Matériaux composites à matrice métallique. Composites en poudre

Matériaux composites avec une matrice métallique. Pour travailler avec plus hautes températures des matrices métalliques sont utilisées.

Les CM métalliques présentent un certain nombre d'avantages par rapport aux CM polymères. En plus d'une température de fonctionnement plus élevée, ils se caractérisent par une meilleure isotropie et une plus grande stabilité des propriétés pendant le fonctionnement, et une résistance à l'érosion plus élevée.

La ductilité des matrices métalliques confère à la structure la viscosité requise. Ceci facilite l'égalisation rapide des contraintes mécaniques locales.

Un avantage important des CM métalliques est la plus grande aptitude à la fabrication du processus de fabrication, du moulage, du traitement thermique, de la formation de composés et de revêtements.

L'avantage des matériaux composites à base de métal réside dans les valeurs plus élevées des caractéristiques qui dépendent des propriétés de la matrice. Ce sont tout d'abord la résistance ultime et le module d'élasticité en traction dans la direction perpendiculaire à l'axe des fibres de renfort, la résistance en compression et en flexion, la ductilité, la ténacité à la rupture. De plus, les matériaux composites à matrice métallique conservent leurs caractéristiques de résistance jusqu'à des températures plus élevées que les matériaux à matrice non métallique. Ils sont plus résistants à l'humidité, incombustibles, ont une conductivité électrique.La conductivité électrique élevée du métal CM les protège bien des rayonnements électromagnétiques, de la foudre et réduit le risque d'électricité statique. La conductivité thermique élevée du métal CM protège contre la surchauffe locale, ce qui est particulièrement important pour les produits tels que pointes de fusée et bords d'attaque des ailes.

Les matériaux les plus prometteurs pour les matrices de matériaux composites métalliques sont les métaux à faible densité (A1, Mg, Ti) et les alliages à base de ceux-ci, ainsi que le nickel, qui est aujourd'hui largement utilisé comme composant principal des superalliages.

Les composites sont préparés selon différentes méthodes. Il s'agit notamment de l'imprégnation d'un faisceau de fibres avec des masses fondues liquides d'aluminium et de magnésium, la projection au plasma, l'utilisation de méthodes de pressage à chaud, parfois suivies d'hydroextrusion ou de laminage de billettes. Lors du renforcement de fibres continues de compositions de type sandwich constituées de couches alternées de feuille d'aluminium et de fibres, on utilise le laminage, le pressage à chaud, le soudage par explosion et le soudage par diffusion. La coulée de tiges et de tuyaux, renforcée de fibres à haute résistance, est obtenue à partir de la phase de métal liquide. Un faisceau de fibres passe en continu dans un bain en fusion et est imprégné sous pression d'aluminium liquide ou de magnésium. A la sortie du bain d'imprégnation, les fibres sont réunies et passées dans une filière pour former une barre ou un tube. Cette méthode assure le remplissage maximum du composite avec des fibres (jusqu'à 85%), leur répartition uniforme dans la Coupe transversale et la continuité du processus.

Matériaux de matrice en aluminium. Les matériaux de matrice en aluminium renforcent principalement fil d'acier(UAN), fibre borique (VKA) et fibre de carbone (VKU). En tant que matrice, on utilise à la fois de l'aluminium technique (par exemple, AD1) et des alliages (AMg6, B95, D20, etc.).

L'utilisation d'un alliage (par exemple B95) comme matrice, durci par traitement thermique (trempe et vieillissement), donne un effet supplémentaire de renforcement de la composition. Cependant, dans la direction de l'axe de la fibre, elle est faible, tandis que dans la direction transversale, où les propriétés sont principalement déterminées par les propriétés de la matrice, elle atteint 50 %.

Le matériau de renforcement le moins cher, assez efficace et abordable est le fil d'acier à haute résistance. Ainsi, le renforcement de l'aluminium commercial avec un fil en acier VNS9 d'un diamètre de 0,15 mm (σ b = 3600 MPa) augmente sa résistance de 10 à 12 fois avec une teneur volumétrique en fibres de 25 % et de 14 à 15 fois avec un augmentation de la teneur jusqu'à 40%, après quoi la résistance temporaire atteint respectivement 1000-1200 et 1450 MPa. Si un fil de plus petit diamètre est utilisé pour le renforcement, c'est-à-dire de plus grande résistance (σw = 4200 MPa), la résistance ultime du matériau composite passera à 1750 MPa. Ainsi, l'aluminium renforcé avec du fil d'acier (25-40%), en termes de propriétés de base, surpasse de manière significative même les alliages d'aluminium à haute résistance et atteint le niveau des propriétés correspondantes des alliages de titane. Dans ce cas, la densité des compositions est de l'ordre de 3900-4800 kg/m 3.

Le renforcement de l'aluminium et de ses alliages avec des fibres plus chères B, C, A1 2 O e augmente le coût des matériaux composites, mais certaines propriétés sont améliorées plus efficacement : par exemple, lorsqu'il est renforcé avec des fibres de bore, le module d'élasticité augmente de 3-4 fois, les fibres de carbone contribuent à une diminution de la densité. Le bore s'affaiblit peu avec l'augmentation de la température, par conséquent, les compositions renforcées de fibres de bore conservent une résistance élevée jusqu'à 400-500 ° C. Un matériau contenant 50 % en volume de fibres de bore continues à haute résistance et à haut module (VKA-1) a été trouvé industriel application. En termes de module d'élasticité et de résistance ultime dans la plage de température de 20 à 500 ° C, il surpasse tous les alliages d'aluminium standard, y compris à haute résistance (B95) et les alliages spécialement conçus pour fonctionner à haute température (AK4-1), ce qui est clairement représenté sur la Fig. 13.35. La capacité d'amortissement élevée du matériau assure la résistance aux vibrations des structures qui en sont constituées. La densité de l'alliage est de 2650 kg / m 3 et la résistance spécifique est de 45 km. Ceci est nettement supérieur à celui des aciers à haute résistance et des alliages de titane.

Des calculs ont montré que le remplacement de l'alliage B95 par un alliage de titane dans la fabrication d'un longeron d'aile d'avion par des éléments de renfort VKA-1 augmente sa rigidité de 45 % et permet un gain de poids d'environ 42 %.

Les matériaux composites à base d'aluminium, renforcés de fibres de carbone (CFC), sont moins chers et plus légers que les matériaux contenant des fibres de bore. Et bien qu'ils soient inférieurs à ces derniers en force, ils ont une force spécifique similaire (42 km). Cependant, la fabrication de matériaux composites avec un durcisseur de carbone est associée à de grandes difficultés technologiques dues à l'interaction du carbone avec matrices métalliques lorsqu'il est chauffé, provoquant une diminution de la résistance du matériau. Pour éliminer cet inconvénient, des revêtements spéciaux de fibres de carbone sont utilisés.

Matériaux à matrice de magnésium. Les matériaux à matrice de magnésium (VKM) se caractérisent par une densité plus faible (1800-2200 kg / m3) qu'avec une matrice en aluminium, avec approximativement la même résistance élevée de 1000-1200 MPa et donc une résistance spécifique plus élevée. Les alliages de magnésium corroyés (MA2, etc.), renforcés de fibre de bore (50 vol.%), ont une résistance spécifique > 50 km. La bonne compatibilité du magnésium et de ses alliages avec la fibre de bore, d'une part, permet de fabriquer des pièces par imprégnation pratiquement sans suite traitement mécanique, d'autre part, il offre une longue durée de vie des pièces à des températures élevées. La résistance spécifique de ces matériaux est augmentée par l'utilisation d'alliages légers au lithium comme matrice, ainsi que par l'utilisation de fibres de carbone plus légères. Mais, comme mentionné précédemment, l'introduction de la fibre de carbone complique la technologie des alliages déjà low-tech. Comme vous le savez, le magnésium et ses alliages ont une faible plasticité technologique, une tendance à former un film d'oxyde lâche.

Matériaux composites à base de titane. Lors de la création de matériaux composites à base de titane, des difficultés sont rencontrées en raison de la nécessité de chauffer à des températures élevées. A haute température, la matrice de titane devient très active ; il acquiert la capacité d'absorber les gaz, d'interagir avec de nombreux durcisseurs : bore, carbure de silicium, oxyde d'aluminium, etc. En conséquence, des zones de réaction se forment et la résistance des fibres elles-mêmes et des matériaux composites en général diminue. Et, en outre, les températures élevées conduisent à la recristallisation et au ramollissement de nombreux matériaux de renforcement, ce qui réduit l'effet de durcissement du renforcement. Par conséquent, pour renforcer les matériaux à matrice de titane, on utilise du fil composé de fibres de béryllium et de céramique d'oxydes réfractaires (A1 2 0 3), de carbures (SiC), ainsi que de métaux réfractaires à grand module d'élasticité et à haute température de recristallisation (Mo , W). De plus, le but du renforcement n'est principalement pas d'augmenter la résistance spécifique déjà élevée, mais d'augmenter le module d'élasticité et d'augmenter les températures de fonctionnement. Propriétés mécaniques de l'alliage de titane VT6 (6% A1, 4% V, le reste est A1), renforcé de fibres Mo, Be et SiC, sont présentés dans le tableau. 13,9... Vu de. Selon le tableau, la rigidité spécifique est plus efficacement augmentée lorsqu'elle est renforcée avec des fibres de carbure de silicium.

Le renforcement de l'alliage VT6 avec du fil de molybdène contribue à maintenir des valeurs élevées du module d'élasticité jusqu'à 800 "C. Sa valeur à cette température correspond à 124 GPa, c'est-à-dire diminue de 33%, tandis que la résistance ultime à la traction diminue à 420 MPa , soit plus de 3 fois.

