Волокнистый композиционный материал
Владельцы патента RU 2510425:
Российская Федерация в лице Министерства промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) (RU)
Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") (RU)
Изобретение относится к области металлургии, в частности к волокнистым композиционным материалам, армированным непрерывными волокнами оксида алюминия, и может быть использовано в качестве конструкционного материала в авиационной технике. Волокнистый композиционный материал представляет собой металлическую матрицу на основе алюминия, упрочненную непрерывными волокнами оксида алюминия, покрытыми дискретными волокнами на основе муллита 3Al2O3·2SiO2. Техническим результатом изобретения является повышение прочности при изгибе и сжатии и модуля упругости материала. 5 з.п. ф-лы, 5 пр., 1 табл.
Изобретение относится к области металлургии, в частности, к волокнистым композиционным материалам, армированным непрерывными волокнами оксида алюминия, предназначенным для использования в качестве конструкционного материала для изготовления изделий, таких как, например, корпуса вентилятора газотурбинных двигателей, и может быть использовано в авиационной технике.
Известен композиционный материал, состоящий из металлической матрицы, выполненный из металла, выбранного из группы, содержащей алюминий, магний, цинк или олово и сплавы на их основе, армирующего минерального волокнистого материала, в котором в качестве армирующего минерального волокнистого материала он содержит ткань с односторонней или двухсторонней пробивкой рубленным ровингом, при этом ткань и ровинг выполнены из минерального волокна следующего состава, масс.%: SiO2 47-56, CaO 5,5-12,0, Al2O3 12-17, MgO 4,4-9,0, Fe2O3+FeO 10-14, TiO2 1-2, сопутствующие примеси - остальное, длина рубленного ровинга составляет 3-20 мм (Патент РФ №2182605).
Из известного композиционного материала изготавливают изделия повышенной прочности в различных областях техники.
Недостатками известного композиционного материала и изделий из него являются низкие характеристики прочности при изгибе и сжатии, пониженные значения модуля упругости.
Известен также композиционный материал, состоящий из металлической матрицы, выполненный из металла, выбранного из группы, содержащей алюминий, магний, цинк или олово и сплавы на их основе и армирующего минерального волокнистого материала. При этом в качестве армирующего минерального волокнистого материала используют минеральные волокна следующего состава, %: SiO2 35-50, CaO 20-40, Al2O3 10-20, MgO 3-7, Fe2O3 1-5, примеси - остальное, при этом волокна содержат в своей массе до 20% от массы волокна частиц такого же состава. Всего армирующего минерального волокнистого материала может содержаться в композиционном материале 4-25%. (EP №0181996).
Недостатком известного композиционного материала является то, что компонент волокна SiO2 вследствие термодинамической стабильности в значительной мере взаимодействуют с матрицей, в результате реакции происходит разрушение волокна, что приводит к снижению прочностных характеристик, при изгибе и сжатии, а также жесткости.
Известен композиционный материал, включающий матрицу из металла, выбранного из группы, содержащей алюминий, магний или их сплавы и упрочнитель, выполненный в виде армирующих нановолокон оксида алюминия, покрытые пленкой аморфного углерода и составляющие 20-80 об.% композиционного материала. Пленка аморфного углерода, которой покрыты армирующие нановолокна оксида алюминия, составляет до 40 масс.% нановолокон.
Недостатками известного композиционного материала являются недостаточная восприимчивость к изгибающим и сжимающим нагрузкам, а также низкая жесткость и материал обладает недостаточной релаксационной способностью.
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является волокнистый композиционный материал, включающий металлическую матрицу, представляющую собой заэвтектический силумин, с содержанием кремния 12-60%, армированную непрерывными волокнами оксида алюминия, карбида кремния, графита, а также содержащую частицы оксида кремния, карбида кремния, нитрида алюминия. (Патент Канады №2219169).
Материал-прототип могут использовать для изготовления поршней, цилиндров, тормозных дисков.
Недостатком композиционного материала-прототипа является недостаточная связь на границе раздела волокно-матрица, что отражается на прочностных свойствах волокнистого композиционного материала.
Технической задачей изобретения является разработка волокнистого композиционного материала, обеспечивающего повышение прочности при изгибе и сжатии, а также модуля упругости.
Для достижения поставленной технической задачи предложен волокнистый композиционный материал, включающий металлическую матрицу на основе алюминия, упрочненную непрерывными волокнами оксида алюминия, отличающийся тем, что непрерывные волокна оксида алюминия покрыты дискретными волокнами муллита 3Al2O3·2SiO2.
Металлическая матрица на основе алюминия представляет собой доэвтектический силумин с содержанием кремния менее 12 масс.%.
Металлическая матрица представляет собой сплав системы Al-Mg-Cu.
Непрерывные волокна оксида алюминия могут быть расположены в композиционном материале по схеме перекрестного либо однонаправленного армирования.
Дискретные волокна муллита 3Al2O3·2SiO2 содержат, масс.%:
| SiO2 | 20-25 |
| Al2O3 | 75-80. |
| Волокнистый композиционный материал имеет следующий состав, об.%: дискретные волокна | 2-7 |
| непрерывные волокна | 40-50 |
| металлическая матрица | - остальное. |
Непрерывные волокна оксида алюминия не взаимодействуют с алюминиевой матрицей композиционного материала, образуя только механическую связь.
Непрерывные же волокна оксида алюминия, покрытые дискретными волокнами муллита 3Al2O3·2SiO2, вступают в химическое взаимодействие с ними, при этом улучшается связь на границе раздела волокно-матрица, что приводит к повышению прочностных свойств волокнистого композиционного материала.
