนตัวลง ซึ่งจะช่วยลดผลจากการเสริมแรง ดังนั้น เพื่อเสริมความแข็งแกร่งให้กับวัสดุด้วยเมทริกซ์ไทเทเนียม ลวดที่ทำจากเบริลเลียมและเส้นใยเซรามิกของออกไซด์ทนไฟ (Al 2 0 3) คาร์ไบด์ (SiC) รวมถึงโลหะทนไฟที่มีโมดูลัสยืดหยุ่นสูงและอุณหภูมิการตกผลึกสูง (Mo, W ) ถูกนำมาใช้ นอกจากนี้ วัตถุประสงค์ของการเสริมแรงส่วนใหญ่ไม่ได้เพื่อเพิ่มความแข็งแรงจำเพาะที่สูงอยู่แล้ว แต่เพื่อเพิ่มโมดูลัสยืดหยุ่นและเพิ่มอุณหภูมิในการทำงาน สมบัติทางกลของโลหะผสมไทเทเนียม VT6 (6% A1, 4% V, ส่วนที่เหลือ A1) เสริมด้วยเส้นใย Mo, Be และ SiC นำเสนอในตาราง 13.9- ดังที่เห็นได้จาก. ตาราง ความแข็งจำเพาะจะเพิ่มขึ้นอย่างมีประสิทธิผลสูงสุดเมื่อเสริมด้วยเส้นใยซิลิคอนคาร์ไบด์

การเสริมแรงโลหะผสม VT6 ด้วยลวดโมลิบดีนัมช่วยรักษาค่าโมดูลัสยืดหยุ่นสูงถึง 800 "C ค่าของมันที่อุณหภูมินี้สอดคล้องกับ 124 GPa นั่นคือลดลง 33% ในขณะที่ความต้านทานแรงดึงชั่วคราวลดลงเหลือ 420 MPa เช่น มากกว่า 3 ครั้ง

วัสดุคอมโพสิตที่มีนิกเกิล. CM ทนความร้อนทำจากโลหะผสมนิกเกิลและโคบอลต์เสริมความแข็งแกร่งด้วยเซรามิก (SiC, Si 3 Ni 4, Al 2 O 3) และคาร์บอนไฟเบอร์ ภารกิจหลักในการสร้างวัสดุคอมโพสิตที่มีนิกเกิล (NBC) คือการเพิ่มอุณหภูมิในการทำงานให้สูงกว่า 1,000 °C และหนึ่งในวัสดุเสริมโลหะที่ดีที่สุดที่สามารถให้ความแข็งแรงได้ดีที่อุณหภูมิสูงเช่นนี้ก็คือลวดทังสเตน การนำลวดทังสเตนในปริมาณตั้งแต่ 40 ถึง 70 vol.% มาเป็นโลหะผสมนิกเกิล-โครเมียม ให้ความแข็งแรงที่ 1100°C เป็นเวลา 100 ชั่วโมง ตามลำดับ 130 และ 250 MPa ในขณะที่โลหะผสมนิกเกิลที่ไม่เสริมแรงที่ดีที่สุดออกแบบมาเพื่อการทำงานในลักษณะที่คล้ายกัน เงื่อนไขมีความแข็งแกร่ง 75 MPa การใช้ลวดที่ทำจากโลหะผสมทังสเตนกับรีเนียมหรือแฮฟเนียมเพื่อเสริมแรงจะทำให้ตัวเลขนี้เพิ่มขึ้น 30-50%

วัสดุคอมโพสิตถูกนำมาใช้ในอุตสาหกรรมต่างๆ มากมาย และโดยหลักแล้วในด้านการบิน จรวด และเทคโนโลยีอวกาศ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง คุ้มค่ามากมีการลดน้ำหนักของโครงสร้างในขณะที่เพิ่มความแข็งแรงและความแข็งแกร่ง ขอบคุณอย่างสูง ลักษณะเฉพาะความแข็งแรงและความแข็งแกร่งใช้ในการผลิตเช่นตัวกันโคลงแนวนอนและแผ่นพับของเครื่องบิน ใบพัดโรเตอร์และภาชนะของเฮลิคอปเตอร์ ตัวเครื่องบินและห้องเผาไหม้ของเครื่องยนต์ไอพ่น เป็นต้น การใช้วัสดุคอมโพสิตในโครงสร้างเครื่องบินได้ลดปริมาณลง น้ำหนักเพิ่มขึ้น 30-40% และเพิ่มน้ำหนักบรรทุกโดยไม่ลดความเร็วและระยะการบิน

ปัจจุบัน วัสดุคอมโพสิตถูกนำมาใช้ในการก่อสร้างกังหันพลังงาน (การทำงานของกังหันและใบพัดหัวฉีด) อุตสาหกรรมยานยนต์ (ตัวถังรถยนต์และตู้เย็น ชิ้นส่วนเครื่องยนต์) วิศวกรรมเครื่องกล (ตัวถังและชิ้นส่วนของรถยนต์) อุตสาหกรรมเคมี(หม้อนึ่งความดัน ถัง ตู้คอนเทนเนอร์) การต่อเรือ (ตัวเรือ เรือ ใบพัด) ฯลฯ

คุณสมบัติพิเศษของวัสดุคอมโพสิตทำให้สามารถใช้เป็นวัสดุฉนวนไฟฟ้า (เส้นใยอินทรีย์) แฟริ่งโปร่งใสวิทยุ (ไฟเบอร์กลาส) แบริ่งธรรมดา (คาร์บอนไฟเบอร์) และชิ้นส่วนอื่นๆ

วัสดุคอมโพสิตที่มีเมทริกซ์เซรามิกสำหรับอุณหภูมิการทำงานสูงสุด เซรามิกจะถูกใช้เป็นวัสดุเมทริกซ์ ซิลิเกต (SiO 2), อลูมิโนซิลิเกต (Al 2 O 3 - SiO 2), วัสดุอะลูมิโนโบโรซิลิเกต (Al 2 O 3 - B 2 O 3 - SiO 2) วัสดุ, อลูมิเนียมออกไซด์ทนไฟ (Al 2 O 3), เซอร์โคเนียมใช้เป็นเมทริกซ์เซรามิก (ZrO 2), เบริลเลียม (BeO), ซิลิคอนไนไตรด์ (Si 3 N 4), ไทเทเนียมโบไรด์ (TiB 2) และเซอร์โคเนียม (ZrB 2), ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) และไทเทเนียม (TiC) วัสดุคอมโพสิตที่มีเมทริกซ์เซรามิกมีจุดหลอมเหลวสูง ทนทานต่อการเกิดออกซิเดชัน การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิและการสั่นสะเทือน และแรงอัด เซรามิก CM ขึ้นอยู่กับคาร์ไบด์และออกไซด์พร้อมสารเติมแต่งผงโลหะ (< 50об. %) называются เซอร์เม็ท - นอกจากผงแล้ว ลวดโลหะที่ทำจากทังสเตน โมลิบดีนัม ไนโอเบียม เหล็กทนความร้อน รวมถึงเส้นใยที่ไม่ใช่โลหะ (เซรามิกและคาร์บอน) ยังถูกนำมาใช้เพื่อเสริมกำลัง CM เซรามิก การใช้ลวดโลหะจะสร้างกรอบพลาสติกที่ปกป้อง CM จากการถูกทำลายเมื่อเมทริกซ์เซรามิกที่เปราะบางแตก ข้อเสียของ CM เซรามิกที่เสริมด้วยเส้นใยโลหะคือความต้านทานความร้อนต่ำ CM ที่มีเมทริกซ์ออกไซด์ทนไฟ (สามารถใช้งานได้สูงถึง 1,000°C) โบไรด์และไนไตรด์ (สูงถึง 2,000°C) และคาร์ไบด์ (มากกว่า 2,000°C) มีความต้านทานความร้อนสูง เมื่อเซรามิก CM ได้รับการเสริมด้วยเส้นใยซิลิกอนคาร์ไบด์ จะมีความแข็งแรงพันธะสูงระหว่างพวกมันกับเมทริกซ์เมื่อรวมกับความต้านทานต่อการเกิดออกซิเดชันที่อุณหภูมิสูง ซึ่งช่วยให้สามารถใช้สำหรับการผลิตชิ้นส่วนที่รับน้ำหนักมาก (ตลับลูกปืนที่มีอุณหภูมิสูง) , ซีล, ใบพัดทำงานของเครื่องยนต์กังหันแก๊ส ฯลฯ) ข้อเสียเปรียบหลักของเซรามิก - การขาดความเหนียว - ได้รับการชดเชยในระดับหนึ่งด้วยการเสริมเส้นใยที่ยับยั้งการแพร่กระจายของรอยแตกในเซรามิก

คอมโพสิตคาร์บอนคาร์บอน - การใช้คาร์บอนอสัณฐานเป็นวัสดุเมทริกซ์ และเส้นใยคาร์บอนผลึก (กราไฟท์) เป็นวัสดุเสริมแรง ทำให้สามารถสร้างคอมโพสิตที่สามารถทนความร้อนได้ถึง 2500 °C คอมโพสิตคาร์บอน-คาร์บอนดังกล่าวมีแนวโน้มสำหรับการบินอวกาศและการบินข้ามบรรยากาศข้อเสียของเมทริกซ์คาร์บอนคือการเกิดออกซิเดชันและการระเหยที่เป็นไปได้ เพื่อป้องกันปรากฏการณ์เหล่านี้ คอมโพสิตจึงถูกเคลือบด้วยซิลิคอนคาร์ไบด์ชั้นบางๆ

เมทริกซ์คาร์บอนซึ่งมีคุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีคล้ายคลึงกับคาร์บอนไฟเบอร์ ช่วยให้มั่นใจเสถียรภาพทางความร้อนของ CCCM

วิธีที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิตคอมโพสิตคาร์บอน-คาร์บอนคือ:

1. การทำให้เป็นคาร์บอนของเมทริกซ์โพลีเมอร์ของพรีฟอร์มคาร์บอนไฟเบอร์ที่ขึ้นรูปสำเร็จโดยการบำบัดความร้อนที่อุณหภูมิสูงในสภาพแวดล้อมที่ไม่เกิดออกซิไดซ์

2. การสะสมจากเฟสก๊าซของไพโรไลติกคาร์บอนเกิดขึ้นระหว่างการสลายตัวด้วยความร้อนของไฮโดรคาร์บอนในรูขุมขนของสารตั้งต้นคาร์บอนไฟเบอร์

ทั้งสองวิธีมีข้อดีและข้อเสีย เมื่อสร้าง UKCM พวกมันมักจะรวมกันเพื่อให้ส่วนผสมมีคุณสมบัติที่จำเป็น

การทำให้เป็นคาร์บอนของเมทริกซ์โพลีเมอร์กระบวนการคาร์บอไนเซชันคือการบำบัดความร้อนของผลิตภัณฑ์คาร์บอนไฟเบอร์จนถึงอุณหภูมิ 1,073 K ในสภาพแวดล้อมที่ไม่ออกซิไดซ์ (ก๊าซเฉื่อย เตียงถ่านหิน ฯลฯ) วัตถุประสงค์ของการบำบัดความร้อนคือการเปลี่ยนสารยึดเกาะให้เป็นโค้ก ในระหว่างกระบวนการคาร์บอไนเซชัน การทำลายความร้อนของเมทริกซ์เกิดขึ้นพร้อมกับการสูญเสียมวล การหดตัว การก่อตัวของรูพรุนจำนวนมาก และเป็นผลให้คุณสมบัติทางกายภาพและทางกลของคอมโพสิตลดลง

การทำให้เป็นคาร์บอนมักดำเนินการในเตารีทอร์ตแบบต้านทาน รีทอร์ตที่ทำจากโลหะผสมทนความร้อนช่วยปกป้องผลิตภัณฑ์จากการเกิดออกซิเดชันโดยออกซิเจนในบรรยากาศ และองค์ประกอบความร้อนและฉนวนจากการสัมผัสกับผลิตภัณฑ์ที่มีฤทธิ์กัดกร่อนระเหยของไพโรไลซิสของสารยึดเกาะ และช่วยให้มั่นใจได้ถึงความร้อนที่สม่ำเสมอของปริมาตรปฏิกิริยาของเตาเผา