Matériaux composites à base de nickel. Les CM résistants à la chaleur sont fabriqués à base d'alliages de nickel et de cobalt, renforcés de céramique (SiC, Si 3 Ni 4, Al 2 O 3) et de fibres de carbone. La tâche principale dans la création de matériaux composites à base de nickel (VKN) est d'augmenter les températures de fonctionnement au-dessus de 1000 ° C. Et l'un des meilleurs durcisseurs de métaux pouvant fournir de bonnes valeurs de résistance à des températures aussi élevées est le fil de tungstène. L'introduction de fil de tungstène dans une quantité de 40 à 70 % en volume dans l'alliage nickel-chrome offre une résistance à 1100 ° C pendant 100 h, respectivement, 130 et 250 MPa, tandis que le meilleur alliage de nickel non renforcé conçu pour fonctionner dans des conditions similaires a une force de 75 MPa. L'utilisation de fils en alliages de tungstène avec du rhénium ou du hafnium pour le renforcement augmente cet indicateur de 30 à 50 %.

Les matériaux composites sont utilisés dans de nombreuses industries et principalement dans l'aviation, les fusées et la technologie spatiale, où en particulier grande importance a une réduction de la masse des structures tout en augmentant la résistance et la rigidité. En raison de leurs caractéristiques spécifiques élevées de résistance et de rigidité, ils sont utilisés dans la fabrication, par exemple, de stabilisateurs horizontaux et de volets d'avions, de pales d'hélices et de conteneurs d'hélicoptères, de coques et de chambres de combustion de moteurs à réaction, etc. L'utilisation de composites les matériaux dans les structures d'avions ont réduit leur poids de 30 à 40%, augmenté la charge utile sans réduire la vitesse et la portée.

Actuellement, les matériaux composites sont utilisés dans la construction de turbines de puissance (travail et aubes de tuyère d'une turbine), l'automobile (carrosseries et réfrigérateurs, pièces de moteurs), la construction mécanique (carrosseries et pièces de machines), l'industrie chimique (autoclaves, réservoirs, conteneurs), construction navale, (coques de bateaux, bateaux, hélices), etc.

Les propriétés particulières des matériaux composites permettent de les utiliser comme isolants électriques (fibre de verre), carénages radio-transparents (fibre de verre), paliers lisses (fibre de carbone) et autres pièces.

Matériaux composites à matrice céramique. Pour les températures de fonctionnement les plus élevées, la céramique est utilisée comme matériau de matrice. Les matériaux silicate (SiO 2), aluminosilicate (Al 2 O 3 - SiO 2), aluminoborosilicate (Al 2 O 3 - B 2 O 3 - SiO 2), oxydes d'aluminium réfractaires (Al 2 O 3), zirconium sont utilisés comme matrices céramiques (ZrO 2), béryllium (BeO), nitrure de silicium (Si 3 N 4), borures de titane (TiB 2) et de zirconium (ZrB 2), carbures de silicium (SiC) et titane (TiC). Les composites à matrice céramique ont un point de fusion élevé, une résistance à l'oxydation, aux chocs thermiques et aux vibrations, et une résistance à la compression. CM céramiques à base de carbures et d'oxydes avec des additifs en poudre métallique (< 50об. %) называются cermets ... En plus des poudres pour renforcer les CM céramiques, des fils métalliques en tungstène, molybdène, niobium, acier résistant à la chaleur, ainsi que des fibres non métalliques (céramique et carbone) sont utilisés. L'utilisation d'un fil métallique crée un cadre en plastique qui protège le CM de la destruction lors de la fissuration d'une matrice céramique fragile. L'inconvénient des matériaux composites céramiques renforcés de fibres métalliques est leur faible résistance à la chaleur. Les CM à matrice d'oxydes réfractaires (utilisables jusqu'à 1000°C), de borures et nitrures (jusqu'à 2000°C), de carbures (plus de 2000°C) ont une haute résistance thermique. Lors du renforcement des CM céramiques avec des fibres de carbure de silicium, une force de liaison élevée entre eux et la matrice est obtenue en combinaison avec une résistance à l'oxydation à haute température, ce qui permet de les utiliser pour la fabrication de pièces fortement chargées (haute température roulements, joints, pales de rotor de moteurs à turbine à gaz, etc.). Le principal inconvénient de la céramique - le manque de plasticité - est dans une certaine mesure compensé par des fibres de renfort, qui inhibent la propagation des fissures dans la céramique.

Composite carbone-carbone ... L'utilisation de carbone amorphe comme matériau de matrice, et de fibres de carbone cristallin (graphite) comme matériau de renfort a permis de créer un composite pouvant résister à un chauffage jusqu'à 2500°C. Un tel composite carbone-carbone est prometteur pour l'astronautique et l'aviation extra-atmosphérique. L'inconvénient de la matrice carbonée est le potentiel d'oxydation et d'ablation. Pour éviter ces phénomènes, le composite est revêtu d'une fine couche de carbure de silicium.

La matrice de carbone, dont les propriétés physiques et chimiques sont similaires à celles de la fibre de carbone, assure la stabilité thermique du CCCM

Plus large application trouvé deux façons d'obtenir des composites carbone-carbone :

1. carbonisation d'une matrice polymère d'une préforme en fibre de carbone préformée par traitement thermique à haute température dans un environnement non oxydant ;

2. dépôt en phase vapeur de carbone pyrolytique, formé lors de la décomposition thermique des hydrocarbures dans les pores du substrat en fibre de carbone.

Ces deux méthodes ont leurs propres avantages et inconvénients. Lors de la création de CCCM ils sont souvent combinés pour conférer les propriétés requises au composite.

Carbonisation de la matrice polymère. Le procédé de carbonisation est un traitement thermique d'un produit en fibre de carbone à une température de 1073 K dans un milieu non oxydant (gaz inerte, remblayage de charbon, etc.). Le traitement thermique a pour but de transformer le liant en coke. Au cours du processus de carbonisation, il se produit une destruction thermique de la matrice, accompagnée d'une perte de masse, d'un retrait, de la formation d'un grand nombre de pores et, par conséquent, d'une diminution des propriétés physico-mécaniques du composite.

La carbonisation est réalisée le plus souvent dans des fours à résistance moufle. La cornue, en alliage résistant à la chaleur, protège le produit de l'oxydation par l'oxygène atmosphérique, et éléments chauffants et l'isolation - de la pénétration de produits volatils corrosifs de la pyrolyse du liant sur eux et assure un chauffage uniforme du volume réactionnel du four.

Le mécanisme et la cinétique de la carbonisation sont déterminés par le rapport des taux de dissociation des liaisons chimiques et de recombinaison des radicaux résultants. Le processus s'accompagne de l'élimination des composés résineux et des produits gazeux en évaporation et de la formation de coke dur, enrichi en atomes de carbone. Par conséquent, dans le processus de carbonatation point clé est le choix du régime température-temps, qui doit assurer la formation maximale de résidu de coke à partir du liant, puisque la résistance mécanique du composite carbonisé dépend, entre autres, de la quantité de coke formé.

Plus le produit est gros, plus le processus de carbonatation doit être long. La vitesse d'élévation de température pendant la carbonisation est de plusieurs degrés à plusieurs dizaines de degrés par heure, la durée du processus de carbonisation est de 300 heures ou plus. La carbonisation se termine généralement dans la plage de température 1073-1773 K, correspondant à la plage de température de la transition du carbone au graphite.

Les propriétés du CCCM dépendent en grande partie du type de liant initial, qui est utilisé comme résines organiques synthétiques, donnant un résidu de coke élevé. Le plus souvent, les résines phénol-formaldéhyde sont utilisées à cette fin en raison de leur aptitude à la fabrication, de leur faible coût, du coke formé dans ce processus a une résistance élevée.

Les résines phénol-formaldéhyde présentent certains inconvénients. En raison de la nature polycondensante de leur durcissement et de la libération de composés volatils, il est difficile d'obtenir une structure dense homogène. La quantité de retrait lors de la carbonisation des liants phénol-formaldéhyde est plus importante que pour les autres types de liants utilisés dans la fabrication du CCCM, ce qui conduit à l'apparition de contraintes internes dans le composite carbonisé et à une diminution de ses propriétés physiques et mécaniques.

Les liants furaniques donnent un coke plus dense. Leur retrait lors de la carbonisation est moindre et la résistance du coke est supérieure à celle des résines phénol-formaldéhyde. Par conséquent, malgré un cycle de durcissement plus complexe, des liants à base de furfural, de furfurylidèneacétones et d'alcool furylique sont également utilisés dans la production de CCCM.

Les brais de charbon et de pétrole sont très prometteurs pour l'obtention d'une matrice carbonée en raison de la teneur élevée en carbone (jusqu'à 92-95%) et de l'indice de coke élevé. Les avantages du brai par rapport aux autres liants sont la disponibilité et le faible coût, l'exclusion du solvant du processus technologique, la bonne graphitabilité du coke et sa densité élevée. Les inconvénients des brais incluent la formation d'une porosité importante, la déformation du produit, la présence de composés cancérigènes dans leur composition, ce qui nécessite des mesures de sécurité supplémentaires.

