Многослойный композиционный материал, способ получения многослойного композиционного материала и изделие, выполненное из него
Изобретение относится к металлургии, в частности к получению композиционных материалов с матрицей из алюминиевого сплава, армированной стальными волокнами, для изготовления элементов планера самолета, стрингерного набора, обшивки и т.д. Многослойный композиционный материал включает матрицу из алюминиевого сплава, содержащего (мас.%): магний 0,20-2,2; кремний 0,20-2,0; медь 0,10-3.0; марганец 0,15-0,80; цирконий 0,05-0,20; гафний 0,001-0,05; титан 0,10-0,25; железо 0,10-0,50; хром 0,001-0,30; алюминий – остальное. Наполнитель выполнен из стального волокна, составляющего 5-50 об.% материала. Способ получения включает армирование матрицы из алюминиевого сплава стальными волокнами, послойную их укладку в пакет с последующим соединением сваркой взрывом, диффузионной сваркой или горячей прокаткой. Техническим результатом изобретения является повышение прочности, жаропрочности, технологичности и эксплуатационных характеристик. 3 с. и 2 з.п. ф-лы, 2 табл.
Изобретение относится к классу многослойных композиционных материалов (КМ), выполненных из алюминиевого сплава в качестве матрицы и наполнителя, представляющего собой стальные волокна. Композиционный материал может использоваться в качестве конструкционного материала в тех случаях, когда определяющим фактором является сочетание высокой прочности и жаропрочности наряду с небольшой удельной плотностью (в конструкции основных элементов планера самолета, в элементах стрингерного набора, фюзеляжа, обшивок, сборных панелей, технологических накладок и т.д.), а также и изделиях автомобилестроения и транспортного машиностроения.
Известен класс многослойных КМ на основе легких сплавов, таких как алюминиевых и магниевых, упрочненных различными волокнами: углеродными, оксидом алюминия, борными, стальной проволокой и т.д.
Известен многослойный материал, полученный путем чередования слоев алюминиевого и магниевого сплавов, причем слои магниевого сплава содержат волокна из высокопрочного материала, выбранного из группы, содержащей сталь, бериллий и бор, в количестве 1-45 об.% и диаметром волокна 0,05-0,9 мм. Содержание алюминиевого сплава в материале составляет 15-30 об.% (авт. свид. СССР №429974).
К недостаткам этого КМ следует отнести невысокий уровень предела прочности (
в=500-800 МПа) и жаропрочности, определяющиеся составом материала и способом его получения. Наличие в КМ наряду со слоями из алюминиевого сплава слоев из магниевого сплава значительно ухудшает жаропрочные свойства материала и изделия, выполненного из него, так как верхний предел по температуре эксплуатации должен быть ограничен 430-450°С из-за опасности пережога магниевого сплава, что вызывает резкое падение всех механических свойств материала.
Известен многослойный материал, полученный способом чередования слоев спеченного алюминиевого сплава (САПа) и сплава на основе алюминия, содержащего 10-90% бериллия (авт. свид. СССР №473588).
Недостатком этого многослойного материала является невысокий уровень прочности для материалов такого класса ( в=430-510 МПа), что ограничивает возможность применения выполненного из него изделия.
Недостатками способа получения рассматриваемого материала следует считать: высокую стоимость компонентов (алюминиево-бериллиевых сплавов и САПа), длительность и высокую стоимость технологического цикла изготовления САПа и соответственно самого композиционного материала, необходимость наличия специального оборудования для получения САПа, высокую токсичность бериллия и алюминиево-бериллиевых сплавов.
Известен КМ с металлической матрицей, которая может быть выполнена из легких металлов: алюминия, магния или их сплавов. Матрица упрочняется неорганическими волокнами, преимущественно из оксида алюминия - патент США №5002836.
KM получают методом пропитки, осуществляя этот процесс с помощью технологии литья матричного металла или сплава под высоким давлением в форму, где расположены ориентированные определенным образом армирующие неорганические волокна.