กลไกและจลนพลศาสตร์ของคาร์บอไนเซชันถูกกำหนดโดยอัตราส่วนของอัตราการแยกตัวของพันธะเคมีและการรวมตัวกันใหม่ของอนุมูลที่เกิดขึ้น กระบวนการนี้มาพร้อมกับการกำจัดสารประกอบเรซินและผลิตภัณฑ์ที่เป็นก๊าซที่ระเหยออกไป และการก่อตัวของโค้กแข็งซึ่งมีอะตอมของคาร์บอนเสริมสมรรถนะ ดังนั้นในกระบวนการคาร์บอไนเซชัน ประเด็นสำคัญคือการเลือกระบบอุณหภูมิ-เวลา ซึ่งควรรับประกันการก่อตัวของโค้กตกค้างจากสารยึดเกาะสูงสุด เนื่องจากความแข็งแรงเชิงกลของคอมโพสิตคาร์บอไนซ์ขึ้นอยู่กับปริมาณของโค้ก เหนือสิ่งอื่นใด เกิดขึ้น

ยิ่งขนาดของผลิตภัณฑ์มีขนาดใหญ่เท่าไร กระบวนการคาร์บอไนเซชันก็จะยิ่งนานขึ้นเท่านั้น อัตราอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นในระหว่างการทำให้เป็นคาร์บอนคือจากหลายองศาถึงหลายสิบองศาต่อชั่วโมง ระยะเวลาของกระบวนการทำให้เป็นคาร์บอนคือ 300 ชั่วโมงหรือมากกว่านั้น การทำให้เป็นคาร์บอนมักจะสิ้นสุดในช่วงอุณหภูมิ 1,073-1773 K ซึ่งสอดคล้องกับช่วงอุณหภูมิของการเปลี่ยนคาร์บอนเป็นกราไฟท์

คุณสมบัติของ CCCM ส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับชนิดของสารยึดเกาะเริ่มต้น ซึ่งใช้เป็นเรซินอินทรีย์สังเคราะห์ที่ผลิตโค้กตกค้างสูง ส่วนใหญ่มักใช้เรซินฟีนอล-ฟอร์มาลดีไฮด์เพื่อจุดประสงค์นี้ เนื่องจากความสามารถในการผลิต มีต้นทุนต่ำ และโค้กที่เกิดขึ้นในกระบวนการนี้มีความทนทานสูง

เรซินฟีนอล-ฟอร์มาลดีไฮด์มีข้อเสียบางประการ เนื่องจากลักษณะการควบแน่นของการบ่มและการปลดปล่อยของพวกมัน สารประกอบระเหยเป็นการยากที่จะได้โครงสร้างที่มีความหนาแน่นสม่ำเสมอ ปริมาณการหดตัวในระหว่างการทำให้คาร์บอไนซ์ของสารยึดเกาะฟีนอล-ฟอร์มาลดีไฮด์มากกว่าสารยึดเกาะประเภทอื่นที่ใช้ในการผลิต CCCM ซึ่งนำไปสู่การเกิดความเครียดภายในในคอมโพสิตคาร์บอไนซ์และคุณสมบัติทางกายภาพและทางกลลดลง

สารยึดเกาะ Furan ผลิตโค้กที่มีความหนาแน่นมากขึ้น การหดตัวระหว่างคาร์บอนไดออกไซด์จะน้อยลง และความแข็งแรงของโค้กก็สูงกว่าเรซินฟีนอล-ฟอร์มาลดีไฮด์ ดังนั้นแม้จะมีวงจรการบ่มที่ซับซ้อนกว่า สารยึดเกาะที่มีเฟอร์ฟูรัล เฟอร์ฟูริลิดีนอะซิโตน และฟิวริลแอลกอฮอล์ก็ถูกนำมาใช้ในการผลิต CCCM เช่นกัน

แหล่งถ่านหินและปิโตรเลียมมีแนวโน้มที่จะได้รับเมทริกซ์คาร์บอนเนื่องจากมีปริมาณคาร์บอนสูง (สูงถึง 92-95%) และมีปริมาณโค้กสูง ข้อดีของระยะพิทช์เหนือสารยึดเกาะอื่นๆ คือความพร้อมใช้งานและต้นทุนต่ำ โดยไม่รวมตัวทำละลาย กระบวนการทางเทคโนโลยีความสามารถในการสร้างกราฟของโค้กได้ดีและมีความหนาแน่นสูง ข้อเสียของสนาม ได้แก่ การก่อตัวของความพรุนอย่างมีนัยสำคัญ การเสียรูปของผลิตภัณฑ์ และการมีอยู่ของสารประกอบก่อมะเร็งในองค์ประกอบ ซึ่งต้องมีมาตรการความปลอดภัยเพิ่มเติม

เนื่องจากการปล่อยสารประกอบระเหยระหว่างการย่อยสลายด้วยความร้อนของเรซิน ความพรุนที่มีนัยสำคัญจะปรากฏในพลาสติกคาร์บอน ซึ่งช่วยลด คุณสมบัติทางกายภาพและทางกลยูเคเอ็ม. ดังนั้นขั้นตอนคาร์บอไนเซชันของคาร์บอนไฟเบอร์จึงเสร็จสิ้นกระบวนการเพื่อให้ได้เฉพาะวัสดุที่มีรูพรุนซึ่งไม่ต้องการความแข็งแรงสูง เช่น CCCM ความหนาแน่นต่ำเพื่อจุดประสงค์ในการเป็นฉนวนความร้อน โดยทั่วไป เพื่อกำจัดความพรุนและเพิ่มความหนาแน่น วัสดุคาร์บอไนซ์จะถูกชุบอีกครั้งด้วยสารยึดเกาะและคาร์บอไนซ์ (รอบนี้สามารถทำซ้ำได้หลายครั้ง) การทำให้ชุ่มซ้ำจะดำเนินการในหม้อนึ่งความดันในโหมด "แรงดันสุญญากาศ" นั่นคือ ขั้นแรกให้ความร้อนชิ้นงานในสุญญากาศหลังจากนั้นจึงป้อนสารยึดเกาะและสร้างแรงดันส่วนเกินสูงถึง 0.6-1.0 MPa ในระหว่างการชุบ จะใช้สารละลายและการละลายของสารยึดเกาะ และความพรุนของคอมโพสิตจะลดลงในแต่ละรอบ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องใช้สารยึดเกาะที่มีความหนืดลดลง ระดับการบดอัดระหว่างการชุบซ้ำขึ้นอยู่กับชนิดของสารยึดเกาะ หมายเลขโค้ก ความพรุนของผลิตภัณฑ์ และระดับของการอุดรูพรุน เมื่อความหนาแน่นเพิ่มขึ้นในระหว่างการชุบซ้ำ ความแข็งแรงของวัสดุก็เพิ่มขึ้นเช่นกัน เมื่อใช้วิธีการนี้ สามารถรับ CCCM ที่มีความหนาแน่นสูงถึง 1,800 กิโลกรัม/ลูกบาศก์เมตร ขึ้นไป วิธีการทำให้เป็นคาร์บอนของคาร์บอนไฟเบอร์นั้นค่อนข้างง่าย ไม่ต้องใช้อุปกรณ์ที่ซับซ้อน และช่วยให้มั่นใจได้ว่าคุณสมบัติวัสดุของผลิตภัณฑ์ที่ได้จะทำซ้ำได้ดี อย่างไรก็ตาม ความจำเป็นในการดำเนินการบดอัดซ้ำจะทำให้ต้นทุนในการรับผลิตภัณฑ์จาก CCCM ยาวขึ้นอย่างมาก ซึ่งเป็นข้อเสียเปรียบร้ายแรงของวิธีนี้

เมื่อได้รับ UKCM โดย วิธีการสะสมไพโรไลติกคาร์บอนจากเฟสก๊าซก๊าซไฮโดรคาร์บอน (มีเทน เบนซิน อะเซทิลีน ฯลฯ) หรือส่วนผสมของไฮโดรคาร์บอนและก๊าซเจือจาง (ก๊าซเฉื่อยหรือไฮโดรเจน) แพร่กระจายผ่านโครงพรุนของคาร์บอนไฟเบอร์ โดยที่ภายใต้อิทธิพลของอุณหภูมิสูง การสลายตัวของไฮโดรคาร์บอนจะเกิดขึ้นบน พื้นผิวที่ร้อนของเส้นใย ไพโรคาร์บอนที่ตกตะกอนจะค่อยๆ สร้างสะพานเชื่อมระหว่างเส้นใย จลนพลศาสตร์ของการสะสมและโครงสร้างของคาร์บอนไพโรไลติกที่เกิดขึ้นนั้นขึ้นอยู่กับหลายปัจจัย: อุณหภูมิ อัตราการไหลของก๊าซ ความดัน ปริมาตรปฏิกิริยา ฯลฯ คุณสมบัติของคอมโพสิตที่ได้นั้นยังถูกกำหนดโดยประเภทและเนื้อหาของเส้นใยด้วย และ โครงการเสริมกำลัง

กระบวนการสะสมจะดำเนินการในสุญญากาศหรือภายใต้ความกดดันในเตาเหนี่ยวนำ เช่นเดียวกับในเตาต้านทาน

มีการพัฒนาวิธีการทางเทคโนโลยีหลายประการสำหรับการผลิตเมทริกซ์คาร์บอนไพโรไลติก

ด้วยวิธีไอโซเทอร์มอลชิ้นงานจะอยู่ในห้องที่มีความร้อนสม่ำเสมอ การให้ความร้อนสม่ำเสมอในเตาเหนี่ยวนำนั้นมั่นใจได้ด้วยความช่วยเหลือขององค์ประกอบสร้างเชื้อเพลิง - ตัวรับที่ทำจากกราไฟท์ ก๊าซไฮโดรคาร์บอนจะถูกส่งผ่านด้านล่างของเตาหลอม และกระจายผ่านปริมาตรของปฏิกิริยาและชิ้นงาน ผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยาก๊าซจะถูกกำจัดออกผ่านทางทางออกในฝาเตา

โดยปกติกระบวนการนี้จะดำเนินการที่อุณหภูมิ 1173-1423 K และความดัน 130-2,000 kPa อุณหภูมิที่ลดลงส่งผลให้อัตราการสะสมตัวลดลงและทำให้ระยะเวลากระบวนการนานขึ้นมากเกินไป การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิจะเร่งการสะสมของไพโรไลติกคาร์บอน แต่ก๊าซไม่มีเวลาที่จะกระจายไปสู่ปริมาตรของชิ้นงานและเกิดชั้นผิวของไพโรไลติกคาร์บอน กระบวนการนี้ใช้เวลาหลายร้อยชั่วโมง

โดยทั่วไปจะใช้วิธีรักษาอุณหภูมิคงที่สำหรับการผลิตชิ้นส่วนที่มีผนังบาง เนื่องจากในกรณีนี้รูพรุนที่อยู่ใกล้กับพื้นผิวของผลิตภัณฑ์จะถูกเติมเต็มเป็นส่วนใหญ่

ใช้สำหรับการอิ่มตัวของปริมาตรของรูขุมขนและการผลิตผลิตภัณฑ์ที่มีผนังหนา วิธีที่ไม่ใช่ไอโซเทอร์มอล ซึ่งประกอบด้วยการสร้างการไล่ระดับอุณหภูมิในชิ้นงานโดยการวางลงบนแกนหรือแกนที่ให้ความร้อน หรือโดยการให้ความร้อนโดยตรงด้วยกระแสไฟฟ้า ก๊าซไฮโดรคาร์บอนถูกจ่ายมาจากด้านข้างมีมากขึ้น อุณหภูมิต่ำ- ความดันในเตามักจะเท่ากับความดันบรรยากาศ ส่งผลให้การสะสมของไพโรไลติกคาร์บอนเกิดขึ้นในบริเวณที่ร้อนที่สุด ผลการระบายความร้อนของก๊าซที่ไหลเหนือพื้นผิวด้วยความเร็วสูงเป็นวิธีหลักในการบรรลุการไล่ระดับอุณหภูมิ

การเพิ่มความหนาแน่นและการนำความร้อนของคอมโพสิตทำให้เกิดการเคลื่อนตัวของอุณหภูมิการทับถม ซึ่งท้ายที่สุดจะช่วยรับประกันการบดอัดเชิงปริมาตรของวัสดุและการผลิตผลิตภัณฑ์ที่มีความหนาแน่นสูง (1700-1800 กก./ลบ.ม.)