Так как получение волокнистого композиционного материала осуществляется по литейной технологии, матрица материала должна обладать хорошей жидкотекучестью, поэтому предпочтительней в качестве матричного сплава с точки зрения литейных свойств использовать доэвтектический сплав системы Al-Si с содержанием кремния менее 12 масс.%.
В связи с тем, что волокнистый композиционный материал системы Al·Al2O3 должен иметь оксидный тип связи между компонентами, обусловленный образованием на границе раздела «волокно-матрица» шпинелей типа MgAl2O4 и CuAl2O4Mg, возможно в качестве матричного сплава использовать также сплав системы Al-Mg-Cu.
Так как волокнистый композиционный материал будет использоваться в качестве конструкционного материала, то в процессе его эксплуатации могут возникать нагрузки в различных направлениях, как в осевом, так и в радиальном. Такие нагрузки могут возникать под действием изгибающих или сжимающих сил, или действовать в совокупности. При однонаправленной схеме армирования допустимые величины данных нагрузок будут ниже, чем при перекрестной, а следовательно, ниже и механические характеристики. В связи с этим перекрестная схема армирования была выбрана в качестве наиболее предпочтительной, чтобы в процессе нагружения матрица передавала нагрузки армирующему материалу и при этом происходила реализация свойств армирующего материала во всех направлениях.
Предпочтительное соотношение объемного содержания дискретного и непрерывного волокна в материале установлено практическим путем.
Примеры осуществления изобретения
Пример 1
Для получения волокнистого композиционного материала, армированного непрерывными волокнами оксида алюминия, использовали в качестве матричного материала алюминиевый сплав системы Al-Mg-Cu марки Д16. Объемное содержание дискретных волокон 2 об.%, содержание непрерывных волокон 40 об.%.
Непрерывные волокна оксида алюминия (α-Al2O3) марки BBH 99 «А» по ТУ1-595-29-1008-2007, представляющие собой жгут из отдельных поликристаллических нитей диаметром 12 мкм, наматывали на оправку по схеме перекрестного армирования. Оправку с намотанным волокном помещали в цилиндрическую форму, заполняли ее водной пульпой из дискретных волокон муллита 3Al2O3·2SiO2 и проводили вакуумную фильтрацию водной пульпы через непрерывные волокна оксида алюминия. После извлечения из цилиндрической формы оправки с непрерывными волокнами оксида алюминия, покрытыми дискретными волокнами, и сушки проводили вакуумно-компрессионную пропитку расплавом алюминиевого сплава Д16. Затем проводили механическую обработку полученного волокнистого композиционного материала, при этом не нарушая непрерывных волокон оксида алюминия.
Испытание на определения прочности на сжатие проводили по ГОСТ 25.503-97, прочности на изгиб - по ГОСТ 25.604-82.
Способы получения волокнистого материала по примерам 2 и 3 аналогичны примеру 1.
В примере 2 в качестве матричного материала использовали алюминиевый сплав силумин марки АК7 и непрерывные волокна оксида алюминия марки ВВН 99 «А», объемное содержание дискретных волокон 5 об.%, объемное содержание непрерывных волокон 45 об.%.
В примере 3 в качестве матричного материала использовали алюминиевый сплав силумин марки АК5 и непрерывные волокна оксида алюминия марки Nextel 610, концентрация дискретных волокон 7 об.%, объемное содержание непрерывных волокон 50 об.%.
Способ получения волокнистого материала по примеру 4 аналогичен примеру 1, однако, непрерывные волокна оксида алюминия наматывали на оправку по схеме однонаправленного армирования.
Пример 5 (прототип)
Для получения волокнистого композиционного материала-прототипа использовали в качестве матричного материала заэвтектический силумин с содержанием кремния 40 масс.%, армированный непрерывными волокнами оксида алюминия.
В таблице представлены свойства предлагаемого волокнистого композиционного материала и материала-прототипа.
| Таблица | |||
| № п/п | Предел прочности при изгибе, МПа | Модуль упругости при изгибе, ГПа | Предел прочности при сжатии, МПа |
| 1 | 750 | 155 | 700 |
| 2 | 700 | 140 | 620 |
| 3 | 720 | 145 | 640 |
| 4 | 690 | 135 | 620 |
| 5 прототип | 650 | 120 | 540 |
Как видно из таблицы значения предела прочности при изгибе и сжатии предлагаемого волокнистого композиционного материала по сравнению с прототипом выше на 10-15%, а модуль упругости при изгибе выше на 15-30%
Таким образом, предлагаемый волокнистый композиционный материал имеет высокие механические характеристики и может быть использован в качестве конструкционного материала для изготовления изделий, таких как, например, корпуса вентилятора газотурбинных двигателей, и может быть использован в авиационной и других областях техники.
1. Волокнистый композиционный материал, включающий металлическую матрицу на основе алюминия, упрочненную непрерывными волокнами оксида алюминия, отличающийся тем, что непрерывные волокна оксида алюминия покрыты дискретными волокнами муллита 3Al2O3·2SiO2.
2. Волокнистый композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что металлическая матрица представляет собой доэвтектический силумин с содержанием кремния менее 12 мас.%.
3. Волокнистый композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что металлическая матрица представляет собой сплав системы Al-Mg-Cu.
4. Волокнистый композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что непрерывные волокна оксида алюминия расположены в композиционном материале по схеме перекрестного армирования.
5. Волокнистый композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что муллит содержит, мас.%:
| оксид кремния | 20-25 |
| оксид алюминия | 75-80 |
6. Волокнистый композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что содержит, об.%:
| дискретные волокна | 2-7 |
| непрерывные волокна | 40-50 |
| металлическая матрица | остальное |