En raison de la libération de composés volatils lors de la destruction thermique de la résine dans le plastique carbonisé, une porosité importante apparaît, ce qui réduit les propriétés physiques et mécaniques du CCCM. Par conséquent, l'étape de carbonisation de la fibre de carbone complète le processus d'obtention uniquement de matériaux poreux qui ne nécessitent pas une résistance élevée, par exemple du CCCM à faible densité à des fins d'isolation thermique. Habituellement, pour éliminer la porosité et augmenter la densité, le matériau carbonaté est réimprégné d'un liant et carbonisé (ce cycle peut être répété plusieurs fois). La réimprégnation est effectuée dans des autoclaves en mode "vide-pression", c'est-à-dire que la pièce est d'abord chauffée sous vide, après quoi un liant est fourni et une surpression allant jusqu'à 0,6-1,0 MPa est créée. Lors de l'imprégnation, des solutions et des masses fondues de liants sont utilisées, et la porosité du composite diminue à chaque cycle, il est donc nécessaire d'utiliser des liants à viscosité réduite. Le degré de compactage lors de la réimprégnation dépend du type de liant, de l'indice de coke, de la porosité du produit et du degré de remplissage des pores. Avec une augmentation de la densité, la résistance du matériau augmente également lors de la ré-imprégnation. Cette méthode peut être utilisée pour obtenir du CCCM avec une densité allant jusqu'à 1800 kg/m 3 et plus. Le procédé de carbonisation du plastique renforcé de fibres de carbone est relativement simple, il ne nécessite pas d'équipement complexe et il offre une bonne reproductibilité des propriétés matérielles des produits résultants. Cependant, la nécessité d'opérations de compactage multiples allonge considérablement et augmente le coût du processus d'obtention des produits à partir de CCCM, ce qui est un grave inconvénient de cette méthode.

Dès réception du CCCM par le procédé de dépôt de carbone pyrolytique à partir de la phase gazeuse Un hydrocarbure gazeux (méthane, benzène, acétylène, etc.) ou un mélange d'un hydrocarbure et d'un gaz de dilution (gaz inerte ou hydrogène) diffuse à travers la charpente poreuse en fibre de carbone, où, sous l'action d'une température élevée, l'hydrocarbure se décompose sur la surface de la fibre chauffée. Le pyrocarbone déposé crée progressivement des ponts de liaison entre les fibres. La cinétique de dépôt et la structure du carbone pyrolytique résultant dépendent de nombreux facteurs : température, débit de gaz, pression, volume de réaction, etc. Les propriétés des composites résultants sont également déterminées par le type et la teneur de la fibre, et le schéma de renforcement. .

Le procédé de dépôt est réalisé sous vide ou sous pression dans des fours à induction ainsi que dans des fours à résistance.

Plusieurs méthodes technologiques ont été développées pour obtenir une matrice pyrocarbone.

Avec la méthode isotherme la pièce est dans une chambre uniformément chauffée. L'uniformité du chauffage dans un four à induction est assurée par un élément combustible - un suscepteur en graphite. Le gaz d'hydrocarbures est alimenté par le bas du four et diffuse à travers le volume de réaction et la billette ; les produits de réaction gazeux sont évacués par une sortie dans le couvercle du four.

Le processus est généralement effectué à une température de 1173-1423 K et une pression de 130-2000 kPa. Une diminution de la température entraîne une diminution de la vitesse de dépôt et un allongement excessif de la durée du procédé. Une augmentation de la température accélère le dépôt du carbone pyrolytique, mais en même temps le gaz n'a pas le temps de se diffuser dans le volume de la pièce et une stratification superficielle du carbone pyrolytique se produit. Le processus prend des centaines d'heures.

La méthode isotherme est généralement utilisée pour la fabrication de pièces à parois minces, car dans ce cas les pores situés à la surface du produit sont principalement remplis.

Pour la saturation volumétrique des pores et l'obtention de produits à parois épaisses, il est utilisé méthode non isotherme, qui consiste à créer un gradient de température dans la pièce en la plaçant sur un mandrin ou noyau chauffé ou en la chauffant directement avec un courant. Le gaz d'hydrocarbure est fourni par le côté avec plus basse température... La pression du four est généralement atmosphérique. En conséquence, le dépôt de carbone pyrolytique se produit dans la zone la plus chaude. L'effet de refroidissement du gaz circulant sur la surface à grande vitesse est le principal moyen d'obtenir le gradient de température.

Une augmentation de la densité et de la conductivité thermique du composite conduit à un déplacement du front de température de dépôt, ce qui permet in fine un compactage volumétrique du matériau et la fabrication de produits à haute densité (1700-1800 kg/m 3 ).

La méthode isotherme d'obtention du CCCM à matrice pyrocarbone se caractérise par les avantages suivants : bonne reproductibilité des propriétés ; simplicité de conception technique; haute densité et bonne graphitisation de la matrice ; la capacité de traiter plusieurs produits en même temps.

Les inconvénients comprennent : une faible vitesse de sédimentation ; dépôt de surface de carbone pyrolytique; mauvais remplissage des pores dilatés.

La méthode non isotherme présente les avantages suivants : vitesse de dépôt élevée ; la possibilité de combler les pores dilatés; joint volumétrique du produit.

Ses inconvénients sont les suivants : conception matérielle complexe ; un seul produit est transformé ; densité et graphitisation insuffisantes de la matrice ; la formation de microfissures.

3.4.4. Traitement thermique à haute température (graphitisation) du CCCM. La structure des plastiques et composites carbonisés à matrice pyrocarbone après compactage à partir de la phase gazeuse est imparfaite. La distance intercouche d 002, qui caractérise le degré d'ordre de la matrice de carbone, est relativement grande - plus de 3,44 · 10 4 µm, et les tailles de cristaux sont relativement petites - généralement pas plus de 5 · 10 -3 µm, ce qui est caractéristique de l'ordre bidimensionnel des couches élémentaires de carbone. De plus, au cours du processus de production, des contraintes internes peuvent survenir dans ceux-ci, ce qui peut entraîner des déformations et des distorsions de la structure du produit lorsque ces matériaux sont utilisés à des températures supérieures à la température de carbonisation ou de dépôt de pyrocarbone. Par conséquent, s'il est nécessaire d'obtenir un matériau plus thermostable, son traitement à haute température est effectué. La température finale du traitement thermique est déterminée par les conditions opératoires, mais est limitée par la sublimation du matériau, qui se déroule intensément à des températures supérieures à 3273 K. Le traitement thermique est effectué dans fours à induction ou des fours à résistance en milieu non oxydant (remblais graphite, vide, gaz inerte). Les modifications des propriétés des matériaux carbone-carbone lors du traitement thermique à haute température sont déterminées par de nombreux facteurs : le type de charge et de matrice, la température finale et la durée du traitement thermique, le type de milieu et sa pression, et d'autres facteurs. À haute température, les barrières énergétiques dans le matériau carboné sont surmontées, empêchant le mouvement des composés multinucléaires, leur fixation et leur réorientation mutuelle avec Suite scellés.

La durée de ces processus est courte et le degré de conversion est principalement déterminé par la température. Par conséquent, la durée des procédés de traitement thermique à haute température est beaucoup plus courte que dans le cas de la carbonisation ou de la précipitation au pyrocarbone, et est généralement de plusieurs heures. Lors du traitement thermique à haute température des plastiques carbonisés, une déformation irréversible du produit se produit et la "cicatrisation" progressive des défauts. Pour les matériaux bien graphitisés à base de brai à des températures supérieures à 2473 K, une croissance intensive de cristallites de carbone tridimensionnellement ordonnées est observée jusqu'à la transition vers une structure de graphite. Dans le même temps, dans les plastiques carbonisés à base de liants polymères faiblement graphitisés, les défauts structurels persistent jusqu'à 3273 K et le matériau reste sous une forme structurelle non graphitisée.

38.1. Classification

Les matériaux composites sont des matériaux renforcés avec des charges situées d'une certaine manière dans la matrice Les charges sont le plus souvent des substances avec des liaisons interatomiques élevées, une résistance élevée et un module élevé, cependant, en combinaison avec des matrices fragiles, des charges hautement plastiques peuvent également être utilisées

Les composants de liant, ou matrices, dans les matériaux composites peuvent être différents - polymères, céramiques, métalliques ou mixtes. Dans ce dernier cas, on parle de matériaux composites polymatrniques.

Selon la morphologie des phases de renforcement, les matériaux composites se répartissent en :

de dimension zéro (désignation : 0,), ou renforcée par des particules de dispersion différente, réparties aléatoirement dans la matrice ;

fibreux unidimensionnel (symbole : 1), ou renforcé avec des fibres continues ou discrètes unidirectionnelles ;

en couches bidimensionnelles (désignation : 2), ou contenant des lamelles ou des couches de renforcement également orientées (Fig. 38.1).

L'anisotropie des matériaux composites, "conçus" à l'avance dans le but de l'utiliser dans les structures correspondantes, est dite structurelle.

Selon la taille des phases de renforcement ou la taille de la cellule de renforcement, les matériaux composites se subdivisent comme suit :

sous-microcomposites (taille des cellules de renforcement, diamètre des fibres ou des particules<С 1 мкм), например, дисперсноупрочненные сплавы или волокнистые композиционные материалы с очень тонкими волокнами:

les microcomposites (taille de la cellule de renfort, diamètre des fibres, particules, ou épaisseur de couche ^ 1 µm), par exemple, matériaux renforcés de particules, fibres de carbone, carbure de silicium, bore, etc., alliages eutectiques unidirectionnels ;

macrocomposites (diamètre ou épaisseur des éléments de renforcement -100 microns), par exemple, pièces en alliages de cuivre ou d'aluminium, renforcées de fil ou de feuille de tungstène ou d'acier. Les macrocomposites sont le plus souvent utilisés pour augmenter la résistance à l'usure des pièces de friction dans les outillages.

38.2. Interaction interfaciale dans les matériaux composites

38.2.1. Compatibilité physico-chimique et thermomécanique des composants

La combinaison dans un même matériau de substances qui diffèrent considérablement par leur composition chimique et leurs propriétés physiques, met en évidence le problème de la compatibilité thermodynamique et cinétique des composants dans le développement, la fabrication et l'assemblage de matériaux composites. Sous hermo

la compatibilité dynamique s'entend comme la capacité d'une matrice et de charges renforçantes à être dans un état d'équilibre thermodynamique pendant une durée illimitée aux températures de fabrication et de fonctionnement. Presque tous les matériaux composites créés artificiellement sont thermodynamiquement incompatibles. Les seules exceptions sont quelques systèmes métalliques (Cu-W, Cu-Mo, Ag-W), où il n'y a pas d'interaction chimique et de diffusion entre les phases pendant une durée illimitée de leur contact.