วิธีไอโซเทอร์มอลในการผลิต CCCM ด้วยเมทริกซ์ไพโรคาร์บอนนั้นมีข้อดีดังต่อไปนี้: สามารถทำซ้ำคุณสมบัติได้ดี ความเรียบง่ายของการออกแบบทางเทคนิค ความหนาแน่นสูงและกราฟิตีที่ดีของเมทริกซ์ ความสามารถในการประมวลผลผลิตภัณฑ์หลายรายการพร้อมกัน

ข้อเสีย ได้แก่ อัตราการสะสมต่ำ การสะสมพื้นผิวของไพโรไลติกคาร์บอน การเติมเต็มรูขุมขนกว้างไม่ดี

วิธีการไม่ไอโซเทอร์มอลมีข้อดีดังต่อไปนี้: อัตราการสะสมสูง ความเป็นไปได้ในการเติมเต็มรูขุมขนกว้าง การบดอัดปริมาตรของผลิตภัณฑ์

ข้อเสียมีดังนี้: การออกแบบฮาร์ดแวร์ที่ซับซ้อน มีการประมวลผลผลิตภัณฑ์เดียวเท่านั้น ความหนาแน่นและกราฟิกราฟของเมทริกซ์ไม่เพียงพอ การก่อตัวของรอยแตกขนาดเล็ก

3.4.4. การอบชุบด้วยความร้อนที่อุณหภูมิสูง (กราฟิไทเซชัน) ของ CCCMโครงสร้างของพลาสติกคาร์บอไนซ์และคอมโพสิตที่มีเมทริกซ์ไพโรคาร์บอนหลังจากการบดอัดจากเฟสก๊าซนั้นไม่สมบูรณ์ ระยะห่างระหว่างชั้น d002 ซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะของระดับการเรียงลำดับของเมทริกซ์คาร์บอน มีขนาดค่อนข้างใหญ่ - มากกว่า 3.44·10 4 μm และขนาดคริสตัลค่อนข้างเล็ก - โดยปกติจะไม่เกิน 5·10 -3 μm ซึ่งเป็นเรื่องปกติสำหรับ การเรียงลำดับชั้นพื้นฐานของคาร์บอนแบบสองมิติ นอกจากนี้ในระหว่างกระบวนการผลิตความเครียดภายในอาจเกิดขึ้นซึ่งอาจนำไปสู่การเสียรูปและการบิดเบี้ยวของโครงสร้างผลิตภัณฑ์เมื่อใช้วัสดุเหล่านี้ที่อุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิของคาร์บอนไดออกไซด์หรือการสะสมของไพโรไลติกคาร์บอน ดังนั้นหากจำเป็นต้องได้วัสดุที่มีความเสถียรทางความร้อนมากขึ้น ก็จะต้องผ่านการบำบัดที่อุณหภูมิสูง อุณหภูมิการอบชุบด้วยความร้อนขั้นสุดท้ายถูกกำหนดโดยสภาพการใช้งาน แต่ถูกจำกัดด้วยการระเหิดของวัสดุซึ่งเกิดขึ้นอย่างเข้มข้นที่อุณหภูมิสูงกว่า 3273 K การบำบัดความร้อนดำเนินการใน เตาเหนี่ยวนำหรือเตาต้านทานในสภาพแวดล้อมที่ไม่ออกซิไดซ์ (กราไฟท์ทดแทน สุญญากาศ ก๊าซเฉื่อย) การเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติของวัสดุคาร์บอน-คาร์บอนในระหว่างการอบชุบด้วยความร้อนที่อุณหภูมิสูงนั้นพิจารณาจากหลายปัจจัย ได้แก่ ประเภทของสารตัวเติมและเมทริกซ์ อุณหภูมิสุดท้ายและระยะเวลาของการอบชุบด้วยความร้อน ประเภทของตัวกลางและความดันของมัน และปัจจัยอื่น ๆ ที่อุณหภูมิสูง อุปสรรคด้านพลังงานในวัสดุคาร์บอนจะถูกเอาชนะ ป้องกันการเคลื่อนตัวของสารประกอบหลายนิวเคลียร์ การเกาะติดของพวกมันและการปรับทิศทางร่วมกันด้วยการบดอัดในระดับที่มากขึ้น

ระยะเวลาของกระบวนการเหล่านี้สั้น และระดับของการแปลงจะขึ้นอยู่กับอุณหภูมิเป็นหลัก ดังนั้นระยะเวลาของกระบวนการบำบัดความร้อนที่อุณหภูมิสูงจึงสั้นกว่าในกรณีของการทำให้เป็นคาร์บอนหรือการสะสมของไพโรคาร์บอนมาก และโดยปกติจะใช้เวลาหลายชั่วโมง ในระหว่างการรักษาความร้อนที่อุณหภูมิสูงของพลาสติกคาร์บอนไนซ์ การเสียรูปของผลิตภัณฑ์อย่างถาวรและ "การรักษา" ของข้อบกพร่องอย่างค่อยเป็นค่อยไปจะเกิดขึ้น สำหรับวัสดุที่ทำกราไฟท์อย่างดีโดยอิงจากระดับเสียงที่อุณหภูมิสูงกว่า 2,473 K การเติบโตอย่างเข้มข้นของผลึกคาร์บอนที่เรียงลำดับสามมิตินั้นจะถูกสังเกตจนถึงการเปลี่ยนไปใช้โครงสร้างกราไฟต์ ในเวลาเดียวกัน ในพลาสติกคาร์บอไนซ์ที่ใช้สารยึดเกาะโพลีเมอร์ที่มีกราไฟท์ต่ำ ข้อบกพร่องทางโครงสร้างจะยังคงอยู่สูงถึง 3273 K และวัสดุยังคงอยู่ในรูปแบบโครงสร้างที่ไม่มีกราไฟท์

สารตัวเติมชนิดผงจะถูกใส่เข้าไปในเมทริกซ์ของวัสดุคอมโพสิต เพื่อนำคุณสมบัติโดยธรรมชาติของสารตัวเติมไปใช้ในคุณสมบัติเชิงหน้าที่ของวัสดุผสม ในวัสดุผสมแบบผง เมทริกซ์จะเป็นโลหะและโพลีเมอร์เป็นหลัก ผงคอมโพสิตที่มีเมทริกซ์โพลีเมอร์มีชื่อนี้ "พลาสติก"

คอมโพสิตเมทริกซ์โลหะ

คอมโพสิตเมทริกซ์โลหะผงคอมโพสิตที่มีเมทริกซ์โลหะผลิตขึ้นโดยการกดเย็นหรือร้อนของส่วนผสมของเมทริกซ์และผงตัวเติม ตามด้วยการเผาผลิตภัณฑ์กึ่งสำเร็จรูปที่เกิดขึ้นในสภาพแวดล้อมเฉื่อยหรือลดลงที่อุณหภูมิประมาณ 0.75 กรุณาโลหะเมทริกซ์ บางครั้งกระบวนการอัดและการเผาผนึกจะรวมกัน เทคโนโลยีการผลิตผงคอมโพสิตเรียกว่า "ผงโลหะวิทยา".วิธีโลหะผสมผงใช้ในการผลิตเซอร์เมตและโลหะผสมที่มีคุณสมบัติพิเศษ

เคอร์เม็ตส์เป็นวัสดุคอมโพสิตที่มีเมทริกซ์โลหะ ซึ่งฟิลเลอร์จะกระจายอนุภาคของเซรามิก เช่น คาร์ไบด์ ออกไซด์ โบไรด์ ซิลิไซด์ ไนไตรด์ เป็นต้น โคบอลต์ นิกเกิล และโครเมียม ส่วนใหญ่จะใช้เป็นเมทริกซ์ เซอร์เมตผสมผสานความแข็ง ทนความร้อน และทนความร้อนของเซรามิกเข้ากับความเหนียวสูงและการนำความร้อนของโลหะ ดังนั้นเซอร์เมตจึงมีความเปราะน้อยกว่าและสามารถทนต่อการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิที่สูงได้โดยไม่ถูกทำลาย ซึ่งต่างจากเซรามิก

เซอร์เมตมีการใช้กันอย่างแพร่หลายมากที่สุดในการผลิตเครื่องมืองานโลหะ โลหะผสมแข็งที่เป็นผงเรียกว่าเซอร์เมตเพื่อวัตถุประสงค์ด้านเครื่องมือ

ตัวเติมผงของโลหะผสมแข็งคือคาร์ไบด์หรือคาร์โบไนไตรด์ในปริมาณ 80% ขึ้นไป ขึ้นอยู่กับชนิดของฟิลเลอร์และโลหะที่ทำหน้าที่เป็นเมทริกซ์คอมโพสิตแบบผง โลหะผสมแข็งแบ่งออกเป็นสี่กลุ่ม:

• 1) WC-Co - คาร์ไบด์เดี่ยวประเภท B K;
• 2) WC-TiC-Co - TK สองคาร์ไบด์
• 3) WC-TiC-TaC-Co - TTK สามคาร์ไบด์
• 4) TiC และ TiCN- (Ni + Mo) - โลหะผสมที่มีไททาเนียมคาร์ไบด์และคาร์โบไนไตรด์ - TN และ KNT ชนิดปราศจากทังสเตน

โลหะผสมวีเคโลหะผสมจะมีเครื่องหมาย VK และตัวเลขระบุปริมาณโคบอลต์ ตัวอย่างเช่น องค์ประกอบของโลหะผสม VK6 คือ: 94% WC และ 6% Co. ความต้านทานความร้อนของโลหะผสม VK อยู่ที่ประมาณ 900°C โลหะผสมของกลุ่มนี้มีความแข็งแกร่งมากที่สุดเมื่อเทียบกับโลหะผสมแข็งอื่นๆ

โลหะผสมทีเคโลหะผสมถูกกำหนดโดยใช้ตัวอักษรและตัวเลขผสมกัน ตัวเลขหลัง T บ่งบอกถึงปริมาณไทเทเนียมคาร์ไบด์ในโลหะผสม และหลัง K - โคบอลต์ ตัวอย่างเช่นองค์ประกอบของโลหะผสม T15K6: TiC - 15%, Co - 6% ส่วนที่เหลือ 79% คือ WC ความแข็งของโลหะผสม TK เนื่องจากการใส่ไททาเนียมคาร์ไบด์ที่แข็งกว่าลงในองค์ประกอบของตัวเติม จึงมีมากกว่าความแข็งของโลหะผสม VK นอกจากนี้ยังมีข้อได้เปรียบในการต้านทานความร้อน - 1,000°C แต่มีความแข็งแรงโดยมีปริมาณโคบอลต์เท่ากัน ต่ำกว่า.

โลหะผสม TTK (TT7K12, TT8K, TT20K9)การกำหนดโลหะผสม TTK นั้นคล้ายกับ TK ตัวเลขหลังตัวอักษรตัวที่สอง T หมายถึงปริมาณรวมของคาร์ไบด์ TiC และ TaC

ด้วยการต้านทานความร้อนที่เท่ากัน (1,000°C) โลหะผสม TTK จึงเหนือกว่าโลหะผสม TK ที่มีปริมาณโคบอลต์เท่ากันทั้งในด้านความแข็งและความแข็งแรง ผลกระทบที่ยิ่งใหญ่ที่สุดของการผสมกับแทนทาลัมคาร์ไบด์นั้นแสดงออกมาภายใต้ภาระแบบวงจร - อายุความล้าของแรงกระแทกจะเพิ่มขึ้นถึง 25 เท่า ดังนั้น โลหะผสมที่มีแทนทาลัมจึงถูกนำมาใช้เป็นหลักในสภาวะการตัดเฉือนที่รุนแรงซึ่งมีกำลังและโหลดอุณหภูมิสูง

โลหะผสม TN, KNTโลหะผสมเหล่านี้เป็นโลหะผสมแข็งที่ปราศจากทังสเตน (TBHS) ซึ่งมีไททาเนียมคาร์ไบด์และคาร์โบไนไตรด์เป็นส่วนประกอบหลัก โดยมีสารยึดเกาะนิกเกิล-โมลิบดีนัมแทนที่จะเป็นสารยึดเกาะโคบอลต์

ในแง่ของการต้านทานความร้อน BVTS นั้นด้อยกว่าโลหะผสมที่ประกอบด้วยทังสเตน ความต้านทานความร้อนของ BVTS ไม่เกิน 800°C ความแข็งแรงและโมดูลัสยืดหยุ่นก็ต่ำกว่าเช่นกัน ความจุความร้อนและการนำความร้อนของ BHTS ต่ำกว่าโลหะผสมแบบดั้งเดิม