Недостатки этого КМ заключаются в следующем:
- материал не обладает требуемой жаропрочностью при температурах 
500°С;
- имеет значения предела прочности не более 780 МПа при 20°С.
С учетом требований, предъявляемых к новому поколению летательных аппаратов, указанные недостатки препятствуют применению изделий из этого КМ. Предложенная технология получения КМ не обеспечивает необходимых жаропрочных и высокопрочных свойств, отличается сложностью, является трудоемкой и дорогостоящей.
Наиболее близким по составу и назначению к предлагаемому изобретению является КМ, включающий алюминиевый сплав в качестве матрицы, упрочненный волокнами, выбранными из группы, состоящей из волокон на основе оксида алюминия, углеродных волокон или их смеси. Алюминиевый сплав, используемый в качестве матрицы, содержит в мас.%: магний 0,5-4,5, <0,2 каждого из элементов меди и титана, <0,5 каждого из элементов кремния, цинка, железа марганца (патент США №4450207).
Недостатки этого КМ заключаются в следующем: недостаточно высокие значения предела прочности и характеристики жаропрочности при температуре 400-500°С.
Способ получения данного КМ включает литье под высоким давлением матричного сплава в специально сконструированные формы и особую технологию предварительной подготовки высокопрочных волокон наполнителя.
Недостатками такого способа являются:
- высокая трудоемкость,
- необходимость применения дорогостоящей специальной оснастки;
- способ не обеспечивает получения необходимых высокопрочных и жаропрочных свойств КМ.
Наиболее близким к предлагаемому способу получения КМ из алюминиевого сплава является способ, включающий армирование матрицы из алюминиевого сплава, выполненной в виде пластин, стальными волокнами с определенным шагом, укладывание армированных слоев матрицы в пакет и последующее их соединение. Причем армирующие волокна в каждой последующей пластине размещают со смещением на полшага относительно волокна предыдущей пластины, и при укладке волокна размещают перпендикулярно один относительно другого. Собранный пакет нагревают и спекают под давлением (авт. свид. СССР №526485).
К недостаткам данного способа относится сложная, дорогостоящая и трудоемкая технология укладки композиционного материала, требующая разработки и монтажа дополнительного оборудования, что удорожает процесс производства этого композиционного материала и изделий из него.
Технической задачей настоящего изобретения является получение композиционного материала, выполненного из матрицы, содержащей алюминиевый сплав, и наполнителя, выполненного из стального волокна, обладающего повышенными значениями прочности при 20°С и высокими жаропрочными свойствами при температурах 400-500°С при обеспечении высокого уровня технологических и эксплуатационных характеристик композиционного материала и изделий, выполненных из этого КМ более экономичным и простым способом.
Поставленная задача достигается тем, что предложен многослойный КМ, содержащий матрицу на основе алюминиевого сплава, включающего магний, кремний, медь, марганец, железо и титан, и наполнитель, выполненный из высокопрочного волокна, в котором алюминиевый сплав дополнительно содержит цирконий, гафний и хром при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Магний 0,20-2,2
Кремний 0,20-2,0
Медь 0,10-3,0
Марганец 0,15-0,80
Цирконий 0,05-0,20
Гафний 0,001-0,05
Титан 0,10-0,25
Железо 0,10-0,50
Хром 0,001-0,30
Алюминий Остальное
а в качестве высокопрочного волокна используют стальные волокна. Содержание высокопрочного волокна в материале составляет 5-50 об.%. Толщина и количество слоев матрицы в пакете определяется заданным уровнем свойств и конструктивным назначением материала.
