Введение

Возможность реализации проектов для создания новых перспективных образцов аэрокосмической техники, определяющих уровень научно-технического прогресса общества, в значительной мере обусловлена наличием материалов, отвечающих условиям их работы в конструкциях. Несмотря на успехи теоретического и практического материаловедения за последние годы, проблема новых авиационных материалов стоит сейчас не менее остро чем 50 лет назад [1–4].

Одним из эффективных путей решения этой задачи является разработка композиционных материалов (КМ) на металлической матрице с армирующей фазой и технологий их изготовления – в частности металлического композиционного материала (МКМ) на основе алюминиевой матрицы, упрочненной непрерывными волокнами Al₂O₃. С помощью композиционных материалов возможно совершенствовать уже освоенные промышленностью изделия путем замены традиционных материалов и осваивать производство новых изделий, которые в принципе могут быть созданы только при использовании таких материалов. Причем наибольший эффект от применения КМ достигается в высоконагруженных конструкциях, к которым предъявляются жесткие требования по снижению их массы – например, в аэрокосмической промышленности [5–8].

Основным способом получения МКМ системы Al–Аl₂O₃ является вакуумно-компрессионная пропитка волокнистой заготовки расплавом. Однако применение этого метода связанно с рядом проблем, обусловленных обеспечением связи на границе раздела «волокно–матрица» [8–11].

Свойства границы раздела – в первую очередь, адгезионное взаимодействие волокна и матрицы – определяют уровень свойств КМ и их сохранение при эксплуатации. Локальные напряжения в КМ достигают максимальных значений как раз вблизи или непосредственно на границе раздела, где обычно и начинается разрушение материала. Поэтому для достижения высоких механических характеристик, в композиционном материале необходимо реализовать эффективную передачу нагрузки от матрицы к армирующему наполнителю. Адгезионная связь по границе раздела не должна разрушаться под действием внешней нагрузки и при возникновении термических и усадочных напряжений, возникающих вследствие различия значений температурных коэффициентах линейного расширения (ТКЛР) матрицы и волокна. Высокая прочность КМ реализуется при хорошей смачиваемости матричным сплавом армирующего компонента. Однако, как правило, межфазное взаимодействие приводит к образованию хрупких соединений, которые являются причиной хрупкого разрушения МКМ [11–13].

При изготовлении МКМ системы Al–Al₂O₃ вокруг волокон в матрице могут образовываться межфазные слои, состоящие из шпинелей MgAl₂O₄ и/или CuAl₂O₄, в зависимости от состава матрицы. Существует предположение, что при добавлении магния в алюминиевый сплав происходит сегрегация его на межфазной границе и таким образом улучшается смачивание и адгезия в МКМ системы Al–Аl₂O₃ [14–16].

Шпинель состава MgAl₂O₄ может образовываться по двум идентичным реакциям – при взаимодействии магния с алюминием и магния с волокнами α-Al₂O₃, согласно термодинамическим расчетам [10, 17]:

Mg+2Al+2O₂→MgAl₂O₄;

3Mg+4Al₂O₃→3MgAl₂O₄+2Al.

Целью данной работы является исследование границ раздела МКМ на основе алюминиевого сплава, армированного непрерывными волокнами Al₂O₃, на возможность образования межфазных слоев (шпинелей).

Материалы и методы

По жидкофазной технологии были изготовлены экспериментальные образцы МКМ, армированного непрерывными волокнами Al₂O₃. В качестве матрицы использовали алюминиевый сплав системы Al–Mg–Cu (с содержанием Mg: 1,2–1,8, Сu: 3,8–4,9). Содержание волокон в МКМ составляет 55% (объемн.).

Технологическими операциями получения образцов МКМ являлись: формирование методом намотки волокнистой заготовки из непрерывного волокна Al₂O₃, вакуумно-компрессионная пропитка волокнистой заготовки расплавом матричного сплава, механическая обработка.

Рентгенографический анализ (РФА) проводили на аппарате ALR X’TRA (TermoFisher) в Cu K_α-излучении методом сканирования с использованием базы данных PDF-2 и программного комплекса Crystallographica Search-Match Version 3.1.0.0 на образцах с продольным и поперечным расположением волокон.

Химический рентгенофлюоресцентный анализ проводили на установке ARL-Optim-X (TermoFisher) с использованием программы UQuant.

Результаты

Рентгенографический анализ

Анализ проводили на образцах с продольным и поперечным расположением волокон относительно источника излучения. Для продольного и поперечного расположения волокон получены рентгенограммы, представленные на рис. 1, а и б соответственно. Количественный рентгенофазовый анализ выполнен с использованием программы Siroquant v.3. Отдельно исследованы волокна оксида алюминия, закрепленные на подложке из картона. Этот эксперимент проводили для оценки чувствительности и точности проводимого рентгенофазового анализа КМ. Сопоставление рентгенограммы волокон с эталоном (Star) базы данных приведено на рис. 2.