แม้จะมีต้นทุนค่อนข้างต่ำ แต่การใช้ BVTS ในการผลิตอย่างแพร่หลาย เครื่องมือตัดมีปัญหา ขอแนะนำให้ใช้โลหะผสมที่ปราศจากทังสเตนสำหรับการผลิตเครื่องมือวัด (บล็อกเกจ เกจ) และเครื่องมือวาดภาพ

เมทริกซ์โลหะยังใช้ในการผูกตัวเติมผงที่ทำจากเพชรและคิวบิกโบรอนไนไตรด์ซึ่งเรียกรวมกันว่า “ วัสดุที่แข็งเป็นพิเศษ"(เอสทีเอ็ม) วัสดุคอมโพสิตที่เต็มไปด้วย STM ใช้เป็นเครื่องมือในการประมวลผล

ทางเลือกของเมทริกซ์สำหรับฟิลเลอร์ผงเพชรถูกจำกัดด้วยความต้านทานความร้อนต่ำของเพชร เมทริกซ์ต้องจัดให้มีระบบเทอร์โมเคมีเพื่อการยึดเกาะเม็ดตัวเติมเพชรที่เชื่อถือได้ ไม่รวมการเผาไหม้หรือการเกิดกราฟิเตชันของเพชร บรอนซ์ดีบุกถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการผูกฟิลเลอร์เพชร การต้านทานความร้อนและความเฉื่อยทางเคมีที่สูงขึ้นของโบรอนไนไตรด์ทำให้สามารถใช้สารยึดเกาะที่มีส่วนประกอบของเหล็ก โคบอลต์ และโลหะผสมแข็งได้

เครื่องมือที่มี STM ส่วนใหญ่จะทำในรูปแบบของวงกลมซึ่งการประมวลผลจะดำเนินการโดยการบดพื้นผิวของวัสดุที่กำลังประมวลผลด้วยวงกลมหมุน ล้อขัดที่มีเพชรและโบรอนไนไตรด์ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการลับคมและตกแต่งเครื่องมือตัด

เมื่อเปรียบเทียบเครื่องมือขัดที่ใช้เพชรและโบรอนไนไตรด์ ควรสังเกตว่าทั้งสองกลุ่มไม่ได้แข่งขันกัน แต่มีพื้นที่การใช้งานที่สมเหตุสมผลเป็นของตัวเอง สิ่งนี้ถูกกำหนดโดยความแตกต่างในคุณสมบัติทางกายภาพ เชิงกล และทางเคมี

ข้อดีของเพชรในฐานะวัสดุเครื่องมือที่เหนือกว่าโบรอนไนไตรด์คือค่าการนำความร้อนสูงกว่าและค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนต่ำกว่า อย่างไรก็ตาม ปัจจัยที่กำหนดคือความสามารถในการแพร่กระจายสูงของเพชรเมื่อเทียบกับโลหะผสมที่มีเหล็กเป็นส่วนประกอบหลัก เช่น เหล็กกล้าและเหล็กหล่อ และในทางกลับกัน ความเฉื่อยของโบรอนไนไตรด์กับวัสดุเหล่านี้

ที่อุณหภูมิสูง จะสังเกตปฏิกิริยาการแพร่อย่างแอคทีฟระหว่างเพชรและโลหะผสมที่มีธาตุเหล็ก ที่อุณหภูมิต่ำกว่า

การบังคับใช้ของเพชรในอากาศมีข้อจำกัดด้านอุณหภูมิ เพชรเริ่มออกซิไดซ์ในอัตราที่เห็นได้ชัดเจนที่อุณหภูมิ 400°C ที่อุณหภูมิสูงกว่าจะเผาไหม้และปล่อยออกมา คาร์บอนไดออกไซด์- นอกจากนี้ยังจำกัดความสามารถด้านประสิทธิภาพของเครื่องมือเพชรเมื่อเปรียบเทียบกับเครื่องมือคิวบิกโบรอนไนไตรด์ การเกิดออกซิเดชันของโบรอนไนไตรด์ในอากาศที่เห็นได้ชัดเจนจะสังเกตได้หลังจากสัมผัสที่อุณหภูมิ 1200°C เป็นเวลาหนึ่งชั่วโมงเท่านั้น

ขีดจำกัดอุณหภูมิของสมรรถนะของเพชรในสภาพแวดล้อมเฉื่อยถูกจำกัดด้วยการเปลี่ยนรูปเป็นคาร์บอน - กราไฟต์ที่มีความเสถียรทางอุณหพลศาสตร์ ซึ่งเริ่มต้นเมื่อถูกความร้อนถึง 1000°C

การใช้งานเซอร์เม็ทในวงกว้างอีกประการหนึ่งคือการใช้เป็น วัสดุก่อสร้างการใช้งานที่อุณหภูมิสูงสำหรับวัตถุเทคโนโลยีใหม่

คุณสมบัติการบริการของผงคอมโพสิตที่มีเมทริกซ์โลหะนั้นพิจารณาจากคุณสมบัติของตัวเติมเป็นหลัก ดังนั้น สำหรับวัสดุคอมโพสิตชนิดผงที่มีคุณสมบัติพิเศษ การจำแนกประเภทที่พบบ่อยที่สุดคือตามพื้นที่การใช้งาน

38.1. การจำแนกประเภท

วัสดุคอมโพสิตเป็นวัสดุเสริมแรงด้วยสารตัวเติมที่จัดเรียงในลักษณะใดลักษณะหนึ่งในเมทริกซ์

การยึดติดส่วนประกอบหรือเมทริกซ์ในวัสดุคอมโพสิตอาจแตกต่างกัน - โพลีเมอร์ เซรามิก โลหะ หรือผสม ในกรณีหลังนี้ เราพูดถึงวัสดุคอมโพสิตโพลีเมทริกซ์

ตามสัณฐานวิทยาของขั้นตอนการเสริมแรง วัสดุคอมโพสิตแบ่งออกเป็น:

มิติเป็นศูนย์ (การกำหนด: 0,) หรือเสริมด้วยอนุภาคที่มีการกระจายตัวที่แตกต่างกัน กระจายแบบสุ่มในเมทริกซ์

เส้นใยมิติเดียว (สัญลักษณ์: 1) หรือเสริมด้วยเส้นใยต่อเนื่องหรือแบบไม่ต่อเนื่องทิศทางเดียว

ชั้นสองมิติ (การกำหนด: 2) หรือมีแผ่นหรือชั้นเสริมแรงที่เหมือนกัน (รูปที่ 38.1)

แอนไอโซโทรปีของวัสดุคอมโพสิตที่ "ออกแบบ" ล่วงหน้าโดยมีวัตถุประสงค์เพื่อใช้ในโครงสร้างที่เหมาะสมเรียกว่าโครงสร้าง

ขึ้นอยู่กับขนาดของขั้นตอนการเสริมแรงหรือขนาดของเซลล์เสริมแรง วัสดุคอมโพสิตจะถูกแบ่งดังนี้:

ซับไมโครคอมโพสิต (ขนาดเซลล์เสริมแรง เส้นใย หรือเส้นผ่านศูนย์กลางของอนุภาค)<С 1 мкм), например, дисперсноупрочненные сплавы или волокни­стые композиционные материалы с очень тонкими волокнами:

ไมโครคอมโพสิต (ขนาดเซลล์เสริมแรง เส้นผ่านศูนย์กลางของเส้นใย อนุภาคหรือความหนาของชั้น ^1 µm) เช่น วัสดุเสริมแรงด้วยอนุภาค เส้นใยคาร์บอน ซิลิคอนคาร์ไบด์ โบรอน ฯลฯ โลหะผสมยูเทคติกทิศทางเดียว

แมคโครคอมโพสิต (เส้นผ่านศูนย์กลางหรือความหนาของส่วนประกอบเสริมแรง -100 ไมครอน) เช่น ชิ้นส่วนที่ทำจากโลหะผสมทองแดงหรืออลูมิเนียมเสริมแรงด้วยทังสเตน ลวดเหล็ก หรือฟอยล์ แมคโครคอมโพสิตมักใช้เพื่อเพิ่มความต้านทานการสึกหรอของชิ้นส่วนเสียดสีในอุปกรณ์เทคโนโลยี

38.2. ปฏิกิริยาระหว่างพื้นผิวในวัสดุคอมโพสิต

38.2.1. ความเข้ากันได้ทางเคมีฟิสิกส์และอุณหกลของส่วนประกอบ

การรวมกันของสารที่แตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญในองค์ประกอบทางเคมีและคุณสมบัติทางกายภาพทำให้เกิดปัญหาเรื่องความเข้ากันได้ทางอุณหพลศาสตร์และจลน์ของส่วนประกอบในการพัฒนา การผลิต และการเชื่อมต่อของวัสดุคอมโพสิต ภายใต้ความกดดัน

ความเข้ากันได้แบบไดนามิกเป็นที่เข้าใจกันว่าเป็นความสามารถของเมทริกซ์และการเสริมแรงฟิลเลอร์ให้อยู่ในสภาวะสมดุลทางอุณหพลศาสตร์โดยไม่จำกัดเวลาที่อุณหภูมิการผลิตและการทำงาน วัสดุคอมโพสิตที่สร้างขึ้นเทียมเกือบทั้งหมดนั้นเข้ากันไม่ได้ทางอุณหพลศาสตร์ ข้อยกเว้นเพียงอย่างเดียวคือระบบโลหะบางระบบ (Cu-W, Cu-Mo, Ag-W) ซึ่งไม่มีปฏิกิริยาทางเคมีและการแพร่ระหว่างเฟสโดยไม่จำกัดระยะเวลาในการสัมผัส

ความเข้ากันได้ทางจลน์ศาสตร์ - ความสามารถของส่วนประกอบของวัสดุคอมโพสิตในการรักษาสมดุลที่แพร่กระจายได้ในช่วงเวลาอุณหภูมิ-เวลาที่แน่นอน ปัญหาความเข้ากันได้ทางจลน์มีสองด้าน: 1) ทางกายภาพและเคมี - รับประกันพันธะที่แข็งแกร่งระหว่างส่วนประกอบและการจำกัดกระบวนการของการละลาย การแพร่กระจายแบบเฮเทอโรและปฏิกิริยาที่ส่วนต่อประสาน ซึ่งนำไปสู่การก่อตัวของผลิตภัณฑ์อันตรกิริยาที่เปราะและการย่อยสลายของ ความแข็งแรงของขั้นตอนการเสริมแรงและวัสดุคอมโพสิตโดยรวม 2) อุณหกลศาสตร์ - บรรลุการกระจายตัวที่ดีของความเค้นภายในของแหล่งกำเนิดความร้อนและทางกลและลดระดับของมัน สร้างความมั่นใจในความสัมพันธ์ที่สมเหตุสมผลระหว่างการแข็งตัวของความเครียดของเมทริกซ์และความสามารถในการผ่อนคลายความเครียด ป้องกันการโอเวอร์โหลดและการทำลายระยะการเสริมกำลังก่อนเวลาอันควร

มีความเป็นไปได้ดังต่อไปนี้ในการปรับปรุงความเข้ากันได้ทางกายภาพและทางเคมีของเมทริกซ์โลหะด้วยสารตัวเติมเสริมแรง:

I. การพัฒนาสารตัวเติมเสริมแรงประเภทใหม่ๆ ที่ทนทานต่อการสัมผัสกับเมทริกซ์โลหะที่อุณหภูมิสูง เช่น เส้นใยเซรามิก หนวดและอนุภาคกระจายของซิลิคอนคาร์ไบด์ ไทเทเนียม เซอร์โคเนียม โบรอน อลูมิเนียมออกไซด์ เซอร์โคเนียม ซิลิคอนไนไตรด์ โบรอน ฯลฯ

II การใช้สารเคลือบกั้นบนสารตัวเติมเสริมแรง เช่น การเคลือบโลหะทนไฟ ไทเทเนียมคาร์ไบด์ แฮฟเนียม โบรอน ไทเทเนียมไนไตรด์ โบรอน อิตเทรียมออกไซด์บนเส้นใยคาร์บอน โบรอน ซิลิคอนคาร์ไบด์ การเคลือบกั้นบางประเภทบนเส้นใย ซึ่งส่วนใหญ่เป็นโลหะ ทำหน้าที่เป็นวิธีการปรับปรุงการทำให้เส้นใยเปียกโดยการหลอมแบบเมทริกซ์ ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งในการผลิตวัสดุคอมโพสิตโดยวิธีเฟสของเหลว การเคลือบดังกล่าวมักเรียกว่าเทคโนโลยี