Предлагаемый КМ получают по способу, включающему армирование матрицы из алюминиевого сплава стальными волокнами, послойное укладывание армированных слоев матрицы в пакет и последующее соединение слоев, причем матрица выполнена из сплава на основе алюминия при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Магний 0,20-2,2
Кремний 0,20-2,0
Медь 0,10-3,0
Марганец 0,15-0,80
Цирконий 0,05-0,20
Гафний 0,001-0,05
Титан 0,10-0,25
Железо 0,10-0,50
Хром 0,001-0,30
Алюминий Остальное
Соединение собранной в пакет армированной матрицы производят сваркой взрывом, диффузионной сваркой, горячей прокаткой, горячей штамповкой и т.д.
Из многослойного КМ могут быть выполнены различные изделия в виде полуфабрикатов (листы, профили, трубы, заклепочные соединения с другими сплавами), используемые в конструкциях крыла, фюзеляжа и планера самолета, а также в транспортном машиностроении.
Использование в КМ в качестве матрицы алюминиевого сплава предложенного состава обеспечивает высокие прочностные и жаропрочные свойства этого КМ и изделия, выполненного из него.
Введение в алюминиевый сплав добавок из числа переходных и тугоплавких элементов циркония, гафния, хрома в указанных соотношениях оказывает не только модифицирующее и рафинирующее воздействие на сплав, но и способствует образованию ультрамелких интерметаллических фаз. Это приводит к повышению технологичности сплава и обеспечивает возможность изготовления тонких слоев матрицы (15-250 мкм).
Авторами установлено, что предлагаемое соотношение содержания тугоплавких переходных металлов циркония гафния и хрома в сплаве матрицы приводит к формированию вторичных интерметаллических фаз типа ZrАl3, Hf Аl3, CrAl7 , при этом выделение этих фаз при распаде основного твердого раствора носит ориентированный характер, сами частицы имеют форму мелкодисперсных включений и отличаются высокой микротвердостью.
Обнаружено, что морфология, свойства и кристаллографические особенности этих фаз приводят к повышению сопротивления ползучести при высоких температурах (до 500-510°С), одновременно повышая прочностные характеристики сплава при 20°С.
Использование в качестве наполнителя высокопрочных стальных волокон дополнительно упрочняет КМ.
Предлагаемый способ изготовления КМ прост, удобен и менее трудоемок, чем описанный в прототипе, и наряду с предлагаемым составом матрицы обеспечивает значительно более прочные и жаропрочные свойства КМ.
Состав, структурно-фазовые особенности материала матрицы и способ изготовления позволяют обеспечить повышенный уровень прочностных и жаропрочных свойств предложенного многослойного КМ, состоящего из слоев алюминиевого сплава, армированных высокопрочными волокнами, и изделия, выполненного из этого КМ.
Примеры осуществления
В условиях опытного и опытно-промышленного производства были изготовлены предлагаемый КМ и КМ, изготовленный по способу-прототипу. Кроме, того был изготовлен КМ по составу - прототипу, но предлагаемым по изобретению способом.
Предлагаемый способ включает следующие операции:
- получение матрицы из алюминиевого сплава;
- армирование матрицы путем намотки упрочняющими волокнами, выполненными из высокопрочной стали;
- послойную укладку армированной матрицы в пакет;
- соединение собранного пакета путем диффузионной сварки, сварки взрывом, горячей штамповкой, горячей прокаткой.
В таблице 1 представлен химический состав матрицы: примеры 1-3 - предлагаемый состав, полученный по предлагаемому способу, причем в примере 1 соединение собранного пакета осуществлено путем диффузионной сварки, в примере 2 - сваркой взрывом, в примере 3 - горячей прокаткой; пример 4 - состав матрицы соответствует составу матрицы - прототипа (патент США №4405207), в качестве высокопрочного упрочняющего волокна выбрана сталь ВНС-9, а сам КМ получен по предлагаемому способу, пакет соединен методом диффузионной сварки В примере 5 приведен композиционный материал, где химический состав матрицы и наполнитель соответствуют предлагаемому композиционному материалу, а способ получения КМ осуществляли по способу-прототипу (авт. свид. СССР №526485), соединение пакета произведено горячей прокаткой.