Compatibilité cinétique - la capacité des composants des matériaux composites à maintenir un équilibre métastable dans certains intervalles température-temps. Le problème de la compatibilité cinétique a deux aspects : 1) physico-chimique - assurant une liaison forte entre les composants et limitant les processus de dissolution, hétéro- et diffusion réactionnelle aux interfaces, qui conduisent à la formation de produits d'interaction cassants et à la dégradation de la résistance des les phases de renforcement et le matériau composite dans son ensemble ; 2) thermomécanique - obtenir une répartition favorable des contraintes internes d'origine thermique et mécanique et réduire leur niveau ; assurer une relation rationnelle entre l'écrouissage de la matrice et sa capacité à relâcher les contraintes, évitant les surcharges et la destruction prématurée des phases d'écrouissage.

Il existe les possibilités suivantes pour améliorer la compatibilité physico-chimique des matrices métalliques avec les charges renforçantes :

I. Développement de nouveaux types de charges renforçantes résistantes au contact des matrices métalliques à haute température, par exemple, fibres céramiques, whiskers et particules dispersées de carbures de silicium, titane, zirconium, bore, oxydes d'aluminium, zirconium, nitrures de silicium, bore , etc.

II Application de revêtements barrières sur charges renforçantes, par exemple revêtements de métaux réfractaires, carbures de titane, hafnium, bore, nitrures de titane, bore, oxydes d'yttrium sur fibres de carbone, bore, carbure de silicium. Certains revêtements barrières sur les fibres, principalement métalliques, servent à améliorer le mouillage des fibres par des masses fondues matricielles, ce qui est particulièrement important dans la production de matériaux composites par des procédés en phase liquide. De tels revêtements sont souvent appelés technologiques

Non moins important est l'effet plastifiant découvert lors de l'application de revêtements technologiques, qui se manifeste par la stabilisation et même l'augmentation de la résistance des fibres (par exemple, lorsque les fibres de bore sont aluminées par tirage dans un bain avec une masse fondue ou lorsque les fibres de carbone sont nickelé avec traitement thermique ultérieur).

III. Application dans les matériaux composites de matrices métalliques alliées à des éléments ayant une plus grande affinité pour la charge renforçante que le métal de la matrice, ou des additifs tensioactifs. Le changement qui en résulte dans la composition chimique des interfaces devrait empêcher le développement d'interactions interphasiques.L'alliage d'alliages de matrice avec des additifs tensioactifs ou formant des carbures, ainsi que le dépôt de revêtements technologiques sur les fibres, peuvent améliorer la mouillabilité du renfort remplissage par le métal fond.

IV. Allier la matrice avec des éléments augmentant le potentiel chimique de la charge renforçante dans l'alliage matriciel, ou ajouter une charge renforçante jusqu'à des concentrations de saturation aux températures d'obtention ou d'exploitation du matériau composite. Cet alliage empêche la dissolution de la phase renforçante, c'est-à-dire augmente la stabilité thermique de la composition.

V. Création de matériaux composites "artificiels" du type compositions eutectiques "naturelles" en choisissant la composition appropriée des composants.

Vi. Le choix des durées optimales de mise en contact des composants dans un procédé particulier d'obtention de matériaux composites ou dans les conditions de leur service, c'est-à-dire en tenant compte des facteurs de température et de force. La durée de contact, d'une part, doit être suffisante pour la formation de liaisons adhésives fortes entre les composants ; en revanche, il n'entraîne pas d'interaction chimique intense, la formation de phases intermédiaires cassantes et une diminution de la résistance du matériau composite.

La compatibilité thermomécanique des composants en matériaux composites est assurée par :

sélection d'alliages de matrice et de charges avec une différence minimale de modules d'élasticité, de coefficients de Poisson, de coefficients de dilatation thermique ;

l'utilisation de couches intermédiaires et de revêtements et de phases de renforcement, qui réduisent les différences de propriétés physiques de la matrice et des phases ;

la transition d'un renforcement avec un composant d'un type à un polyrenforcement, c'est-à-dire une combinaison dans un même matériau composite de fibres, particules ou couches de renforcement qui diffèrent par leur composition et leurs propriétés physiques ;

changer la géométrie des pièces, le schéma et l'échelle de ferraillage; morphologie, taille et fraction volumique des phases de renforcement ; remplacement de la charge continue par une charge discrète ;

le choix des méthodes et modes de fabrication d'un matériau composite, assurant un niveau donné de force d'adhérence de ses composants.

38.2.2. Remplisseurs de renfort

Pour le renforcement des matrices métalliques, des charges à haute résistance et à module élevé sont utilisées - fibres métalliques, non métalliques et céramiques continues et discrètes, fibres et particules courtes, trichites (tableau 38.1).

Les fibres de carbone sont l'un des matériaux de renforcement les plus utilisés et les plus prometteurs en production. Un avantage important des fibres de carbone est leur faible densité, leur conductivité thermique proche des métaux (R = 83,7 W / (m-K)), relativement à bas prix.

Les fibres sont fournies sous forme de faisceaux de myofilaments droits ou torsadés, de tissus ou de rubans. Selon le type de matière première, le diamètre des filaments varie de 2 à 10 microns, le nombre de filameites dans la corde varie de centaines à dizaines de milliers.

Les fibres de carbone sont hautement résistantes aux agents chimiques et aux acides minéraux. La résistance thermique des fibres est faible : la température de fonctionnement à long terme dans l'air ne dépasse pas 300-400°C. Pour augmenter la résistance chimique au contact des métaux, des revêtements barrières de borures de titane et de zirconium, de carbures de titane, de zirconium, de silicium et de métaux réfractaires sont appliqués à la surface de la fibre.

Les fibres de bore sont obtenues par précipitation de bore à partir d'un mélange gazeux d'hydrogène et de trichlorure de bore et d'un fil de tungstène ou de monofilaments de carbone chauffés à une température de 1100-1200°C. Lorsqu'elles sont chauffées à l'air, les fibres de bore commencent à s'oxyder à des températures de 300 à 350 ° C, à 600 à 800 ° C, elles perdent complètement leur résistance. L'interaction active avec la plupart des métaux (Al, Mg, Ti, Fe, Ni) commence à des températures de 400-600°C. Pour augmenter la stabilité thermique des fibres de bore, de fines couches (2-6 m) de carbure de silicium (SiC/B/W), de carbure de bore (B4C/B/W), de nitrure de bore (BN/B/W) sont appliquées en une méthode en phase gazeuse.

Les fibres de carbure de silicium d'un diamètre de 100-200 microns sont produites par dépôt à 1300°C à partir d'un mélange vapeur-gaz de tétrachlorure de silicium et de méthane, dilué avec de l'hydrogène dans un rapport de 1: 2: 10, et un fil de tungstène

Fibre de carbone






Rrafil-TVH


Tornell-100
Toraika-T-ZOOA
Toraika-M-40A
	Fibres boriques




	Fibres de carbure de silicium

Il n'a pas non plus
		métal
Béryllium
Tungstène
Molybdène
Titane
Acier

TABLEAU 38.2

ALLIAGES UTILISÉS COMME MATRICE DANS LES MATÉRIAUX COMPOSITES

	Composition,% (en poids)	Pays - développeur et GOST	Propriétés de l'alliage

Aluminium
	<0,3 Fe, <0,3 Si, <0,25 Mn	GOST 4784-74
	6,8 Mg-0,8 Mn-0,005 Be	GOST 4784-74
	0,4 Cu-1,2 Mg-0,8 Si-0,35 Cr	GOST 4784-74
	4,9 Cu-1,8 Mg-0,9 Mn	GOST 4784-74
	2,0 Cu-2,8 Mg-0,6 Mn-0,25 Cr	GOST 4784-74
		GOST 2685-75
		GOST 2685-75
	1 Fe-0,2 Cu-0,1 Zn
	0,5 Si-0,5 Fe-4,9 Cu-0,25 Zn-

	0,8 Si-0,7 Fe-0,4 Cu-0,25 Zn-
	0,15 Mn-1 Mg-0,15 Ti-0,15 Cr
Magnésium

	(7,5-9,0) Al-0,5 Mn- (0,2-0,8) Zn	GOST 2856-68
	(4-5) Zn- (0,6-1,1) Zr
Titane

	(5,3-6,5) Al- (3,5-4,5) V
	5,9 Al-5,5 V-5,5 Mo-2,0 Cr-

Nickel
	(19-22) Cr- (0,15-0,35) Ti
	25 Cr- (13-16) W- (0,3-0,7) Ti
	(4-5) Co-12 Cr-4 Mo-5 W-
	3 Ті-6 Al-2 Fe

ou lancer mes fibres de carbone. Les meilleurs échantillons de fibres ont une résistance de 3000-4000 MPa à 1100°C

Les fibres de carbure de silicium sans noyau sous forme de cordes multifilaméites, obtenues à partir d'organosilanes liquides par étirage et pyrolyse, sont constituées de cristaux ultrafins de f) -SiC.

Les fibres métalliques sont produites sous forme de fil d'un diamètre de 0,13; 0,25 et 0,5 mm. Fibres d'aciers à haute résistance, les alliages de béryllium sont principalement destinés au renforcement de matrices en alliages légers et en titane. Des fibres de métaux réfractaires dopés avec des phases de rhénium, de titane, d'oxyde et de carbure sont utilisées pour renforcer les alliages nickel-chrome, titane et autres résistants à la chaleur.