สิ่งสำคัญไม่น้อยคือเอฟเฟกต์การทำให้เป็นพลาสติกที่ค้นพบระหว่างการประยุกต์ใช้การเคลือบทางเทคโนโลยีซึ่งแสดงออกมาในการรักษาเสถียรภาพและแม้กระทั่งเพิ่มความแข็งแรงของเส้นใย (ตัวอย่างเช่นเมื่ออะลูมิไนซ์เส้นใยโบรอนโดยการดึงพวกมันผ่านอ่างหลอมละลายหรือเมื่อทำให้เส้นใยคาร์บอนเป็นนิกเกิล ด้วยการบำบัดความร้อนในภายหลัง)

III. การใช้ในวัสดุผสมของเมทริกซ์โลหะที่เจือด้วยองค์ประกอบที่สัมพันธ์กับสารตัวเติมเสริมแรงมากกว่าโลหะเมทริกซ์ หรือใช้สารลดแรงตึงผิว การเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นในองค์ประกอบทางเคมีของส่วนต่อประสานควรป้องกันการพัฒนาปฏิสัมพันธ์ระหว่างผิว การผสมเมทริกซ์อัลลอยด์กับสารเติมแต่งที่ออกฤทธิ์ที่พื้นผิวหรือก่อรูปคาร์ไบด์ รวมถึงการใช้เทคโนโลยีการเคลือบกับเส้นใย สามารถช่วยปรับปรุงความสามารถในการเปียกของฟิลเลอร์เสริมแรงด้วย โลหะละลาย

IV. การผสมเมทริกซ์กับองค์ประกอบที่เพิ่มศักยภาพทางเคมีของสารตัวเติมเสริมแรงในโลหะผสมเมทริกซ์หรือด้วยสารเติมแต่งของวัสดุตัวเติมเสริมแรงจนถึงความเข้มข้นของความอิ่มตัวที่อุณหภูมิของการผลิตและการทำงานของวัสดุคอมโพสิต การผสมดังกล่าวป้องกันการละลายของเฟสเสริมแรงเช่น เพิ่มเสถียรภาพทางความร้อนขององค์ประกอบ

V. การสร้างวัสดุคอมโพสิต "เทียม" ที่คล้ายกับองค์ประกอบยูเทคติก "ธรรมชาติ" โดยการเลือกองค์ประกอบที่เหมาะสมของส่วนประกอบ

วี. การเลือกระยะเวลาที่เหมาะสมในการสัมผัสส่วนประกอบระหว่างกระบวนการเฉพาะสำหรับการผลิตวัสดุคอมโพสิตหรือภายใต้เงื่อนไขของการบริการ กล่าวคือ โดยคำนึงถึงอุณหภูมิและปัจจัยแรง ในด้านหนึ่ง ระยะเวลาในการสัมผัสต้องเพียงพอสำหรับการก่อตัวของการยึดเกาะกาวที่แข็งแกร่งระหว่างส่วนประกอบต่างๆ ในทางกลับกัน ไม่นำไปสู่ปฏิกิริยาทางเคมีที่รุนแรง การก่อตัวของขั้นตอนกลางที่เปราะ และความแข็งแรงของวัสดุคอมโพสิตลดลง

ความเข้ากันได้ทางอุณหกลของส่วนประกอบในวัสดุคอมโพสิตได้รับการรับรองโดย:

การเลือกเมทริกซ์อัลลอยด์และตัวเติมโดยมีความแตกต่างน้อยที่สุดในโมดูลัสยืดหยุ่น อัตราส่วนของปัวซอง และสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน

การใช้ชั้นกลางและการเคลือบในขั้นตอนการเสริมแรง การลดความแตกต่างในคุณสมบัติทางกายภาพของเมทริกซ์และเฟส

เปลี่ยนจากการเสริมแรงด้วยส่วนประกอบประเภทเดียวเป็นการเสริมแรงโพลีเช่น การผสมผสานในวัสดุคอมโพสิตเดียวของการเสริมแรงเส้นใยอนุภาคหรือชั้นที่แตกต่างกันในองค์ประกอบและคุณสมบัติทางกายภาพ

การเปลี่ยนรูปทรงของชิ้นส่วน รูปแบบ และขนาดของเหล็กเสริม สัณฐานวิทยา ขนาด และสัดส่วนปริมาตรของระยะเสริมแรง แทนที่ฟิลเลอร์ต่อเนื่องด้วยฟิลเลอร์แบบแยกส่วน

ทางเลือกของวิธีการและรูปแบบสำหรับการผลิตวัสดุคอมโพสิตที่ช่วยให้มั่นใจได้ถึงระดับความแข็งแรงพันธะของส่วนประกอบต่างๆ

38.2.2. การเสริมกำลังสารตัวเติม

เพื่อเสริมกำลังเมทริกซ์โลหะ มีการใช้ตัวเติมโมดูลัสที่มีความแข็งแรงสูง - โลหะต่อเนื่องและแยกส่วน เส้นใยอโลหะและเซรามิก เส้นใยสั้นและอนุภาค หนวด (ตาราง 38.1)

คาร์บอนไฟเบอร์เป็นหนึ่งในวัสดุเสริมแรงที่ทันสมัยและทันสมัยที่สุดในการผลิต ข้อได้เปรียบที่สำคัญของคาร์บอนไฟเบอร์คือความถ่วงจำเพาะต่ำ ค่าการนำความร้อนใกล้เคียงกับโลหะ (R = 83.7 W/(mK)) และต้นทุนค่อนข้างต่ำ

เส้นใยมีจำหน่ายในรูปแบบของเส้นใยไมโอโกฟิลาเมนต์ตรงหรือบิด ผ้าหรือริบบิ้นที่ทำจากเส้นใยเหล่านั้น เส้นผ่านศูนย์กลางของเส้นใยจะแตกต่างกันไปตั้งแต่ 2 ถึง 10 ไมครอน ขึ้นอยู่กับประเภทของวัตถุดิบ จำนวนของฟิลาไมต์ในมัด - ตั้งแต่ร้อยถึงหมื่นชิ้น

เส้นใยคาร์บอนมีความทนทานต่อสารเคมีสูงต่อสภาพบรรยากาศและกรดแร่ ความต้านทานความร้อนของเส้นใยต่ำ: อุณหภูมิการทำงานระยะยาวในอากาศไม่เกิน 300-400 °C เพื่อเพิ่มความทนทานต่อสารเคมีเมื่อสัมผัสกับโลหะ จึงมีการใช้การเคลือบกั้นของไทเทเนียมและเซอร์โคเนียมโบไรด์ ไทเทเนียมคาร์ไบด์ เซอร์โคเนียม ซิลิคอน และโลหะทนไฟบนพื้นผิวของเส้นใย

เส้นใยโบรอนเกิดจากการสะสมของโบรอนจากก๊าซผสมของไฮโดรเจนและโบรอนไตรคลอไรด์ลงบนลวดทังสเตนหรือเส้นใยคาร์บอนเดี่ยวที่ได้รับความร้อนที่อุณหภูมิ 1100-1200 °C เมื่อถูกความร้อนในอากาศ เส้นใยโบรอนจะเริ่มออกซิไดซ์ที่อุณหภูมิ 300-350 °C และที่อุณหภูมิ 600-800 °C เส้นใยจะสูญเสียความแข็งแรงไปโดยสิ้นเชิง ปฏิกิริยาเชิงรุกกับโลหะส่วนใหญ่ (Al, Mg, Ti, Fe, Ni) เริ่มต้นที่อุณหภูมิ 400-600 °C เพื่อเพิ่มความต้านทานความร้อนของเส้นใยโบรอน จึงมีการใช้ชั้นบางๆ (2-6 μm) ของซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC/B/W), โบรอนคาร์ไบด์ (B4C/B/W), โบรอนไนไตรด์ (BN/B/W) เฟสแก๊ส

เส้นใยซิลิคอนคาร์ไบด์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 100-200 ไมครอนผลิตโดยการสะสมที่อุณหภูมิ 1300 °C จากส่วนผสมไอก๊าซของซิลิคอนเตตระคลอไรด์และมีเทน เจือจางด้วยไฮโดรเจนในอัตราส่วน 1: 2: 10 บนลวดทังสเตน

เส้นใยคาร์บอน ราฟิล-HST ธอร์เนล-100 Torayka-T-ZOOA โทเรย์กะ-M-40A เส้นใยโบรอน เส้นใยซิลิคอนคาร์ไบด์ เขาไม่เซ่อ โลหะ เบริลเลียม ทังสเตน โมลิบดีนัม ไทเทเนียม เหล็ก

ตารางที่ 38.2 โลหะผสมที่ใช้เป็นเมทริกซ์ในวัสดุคอมโพสิต องค์ประกอบ % (โดยน้ำหนัก) ประเทศ - ผู้พัฒนาและ GOST คุณสมบัติของโลหะผสม อลูมิเนียม <0,3 Fe, <0,3 Si, <0,25 Mn GOST 4784-74 6.8 Mg-0.8 Mn-0.005 บี GOST 4784-74 0.4 Cu-1.2 Mg-0.8 Si-0.35 Cr GOST 4784-74 4.9 Cu-1.8 Mg-0.9 Mn GOST 4784-74 2.0 Cu-2.8 Mg-0.6 Mn-0.25 Cr GOST 4784-74 GOST 2685-75 GOST 2685-75 1 Fe-0.2 Cu-0.1 Zn 0.5 Si-0.5 Fe-4.9 Cu-0.25 Zn- 0.8 Si-0.7 Fe-0.4 Cu-0.25 Zn- 0.15 Mn-1 Mg-0.15 Ti-0.15 Cr แมกนีเซียม (7.5-9.0) อัล-0.5 Mn-(0.2-0.8) สังกะสี GOST 2856-68 (4-5) Zn-(0.6-1.1) Zr ที ไทเทเนียม (5.3-6.5)อัล-(3.5-4.5)V 5.9 อัล-5.5 วี-5.5 โม-2.0 Cr- นิกเกิล (19-22) Cr-(0.15-0.35) Ti 25 Cr-(13-16) W- (0.3-0.7) Ti (4-5) โค-12 Cr-4 โม-5 W- 3 Ti-6 อัล-2 เฟ

หรือเส้นใยคาร์บอนพิทช์ ตัวอย่างเส้นใยที่ดีที่สุดมีความแข็งแรง 3000-4000 MPa ที่ 1100 °C

เส้นใยซิลิคอนคาร์ไบด์แบบไม่มีคอร์ในรูปแบบของมัดหลายเส้นใยที่ได้มาจากออร์กาโนไซเลนเหลวโดยการวาดและไพโรไลซิส ประกอบด้วยผลึก f)-SiC ที่ละเอียดมาก

เส้นใยโลหะผลิตในรูปของลวดที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 0.13 0.25 และ 0.5 มม. เส้นใยที่ทำจากเหล็กที่มีความแข็งแรงสูงและโลหะผสมเบริลเลียมมีจุดประสงค์เพื่อเสริมเมทริกซ์ที่ทำจากโลหะผสมเบาและไทเทเนียมเป็นหลัก เส้นใยจากโลหะทนไฟที่ผสมกับรีเนียม ไทเทเนียม ออกไซด์ และเฟสคาร์ไบด์ ถูกนำมาใช้เพื่อเสริมความแข็งแกร่งให้กับนิกเกิล-โครเมียม ไทเทเนียม และโลหะผสมอื่นๆ ที่ทนความร้อน

หนวดที่ใช้ในการเสริมแรงอาจเป็นโลหะหรือเซรามิก โครงสร้างของผลึกดังกล่าวเป็นแบบโมโนคริสตัลไลน์ โดยปกติแล้วเส้นผ่านศูนย์กลางจะสูงถึง 10 ไมครอน โดยมีอัตราส่วนความยาวต่อเส้นผ่านศูนย์กลาง 20-100 หนวดได้มาโดยวิธีการต่างๆ: การเติบโตจากการเคลือบ การสะสมด้วยไฟฟ้า การสะสมจากสภาพแวดล้อมไอระเหยก๊าซ การตกผลึก จากเฟสก๊าซผ่านเฟสของเหลว โดยกลไกไอ-ของเหลว-คริสตัล ไพโรไลซิส การตกผลึกจากสารละลายอิ่มตัว เครื่องใน

