Композиционные материалы на основе титана, армированные волокнами (обзор)

Работа выполнена в рамках реализации комплексного научного направления 12.1. «Металлические композиционные материалы (МКМ), армированные частицами и волокнами тугоплавких соединений» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [1].

Одной из ключевых проблем создания перспективной авиационной техники являются разработка и внедрение новых газотурбинных двигателей (ГТД), обладающих высоким уровнем тяги, весовым и эксплуатационным совершенством, уменьшенной номенклатурой деталей при обеспечении более высокого ресурса, надежности и экономичности [1–8], совершенствование летно-тактических характеристик самолетов и снижение их радиолокационной заметности [9, 10].

В последнее время происходят существенные перемены в стратегии создания и применения материалов [11]. Благодаря композиционным материалам (КМ) стал возможен новый качественный скачок в увеличении мощности двигателей, уменьшении массы машин и конструкций и повышении весовой эффективности транспортных средств и авиационно-космических аппаратов.

Металлические композиционные материалы (МКМ) можно разделить на следующие основные группы: прерывно-армированные, обычно называемые дисперсноупрочненными, и непрерывно-армированные (волокнисто-армированные) (рис. 1).

Рис. 1. Схематичное изображение типов металлических композиционных материалов (МКМ)

Армированные волокнами металлы – особый и сложный класс материалов. Они представляют собой наиболее обширную и разнообразную по составу группу КМ, для которой теоретические представления и практическая реализация, несмотря на очень значительные технологические трудности, развиваются наиболее существенно [12]. Это объясняется тем, что в КМ этого типа удается реализовать наиболее высокие прочностные и термические характеристики, так как именно использование волокон дает наибольший упрочняющий эффект.

Основная функция волокон состоит в том, чтобы перенести бо́льшую часть прикладываемой нагрузки на КМ и таким образом обеспечить прочность. Максимальная прочность и жесткость, например, достигаются тогда, когда все волокна ориентированы по направлению приложенной нагрузки, и наоборот – прочность КМ гораздо ниже, если волокна ориентированы перпендикулярно приложенной нагрузке или если они распределены в материале хаотично. Однако прочность и анизотропию можно контролировать выбором волокон и их ориентированной упаковкой.

Практика показала, что путем подбора состава и свойств компонентов КМ можно обеспечить получение практически любых изделий с заранее заданным сочетанием эксплуатационных и технологических свойств [13].

К материалу матрицы КМ предъявляются следующие требования: значительное сопротивление окислению и высокая прочность при комнатной температуре. Между материалом волокон и матрицей не должно происходить химического взаимодействия при повышенных температурах [14].

При применении титановых сплавов в КМ открываются значительные возможности совершенствования технологических процессов и изделий. Титан и его сплавы имеют два основных преимущества по сравнению c другими конструкционными металлами, а именно: высокую удельную прочность (т. е. прочность, отнесенную к плотности) и отличную коррозионную стойкость в самых суровых атмосферных условиях, а также в ряде сильных химических реагентов. В некоторых областях применения немаловажное значение имеют и другие свойства титана – например, немагнитность, высокая температура плавления, малый температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР), биологическая инертность и т. д. Титановые сплавы имеют относительно низкую плотность (4500 кг/м³) и обладают высокой прочностью. Но материалы не всегда обладают таким сочетанием свойств, которое требуется для деталей.

Если сравнивать механические и эксплуатационные свойства КМ на основе титановой матрицы и свойства традиционных титановых сплавов, то по ряду параметров КМ существенно их превосходят – имеют повышенную жесткость, высокое сопротивление ползучести и усталостному разрушению, а также обладают высокой износостойкостью.

Интенсивное развитие конструкционных КМ началось в 1960-х гг., когда благодаря успехам химической технологии появились высокопрочные и высокомодульные (обладающие высоким модулем упругости) волокна: борные, углеродные, карбидокремниевые, оксидные, органические волокна, нитевидные монокристаллы и др.

За последние десятилетия достигнут значительный прогресс в области разработки волокон, рассчитанных на применение при высоких температурах. При этом используются в основном керамические и оксидные волокна. Наряду с ними широкое применение находят также металлические волокна (проволоки) из сплавов и благородных металлов.

В табл. 1 приведены данные о свойствах наиболее употребляемых волокон [12].