Les moustaches utilisées pour le renforcement peuvent être métalliques ou en céramique. La structure de ces cristaux est monocristalline, le diamètre peut généralement atteindre 10 microns avec un rapport longueur/diamètre de 20 à 100. Les whiskers sont obtenus par diverses méthodes : croissance à partir de revêtements, dépôt électrolytique, dépôt à partir d'un environnement vapeur-gaz, cristallisation de la phase gazeuse à la phase liquide. par le mécanisme vapeur - liquide - cristal, pyrolyse, cristallisation à partir de solutions saturées, moustaches

38.2.3. Alliages matriciels

Dans les matériaux composites métalliques, les matrices sont principalement utilisées à partir d'alliages légers déformables et de coulée d'aluminium et de magnésium, ainsi qu'à partir d'alliages de cuivre, nickel, cobalt, zinc, étain, plomb, argent ; alliages nickel-chrome, titane, zirconium, vanadium résistants à la chaleur; alliages de métaux réfractaires chrome et niobium (tableau 38 2).

38.2.4. Types de liaisons et structures d'interfaces dans les matériaux composites

En fonction du matériau de la charge et des matrices, des méthodes et modes d'obtention le long des interfaces des matériaux composites, six types de liaisons sont mises en œuvre (tableau 38.3). La liaison la plus forte entre les composants dans les compositions avec des matrices métalliques est fournie par l'interaction chimique. Un type commun de liaison est mixte, représenté par des solutions solides et des phases intermétalliques (par exemple, la composition "fibres de bore aluminium" obtenues par coulée continue) ou des solutions solides, phases intermétalliques et oxydes (la même composition obtenue par pressage de produits semi-finis plasma) , etc.

38.3. Méthodes de production de matériaux composites

La technologie de production de matériaux composites métalliques est déterminée par la conception des produits, en particulier s'ils ont une forme complexe et nécessitent une préparation des joints par soudage, brasage, collage ou rivetage, et, en règle générale, sont multi-transitions.

La base élémentaire pour la production de pièces ou de produits semi-finis (tôles, tuyaux, profilés) à partir de matériaux composites est le plus souvent ce que l'on appelle des préimprégnés, ou des rubans à une couche de charge de renforcement, imprégnés ou revêtus d'alliages matriciels ; câbles de fibres imprégnés de métal ou fibres personnalisées avec revêtements en alliage matriciel.

TYPES DE COLLAGE SUR LES SURFACES DE SECTION EN MATÉRIAUX COMPOSITES

Type de communication

Liaison mécanique entre les composants

Dissolution, mouillage

Formation de nouvelles phases à l'interface à la suite d'une réaction chimique entre les composants

Échanger des réactions chimiques entre les composants

Liaison par les oxydes

Communication mixte ou combinaison de différents types de communication

Fibre de verre, matrice polymère en fibre de carbone

Cuivre fondu - fibres de tungstène

Interaction de la thigaia avec les fibres de bore ; Ti + 2B - " - TiBa

Interaction d'une matrice en alliage de titane contenant de l'aluminium avec des fibres de bore :

Ti (Al) -j-2B-4Ti, Al) B2 Ti-HTi, Al) Ba- "TiBa + Ti (Al) Formation de spinelle à l'interface fibre de la matrice saphir-nickel ; Nt0 + Ala03 NiAla04 Interaction des fibres de bore avec l'aluminium fondu : mouillage, formation de la solution A1 (B), formation de produits de réaction sous forme de phases isolées A1B1a, A1Byu, A1Ba

Les pièces et produits semi-finis sont obtenus par assemblage (compactage) des préimprégnés d'origine par imprégnation, pressage à chaud, laminage ou étirage d'emballages à partir de préimprégnés. Parfois, les préimprégnés et les produits en matériaux composites sont fabriqués par les mêmes procédés, par exemple, par technologie de poudre ou de coulée, io selon des modes différents et sur des axes technologiques différents.

Les procédés de préparation des préimprégnés, des produits semi-finis et des produits à partir de matériaux composites à matrices métalliques peuvent être divisés en cinq groupes principaux : 1) phase vapeur-gaz ; 2) chimique et électrochimique ; 3) phase liquide ; 4) phase solide; 5) phase solide-liquide.

38.4. Propriétés des composites à matrice métallique

Les matériaux composites à matrices métalliques présentent un certain nombre d'avantages incontestables par rapport aux autres matériaux de construction conçus pour travailler dans des conditions extrêmes. Ces avantages incluent: haute résistance et. rigidité combinée à une ténacité élevée à la rupture; résistance spécifique et rigidité élevées (rapport de la résistance ultime et du module d'élasticité à la densité a/y et E/y); limite de fatigue élevée ; haute résistance à la chaleur; faible sensibilité aux chocs thermiques, aux défauts de surface, propriétés d'amortissement élevées, conductivité électrique et thermique, aptitude à la fabrication dans la conception, le traitement et l'assemblage (tableau 38 4).

MATÉRIAUX COMPOSITES AVEC DES MATÉRIAUX MÉTALLIQUES EN COMPARAISON AVEC LES MEILLEURS MATÉRIAUX STRUCTURELS MÉTALLIQUES

TABLEAU 385

PROPRIÉTÉS MÉCANIQUES DES MATÉRIAUX COMPOSITES AVEC DES FILIERES MÉTALLIQUES

Composition			Mécanique Propriétés
	recevoir
Alliages d'aluminium - fibres, fil, NK ADM2X18N10T		Roulant
AMg6-12X18NDT

		pressage La diffusion
		soudure Idem
A1-7% Mg-Tornel 75		Imprégnation
Al-12% Si-Tornel 50

		en appuyant sur le même

Alliages de magnésium-charge Mg-B		Imprégnation
	Continu
		diffusion diffusion
		Imprégnation de soudure

En l'absence d'exigences particulières pour les matériaux en termes de conductivité thermique, conductivité électrique, résistance au froid et autres propriétés, les intervalles de température pour le fonctionnement des matériaux composites sont déterminés comme suit :<250 °С - для материалов с полимерными матрицами; >1000 ° С - pour les matériaux à matrices céramiques; Les matériaux composites à matrices métalliques couvrent par exemple les limites

Les caractéristiques de résistance de certains matériaux composites sont données dans le tableau 38 5.

Les principaux types d'assemblage de matériaux composites aujourd'hui sont boulonnés, rivetés, collés, brasés et soudés et combinés. dans de nombreux cas n'a pas encore quitté le stade expérimental

38.5. Problèmes de soudabilité des matériaux composites

Si par soudabilité nous entendons la capacité d'un matériau à former des joints soudés qui ne lui sont pas inférieurs dans leurs propriétés, alors les matériaux composites à matrices métalliques, notamment fibreuses, doivent être classés comme matériaux difficiles à souder. Il y a plusieurs raisons à cela.

I. Les méthodes de soudage et de brasage consistent à assembler des matériaux composites sur une matrice métallique. Le remplissage d'armature dans un joint soudé ou brasé ou est totalement absent (par exemple, dans les soudures bout à bout situées dans le sens du renforcement dans les matériaux composites fibreux ou stratifiés), ou est présent dans une fraction volumique réduite (lors du soudage de matériaux durcis par dispersion avec des fils contenant une phase de renforcement discrète), ou il y a une violation de la continuité et de la direction du renforcement (par exemple, lors du soudage par diffusion de compositions fibreuses dans la direction du renforcement). Par conséquent, un joint soudé ou brasé est une section affaiblie d'une structure en matériau composite, ce qui doit être pris en compte lors de la conception et de la préparation du joint pour le soudage. Dans la littérature, il existe des propositions de soudage autonome de composants de composition pour maintenir la continuité du renforcement (par exemple, le soudage par pression de fibres de tungstène dans une composition tungstène - cuivre), cependant, le soudage bout à bout autonome de matériaux composites fibreux nécessite une préparation spéciale des bords, adhérence stricte à l'étape de renforcement et ne convient que pour les matériaux renforcés de fibres métalliques. Une autre proposition consiste à préparer des joints bout à bout avec des fibres se chevauchant à une longueur supérieure à la longueur critique, cependant, des difficultés surviennent pour remplir le joint avec le matériau de matrice et fournir une liaison solide le long de l'interface fibre-matrice.

II. Il est commode de considérer l'effet de l'échauffement du soudage sur le développement d'interactions physico-chimiques dans un matériau composite en utilisant l'exemple d'un joint formé lorsqu'un arc fait fondre un matériau fibreux dans le sens du renforcement (Fig. 38.2). Si le métal de la matrice ne possède pas de polymorphisme (par exemple, Al, Mg, Cu, Ni, etc.), alors 4 zones principales peuvent être distinguées dans le joint : 1 - la zone chauffée à la température de retour de la matrice (par analogie avec le soudage de matériaux homogènes, nous appellerons cette section le matériau principal) ; 2 - zone limitée par les températures de retour et de recristallisation du métal de la matrice (zone de retour) ; 3-zones,

limité par les températures de recristallisation et de fusion de la matrice (zone de recristallisation) ; 4 - zone de chauffage au-dessus du point de fusion de la matrice (appelons cette zone une soudure). Si la matrice dans le matériau composite est constituée d'alliages de Ti, Zr, Fe et d'autres métaux avec des transformations polymorphes, alors dans la zone 3, des sous-zones avec une recristallisation en phase complète ou partielle de la matrice apparaîtront, mais pour cette considération, ce moment est insignifiant.

Les changements dans les propriétés du matériau composite commencent dans la zone 2. Ici, les processus de récupération suppriment l'écrouissage de la matrice obtenu lors du compactage en phase solide du matériau composite (dans les composites obtenus par des méthodes en phase liquide, le ramollissement n'est pas observé dans cette zone).

