многослойный композиционный материал, способ получения многослойного композиционного материала и изделие, выполненное из него

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.

Описание изобретения к патенту

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 А_н - 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.