Исследование характеристик прочности дисперсноупрочненного металлического композиционного материала марки ВКМ22

Введение

Повышение эксплуатационных требований к узлам и деталям авиационной техники приводит к необходимости разработки новых материалов. Одним из перспективных классов материалов для решения поставленных задач являются дисперсноупрочненные металлические композиционные материалы (МКМ). В настоящее времязарубежными и отечественными материаловедческими организациями ведутся исследования и разработки по созданию и применению такого класса материалов, которые, по сравнению с неармированными сплавами, характеризуются повышенными прочностью и жесткостью в сочетании с низкой плотностью [1–4]. По структуре МКМ подразделяются на несколько групп: волокнистые, слоистые и дисперсноупрочненные. У волокнистых МКМ волокна располагаются направленно с заданным шагом или хаотично, расстояние между волокнами определяется объемной долей армирующей фазы. У слоистых материалов слои металла чередуются со слоями интерметаллида или керамики, а у дисперсноупрочненных − дисперсные частицы равномерно распределяются в объеме всей матрицы [5].

В дисперсноупрочненных МКМ матрица является несущим элементом структуры, в которой с помощью дисперсных частиц и однородной дислокационной структуры создается эффективное торможение дислокаций. Кроме того, свойства таких материалов могут проектироваться заранее – под определенные задачи [6, 7]. В такие материалы искусственно вводят мельчайшие равномерно распределенные тугоплавкие частицы, не взаимодействующие с матрицей и не растворяющиеся в ней вплоть до температуры плавления фаз. Чем мельче частицы наполнителя и меньше расстояния между ними, тем прочнее МКМ. Частицы тугоплавких соединений увеличивают твердость материала, а пластичная металлическая матрица придает ему вязкость и пластичность [8].

С повышением температуры механические свойства МКМ снижаются значительно слабее, по сравнению с неармированными сплавами [9, 10]. Одной из особенностей дисперсноармированного МКМ является его изотропность. Изотропные МКМ обладают одинаковыми свойствами во всех направлениях.

Из МКМ с алюминиевой матрицей и упрочняющими частицами карбида кремния (SiC) изготавливают элементы обшивки самолета, поршни и тормозные диски.

Компания DWA Aluminium Cоmposites USA, Inc. производит подфюзеляжный киль для истребителя F-16 из данного материала, заменив им алюминиевый сплав. Замена материала позволила увеличить срок эксплуатации конструкции в 4 раза при снижении эксплуатационных расходов на 30%. Для уменьшения массы статорных лопаток направляющего аппарата вентилятора на 30% в двигателях, изготовленных фирмой Pratt & Whitney для Boeing 777, вместо титановых сплавов используют МКМ системы Al–SiC [11, 12].

Конструкции авиационной техники в процессе эксплуатации подвергаются большому спектру статических и циклических нагрузок в широком диапазоне температур и долговечностей. Поэтому для расчета ресурса узлов для безопасной и надежной эксплуатации новой техники необходимо иметь набор расчетных значений характеристик конструкционной прочности, в том числе характеристик кратковременной и длительной прочности, мало- (МЦУ) и многоцикловой усталости (МнЦУ). Проведение комплексных испытаний при статическом и циклическом нагружении является неотъемлемой частью процесса разработки технологии получения МКМ данного класса.

Исследуемый дисперсноупрочненный МКМ марки ВКМ22 планируется к применению в деталях вертолетных двигателей, работоспособных до температуры 120 °С.

Работа выполнена в рамках реализации научного направления 2. «Квалификация и исследование материалов» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [13].

Материалы и методы

Для получения МКМ марки ВКМ22 использовали методы порошковой металлургии с последующим прессованием и горячей экструзией.

Технология изготовления МКМ включает: приготовление исходной шихты для механического легирования, механическое легирование исходных компонентов в планетарной шаровой мельнице, предварительное компактирование материала на гидравлическом прессе и горячую экструзию консолидированных заготовок.