Рис. 1. Рентгенограммы композиционного материала при продольном (а) и поперечном (б) расположении волокон

Рис. 2. Рентгенограмма исходных волокон оксида алюминия

В результате анализа рентгенограммы для образца КМ с продольным расположением волокон получены результаты, представленные в табл.1.

Таблица 1

Результаты анализа образца с продольным расположением волокон

В результате анализа рентгенограммы для образца КМ с поперечным расположением волокон получены результаты, представленные в табл. 2.

Таблица 2

Результаты анализа образца с поперечным расположением волокон

В результате рентгенофазового анализа установлено, что образец преимущественно двухфазный, состоит из α-Al₂O₃ и твердого раствора меди в Al. Результаты измерений интенсивности для двух образцов (с продольным и поперечным направлением волокон) незначительно отличаются, что свидетельствует об отсутствии анизотропии в указанных направлениях.

Флюоресцентный химический анализ

При проведении флюоресцентного химического анализа вещества с содержанием ˂0,2% не учитывались. Анализ проводили с поправкой на обратное рассеяние. Используемое оборудование не позволяет выявить объемное содержание «легких» элементов, входящих в состав материала, – от водорода до фтора. В данном случае в явном виде не учитывается объемное содержание кислорода. Анализирующая программа позволяет только оценить объемное содержание элементов или их оксидов. Полученные результаты представлены в табл. 3 и 4.

Таблица 3

Массовое содержание в пересчете на оксиды

Таблица 4

Массовое содержание в пересчете на металлическую фазу

На основе полученных данных о составе (количественный РФА и химический состав) материала проведем оценку максимального возможного объемного содержания межфазных зон в КМ. Предположим, что весь выявленный в результате химического анализа объем оксидов магния и меди присутствует в материале только в составе шпинели, т. е. в виде соединения с оксидом алюминия. Проведены расчеты массовой доли оксидов СuO и MgO в соединениях CuAl₂O₄ и MgAl₂O₄ соответственно, тогда:

где m – относительная масса соответствующего элемента или соединения; ω_CuO, ω_MgO – массовые доли оксидов СuO и MgO в соединениях в виде шпинели.

Далее определено возможное массовое содержание шпинелей  и   в композиционном материале: 

где f_CuO и f_MgO – массовое содержание оксидов меди и магния в композиционном материале.

Определено объемное содержание шпинелей  и  Выразим массовое содержание оксидов через их объемные содержания:

где  г/см³ – усредненная плотность композиционного материала;   – плотности шпинелей, равные ~3,6 г/см³; 6,3 г/см³, 3,6 г/см³ – плотности оксидов; φ_CuO, φ_MgO – объемные содержание оксидов, найденные в экспериментах (см. табл. 3).

В результате проведения расчетов получена оценка объемного содержания шпинелей в КМ:

Таким образом, в качестве оценки для объемного содержания слоев шпинелей, расположенных в КМ вокруг волокон, получено значение 7%. В этом случае средняя толщина слоев шпинели на волокнах d_шп находится из следующего выражения, определяющего объемное содержание шпинели:

где R_в=12 мкм – радиус волокон оксида алюминия; φ_в=55% – объемное содержание волокон.

Рис. 3. Микроснимок шлифа структуры композита Al–Al₂O₃, полученный на электронном микроскопе EVO 50 (а) с указанием возможного расположения межфазных зон рассчитанной толщины (б)

На рис. 3 представлена приблизительная оценка вероятного расположения межфазных шпинельных зон, нанесенная на микроснимок шлифа исследуемого композиционного материала. Снимок получен на электронном микроскопе EVO 50, и межфазные зоны на нем визуально установить не удалось.

Обсуждение и заключения

По данным рентгенофазового анализа в образцах МКМ обнаружены только фазы Al и Al₂O₃, фазы шпинелей MgAl₂O₄ и CuAl₂O₄ не были обнаружены, что может быть связано с погрешностью метода, которая равна 5% (по массе). На основе полученных результатов анализа химического состава образца проведена оценка возможного максимального объемного содержания межфазных зон в МКМ, которая показала, что фаза шпинели может составлять: 3,75% – CuAl₂O₄, 3,2% – MgAl₂O₄, что соответствует толщине межфазного слоя на волокнах, равной 740 нм. Визуально наличие этих зон на микроснимках шлифов КМ также не установлено. Таким образом, показано, что с помощью имеющихся стандартных методов исследования структуры и состава материалов не удается обнаружить наличие слоев шпинелей в межфазной зоне КМ. Однако с высокой вероятностью эти межфазные зоны малой толщины (˂1 мкм) могут присутствовать в КМ. В дальнейшем в процессе выполнения работы планируется исследовать локальное изменение химического состава матричного материала вблизи волокон, а также провести расчет необходимой минимальной толщины межфазной зоны для эффективной передачи нагрузки при действии внешних механических или температурных напряжений.