Таблица 1

Свойства армирующих волокон [12]

* «Усы» – иглообразные нитевидные высокопрочные монокристаллы.

Высокая прочность волокон объясняется их малым диаметром, так как вероятность того, что волокно содержит дефекты, способные вызвать хрупкое разрушение, падает с уменьшением поперечного сечения волокна. Нитевидные монокристаллы (или «усы»), имеющие практически совершенную, бездефектную структуру, обладают прочностью, близкой к теоретической. Для реализации в КМ свойств волокон служит матрица, которая объединяет все компоненты КМ, защищает волокна от внешнего воздействия, способствует равномерному распределению нагрузки между отдельными волокнами и позволяет создавать детали требуемой формы и размеров.

Композиционные материалы на основе титановой матрицы изготавливают при довольно высоких температурах (800–1000°С). Наиболее распространенными упрочнителями для титановой матрицы являются волокна молибдена, бериллия, бора, оксида алюминия, карбида кремния.

Композиционные материалы на основе титановой матрицы

В качестве упрочнителей титана и его сплавов применяют металлические волокна из молибдена, вольфрама, бериллия и др. Например, КМ системы Ti–Mo получают методом динамического горячего прессования заготовок типа «сэндвич» в вакуумированных контейнерах. Такое армирование позволяет повысить длительную прочность по сравнению с матрицей и сохранить прочность при высоких температурах. Одним из недостатков КМ системы Ti–Mo является высокая плотность, что снижает удельную прочность этих материалов. В КМ системы Ti–Be взаимодействие при температуре ˂700°С отсутствует. Выше этой температуры возможно образование хрупкого интерметаллида, при этом прочность волокон практически не изменяется. В табл. 2 приведены свойства КМ на основе титановой матрицы, армированной бериллиевой проволокой.

Таблица 2

Свойства композиционных материалов (КМ) с матрицей системы Ti–6Al–4V,

армированных бериллиевой проволокой [12]

Композиционный материал системы Ti–B

Поскольку волокна бора хрупкие, то для получения компактных композиций чаще всего используют диффузионную сварку в вакууме (рис. 2). Длительная выдержка КМ системы Ti–B при температурах ˃800°С под давлением приводит к образованию хрупких боридов титана, разупрочняющих композит.

Рис. 2. Схема получения металлического композиционного материала (МКМ) с помощью диффузионной сварки

Первые работы отечественных ученых по получению КМ системы Ti–B были проведены еще в 70-х годах прошлого века. Технология диффузионной сварки под давлением в вакуумном пакете принята в качестве метода получения КМ (на основе титана), состоящего из чередующихся слоев бора и титана. В качестве исходных материалов для изготовления образцов КМ системы Ti–B служили борное волокно диаметром 85–100 мкм, намотанное на шпули, и фольга из титановых сплавов марок ВТ15 и ВТ23 толщиной 50 мкм в виде пластин. В результате проделанной работы получить качественный образец КМ не удалось.

В связи с этим борные волокна без покрытий практически не применяют для упрочнения КМ на основе титановой матрицы. Для этих целей применяют волокно «борсик». Следует отметить, что из-за весьма высокого уровня прочности современных титановых сплавов и сравнительно малой плотности эффект от упрочнения их борными волокнами не очень велик. В настоящее время КМ системы Ti–B, полученный методом диффузионной сварки при температуре 800–880°С, имеет σ_в=900 МПа при объемной доле волокон 0,36.

Композиционный материал системы Ti–Al₂O₃

Соединение Al₂O₃ имеет близкие с титаном температурные коэффициенты линейного расширения (ТКЛР), что решает проблему остаточных напряжений при обработке. Для уменьшения высокой стоимости КМ, армированных моноволокнами, проведены работы по получению КМ на основе титановой матрицы с более низкой ценой, наполненные жгутообразными волокнами оксида алюминия (рис. 3). Использовали волокна оксида алюминия со средним диаметром 12 мкм в форме жгутов. Для решения проблемы взаимодействия между волокнами и титановой матрицей, волокна покрывали различными материалами, среди которых лучше всех проявил себя Y₂O₃.