Dans la zone 3, il se produit une recristallisation et une croissance des grains du métal de la matrice. En raison de la mobilité de diffusion des atomes de la matrice, il devient possible de développer davantage l'interaction interphase, qui a été initiée dans la production du matériau composite, l'épaisseur des couches fragiles augmente et les propriétés du matériau composite dans son ensemble se dégradent. Soudage par fusion
poissons obtenus par des méthodes de compactage en phase solide de poudres ou de préimprégnés avec une poudre ou une matrice pulvérisée, une porosité est possible le long de la limite de fusion et des limites d'interphase adjacentes, ce qui aggrave non seulement les propriétés de résistance, mais également l'étanchéité du joint soudé.

En zone 4 (soudure), 3 zones peuvent être distinguées :

Section 4 " adjacente à l'axe de soudure, où, en raison d'une forte surchauffe sous l'arc de la matrice métallique en fusion et de la plus longue durée de séjour du métal à l'état fondu, il se produit une dissolution complète de la phase de renforcement ;

Section 4", caractérisée par une température de chauffage du bain plus faible et une durée de contact plus courte de la phase de renfort avec le bain. Ici cette phase ne se dissout que partiellement dans le bain (par exemple, le diamètre des fibres diminue, des cavités apparaissent sur leur surface ; l'unidirectionnalité de l'armature est perturbée) ;

Section 4 "", où un changement notable des dimensions de la phase de renforcement ne se produit pas, mais une interaction intense avec la masse fondue se développe, des couches intermédiaires ou des îlots de produits d'interaction cassants se forment et la résistance de la phase de renforcement diminue. De ce fait, la zone 4 devient la zone d'endommagement maximum du matériau composite lors du soudage.

III. En raison des différences de dilatation thermique du matériau de la matrice et de la phase de renfort dans les joints soudés des matériaux composites, des contraintes thermoélastiques supplémentaires apparaissent, provoquant la formation de divers défauts : fissuration, destruction des phases de renfort fragiles dans la zone la plus chauffée 4 de le joint, délaminage le long des limites d'interphase en zone 3.

Pour garantir des propriétés élevées des joints soudés de matériaux composites, ce qui suit est recommandé.

Premièrement, parmi les méthodes d'assemblage connues, la préférence doit être donnée aux méthodes de soudage en phase solide, dans lesquelles, en raison de la plus faible énergie d'entrée, il est possible d'obtenir une dégradation minimale des propriétés des composants dans la zone de jonction.

Deuxièmement, les modes de soudage sous pression doivent être sélectionnés de manière à exclure le déplacement ou l'écrasement du composant de renforcement.

Troisièmement, lors du soudage par fusion de matériaux composites, il convient de sélectionner des méthodes et des modes garantissant l'apport de chaleur minimum dans la zone de joint.

Quatrièmement, le soudage par fusion doit être recommandé pour assembler des composites avec des composants thermodynamiquement compatibles, tels que le cuivre-tungstène, le cuivre-molybdène, l'argent-tungstène, ou renforcés avec des charges résistantes à la chaleur, telles que des fibres de carbure de silicium, ou des charges avec des revêtements barrière, tels que comme fibres, du bore avec des revêtements en carbure de bore ou en carbure de silicium.

Cinquièmement, l'électrode ou le matériau de remplissage ou le matériau des entretoises intermédiaires pour le soudage par fusion ou le brasage doivent contenir des additifs d'alliage qui limitent la dissolution du composant de renforcement et la formation de produits cassants d'interaction interfaciale pendant le processus de soudage et pendant le fonctionnement ultérieur du assemblages soudés.

38.5.1. Soudage de matériaux composites

Les composites fibreux et stratifiés se chevauchent le plus souvent. Le rapport de la longueur de la dalle à l'épaisseur du matériau est généralement supérieur à 20. De tels joints peuvent être renforcés davantage avec des joints rivetés ou boulonnés. En plus des joints à recouvrement, il est possible de réaliser des joints soudés bout à bout et d'angle dans le sens du renforcement et, moins souvent, dans le sens du renforcement. Dans le premier cas, avec le bon choix des méthodes et des modes de soudage ou de brasage, il est possible d'obtenir une résistance égale de la connexion; dans le second cas, la force de liaison ne dépasse généralement pas la résistance du matériau de la matrice.

Les matériaux composites renforcés de particules, de fibres courtes et de whiskers sont soudés en utilisant les mêmes techniques que les alliages durcissant par dispersion ou les matériaux en poudre. Dans ce cas, la résistance uniforme des joints soudés au matériau de base peut être obtenue à condition que le matériau composite soit fabriqué par la technologie en phase liquide, renforcé avec des charges résistantes à la chaleur et avec la sélection de modes de soudage et de consommables de soudage appropriés. Dans certains cas, l'électrode ou le matériau de remplissage peut être de composition similaire ou proche du matériau de base.

38.5.2. Soudage à l'arc sous gaz

Le procédé est utilisé pour le soudage par fusion de matériaux composites à matrice de métaux et alliages réactifs (aluminium, magnésium, titane, nickel, chrome). Le soudage est réalisé avec une électrode non consommable sous atmosphère d'argon ou en mélange avec de l'hélium. Pour réguler l'effet thermique du soudage sur les matériaux, il est conseillé d'utiliser un arc pulsé, un arc comprimé ou un arc triphasé.

Pour augmenter la résistance des joints, il est recommandé d'effectuer des coutures avec des électrodes composites ou des fils d'apport avec un contenu volumétrique de la phase de renforcement de 15-20%. Des fibres courtes de bore, de saphir, de nitrure de silicium ou de carbure de silicium sont utilisées comme phases de renforcement.

38.5.3. Soudage par faisceau d'électrons

Les avantages du procédé sont en l'absence d'oxydation du métal en fusion et de la charge renforçante, le dégazage sous vide du métal dans la zone de soudage, une forte concentration énergétique dans le faisceau, ce qui permet d'obtenir des joints avec une largeur minimale de la fusion zone et la zone affectée par la chaleur. Ce dernier avantage est particulièrement important lors de la réalisation de liaisons de composites fibreux dans le sens du renforcement. Avec une préparation spéciale des joints, le soudage à l'aide d'entretoises de remplissage est possible.

38.5.4. Soudage par points par résistance

La présence d'une phase de renfort dans un matériau composite diminue sa conductivité thermique et électrique par rapport au matériau de la matrice et évite la formation d'un noyau coulé. Des résultats satisfaisants ont été obtenus dans le soudage par points de matériaux composites en feuilles minces avec des couches de placage. Lors du soudage de tôles d'épaisseur différente ou de tôles composites avec des tôles homogènes, afin d'amener le noyau du point soudé dans le plan de contact des tôles et d'équilibrer la différence de conductivité électrique du matériau, des électrodes de conductivité différente sont sélectionnées, avec la compression de la zone périphérique, le diamètre et le rayon de courbure des électrodes, l'épaisseur de la couche de gaine, des joints supplémentaires sont utilisés.

La résistance moyenne du point lors du soudage de plaques d'aluminium au bore renforcées uniaxialement de 0,5 mm d'épaisseur (avec une fraction volumique de fibres de 50%) est de 90% de la résistance de la section équivalente bore-lumineux. La force de liaison des tôles boralumineuses à renfort croisé est supérieure à celle des tôles à renfort uniaxial.

38.5.5. Soudage diffusion

Le processus est effectué à haute pression sans utilisation de soudure. Ainsi, les pièces en matériaux boralumineux à assembler sont chauffées dans une cornue scellée à une température de 480 ° C à une pression pouvant atteindre 20 MPa et maintenues dans ces conditions pendant 30 à 90 minutes. Le processus technologique de soudage par points par résistance à la diffusion du boraaluminium avec du titane est presque le même que pour le soudage par points par fusion. La différence est que le mode de soudage et la forme des électrodes sont choisis de manière à ce que la température de chauffage de la matrice en aluminium soit proche de la température de fusion, mais inférieure à celle-ci. Il en résulte qu'une zone de diffusion d'une épaisseur de 0,13 à 0,25 µm se forme au point de contact.

Les échantillons superposés par soudage par points de diffusion, lorsqu'ils sont testés en tension dans la plage de températures de 20 à 120 ° C, échouent le long du matériau de base avec une déchirure le long des fibres. A une température de 315°C, les échantillons sont détruits par cisaillement à la jonction.

38.5.6. Soudage à la presse

Pour connecter des pointes en alliages structurels conventionnels avec des tuyaux ou des corps en matériaux composites, une méthode de soudage de métaux dissemblables, de dureté très différente, a été développée, qui peut être appelée micro-clinopress. La pression d'injection est obtenue grâce aux contraintes thermiques résultant de l'échauffement du mandrin et du support de l'outil de soudage par thermocompression, constitués de matériaux avec différents coefficients de dilatation thermique (K. TP). Les éléments de la pointe, sur la surface de contact de laquelle est appliqué un filetage en coin, sont assemblés avec un tuyau en matériau composite, ainsi qu'avec un mandrin et une cage. L'appareil assemblé est chauffé dans un environnement protecteur à une température de 0,7-0,9 à partir du point de fusion du métal le plus bas. Le porte-outil a un CTE plus grand que le porte-outil. Au cours du processus de chauffage, la distance entre les surfaces de travail du mandrin et le support est réduite et les saillies ("coins") du filetage à la pointe sont enfoncées dans les couches de revêtement du tuyau. La résistance de la connexion en phase solide n'est pas inférieure à la résistance de la matrice ou du métal plaqué.

38.5.7. Soudage par explosion

Le soudage par explosion est utilisé pour assembler des tôles, des profilés et des tuyaux en matériaux composites métalliques, renforcés de fibres ou de couches métalliques ayant des propriétés plastiques suffisamment élevées pour éviter d'écraser la phase de renforcement, ainsi que pour assembler des matériaux composites avec des ondulations de divers métaux et alliages. La résistance des joints est généralement égale ou même supérieure (en raison de l'écrouissage) à la résistance du matériau de matrice le moins résistant utilisé dans les pièces à assembler. Pour augmenter la résistance des joints, des entretoises intermédiaires constituées d'autres matériaux sont utilisées.

