Эвтектические композиционные материалы

Эвтектическими композиционными материалами называют сплавы эвтектического или близкого к эвтектическому состава, в которых упрочняющей фазой выступают ориентированные кристаллы, образующиеся в процессе направленной кристаллизации. Ориентированная структура в сплавах эвтектического состава получается методами направленной кристаллизации (методы Чохральского, Бриджмена, зонной плавки). В отличие от обычных композиционных материалов, получаемых путем последовательного выполнения нескольких трудоемких технологических операций, эвтектические композиционные материалы получают за одну операцию. Ценно то, что направленная ориентированная структура может быть получена на уже готовых изделиях. Это существенное преимущество эвтектических композиций по сравнению с другими технологиями получе­ния композиционных материалов.

Структура образующейся эвтектики в результате направленной кристаллизации состоит, как правило, из кристаллов твердой прочной фазы (карбидов, интерметаллидов), распределенных в матрице, представляющей собой твердый раствор.

Форма образующихся кристаллов может быть в виде волокон или пластин. При объемной доле упрочняющей фазы меньше 32% она имеет форму стержня, а при большем содержании – пластинчатую.

Равновесные условия кристаллизации обеспечивают высокую термическую стабильность эвтектических композиционных материалов. Между фазами эвтектики, волокнами и матрицей отсутствует химическое взаимодействие, поскольку химические потенциалы фаз равны. Особенности строения эвтектических микроструктур, полукогерентные границы раздела фаз с минимальной поверхностной энергией определяют термическую стабильность эвтектической микроструктуры и, как следствие, высокие механические свойства при температурах, близких к температурам плавления эвтектики.

Способами направленной кристаллизации получают композиционные материалы на основе Al, Mg, Сu, NiСо, Ti,Nb,Та и других элементов. Поэтому эвтектические композиционные материалы могут эксплуатироваться в широком интервале температур.

Эвтектические композиционные материалы

На алюминиевой основе

Методом направленной кристаллизации получают композиции Al-Al₃Ni и Al-CuAl₂.При затвердении эвтектического сплава Al-Al₃Niфаза Al₃Niвыделяется в виде сильно вытянутых частиц, объемное содержание которых ~11%. Направленность частиц Al₃Ni достигается кристаллизацией со скоростью 2–10 см/ч.

Прочность сплава, полученного без направленной кристаллизации, низкая (~90 МПа), в то время как при ориентации армирующих частиц Al₃Ni его прочность повышается до 330 МПа.При растяжении композиции, из-за высокой прочности связи усов Al₃Niс матрицей, разрушение начинается с волокон.

Рис 4.4. Зависимость прочности композиции Al-Al₃Ni (1) и Al-CuAl₂ (2) и относительного удлинения композиции CuAl₂ (3) от температуры

    С повышением температуры прочность сплава Al-Al₃Niпонижается (рис. 4.4, кривая 1)и при 500°C составляет 75 МПа. Композиция отличается высокой стабильностью структуры вплоть до температур плавления. Частицы Al₃Niпри этих условиях сохраняют прочную связь с матрицей, не укорачиваются и не подвергаются сфероидизации до 611 °С,

Композиция Al-Al₃Niобнаруживает высокий предел усталости. Например, на базе 10⁸ циклов он в 4–5 раз выше предела уста­лости алюминия. Усталостная трещина в композиции Al-Al₃Ni, зарождаясь в матрице, огибает волокно Al₃Nи не разрушает его. Предел прочности композиции Al-Al₃Ni составляет 270 МПа.

В композиции Al-CuAl₂при направленной кристаллизации эвтектика имеет пластинчатое строение. Объемная доля концентрации пластин CuAl₂ среди пластин твердого раствора меди в алюминии составляет ~50%. Пластины CuAl₂, концентрация которых в композиции весьма высокая, имея меньшую прочность, чем Al₃Ni, упрочняют матрицу меньше, чем Al₃Ni. Сплав Al-CuAl₂из-за пластинчатого строения эвтектики отличается высокой хрупкостью. Разрушение материала начинается с разрушения пластин, за которым следует разрушение матрицы.

С повышением температуры у композиции Al-CuAl₂отмечено существенное возрастание относительного удлинения и падение предела прочности до 30 МПа (рис. 4.4, кривая 2)

Эвтектические композиционные материалы Al-Al₃Ni, Al-CuAl₂хорошо свариваются методом диффузионной сварки и обрабатываются холодной пластической деформацией. Диффузионную сварку можно вести при 525°С и получать листы с перекрестным армированием. Степень обжатия листов при холодной прокатке поперек волокон не более 70–80%, так как при больших степенях обжатия волокна разрушаются. В результате прочность композиции Al-Al₃Niвдоль волокон становится меньше исходной.

Композиционные материалы Al-Al₃Ni и Al-CuAl₂применяют как конструкционный материал, а также для изготовления высокопрочных электрических проводов и контактов электрических выключателей.