В таблице 2 представлены сравнительные характеристики при комнатной и повышенных температурах композиционных материалов, соответствующих рассмотренным примерам осуществления, где в, 0,2, Е - предел прочности, предел текучести и модуль упругости соответственно при испытании на одноосное растяжение, Мцу - малоцикловая усталость, определенная при осевой нагрузке на базе 2·105 циклов на гладких образцах, А н - ударная вязкость, в100 - длительная прочность при температуре испытания 400°С, определенная за базовое время 100 часов.
Как следует из анализа представленных в таблицах 1, 2 результатов, состав, структурно-фазовое состояние матричного сплава на основе алюминия в совокупности со способом изготовления обеспечивают значительное повышение прочностных характеристик, ударной вязкости, малоцикловой усталости, а также жаропрочных свойств при 400-500°С предлагаемого КМ, причем модуль упругости Е предлагаемого КМ в среднем на 12-28% превосходит уровень этой характеристики для взятых прототипов (примеры 4, 5), а по ударной вязкости Ан - на 15-53%.
Обращает на себя внимание тот факт, что КМ, выполненный на основе матричного алюминиевого сплава-прототипа, обладает значительно меньшими характеристиками прочности при 20°С (на 38-44%), чем материал с предлагаемым матричным сплавом, соответственно при температуре 400°С значения длительной прочности ниже на 22%, кратковременной прочности при 500°С на 26%.
Минимальные квоты превосходства предлагаемого способа получения композиционного материала при сравнении с аналогичным материалом, изготовленным по способу-прототипу, составляют: 14-26% по пределам прочности и текучести при 20°С, 12% - по значениям длительной прочности за 100 часов при 400°С и 9% при кратковременном разрыве при 500°С по значениям предела прочности. Таким образом, предложенный многослойный КМ, упрочненный высокопрочными волокнами, а также способ получения этого КМ обеспечивают повышение прочностных свойств как при 20°С, так при высоких температурах (до 500°С), в том числе и повышение жаропрочных характеристик этого КМ. Кроме того, предлагаемый КМ и способ его получения имеют существенные преимущества по величине модуля упругости (15-20%), ударной вязкости, малоцикловой усталости на 15-25% по сравнению с прототипами (примеры 4, 5). Предлагаемый способ является также более простым и экономичным.
Таким образом, этот композиционный материал рекомендуется для производства изделий новой техники с повышенным ресурсом и надежностью, а именно в качестве основных конструкционных элементов крыла, стрингеров фюзеляжа и т.д., для их ремонта при производстве накладок, а также для изделий транспортного машиностроения.
Формула изобретения
1. Многослойный композиционный материал, включающий матрицу на основе алюминиевого сплава, содержащего магний, кремний, медь, марганец, железо и титан, и наполнитель, выполненный из высокопрочного волокна, отличающийся тем, что алюминиевый сплав матрицы дополнительно содержит цирконий, гафний и хром при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Магний 0,20-2,2
Кремний 0,20-2,0
Медь 0,10-3,0
Марганец 0,15-0,80
Цирконий 0,05-0,20
Гафний 0,001-0,05
Титан 0,10-0,25
Железо 0,10-0,50
Хром 0,001-0,30
Алюминий Остальное
а в качестве высокопрочного волокна материал включает стальное волокно.
2. Многослойный композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что содержание стального волокна в нем составляет 5-50 об.%.
3. Способ получения многослойного композиционного материала, включающий армирование матрицы из алюминиевого сплава стальными волокнами, сборку пакета путем послойного укладывания армированных слоев матрицы и последующее их соединение, отличающийся тем, что в качестве матрицы композиционного материала используют сплав на основе алюминия по п.1.
4. Способ по п.3, отличающийся тем, что собранные в пакет армированные слои матрицы соединяют сваркой взрывом, диффузионной сваркой, горячей штамповкой или горячей прокаткой.
5. Изделие из композиционного материала, отличающееся тем, что оно выполнено из материала по п.1 или 2.