38.2.3. โลหะผสมเมทริกซ์

ในวัสดุคอมโพสิตโลหะ เมทริกซ์ส่วนใหญ่จะใช้จากโลหะผสมที่ขึ้นรูปและหล่อเบาของอลูมิเนียมและแมกนีเซียม เช่นเดียวกับโลหะผสมของทองแดง นิกเกิล โคบอลต์ สังกะสี ดีบุก ตะกั่ว และเงิน นิกเกิล-โครเมียมทนความร้อน, ไทเทเนียม, เซอร์โคเนียม, โลหะผสมวานาเดียม; โลหะผสมของโลหะทนไฟ โครเมียม และไนโอเบียม (ตารางที่ 38 2)

38.2.4. ประเภทของพันธะและโครงสร้างส่วนต่อประสานในวัสดุคอมโพสิต

วิธีการและโหมดในการรับวัสดุคอมโพสิตข้ามอินเทอร์เฟซ ขึ้นอยู่กับวัสดุตัวเติมและเมทริกซ์ มีการใช้พันธะหกประเภท (ตารางที่ 38.3) พันธะที่แข็งแกร่งที่สุดระหว่างส่วนประกอบในองค์ประกอบกับเมทริกซ์โลหะนั้นได้มาจากปฏิกิริยาทางเคมี พันธะประเภททั่วไปถูกผสมกัน แสดงโดยสารละลายของแข็งและเฟสระหว่างโลหะ (เช่น องค์ประกอบ "เส้นใยอะลูมิเนียม-โบรอน" ที่ได้จากการหล่อแบบต่อเนื่อง) หรือสารละลายของแข็ง เฟสระหว่างโลหะและออกไซด์ (องค์ประกอบเดียวกันที่ได้จากการกดพลาสมากึ่ง - ผลิตภัณฑ์สำเร็จรูป) ฯลฯ

38.3. วิธีการผลิตวัสดุคอมโพสิต

เทคโนโลยีสำหรับการผลิตวัสดุคอมโพสิตโลหะนั้นพิจารณาจากการออกแบบผลิตภัณฑ์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งหากมีรูปร่างที่ซับซ้อนและต้องมีการเตรียมข้อต่อโดยการเชื่อม การบัดกรี การติดกาวหรือการตอกหมุด และตามกฎแล้วเป็นแบบหลายขั้นตอน

พื้นฐานองค์ประกอบสำหรับการผลิตชิ้นส่วนหรือผลิตภัณฑ์กึ่งสำเร็จรูป (แผ่น ท่อ โปรไฟล์) จากวัสดุคอมโพสิตส่วนใหญ่มักเรียกว่าพรีเพกหรือเทปที่มีฟิลเลอร์เสริมแรงหนึ่งชั้น ชุบหรือเคลือบด้วยโลหะผสมเมทริกซ์ สายพ่วงไฟเบอร์ที่ชุบด้วยโลหะหรือเส้นใยเดี่ยวที่เคลือบด้วยโลหะผสมเมทริกซ์

ประเภทของพันธะตามพื้นผิวส่วนต่อประสานในวัสดุคอมโพสิต ประเภทของการสื่อสาร การเชื่อมต่อทางกลระหว่างส่วนประกอบ การละลายการทำให้เปียก การก่อตัวของเฟสใหม่ที่ส่วนต่อประสานอันเป็นผลมาจากปฏิกิริยาทางเคมีระหว่างส่วนประกอบ แลกเปลี่ยนปฏิกิริยาเคมีระหว่างส่วนประกอบต่างๆ การสื่อสารผ่านออกไซด์ การสื่อสารแบบผสมผสาน หรือการสื่อสารประเภทต่างๆ รวมกัน ไฟเบอร์กลาส เมทริกซ์คาร์บอนไฟเบอร์-โพลีเมอร์ ละลายทองแดง - เส้นใยทังสเตน ปฏิสัมพันธ์ของ tigaia กับเส้นใยโบรอน Ti+2B-»-TiBa ปฏิกิริยาระหว่างเมทริกซ์โลหะผสมไทเทเนียมที่ประกอบด้วยอะลูมิเนียมกับเส้นใยโบรอน: Ti (Al)-j-2B-4Ti, Al) B2 Ti-HTi, Al) Ba-»TiBa+Ti (Al) การก่อตัวของสปิเนลที่ส่วนต่อระหว่างเส้นใยแซฟไฟร์และเมทริกซ์นิกเกิล Nt0+Ala03 NiAla04 ปฏิกิริยาระหว่างเส้นใยโบรอนกับการหลอมของอลูมิเนียม: ทำให้เปียก การก่อตัวของสารละลาย A1 (B) การก่อตัวของผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยาในรูปแบบของเฟสแยก A1B1a, A1Byu, A1Ba

ชิ้นส่วนและผลิตภัณฑ์กึ่งสำเร็จรูปได้มาจากการรวม (อัดแน่น) พรีเพกดั้งเดิมโดยใช้วิธีการชุบ การอัดร้อน การรีด หรือการวาดแพ็คเกจพรีเพก บางครั้งทั้งพรีเพกและผลิตภัณฑ์ที่ทำจากวัสดุคอมโพสิตได้รับการผลิตโดยใช้วิธีการเดียวกัน เช่น การใช้ผงหรือการหล่อ แต่ภายใต้โหมดที่ต่างกันและในขั้นตอนทางเทคโนโลยีที่ต่างกัน

วิธีการผลิตพรีเพก ผลิตภัณฑ์กึ่งสำเร็จรูป และผลิตภัณฑ์จากวัสดุคอมโพสิตที่มีเมทริกซ์โลหะ แบ่งได้เป็น 5 กลุ่มหลัก ได้แก่ 1) เฟสไอ-แก๊ส 2) เฟสไอ-แก๊ส 2) เฟสไอ-แก๊ส 2) เฟสไอ-แก๊ส 2) เฟสไอ-แก๊ส 2) เฟสไอ-แก๊ส 2) เฟสไอ-แก๊ส 2) เคมีและเคมีไฟฟ้า 3) เฟสของเหลว; 4) เฟสของแข็ง; 5) เฟสของแข็งและของเหลว

38.4. คุณสมบัติของวัสดุคอมโพสิตเมทริกซ์โลหะ

วัสดุคอมโพสิตที่มีเมทริกซ์โลหะมีข้อได้เปรียบที่ไม่อาจปฏิเสธได้เหนือวัสดุโครงสร้างอื่นๆ ที่มีไว้สำหรับใช้ในสภาวะที่รุนแรง ข้อดีเหล่านี้ได้แก่: มีความแข็งแรงสูงและ... ความแข็งแกร่งรวมกับความเหนียวแตกหักสูง ความแข็งแรงและความแข็งแกร่งจำเพาะสูง (อัตราส่วนของความต้านทานแรงดึงและโมดูลัสยืดหยุ่นต่อความถ่วงจำเพาะของ a/y และ E/y) ขีดจำกัดความเหนื่อยล้าสูง ทนความร้อนสูง ความไวต่ำต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลัน ต่อข้อบกพร่องที่พื้นผิว คุณสมบัติการหน่วงสูง การนำไฟฟ้าและความร้อน ความสามารถในการผลิตในการออกแบบ การประมวลผล และการเชื่อมต่อ (ตารางที่ 38 4)

วัสดุคอมโพสิตที่มีเมทริกซ์โลหะเปรียบเทียบกับวัสดุโครงสร้างโลหะที่ดีที่สุด

ตารางที่ 385

คุณสมบัติทางกลของวัสดุคอมโพสิตที่มีเมทริกซ์โลหะ องค์ประกอบ เครื่องกล คุณสมบัติ การรับ อลูมิเนียมอัลลอยด์ - เส้นใย, ลวด, NK ADM2H18Н10Т กลิ้ง AMg6-12X18NDT การกด การแพร่กระจาย เชื่อมเหมือนกัน A1-7% Mg-ทอร์เนล 75 การทำให้ชุ่ม อัล-12% ไซ-ทอร์เนล 50 กดเหมือนกัน แมกนีเซียมอัลลอยด์-ฟิลเลอร์ Mg-B การทำให้ชุ่ม ต่อเนื่อง การหล่อแบบแพร่กระจาย การเชื่อมทำให้มีขึ้น

ในกรณีที่ไม่มีข้อกำหนดพิเศษสำหรับวัสดุที่เกี่ยวข้องกับการนำความร้อน การนำไฟฟ้า ความต้านทานต่อความเย็น และคุณสมบัติอื่น ๆ ช่วงอุณหภูมิการทำงานของวัสดุคอมโพสิตจะถูกกำหนดดังนี้:<250 °С - для материалов с полимерными матрицами; >1,000 °C - สำหรับวัสดุที่มีเมทริกซ์เซรามิก วัสดุคอมโพสิตที่มีเมทริกซ์โลหะครอบคลุมขีดจำกัดเหล่านี้

ลักษณะความแข็งแรงของวัสดุคอมโพสิตบางชนิดแสดงไว้ในตารางที่ 38 5

การเชื่อมต่อประเภทหลักของวัสดุคอมโพสิตในปัจจุบัน ได้แก่ การยึดด้วยสลักเกลียว หมุดย้ำ กาว การเชื่อมต่อโดยการบัดกรีและการเชื่อม และการเชื่อมต่อโดยการบัดกรีและการเชื่อมมีแนวโน้มที่ดีเป็นพิเศษ เนื่องจากสิ่งเหล่านี้เปิดโอกาสให้ตระหนักถึงคุณสมบัติเฉพาะของคอมโพสิตได้อย่างเต็มที่ วัสดุในโครงสร้าง แต่การใช้งานถือเป็นงานทางวิทยาศาสตร์และทางเทคนิคที่ซับซ้อน และในหลายกรณียังไม่ได้ออกจากขั้นตอนการทดลอง

38.5. ปัญหาความสามารถในการเชื่อมของวัสดุคอมโพสิต

ถ้าโดยความสามารถในการเชื่อม เราหมายถึงความสามารถของวัสดุในการสร้างรอยต่อเชื่อมที่ไม่ด้อยกว่าในด้านคุณสมบัติของวัสดุ วัสดุคอมโพสิตที่มีเมทริกซ์โลหะ โดยเฉพาะส่วนที่เป็นเส้นใย ควรจัดประเภทเป็นวัสดุที่เชื่อมยาก มีสาเหตุหลายประการสำหรับเรื่องนี้

I. วิธีการเชื่อมและการบัดกรีเกี่ยวข้องกับการเชื่อมวัสดุคอมโพสิตบนเมทริกซ์โลหะ สารตัวเติมเสริมแรงในตะเข็บที่เชื่อมหรือประสานนั้นขาดหายไปโดยสิ้นเชิง (เช่น ในรอยเชื่อมชนที่อยู่ขวางกับทิศทางของการเสริมแรงในวัสดุคอมโพสิตที่เป็นเส้นใยหรือเป็นชั้น) หรือมีอยู่ในเศษส่วนปริมาตรที่ลดลง (เมื่อเชื่อมวัสดุที่มีการกระจายตัวเสริมแรงด้วย ลวดที่มีเฟสเสริมแรงแบบแยกส่วน) หรือมีการละเมิดความต่อเนื่องและทิศทางของการเสริมแรง (ตัวอย่างเช่นระหว่างการเชื่อมแบบแพร่กระจายขององค์ประกอบเส้นใยข้ามทิศทางของการเสริมแรง) ดังนั้นรอยเชื่อมหรือบัดกรีจึงเป็นพื้นที่ที่อ่อนแอของโครงสร้างวัสดุคอมโพสิตซึ่งต้องพิจารณาเมื่อออกแบบและเตรียมรอยต่อสำหรับการเชื่อม ในวรรณคดี มีข้อเสนอสำหรับการเชื่อมส่วนประกอบองค์ประกอบโดยอัตโนมัติเพื่อรักษาความต่อเนื่องของการเสริมแรง (ตัวอย่างเช่น การเชื่อมด้วยแรงดันของเส้นใยทังสเตนในองค์ประกอบทองแดงทังสเตน) อย่างไรก็ตาม การเชื่อมชนอัตโนมัติของวัสดุคอมโพสิตที่เป็นเส้นใยจำเป็นต้องมีการเตรียมขอบเป็นพิเศษ ยึดมั่นอย่างเคร่งครัดกับระยะเสริมแรงและเหมาะสำหรับวัสดุที่เสริมเส้นใยโลหะเท่านั้น ข้อเสนออีกประการหนึ่งคือการเตรียมข้อต่อชนด้วยเส้นใยที่ทับซ้อนกันเกินความยาววิกฤติ แต่สิ่งนี้ทำให้เกิดปัญหาในการเติมข้อต่อด้วยวัสดุเมทริกซ์ และรับประกันการยึดเกาะที่แข็งแกร่งที่ส่วนต่อประสานของไฟเบอร์-เมทริกซ์