В качестве исходного компонента применяли металлопорошковую композицию алюминиевого сплава В95 системы Al–Zn–Mg–Cu в термообработанном состоянии по режиму Т1 (закалка с нагревом до 470 °С, охлаждение в воде, затем следует процесс старения при температуре 140 °С и выдержке 15 ч), полученную методом газодинамического распыления на установке Hermiga 10/100 VI, и армирующий порошок карбида кремния марки 64С фракции F1200. Частицы порошка из алюминиевого сплава В95 имеют сферическую форму, а их размер составляет от 5 до ~70 мкм. Частицы порошка карбида кремния однородны по размеру, имеют осколочную структуру, характерную для керамических материалов, а их размер составляет от 7 до ~10 мкм. Объемная доля алюминиевого сплава В95: 77,5%, а порошка карбида кремния марки 64С: 22,5%. Для получения композиционных гранул применяли механическое легирование, представляющее собой длительное смешивание исходных компонентов в высокоэнергетической планетарной шаровой мельнице, целью которого является формирование заданной структуры и химического состава в композиционных гранулах. Частицы армирующего компонента благодаря своим форме и размерам легко внедряются внутрь пластичного материала матрицы. Полученные композиционные гранулы приобретают сферическую форму размером от 400 до 600 мкм, а структура – однородный характер. Применение метода порошковой металлургии позволяет получить МКМ с равномерным распределением частиц армирующей фазы по всему объему матричного сплава, исключая образование вторичной фазы на границе «матрица–упрочнитель» [14, 15].

Микроструктура дисперсноупрочненного МКМ марки ВКМ22 после прессования и горячей экструзии представлена на рис. 1. Основу составляет алюминиевый сплав с распределенной в нем армирующей составляющей из SiC. Упрочняющая фаза на основе частиц карбида кремния равномерно распределена по всему объему.

Рис. 1. Микроструктура дисперсноупрочненного металлического композиционного материала марки ВКМ22

Из прессованных и термообработанных прутков диаметром 18 мм из МКМ марки ВКМ22 вырезаны заготовки в продольном направлении, из которых затем изготовлены образцы для испытаний на растяжение, длительную прочность, МЦУ и МнЦУ.

Испытания на растяжение и длительную прочность проводили на гладких цилиндрических образцах диаметром 5 мм и длиной рабочей части 25 мм на испытательных машинах Kappa 50 DS и Kappa 50 LA [16] по методике, соответствующей ГОСТ 1497–84 и ГОСТ 9651–84 (для испытаний на растяжение), а также ГОСТ 10145–81 (для испытаний на длительную прочность).

Испытания на МЦУ осуществляли на корсетных образцах диаметром 5 мм и длиной рабочей части 32,5 мм на сервогидравлической испытательной машине фирмы Walter+Bai AG (Швейцария) с частотой 1 Гц при комнатной и повышенной температурах.

Испытания на МнЦУ проводили на корсетных образцах диаметром 5 мм и длиной рабочей части 32,5 мм на сервогидравлической испытательной машине Walter+Bai AG с частотой 50 Гц при комнатной температуре и на магнитно-резонансной испытательной машине RUMUL Testroniс с частотой 140 Гц при повышенной температуре.

Все испытания на МЦУ и МнЦУ выполняли при симметричном цикле нагружения (R=-1) синусоидальной формы. Контролируемым параметром являлась нагрузка [17]. Методика проведения испытаний соответствовала ГОСТ 25.502–79.

Результаты и обсуждение

Проведены испытания на растяжение МКМ марки ВКМ22 при температурах 20, 70, 120 и 170 °С. На каждом температурном уровне испытывали по 5 образцов. В табл. 1 представлены средние значения модуля упругости Е, предела текучести σ_0,2, предела прочности σ_в и относительного удлинения δ МКМ марки ВКМ22, а также сплава В95-Т1. Все характеристики получены на образцах, вырезанных продольно.