Les joints sont généralement exempts de pores ou de fissures. Les zones fondues dans la zone de transition, notamment lors de l'explosion de métaux dissemblables, sont des mélanges de phases de type eutectique.

38.6. Soudure de matériaux composites

Les procédés de brasage sont très prometteurs pour l'assemblage de matériaux composites, car ils peuvent être effectués à des températures qui n'affectent pas la charge renforçante et ne provoquent pas le développement d'interactions interphasiques.

La soudure est réalisée selon les techniques habituelles, c'est-à-dire par trempage dans la soudure ou dans un four. La question de la qualité de la préparation de surface pour la soudure est très importante. Les joints brasés par flux sont sensibles à la corrosion, le flux doit donc être complètement retiré du joint.

Souder avec des soudures dures et tendres

Plusieurs options pour le brasage de l'aluminium au bore ont été développées. Des soudures pour le brasage à basse température ont été testées. Les soudures de composition 55% Cd -45% Ag, 95% Cd -5 % Ag, 82,5% Cd-17,5% Zn sont recommandées pour les pièces fonctionnant à des températures ne dépassant pas 90°C ; soudure de 95% Zn - 5% composition Al - pour des températures de fonctionnement jusqu'à 315° С. Pour améliorer le mouillage et l'étalement de la brasure, une couche de nickel d'une épaisseur de 50 µm est appliquée sur les surfaces à assembler. Le brasage à haute température est réalisé à l'aide de soudures eutectiques du système aluminium-silicium à des températures de l'ordre de 575-615 °C. Le temps de soudure doit être minimisé en raison du risque de dégradation de la résistance des fibres de bore.

Les principales difficultés du brasage des compositions aluminium-carbone à la fois entre elles et avec des alliages d'aluminium sont associées à une faible mouillabilité de l'aluminium-carbone avec les soudures. Les meilleures soudures sont l'alliage 718 (A1-12% Si) ou des couches alternées de feuille d'alliage 6061. La soudure est réalisée dans un four sous atmosphère d'argon à une température de 590°C pendant 5 à 10 minutes. Pour connecter le boraluminium et le carbone-aluminium avec le titane, des alliages de brasage du système aluminium-silicium-magnésium peuvent être utilisés. Pour augmenter la force de liaison, il est recommandé d'appliquer une couche de nickel sur la surface du titane.

Brasage par diffusion eutectique. Le procédé consiste à appliquer une fine couche du second métal à la surface des pièces à souder, qui forme un eutectique avec le métal de la matrice. Pour les matrices en alliages d'aluminium, on utilise des couches d'Ag, Cu, Mg, Ge, Zn dont la température eutectique avec l'aluminium est respectivement de 566, 547, 438, 424 et 382°C. À la suite du processus de diffusion, la concentration du deuxième élément dans la zone de contact diminue progressivement et le point de fusion du composé augmente, se rapprochant de la température de fusion de la matrice. Ainsi, les joints de soudure peuvent fonctionner à des températures supérieures à la température des punks.

Dans le brasage diffusion du boraluminium, les surfaces des pièces à assembler sont revêtues d'argent et de cuivre, puis comprimées et maintenues sous pression jusqu'à 7 MPa à une température de 510-565°C dans une cornue en acier sous vide ou en une atmosphère inerte.

Ce type de matériaux composites comprend des matériaux tels que SAP (poudre d'aluminium frittée), qui sont de l'aluminium renforcé avec des particules dispersées d'oxyde d'aluminium. La poudre d'aluminium est obtenue par pulvérisation de métal en fusion, suivie d'un broyage dans des broyeurs à boulets jusqu'à une taille d'environ 1 micron en présence d'oxygène. Avec une augmentation de la durée de broyage, la poudre devient plus fine et sa teneur en oxyde d'aluminium augmente. Une autre technologie pour la production de produits et de produits semi-finis à partir de SAP comprend le pressage à froid, le pré-frittage, le pressage à chaud, le laminage ou l'extrusion d'une billette d'aluminium frittée sous la forme de produits finis pouvant être soumis à un traitement thermique supplémentaire.

Les alliages SAP sont utilisés dans la technologie aéronautique pour la fabrication de pièces à haute résistance spécifique et résistance à la corrosion, fonctionnant à des températures allant jusqu'à 300 - 500 ° C. Ils sont utilisés pour fabriquer des tiges de piston, des aubes de compresseur, des coquilles d'éléments combustibles et des tubes d'échangeur de chaleur.

Le renforcement de l'aluminium et de ses alliages avec du fil d'acier augmente leur résistance, augmente le module d'élasticité, la résistance à la fatigue et étend la plage de température de service du matériau.

Le renforcement avec des fibres courtes est réalisé par des procédés de métallurgie des poudres, consistant en un pressage suivi d'une hydroextrusion ou d'un laminage de billettes. Lors du renforcement de compositions de type sandwich avec des fibres continues, constituées de couches alternées de feuille d'aluminium et de fibres, on utilise le laminage, le pressage à chaud, le soudage par explosion et le soudage par diffusion.

Un matériau très prometteur est la composition de fil aluminium-béryllium, qui réalise les propriétés physiques et mécaniques élevées du renforcement au béryllium et, tout d'abord, sa faible densité et sa rigidité spécifique élevée. Les compositions sont obtenues avec du fil de béryllium par soudage diffusion de paquets de couches alternées de fil de béryllium et de feuilles matricielles. À partir d'alliages d'aluminium, renforcés de fils d'acier et de béryllium, des pièces de corps de fusée et des réservoirs de carburant sont fabriqués.

Dans la composition "aluminium - fibres de carbone", la combinaison d'une faible densité de renfort et de matrice permet de créer des matériaux composites à haute résistance spécifique et rigidité. L'inconvénient des fibres de carbone est leur fragilité et leur grande réactivité. La composition aluminium-carbone est obtenue par imprégnation de fibres de carbone avec du métal liquide ou par des procédés de métallurgie des poudres. Technologiquement, il est tout simplement possible de tirer des faisceaux de fibres de carbone à travers une fonte d'aluminium.

Le composite aluminium-carbone est utilisé dans la construction des réservoirs de carburant des combattants modernes. En raison de la résistance spécifique élevée et de la rigidité du matériau, la masse des réservoirs de carburant est réduite de 30%. Ce matériau est également utilisé pour la fabrication d'aubes de turbines pour moteurs à turbine à gaz d'avions.

Composites à matrice non métallique

Les matériaux composites à matrice non métallique sont largement utilisés dans l'industrie. Des matériaux polymères, carbonés et céramiques sont utilisés comme matrices non métalliques. Parmi les matrices polymères, les plus répandues sont l'époxyde, le phénol-formaldéhyde et le polyamide. Les matrices carbonées sont cokées ou obtenues à partir de polymères synthétiques soumis à une pyrolyse (décomposition, décomposition). La matrice lie la composition, lui donnant forme. Les renforçateurs sont des fibres : verre, carbone, borique, organique, à base de whiskers (oxydes, carbures, borures, nitrures, etc.), ainsi que de métal (fils) à haute résistance et rigidité.

Les propriétés des matériaux composites dépendent de la composition des composants, de leur combinaison, du rapport quantitatif et de la force de liaison entre eux.

Le contenu du durcisseur dans les matériaux orientés est de 60 - 80 vol. %, en non orienté (avec fibres et moustaches discrètes) - 20 - 30 vol. %. Plus la résistance et le module d'élasticité des fibres sont élevés, plus la résistance et la rigidité du matériau composite sont élevées. Les propriétés de la matrice déterminent la résistance au cisaillement et à la compression de la composition et la résistance à la rupture par fatigue.

Par type de durcisseur, les matériaux composites sont classés en fibre de verre, fibre de carbone avec fibre de carbone, fibre de bore et fibre organique.

Dans les matériaux stratifiés, les fibres, les fils, les rubans imprégnés d'un liant sont posés parallèlement les uns aux autres dans le plan de pose. Les couches planes sont rassemblées dans des plaques. Les propriétés sont obtenues anisotropes. Pour que le matériau travaille dans le produit, il est important de prendre en compte la direction des charges agissantes. Vous pouvez créer des matériaux avec des propriétés à la fois isotropes et anisotropes. Il est possible de poser les fibres sous différents angles en faisant varier les propriétés des composites. Les rigidités en flexion et en torsion du matériau dépendent de l'ordre d'empilement des couches le long de l'épaisseur de l'emballage.

La pose de durcisseurs à partir de trois, quatre brins ou plus est utilisée (Fig. 7). La structure de trois fils mutuellement perpendiculaires a la plus grande application. Les renforts peuvent être situés dans les directions axiale, radiale et circonférentielle.

Les matériaux tridimensionnels peuvent être de n'importe quelle épaisseur sous forme de blocs, de cylindres. Les tissus volumineux augmentent la résistance au pelage et au cisaillement par rapport aux tissus en couches. Le système à quatre brins est construit en plaçant le durcisseur le long des diagonales du cube. La structure de quatre brins est en équilibre, a augmenté la rigidité au cisaillement dans les plans principaux. Cependant, créer quatre matériaux directionnels est plus difficile que créer trois matériaux directionnels.

Riz. 7. Schéma de renforcement des matériaux composites : 1- rectangulaire, 2-hexagonal, 3- oblique, 4- avec fibres coudées, 5 - un système de n torons

Les matériaux antifriction à base de polytétrafluoroéthylène (PTFE) sont les plus efficaces du point de vue de l'utilisation dans les conditions les plus sévères de frottement à sec.

