К. т. н. Скачков В. О., Іванов В. І.,

к. т. н. Нестеренко Т. М., к. п. н. Мосейко Ю. В.

Запорізька державна інженерна академія, Україна

ЩОДО СУМІСНОСТІ ВУГЛЕЦЕВИХ ВОЛОКОН І МАТРИЦІ НА ОСНОВІ СПЛАВІВ АЛЮМІНІЮ

Найбільш високих показників питомої міцності та жорсткості можна забезпечити під час використання сплавів алюмінію, які армовано вуглецевими волокнами. Під час застосування технології просочення успішно здолають ускладнення щодо проникнення матричного металу до капілярів між окремими моноволокнами та одержують монолітного матеріалу.

В той же час для досягнення сумісності вуглецевих волокон і розплаву алюмінію слід уникнути хімічної та дифузійної міжфазної взаємодії, яка супроводжується руйнуванням волокон.

Відомо, що розчинність вуглецю в алюмінії є дуже малою: не перевищує 0,5 % за температури 1570-1770 К і є практично відсутньою за температури 1270–1370 К, а взаємодія алюмінію та вуглецю за температури вище ніж 873 К супроводжується створенням карбіду алюмінію [1].

Змочування поверхні вуглецевих матеріалів розплавом алюмінію в умовах вакууму та інертної атмосфери відбувається за температурі вище ніж 1273–1373 К. Сплави алюмінію з міддю, силіцієм і магнієм змочують поверхню вуглецевих матеріалів за температури вище 1110 К, причому із збільшенням тривалості контакту сягають зменшення значень крайового кута.

Одним з шляхів поліпшення змочування поверхні вуглецевих волокон є нанесення покриттів, за допомогою яких одночасно прагнуть здолати і проблему захисту волокон від взаємодії з алюмінієм. За температури 910–970 К зафіксовано змочування вуглецевих волокон, що покриті нікелем, евтектичним алюмінієво-нікелевим сплавом: через 4-5 с після зіткнення краплі рідкого алюмінію з поверхнею волокна значення крайового кута змочування сягає 15–20 °. Проте за вказаної температури ускладнюється процес проникнення зазначеного розплаву в простір між волокнами, та просочення не відбувається. Умови просочення помітно поліпшуються, коли використовують вуглецеві волокна з подвійним покриттям: внутрішній шар одержують газофазним осадженням силіцію, а зовнішній шар – хімічним осадженням нікелю.У такому разі тривалість процесу не перевищує 10 с.

Слід зауважити, що за ізотермічної витримки (температура близько 1070 К) протягом декількох хвилин відбувається взаємодія нікелевого покриття з вуглецевими волокнами, яка знижуючи їх міцність, призводить до відшарування матриці від волокон. Використання порівняно товстого нікелевого покриття призводить до насичення матричного сплаву нікелем з утворенням інтерметалідів Аl₃Ni, а також до окрихлення, як матриці, так і волокон [2]. Знизити тривалісті контакть вуглецевих волокон з розплавом алюмінію можливо просоченням під тиском, але такий процес супроводжується ускладненням технології та зниженням його продуктивності.

Під час розглядання взаємодії розплавлених сплавів алюмінію та вуглецевих волокон з покриттям із тугоплавких металів (вольфрам, молібден, хром) та інтерметалідних сполук [3] за температури 1123 К в умовах вакууму (1,33×10^-3 Па) встановлено достатній рівень змочування силуміном вуглецевих волокон з покриттям із хрому. Двошарові покриття (перший шар виконано з карбіду силіцію, другий – із хрому) за температури 1373 К забезпечують ефективне змочування, просочення та захист вуглецевих волокон від розплаву алюмінію.

Слід враховувати, що двошарові покриття з хромом дозволяють одержувати легші композиційні матеріали, ніж з покриттями з інших тугоплавких металів та є найбільш перспективними. Суттєвою перешкодою для взаємодії вуглецевих волокон з розплавом алюмінію є покриття з танталу, яке сприятливо впливає на умови просочення, полегшуючи проникнення матриці між окремими моноволокнами.

Механічні властивості композицій з вуглецевих волокон і матриці на основі сплавів алюмінію є дуже чутливими до наявності домішок у матриці: під час потрапляння неметалевих включень міцність і пластичність різко знижуються, особливо у напрямі, що є перпендикулярним до укладання волокон.

Під час визначення впливу товщини нікелевого покриття на просочення вуглецевих волокон розплавом алюміню [4] якість проведення процесу оцінюють коефіцієнтом просочення k_пр, що є відношенням кількості волокон, що оточено металом, до загальної кількості волокон. За температури 973-1023 К і товщини покриття, що менше ніж 0,1 мкм, мимовільне просочення вуглецевих волокон розплавом алюмінію в умовах вакууму не спостерігають (k_пр = 0). Під час зростання товщини покриття до 0,2 мкм зафіксовано різке підвищення значення коефіцієнта просочення (k_пр = 0,6), а за його товщини більше ніж 0,35 мкм значення коефіцієнта стає максимальним (k_пр = 1,0).

Використання покриття з тугоплавких металів, особливо з хрому, поширює область режимів просочення під тиском, які дозволяють забезпечити високу механічну міцність зазначених композицій. Для вуглецевих волокон, що покриті карбідом силіцію, кращі результати було зафіксовано за температури 940 К і тиску 3×10⁶ Па: міцність вуглецевого матеріалу сягає 900 МПа. Використання такого технологічного покриття підвищує зсувну міцність композицій від 15 до 50 МПа, що дозволяє одержати матеріали з міцністю, величина якої наближається до значень, розрахованих за правилом сумішей.

Висновки. Утворення карбіду алюмінію на поверхні вуглецевих волокон призводить до значного зниження характеристик композиту. Встановлено, що мідні і нікелеві покриття є менш ефективними порівняно з покриттям з хрому та карбіду силіцію. Покриття волокон карбідом силіцію дозволяє у тричі збільшити зсувну міцність композицій.

Список використаних джерел:

1. Тучинский Л. И. Композиционные материалы, получаемые методом пропитки / Л. И. Тучинский. – М. : Металлургия, 1986. – 208 с.

2. Костиков В. И. Композиционные материалы на основе алюминиевых сплавов, армированных углеродными волокнами / В. И. Костиков, А. Н. Варенков. – М. : Интермет инжиниринг, 2000. – 445 с.

3. Федоров В. Б. Углерод и его взаимодействие с металлами / В. Б. Федоров, М. Х. Шоршоров, Д. К. Хакимова. – М. : Металлургия, 1978. – 208 с.

4. Салибеков С. Е. Волокнистые и дисперсионно-упрочненные композиционные материалы / С. Е. Салибеков, А. А. Заболотский. – М. : Наука, 1976. – С. 33–37.