ครั้งที่สอง สะดวกในการพิจารณาอิทธิพลของการให้ความร้อนในการเชื่อมต่อการพัฒนาปฏิกิริยาเคมีกายภาพในวัสดุคอมโพสิตโดยใช้ตัวอย่างของการเชื่อมต่อที่เกิดขึ้นเมื่อส่วนโค้งละลายวัสดุเส้นใยในทิศทางของการเสริมแรง (รูปที่ 38.2) หากโลหะเมทริกซ์ไม่มีความหลากหลาย (เช่น Al, Mg, Cu, Ni เป็นต้น) ก็สามารถแยกแยะโซนหลักได้ 4 โซนในข้อต่อ: 1 - โซนที่ให้ความร้อนกับอุณหภูมิส่งคืนเมทริกซ์ (โดยการเปรียบเทียบกับการเชื่อมของ วัสดุที่เป็นเนื้อเดียวกันเราจะเรียกโซนนี้ว่าเป็นวัสดุหลัก) 2 - โซนถูกจำกัดโดยอุณหภูมิของการส่งคืนและการตกผลึกใหม่ของโลหะเมทริกซ์ (โซนการส่งคืน) 3 โซน,

ถูกจำกัดด้วยอุณหภูมิของการตกผลึกซ้ำและการหลอมละลายของเมทริกซ์ (โซนการตกผลึกซ้ำ) 4 - โซนความร้อนเหนืออุณหภูมิหลอมเหลวของเมทริกซ์ (เรียกว่าโซนนี้ว่าการเชื่อม) หากเมทริกซ์ในวัสดุคอมโพสิตเป็นโลหะผสมของ Ti, Zr, Fe และโลหะอื่นๆ ที่มีการแปลงแบบโพลีมอร์ฟิก โซนย่อยที่มีการตกผลึกใหม่ในเฟสทั้งหมดหรือบางส่วนจะปรากฏในโซน 3 แต่สำหรับการพิจารณานี้ ประเด็นนี้ไม่มีนัยสำคัญ

การเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติของวัสดุคอมโพสิตเริ่มต้นในโซน 2 ในที่นี้ กระบวนการนำกลับมาใช้ใหม่จะขจัดความเครียดที่แข็งตัวของเมทริกซ์ที่เกิดขึ้นระหว่างการบดอัดในสถานะของแข็งของวัสดุคอมโพสิต (ในองค์ประกอบที่ได้รับโดยวิธีเฟสของเหลว จะไม่มีการสังเกตการอ่อนตัวในสิ่งนี้ โซน).

ในโซน 3 การตกผลึกใหม่และการเติบโตของเม็ดโลหะเมทริกซ์จะเกิดขึ้น เนื่องจากการเคลื่อนที่แบบแพร่กระจายของอะตอมเมทริกซ์ การพัฒนาปฏิสัมพันธ์ระหว่างเฟสซึ่งเริ่มต้นในกระบวนการผลิตวัสดุคอมโพสิตจึงเป็นไปได้ ความหนาของชั้นที่เปราะเพิ่มขึ้นและคุณสมบัติของวัสดุคอมโพสิตโดยรวมลดลง เมื่อวัสดุเชื่อมฟิวชั่น
เมื่อได้รับโดยวิธีการบดอัดเฟสของแข็งของผงหรือพรีเพรกด้วยผงหรือเมทริกซ์ที่พ่น จะมีความพรุนเกิดขึ้นตามขอบเขตฟิวชันและขอบเขตระหว่างเฟสที่อยู่ติดกัน ซึ่งไม่เพียงแต่ทำให้คุณสมบัติด้านความแข็งแรงลดลงเท่านั้น แต่ยังรวมถึงความหนาแน่นของรอยเชื่อมด้วย

ในโซน 4 (รอยเชื่อม) สามารถแยกแยะได้ 3 ส่วน:

ส่วนที่ 4" ซึ่งอยู่ติดกับแกนของแนวเชื่อม ซึ่งเนื่องจากความร้อนสูงเกินไปอย่างแรงภายใต้ส่วนโค้งของเมทริกซ์โลหะหลอมเหลว และระยะเวลาที่ยาวที่สุดของโลหะที่อยู่ในสถานะหลอมเหลว จะทำให้เฟสเสริมแรงละลายโดยสมบูรณ์

ส่วนที่ 4" มีลักษณะพิเศษคืออุณหภูมิความร้อนที่ต่ำกว่าของวัสดุหลอมและระยะเวลาสัมผัสที่สั้นกว่าของเฟสเสริมแรงกับของหลอม ในขั้นตอนนี้ละลายเพียงบางส่วนในการหลอม (เช่น เส้นผ่านศูนย์กลางของเส้นใยลดลง โพรงจะปรากฏขึ้น บนพื้นผิว ทิศทางเดียวของการเสริมแรงถูกรบกวน);

ส่วนที่ 4"" ซึ่งไม่มีการเปลี่ยนแปลงที่เห็นได้ชัดเจนในขนาดของเฟสการเสริมแรง แต่มีปฏิกิริยาโต้ตอบอย่างเข้มข้นกับการหลอมละลายเกิดขึ้น ชั้นหรือเกาะของผลิตภัณฑ์อันตรกิริยาที่เปราะจะเกิดขึ้น และความแข็งแรงของเฟสการเสริมแรงลดลง เป็นผลให้โซน 4 กลายเป็นโซนที่สร้างความเสียหายสูงสุดให้กับวัสดุคอมโพสิตระหว่างการเชื่อม

III. เนื่องจากความแตกต่างในการขยายตัวทางความร้อนของวัสดุเมทริกซ์และระยะการเสริมแรงในรอยต่อแบบเชื่อมของวัสดุคอมโพสิต ทำให้เกิดความเค้นเทอร์โมอิลาสติกเพิ่มเติม ทำให้เกิดข้อบกพร่องต่างๆ: การแตกร้าว การทำลายระยะการเสริมแรงแบบเปราะในโซนที่ได้รับความร้อนมากที่สุด 4 ของข้อต่อ การแยกส่วนตามขอบเขตระหว่างเฟสในโซน 3

เพื่อให้มั่นใจถึงคุณสมบัติสูงของรอยเชื่อมของวัสดุคอมโพสิต ขอแนะนำดังต่อไปนี้

ประการแรก ในบรรดาวิธีการเชื่อมที่เป็นที่รู้จัก ควรให้ความสำคัญกับวิธีการเชื่อมแบบโซลิดเฟส ซึ่งเนื่องจากพลังงานที่ป้อนเข้าน้อยกว่า จึงทำให้คุณสมบัติของส่วนประกอบในโซนรอยต่อเสื่อมลงได้น้อยที่สุด

ประการที่สอง ต้องเลือกโหมดการเชื่อมด้วยแรงดันเพื่อป้องกันการเคลื่อนตัวหรือการบดอัดของส่วนประกอบเสริมแรง

ประการที่สาม เมื่อควรเลือกวัสดุคอมโพสิตการเชื่อมฟิวชั่น วิธีการและโหมดเพื่อให้แน่ใจว่าความร้อนจะเข้าสู่บริเวณรอยต่อน้อยที่สุด

ประการที่สี่ การเชื่อมฟิวชั่นควรได้รับการแนะนำสำหรับการเข้าร่วมวัสดุคอมโพสิตกับส่วนประกอบที่เข้ากันได้กับอุณหพลศาสตร์ เช่น ทองแดง-ทังสเตน ทองแดง-โมลิบดีนัม ทังสเตนเงิน หรือเสริมด้วยสารตัวเติมทนความร้อน เช่น เส้นใยซิลิกอนคาร์ไบด์ หรือสารตัวเติมที่มีสารเคลือบกั้น เช่น เส้นใยโบรอนที่เคลือบด้วยโบรอนคาร์ไบด์หรือเคลือบซิลิกอนคาร์ไบด์

ประการที่ห้า อิเล็กโทรดหรือวัสดุตัวเติมหรือวัสดุของปะเก็นกลางสำหรับการเชื่อมฟิวชั่นหรือการบัดกรีจะต้องมีสารเติมแต่งอัลลอยด์ที่จำกัดการละลายของส่วนประกอบเสริมแรงและการก่อตัวของผลิตภัณฑ์ที่เปราะของปฏิกิริยาระหว่างผิวในระหว่างกระบวนการเชื่อมและระหว่างการดำเนินการภายหลังของการเชื่อม หน่วย

38.5.1. การเชื่อมวัสดุคอมโพสิต

วัสดุคอมโพสิตที่เป็นเส้นใยและลามิเนตมักถูกนำมาต่อกันในลักษณะที่มีการขัดถู อัตราส่วนของความยาวของพื้นต่อความหนาของวัสดุมักจะเกิน 20 การเชื่อมต่อดังกล่าวสามารถเสริมให้แข็งแกร่งยิ่งขึ้นด้วยการเชื่อมต่อแบบตรึงหรือแบบเกลียว นอกจากข้อต่อตักแล้ว ยังสามารถสร้างข้อต่อแบบชนและมุมในทิศทางของการเสริมแรง และโดยทั่วไปน้อยกว่า ก็คือการเชื่อมข้ามทิศทางของการเสริมแรง ในกรณีแรกด้วยการเลือกวิธีการและโหมดการเชื่อมหรือการบัดกรีที่ถูกต้องจึงเป็นไปได้ที่จะได้ความแข็งแรงของการเชื่อมต่อที่เท่ากัน ในกรณีที่สอง ความแรงของการเชื่อมต่อมักจะไม่เกินความแข็งแรงของวัสดุเมทริกซ์

วัสดุคอมโพสิตที่เสริมด้วยอนุภาค เส้นใยสั้น และหนวดจะถูกเชื่อมโดยใช้เทคนิคเดียวกับโลหะผสมหรือวัสดุที่เป็นผงที่ทำให้แข็งตัวด้วยการตกตะกอน ในกรณีนี้ ความแข็งแรงที่เท่ากันของรอยเชื่อมกับวัสดุฐานสามารถทำได้โดยมีเงื่อนไขว่าวัสดุคอมโพสิตผลิตขึ้นโดยใช้เทคโนโลยีเฟสของเหลว เสริมด้วยสารตัวเติมทนความร้อน และเมื่อเลือกโหมดการเชื่อมและวัสดุการเชื่อมที่เหมาะสม ในบางกรณี อิเล็กโทรดหรือวัสดุตัวเติมอาจมีองค์ประกอบคล้ายหรือคล้ายกันกับวัสดุฐาน

38.5.2. การเชื่อมอาร์กป้องกันแก๊ส

วิธีการนี้ใช้สำหรับการเชื่อมฟิวชั่นของวัสดุคอมโพสิตที่มีเมทริกซ์ของโลหะและโลหะผสมที่ออกฤทธิ์ทางเคมี (อะลูมิเนียม แมกนีเซียม ไทเทเนียม นิกเกิล โครเมียม) การเชื่อมจะดำเนินการโดยใช้อิเล็กโทรดที่ไม่สิ้นเปลืองในบรรยากาศอาร์กอนหรือผสมกับฮีเลียม เพื่อควบคุมผลกระทบทางความร้อนของการเชื่อมบนวัสดุ ขอแนะนำให้ใช้ส่วนโค้งแบบพัลซิ่ง ส่วนโค้งที่ถูกบีบอัด หรือส่วนโค้งสามเฟส

เพื่อเพิ่มความแข็งแรงของข้อต่อขอแนะนำให้ทำตะเข็บด้วยอิเล็กโทรดคอมโพสิตหรือลวดตัวเติมที่มีปริมาณปริมาตรของเฟสเสริมแรง 15-20% เส้นใยสั้นของโบรอน แซฟไฟร์ ไนไตรด์ หรือซิลิคอนคาร์ไบด์ถูกใช้เป็นเฟสเสริมแรง

38.5.3. การเชื่อมลำแสงอิเล็กตรอน

ข้อดีของวิธีนี้คือการไม่มีการเกิดออกซิเดชันของโลหะหลอมเหลวและตัวเติมเสริมแรง, การกำจัดแก๊สแบบสุญญากาศของโลหะในบริเวณการเชื่อม, ความเข้มข้นของพลังงานสูงในลำแสงซึ่งทำให้สามารถรับข้อต่อที่มีความกว้างของการหลอมขั้นต่ำได้ โซนและโซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อน ข้อได้เปรียบอย่างหลังมีความสำคัญอย่างยิ่งเมื่อทำการเชื่อมต่อวัสดุไฟเบอร์คอมโพสิตในทิศทางของการเสริมแรง ด้วยการเตรียมข้อต่อแบบพิเศษ จึงสามารถเชื่อมโดยใช้ฟิลเลอร์สเปเซอร์ได้