Таблица 1

Средние значения модуля упругости, предела текучести, предела прочности

и относительного удлинения металлического композиционного материала

марки ВКМ22 и сплава В95-Т1 при различных температурах

Как видно из данных, представленных в табл. 1, максимальное значение прочностных характеристик МКМ марки ВКМ22 достигается при температуре 70 °С_. При повышении температуры >120 °С характеристики прочности снижаются. Показатель пластичности с повышением температуры монотонно увеличивается.

Композиционный материал марки ВКМ22 превосходит алюминиевый сплав В95-Т1 по следующим характеристикам: при температуре 20 °С значения предела прочности выше на 33%, а предела текучести – на 64%. Это достигается за счет того, что частицы карбида кремния создают дислокационную структуру, которая служит барьером и способствует торможению дислокаций [19].

Испытания МКМ марки ВКМ22 и сплава В95-Т1 проведены при рабочих температурах на разных полуфабрикатах. Температура испытаний отличалась на 5 °С, поэтому превосходство МКМ по характеристикам прочности будет косвенное: при температурах 120–125 °С значения предела прочности выше на 19%, предела текучести – на 26%.

Проведены испытания на длительную прочность МКМ марки ВКМ22 при температурах 100 и 120 °С с долговечностями до 500 ч. На каждом температурном уровне испытывали по 12 образцов – по 4 образца на каждую базу испытаний.

Полученные результаты испытаний на длительную прочность подвергали статистической обработке с использованием уравнения температурно-силовой зависимости времени до разрушения τ_р [20]:

где Т – температура, К; σ – напряжение, МПа; ξ, m, n, U₀, η – коэффициенты, определяемые по результатам испытаний на длительную прочность; R – универсальная газовая постоянная.

Расчет по данному уравнению позволил определить пределы длительной прочности МКМ марки ВКМ22 при температурах 100 и 120 °С (табл. 2), а также построить кривые длительной прочности (рис. 2).

Таблица 2

Значения пределов длительной прочности металлического композиционного

материала марки ВКМ22 при различных температурах и долговечностях

Рис. 2. Кривые длительной прочности металлического композиционного материала марки ВКМ22 при температурах 100 (▲) и 120 °С (■)

По результатам испытаний на длительную прочность установлено, что при температурах 100 и 120 °С с увеличением долговечностей от 10 до 500 ч пределы длительной прочности уменьшаются.

Значения пределов длительной прочности сплава В95-Т1, полученные при температуре 100 °С на полуфабрикатах «лист» и «плита», превышают значения аналогичных пределов МКМ марки ВКМ22, полученных на полуфабрикате «пруток», на 32%. Это обусловлено тем, что испытания проведены на разных полуфабрикатах, при этом матрица и армирующие частицы МКМ имеют различный температурный коэффициент линейного расширения, что может приводить к внутренним напряжениям [21].

Проведены испытания МКМ марки ВКМ22 на МЦУ при температурах 20 и 100 °С. Для определения предела выносливости, соответствующего вероятности неразрушения 50%, испытано 15 образцов при температуре 20 °С и 21 образец − при температуре 100 °С на базе 10⁴ циклов. Полученные значения пределов выносливости и результаты регрессионного анализа представлены в табл. 3.

Таблица 3

Значения пределов выносливости МЦУ и результаты регрессионного анализа

металлического композиционного материала марки ВКМ22

и сплава 7075 при различных температурах

Уравнение кривой усталости представлено степенным уравнением σ^mN=const, которое после логарифмирования принимает форму lgN=a+blgσи представляется прямой линией в системе двойных логарифмических координат. В данном случае логарифм напряжения lgσ является независимой переменной, а логарифм количества циклов до разрушения lgN – случайной величиной.