Рис. 3. Неупорядоченные волокна в системе Ti–Al₂O₃

Композиционный материал системы Ti–SiC

Первое упоминание о попытке изготовления КМ системы Ti–SiC относится также к середине 70-х годов прошлого века. На тот момент стали доступны первые SiC-волокна, произведенные фирмами Avco (США) и British Petrol (BP, Великобритания). Однако выяснилось, что на механические свойства композита значительное влияние оказывает реакция между волокном и матрицей. При этом взаимодействие титана с волокнами SiC меньше, чем с волокнами бора. С начала 80-х годов прошлого века для защиты от непосредственного контакта с титановой матрицей SiC-волокна покрывали дополнительным защитным слоем с высоким содержанием углерода. В результате для композитов впервые получили прочностные свойства, которые в первом приближении соответствовали теоретическим значениям по правилу смешения.

Материалы системы Ti–SiC имеют высокие значения предела ползучести при определении внеосевой прочности. В настоящее время при производстве данных КМ используются технологии магнетронного распыления и горячее изостатическое прессование (ГИП). Для предотвращения при повышенной температуре химического взаимодействия между волокном и матрицей используют защитные покрытия волокон и метод фазовой сегрегации. На рис. 4 представлена микроструктура армирующего волокна SiC в титановой матрице [14].

Рис. 4. Микроструктура волокон SiC в титановой матрице

После 40 лет разработок в области армирования титановых сплавов для сокращения зоны реакции между карбидом кремния и матрицей SiC-волокна были адаптированы для нанесения покрытий из пироуглерода. Во время воздействия повышенной температуры уменьшается толщина покрытия волокна, в то время как реакционный слой увеличивается.

В настоящее время зарубежными фирмами активно разрабатываются и внедряются в авиационные изделия КМ на основе титановой и интерметаллидной матриц, армированных непрерывными волокнами SiC [15].

Таким образом, для получения КМ на основетитановой матрицы с оптимальными свойствами допустима определенная степень взаимодействия компонентов, интенсивность которой регулируется подбором соответствующего состава матрицы, защитными покрытиями либо применением высокоскоростных и низкотемпературных методов изготовления.

При производстве КМ на основе титановой матрицы используют различные технологии, в том числе порошковые. При использовании порошковых технологий необходимо применять компактирование, которое включает холодное прессование и спекание, ГИП или прямую экструзию порошка. Холодное прессование является самым оптимальным по затратам методом, а ГИП отличается более высокой стоимостью, однако обеспечивает значительно меньшую пористость. Эффективность данного метода повышается по мере увеличения обрабатываемой партии.

В зависимости от особенностей свойств материалов разработано значительное количество различных технологических приемов, позволяющих изготавливать достаточно широкую номенклатуру изделий. Данных о таких процессах в научно-технической литературе достаточно мало, так как для этого необходимы длительные дорогостоящие исследования, которые обеспечивают ускоренное развитие наукоемких оборонных отраслей, таких как аэрокосмическая, производство вооружений, средств обороны и защиты [12].

Следует отметить, что при создании перспективных ГТД на рабочие температуры до 500–700°С необходимость разработки КМ на основе титановых сплавов приобретает особую значимость. В течение последних лет наблюдается растущий интерес к КМ на основе интерметаллидов титана, таких как TiAl или Ti₃Al, благодаря сочетанию низкой плотности и высоких прочностных характеристик при повышенных температурах (˃600°С), хорошей стойкости к окислению и ползучести [15, 16].

Использование КМ на основе титановой, в том числе интерметаллидной, матрицы в лопатках компрессора низкого и высокого давления позволяет снизить массу лопаток на 30% по сравнению с неупрочненными титановыми сплавами и никелевыми суперсплавами (табл. 3) [15, 17–19].

Таблица 3

Сравнительные характеристики металлических композиционных материалов

на основе титановой и интерметаллидной матрицы и никелевого суперсплава [15, 18]

Композиционные материалы на основе титановой матрицы являются перспективными материалами для авиакосмической техники и находят применение в новых конструкциях реактивных двигателей, где возникает необходимость в материалах, выдерживающих температуру эксплуатации до 800°С.

Таким образом, в настоящее время развитие этих материалов для создания новых ГТД является наиболее перспективным. Однако сдерживающим фактором на пути к широкому применению таких материалов является сложный технологический цикл производства [20], а следовательно, высокая цена. Следует отметить, что в настоящее время в связи с повышенной заинтересованностью в новых перспективных материалах для авиакосмической отрасли, способных работать при повышенных температурах и в агрессивных средах, а также благодаря современным технологиям производства имеются все основания для широкого применения разрабатываемых КМ.