38.5.4. การเชื่อมจุดต้านทาน

การมีเฟสเสริมแรงในวัสดุคอมโพสิตจะช่วยลดการนำความร้อนและไฟฟ้าเมื่อเทียบกับวัสดุเมทริกซ์ และป้องกันการก่อตัวของแกนหล่อ ผลลัพธ์ที่น่าพอใจได้รับเมื่อทำการเชื่อมจุดวัสดุคอมโพสิตแผ่นบางกับชั้นหุ้ม เมื่อเชื่อมแผ่นที่มีความหนาต่างๆ หรือแผ่นคอมโพสิตกับแผ่นโลหะที่เป็นเนื้อเดียวกัน เพื่อนำแกนของจุดเชื่อมเข้าไปในระนาบที่สัมผัสกันของแผ่น และปรับสมดุลความแตกต่างในค่าการนำไฟฟ้าของวัสดุ ให้เลือกอิเล็กโทรดที่มีค่าการนำไฟฟ้าต่างกัน การบีบอัดโซนรอบนอก เปลี่ยนเส้นผ่านศูนย์กลางและรัศมีความโค้งของอิเล็กโทรด และชั้นหุ้มความหนา ให้ใช้ปะเก็นเพิ่มเติม

ความแข็งแรงเฉลี่ยของจุดเชื่อมเมื่อเชื่อมแผ่นอลูมิเนียมเสริมโบรอนโมโนแอกเชียลที่มีความหนา 0.5 มม. (โดยมีเศษส่วนปริมาตรของเส้นใย 50%) คือ 90% ของความแข็งแรงของโบรอน-อลูมิเนียมของส่วนที่เทียบเท่า ความแข็งแรงของรอยต่อของแผ่นอะลูมิเนียมโบราที่มีการเสริมแรงแบบขวางจะสูงกว่าความแข็งแรงของรอยต่อของแผ่นที่มีการเสริมแรงตามแนวแกนเดียว

38.5.5. การเชื่อมแบบกระจาย

กระบวนการนี้ดำเนินการที่แรงดันสูงโดยไม่ต้องใช้บัดกรี ดังนั้น ชิ้นส่วนอะลูมิเนียมโบรอนที่จะนำมาต่อจะถูกให้ความร้อนในการรีทอร์ตแบบปิดผนึกจนถึงอุณหภูมิ 480 °C ที่ความดันสูงถึง 20 MPa และคงไว้ภายใต้สภาวะเหล่านี้เป็นเวลา 30-90 นาที กระบวนการทางเทคโนโลยีของการเชื่อมจุดต้านทานการแพร่กระจายของโบราอลูมิเนียมกับไทเทเนียมแทบจะไม่แตกต่างจากการเชื่อมจุดฟิวชั่น ข้อแตกต่างคือเลือกโหมดการเชื่อมและรูปร่างของอิเล็กโทรดเพื่อให้อุณหภูมิความร้อนของเมทริกซ์อลูมิเนียมใกล้เคียงกับอุณหภูมิหลอมเหลว แต่ต่ำกว่านั้น เป็นผลให้เกิดโซนการแพร่กระจายที่มีความหนา 0.13 ถึง 0.25 ไมครอนที่จุดที่สัมผัสกัน

ชิ้นงานที่เชื่อมแบบตักโดยการเชื่อมแบบจุดกระจาย เมื่อทดสอบด้วยแรงดึงในช่วงอุณหภูมิ 20-120 °C จะถูกทำลายไปตามวัสดุฐานโดยมีการฉีกขาดไปตามเส้นใย ที่อุณหภูมิ 315 °C ตัวอย่างจะถูกทำลายโดยแรงเฉือนที่ข้อต่อ

38.5.6. การเชื่อมแบบกดลิ่ม

ในการเชื่อมต่อปลายที่ทำจากโลหะผสมโครงสร้างทั่วไปกับท่อหรือตัวเครื่องที่ทำจากวัสดุคอมโพสิต วิธีการได้รับการพัฒนาสำหรับการเชื่อมโลหะที่แตกต่างกันซึ่งมีความแข็งแตกต่างกันอย่างมาก ซึ่งสามารถเรียกว่าการกดไมโครลิ่ม แรงดันกดเกิดขึ้นเนื่องจากความเครียดจากความร้อนที่เกิดขึ้นเมื่อให้ความร้อนแก่แมนเดรลและที่จับของอุปกรณ์เชื่อมแบบเทอร์โมคอมเพรสชัน ซึ่งทำจากวัสดุที่มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน (TE) ที่แตกต่างกัน องค์ประกอบสิ้นสุดบนพื้นผิวสัมผัสที่ใช้เกลียวลิ่มจะประกอบเข้ากับท่อที่ทำจากวัสดุคอมโพสิตรวมทั้งแมนเดรลและที่ยึด อุปกรณ์ที่ประกอบจะถูกให้ความร้อนในสภาพแวดล้อมการป้องกันจนถึงอุณหภูมิ 0.7-0.9 จากจุดหลอมเหลวของโลหะที่หลอมละลายได้มากที่สุด ด้ามยึดมี CTE สูงกว่าด้ามจับ ในระหว่างกระบวนการให้ความร้อน ระยะห่างระหว่างพื้นผิวการทำงานของแมนเดรลและตัวจับยึดจะลดลง และส่วนที่ยื่นออกมา (“เวดจ์”) ของเกลียวบนส่วนปลายจะถูกกดลงในชั้นหุ้มของท่อ ความแข็งแรงของการเชื่อมต่อโซลิดเฟสไม่ต่ำกว่าความแข็งแรงของเมทริกซ์หรือโลหะหุ้ม

38.5.7. การเชื่อมด้วยการระเบิด

การเชื่อมด้วยระเบิดใช้ในการเชื่อมแผ่น โปรไฟล์ และท่อที่ทำจากวัสดุคอมโพสิตโลหะที่เสริมด้วยเส้นใยโลหะหรือชั้นที่มีคุณสมบัติพลาสติกสูงเพียงพอเพื่อหลีกเลี่ยงการบดอัดของขั้นตอนการเสริมแรง เช่นเดียวกับการเชื่อมวัสดุคอมโพสิตด้วยเหล็กค้ำยันที่ทำจากโลหะและโลหะผสมต่างๆ . ความแข็งแรงของข้อต่อมักจะเท่ากับหรือสูงกว่า (เนื่องจากการแข็งตัวของความเครียด) มากกว่าความแข็งแรงของวัสดุเมทริกซ์ที่มีความแข็งแรงน้อยที่สุดที่ใช้ในชิ้นส่วนที่เชื่อมต่อ เพื่อเพิ่มความแข็งแรงของข้อต่อจึงใช้ปะเก็นกลางที่ทำจากวัสดุอื่น

มักจะไม่มีรูขุมขนหรือรอยแตกในข้อต่อ พื้นที่หลอมละลายในเขตเปลี่ยนผ่าน โดยเฉพาะอย่างยิ่งในระหว่างการระเบิดของโลหะที่ไม่เหมือนกัน เป็นของผสมของเฟสประเภทยูเทคติก

38.6. การบัดกรีวัสดุคอมโพสิต

กระบวนการบัดกรีมีแนวโน้มที่ดีอย่างมากในการต่อวัสดุคอมโพสิต เนื่องจากสามารถดำเนินการได้ที่อุณหภูมิที่ไม่ส่งผลกระทบต่อสารตัวเติมเสริมแรง และไม่ก่อให้เกิดการพัฒนาปฏิสัมพันธ์ระหว่างผิว

การบัดกรีดำเนินการโดยใช้เทคนิคทั่วไป เช่น การแช่ในการบัดกรีหรือในเตาอบ คำถามเกี่ยวกับคุณภาพของการเตรียมพื้นผิวสำหรับการบัดกรีมีความสำคัญมาก ข้อต่อที่ทำด้วยลวดบัดกรีแบบประสานโดยใช้ฟลักซ์นั้นไวต่อการกัดกร่อน ดังนั้นฟลักซ์จะต้องถูกกำจัดออกจากบริเวณรอยต่อทั้งหมด

การบัดกรีด้วยบัดกรีแข็งและอ่อน

มีตัวเลือกมากมายสำหรับการบัดกรีอะลูมิเนียมโบรอนที่ได้รับการพัฒนา มีการทดสอบการบัดกรีสำหรับการบัดกรีที่อุณหภูมิต่ำ แนะนำให้ใช้การบัดกรีองค์ประกอบ 55% Cd -45% Ag, 95% Cd -5% Ag, 82.5% Cd-17.5% Zn สำหรับชิ้นส่วนที่ทำงานที่อุณหภูมิไม่สูงกว่า 90 °C; องค์ประกอบบัดกรี 95% Zn - 5% Al - สำหรับอุณหภูมิใช้งานสูงถึง 315 °C เพื่อปรับปรุงการเปียกและการแพร่กระจายของโลหะบัดกรี จึงมีการใช้ชั้นนิกเกิลหนา 50 ไมครอนลงบนพื้นผิวที่จะเชื่อม การบัดกรีที่อุณหภูมิสูงดำเนินการโดยใช้การบัดกรียูเทคติกของระบบอลูมิเนียม - ซิลิคอนที่อุณหภูมิประมาณ 575-615 ° C ควรรักษาเวลาในการบัดกรีให้น้อยที่สุดเนื่องจากมีความเสี่ยงที่ความแข็งแรงของเส้นใยโบรอนจะเสื่อมลง

ปัญหาหลักในการบัดกรีองค์ประกอบคาร์บอน - อลูมิเนียมทั้งซึ่งกันและกันและกับโลหะผสมอลูมิเนียมนั้นสัมพันธ์กับความสามารถในการเปียกขององค์ประกอบคาร์บอน - อลูมิเนียมที่มีการบัดกรีได้ไม่ดี สารบัดกรีที่ดีที่สุดคือโลหะผสม 718 (A1-12% Si) หรือชั้นฟอยล์สลับจากโลหะผสม 6061 การบัดกรีจะดำเนินการในเตาอบในบรรยากาศอาร์กอนที่อุณหภูมิ 590 ° C เป็นเวลา 5-10 นาที ในการเชื่อมต่อโบรา-อลูมิเนียมและคาร์บอน-อลูมิเนียมกับไทเทเนียม คุณสามารถใช้การบัดกรีของระบบอลูมิเนียม-ซิลิคอน-แมกนีเซียมได้ เพื่อเพิ่มความแข็งแรงของการเชื่อมต่อขอแนะนำให้ทาชั้นนิกเกิลกับพื้นผิวไทเทเนียม

การบัดกรีแบบกระจายยูเทคติก วิธีการประกอบด้วยการทาโลหะชั้นที่สองบางๆ ลงบนพื้นผิวของชิ้นส่วนที่กำลังเชื่อม ทำให้เกิดเป็นยูเทคติกด้วยโลหะเมทริกซ์ สำหรับเมทริกซ์ที่ทำจากโลหะผสมอะลูมิเนียม จะใช้ชั้นของ Ag, Cu, Mg, Ge, Zn ซึ่งมีอุณหภูมิยูเทคติกซึ่งมีอะลูมิเนียมอยู่ที่ 566, 547, 438, 424 และ 382 °C ตามลำดับ จากผลของกระบวนการแพร่กระจาย ความเข้มข้นขององค์ประกอบที่สองในโซนสัมผัสจะค่อยๆ ลดลง และอุณหภูมิหลอมเหลวของสารประกอบจะเพิ่มขึ้น โดยเข้าใกล้อุณหภูมิหลอมเหลวของเมทริกซ์ ดังนั้นข้อต่อประสานจึงสามารถทำงานที่อุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิพังก้าได้

เมื่อมีการบัดกรีแบบแพร่กระจายของอลูมิเนียมโบรอน พื้นผิวของชิ้นส่วนที่จะเชื่อมจะถูกเคลือบด้วยเงินและทองแดง จากนั้นถูกบีบอัดและคงสภาพไว้ภายใต้ความดันสูงถึง 7 MPa ที่อุณหภูมิ 510-565 ° C ในการรีทอร์ตเหล็กในสุญญากาศหรือ บรรยากาศเฉื่อย