У образцов, испытанных при комнатной температуре, коэффициент b уравнения регрессии имеет в ~2 раза меньшее значение, по сравнению с коэффициентом, наблюдаемым у образцов, испытанных при повышенной температуре. Сопоставление коэффициентов показывает, что при равном уменьшении амплитуды напряжений гораздо интенсивнее происходит увеличение долговечности у образцов, испытанных при комнатной температуре (рис. 3). Долговечность при всех значениях симметричного цикла «растяжение–сжатие» соответствует области малоциклового усталостного нагружения, и разрушение происходит в упругой области деформирования. При температурах 20 и 100 °С в области долговечности с пределом выносливости на базе 5·10³ циклов верхний уровень амплитуды напряжений составляет 0,77 от предела текучести. При долговечности с пределом выносливости на базе 10⁴ циклов амплитуда напряжений составляет 0,75 от предела текучести при температуре 20 °С и 0,63 – при температуре 100 °С. Значение предела выносливости при температуре 100 °С, по сравнению с его значением при температуре 20 °С, на базе испытаний 10⁴ циклов снизилось на 23%.

Рис. 3. Экспериментальные результаты испытаний на малоцикловую усталость образцов
из металлического композиционного материала марки ВКМ22 при температурах 20 (▲)
и 100 °С (●)

Значение предела выносливости МКМ марки ВКМ22, полученное на базе 10⁴ циклов при температуре 20 °С, превышает значение аналогичного предела сплава 7075 на 68%.

Проведены испытания МКМ марки ВКМ22 на МнЦУ при температурах 20 и 100 °С. Для определения предела выносливости, соответствующего вероятности неразрушения 50% при каждой температуре, испытано 15 образцов на базе 2·10⁷ циклов. Полученные значения пределов выносливости и результаты регрессионного анализа представлены в табл. 4.

Таблица 4

Значения пределов выносливости МнЦУ и результаты регрессионного анализа

металлического композиционного материала марки ВКМ22 и сплава В95-Т1

при различных температурах

На рис. 4 приведены линии регрессии, построенные по экспериментальным данным разрушенных образцов, соответствующие медианной кривой. При построении использовали метод наименьших квадратов.

Рис. 4. Экспериментальные результаты испытаний на многоцикловую усталость разрушенных (▲, ●) и неразрушенных (Δ, ○) образцов из металлического композиционного материала марки ВКМ22 при температурах 20 (▲, Δ) и 100 °С (●, ○)

Как видно из данных, представленных в табл. 4, образцы, испытанные при температуре 20 °С, характеризуются более высоким пределом выносливости, чем образцы, испытанные при температуре 100 °С: превышение составляет 9% на базе 2·10⁷ циклов. У образцов, испытанных при комнатной температуре, наблюдается несколько больший угол наклона линии регрессии к оси циклов, по сравнению с образцами, испытанными при температуре 100 °С. Коэффициент b уравнения регрессии имеет большее значение, по сравнению с коэффициентом у образцов, испытанных при повышенной температуре.

Значение предела выносливости МКМ марки ВКМ22, полученное на базе 2·10⁷ циклов при температуре 20 °С на полуфабрикате «пруток», превышает значение аналогичного предела сплава В95-Т1, полученного на полуфабрикате «плита», на 41%.

Заключения

В результате проведенных исследований дисперсноупрочненного МКМ марки ВКМ22 определены значения характеристик кратковременной и длительной прочности, а также МЦУ и МнЦУ при комнатной и повышенных температурах.

Максимальное значение прочностных характеристик при растяжении достигается при температуре 70 °С; при температуре >120 °С характеристики прочности снижаются.

При повышении температуры испытаний с 20 до 100 °С предел выносливости МЦУ снижается на 23% при базе испытаний 10⁴ циклов, а предел выносливости МнЦУ – на 8% при базе испытания 2·10⁷ циклов.

Установлено, что введение армирующей фазы частиц карбида кремния с содержанием 22,5% (объемн.) в алюминиевый сплав В95-Т1 позволило повысить следующие механические характеристики при испытаниях на растяжение и МЦУ при комнатной температуре на базе 10⁴ циклов: предел прочности – на 33%, предел текучести – на 64%, предел выносливости – на 68%.