Le PTFE est caractérisé par un coefficient de frottement statique assez élevé ; cependant, dans le processus de frottement de glissement, une très fine couche de polymère hautement orienté se forme à la surface du PTFE, ce qui contribue à l'égalisation des coefficients de frottement statique et dynamique et mouvement fluide pendant le glissement. Lorsque la direction de glissement est modifiée, la présence d'un film de surface orienté provoque une augmentation temporaire du coefficient de frottement, dont la valeur diminue à nouveau au fur et à mesure que la couche de surface est réorientée. Ce comportement de frottement du PTFE a conduit à son utilisation répandue dans l'industrie, où le PTFE non chargé est principalement utilisé pour la production de roulements. Dans de nombreux cas, les roulements non lubrifiés doivent fonctionner à des taux de friction plus élevés. Dans ce cas, le PTFE non chargé se caractérise par des valeurs élevées du coefficient de frottement et du taux d'usure. Les matériaux composites, le plus souvent à base de PTFE, ont trouvé une large application en tant que matériaux pour les roulements non lubrifiés fonctionnant dans de telles conditions.

Le moyen le plus simple de réduire le taux d'usure relativement élevé du PTFE lors du frottement à sec est d'introduire des charges en poudre. Cela augmente la résistance au fluage en compression et une augmentation significative de la résistance à l'usure par frottement à sec est observée. L'introduction de la quantité optimale de charge permet d'augmenter la résistance à l'usure jusqu'à 10 4 fois.

Les polymères et les matériaux composites à base d'eux ont un ensemble unique de propriétés physiques et mécaniques, grâce auxquelles ils rivalisent avec succès avec les aciers de construction et les alliages traditionnels, et dans certains cas, sans l'utilisation de matériaux polymères, il est impossible de fournir les fonctions fonctionnelles requises. caractéristiques et performances des produits et machines spéciaux. La capacité de fabrication élevée et la faible consommation d'énergie des technologies de transformation des plastiques en produits, combinées aux avantages susmentionnés du PCM, en font des matériaux très prometteurs pour les pièces de machines à diverses fins.

La charge en poudre est introduite dans la matrice du matériau composite afin de réaliser les propriétés inhérentes au matériau de charge dans les propriétés fonctionnelles du composite. Dans les composites en poudre, la matrice est principalement constituée de métaux et de polymères. Les composites en poudre à matrice polymère portent le nom "Plastiques".

Composites à matrice métallique

Composites à matrice métallique. Les composites en poudre à matrice métallique sont obtenus par pressage à froid ou à chaud d'un mélange de poudres de matrice et de charge, suivi du frittage du produit semi-fini résultant dans un environnement inerte ou réducteur à des températures d'environ 0,75 T pl matrice métallique. Parfois, les processus de pressage et de frittage sont combinés. La technologie de production de composites en poudre est appelée "Métallurgie des poudres". La métallurgie des poudres est utilisée pour produire des cermets et des alliages aux propriétés particulières.

Cermets dits matériaux composites à matrice métallique, dont la charge sont des particules dispersées de céramiques, telles que des carbures, des oxydes, des borures, des siliciures, des nitrures, etc. Le cobalt, le nickel et le chrome sont principalement utilisés comme matrice. Les cermets combinent la dureté et la résistance à la chaleur et la résistance à la chaleur des céramiques avec la viscosité et la conductivité thermique élevées des métaux. Par conséquent, les cermets, contrairement à la céramique, sont moins cassants et sont capables de résister à de fortes chutes de température sans destruction.

Les cermets sont les plus largement utilisés dans la production d'outils pour le travail des métaux. Alliages durs en poudre sont appelés cermets à outils.

Les charges en poudre d'alliages durs sont des carbures ou des carbonitrures en une quantité de 80% ou plus. Selon le type de charge et le métal qui sert de matrice au composite, les alliages durs en poudre sont répartis en quatre groupes :

1) WC-Co - type de carbure simple BK ;
2) WC-TiC-Co - type TK à deux carbures,
3) WC-TiC-TaC-Co - type TTK à trois carbures ;
4) TiC et TiCN- (Ni + Mo) - alliages à base de carbure et carbonitrure de titane - sans tungstène de type TH et KNT.

alliages VK. Les alliages sont marqués des lettres VK et d'un nombre indiquant la teneur en cobalt. Par exemple, la composition de l'alliage VK6 est de 94 % WC et 6 % Co. La résistance à la chaleur des alliages VK est d'environ 900°C. Les alliages de ce groupe ont la résistance la plus élevée par rapport aux autres alliages durs.

alliages TK. Les alliages sont désignés par une combinaison de lettres et de chiffres. Le nombre après T indique la teneur en carbure de titane dans l'alliage, après K - cobalt. Par exemple, la composition de l'alliage T15K6 : TiC - 15 %, Co - 6 %, le reste, 79 % - WC. La dureté des alliages TK due à l'introduction de carbure de titane plus dur dans la composition de sa charge est supérieure à la dureté des alliages VK. Ils ont également un avantage de résistance à la chaleur - 1000°C, mais leur résistance est inférieure à cobalt égal contenu.

Alliages TTK (TT7K12, TT8K, TT20K9). La désignation des alliages TTK est similaire à TK. Le chiffre après la deuxième lettre T indique la teneur totale en carbures TiC et TaC.

Avec une résistance thermique égale (1000 ° C), les alliages TTK surpassent les alliages TK avec la même teneur en cobalt à la fois en termes de dureté et de résistance. Le plus grand effet de l'alliage avec du carbure de tantale se manifeste sous des charges cycliques - la durée de vie en fatigue par impact augmente jusqu'à 25 fois. Par conséquent, les alliages contenant du tantale sont principalement utilisés pour des conditions de coupe sévères avec des charges de puissance et de température élevées.

Alliages TN, KNT. Ce sont des alliages durs sans tungstène (BHTS) à base de carbure de titane et de carbonitrure avec nickel-molybdène, pas de liant cobalt.

En termes de résistance à la chaleur, le BVTS est inférieur aux alliages contenant du tungstène, la résistance à la chaleur du BVTS ne dépasse pas 800 ° C. Leur résistance et leur module d'élasticité sont également plus faibles. La capacité calorifique et la conductivité thermique du BVTS sont inférieures à celles des alliages traditionnels.

Malgré le coût relativement faible, l'utilisation généralisée du BVTS pour la fabrication d'outils de coupe est problématique. Il est plus judicieux d'utiliser des alliages sans tungstène pour la fabrication d'outils de mesure (blocs d'extrémité, calibres) et d'outils de dessin.

La matrice métallique est également utilisée pour lier une charge en poudre à base de diamant et de nitrure de bore cubique, qui sont collectivement appelés matériaux superdurs (STM). Les matériaux composites remplis de STM sont utilisés comme outils de traitement.

Le choix de la matrice pour la charge de poudre de diamant est limité par la faible résistance thermique du diamant. La matrice doit fournir un régime thermochimique pour une liaison fiable des grains de remplissage de diamant, à l'exclusion de la combustion ou de la graphitisation du diamant. Les bronzes à l'étain sont les plus largement utilisés pour lier la charge diamantée. Une résistance thermique et une inertie chimique plus élevées du nitrure de bore permettent d'utiliser des liants à base de fer, de cobalt et d'alliage dur.

L'outil avec STM est fabriqué principalement sous la forme de cercles, dont le traitement est effectué en meulant la surface du matériau traité avec un cercle rotatif. Les meules abrasives à base de diamant et de nitrure de bore sont largement utilisées pour l'affûtage et la finition des outils de coupe.

Lorsque l'on compare les outils abrasifs à base de diamant et de nitrure de bore, il convient de noter que ces deux groupes ne sont pas en concurrence, mais ont leurs propres domaines d'utilisation rationnelle. Ceci est déterminé par les différences de leurs propriétés physiques, mécaniques et chimiques.

Les avantages du diamant en tant que matériau d'outillage par rapport au nitrure de bore incluent le fait que sa conductivité thermique est plus élevée et que le coefficient de dilatation thermique est plus faible. Cependant, le facteur déterminant est la capacité de diffusion élevée du diamant par rapport aux alliages à base de fer - aciers et fontes et, au contraire, l'inertie du nitrure de bore vis-à-vis de ces matériaux.

A haute température, une interaction de diffusion active du diamant avec des alliages à base de fer est observée. À des températures inférieures à os

L'aptitude d'un diamant dans l'air a des limites de température. Le diamant commence à s'oxyder à une vitesse notable à une température de 400 ° C. À des températures plus élevées, il brûle en libérant du dioxyde de carbone. Il limite également les performances des outils diamantés par rapport aux outils en nitrure de bore cubique. Une oxydation notable du nitrure de bore dans l'air n'est observée qu'après une heure d'exposition à une température de 1200°C.

La limite de température de la performance du diamant dans un environnement inerte est limitée par sa transformation en une forme thermodynamiquement stable de carbone - graphite, qui commence lorsqu'elle est chauffée à 1000 ° C.

Un autre large domaine d'application des cermets est leur utilisation en tant que matériau de structure à haute température pour les nouveaux objets technologiques.

Les propriétés de service des composites en poudre à matrice métallique sont principalement déterminées par les propriétés de la charge. Par conséquent, pour les matériaux composites en poudre avec une propriété particulière, la classification la plus courante est par domaine d'application.

Les alliages SAP sont utilisés dans la technologie aéronautique pour la fabrication de pièces à haute résistance spécifique et résistance à la corrosion, fonctionnant à des températures allant jusqu'à 300-500 ° C. Ils sont utilisés pour fabriquer des tiges de piston, des aubes de compresseur, des coquilles d'éléments combustibles et des tubes d'échangeur de chaleur.

Un matériau très prometteur est la composition « fil d'aluminium - béryllium », qui réalise les propriétés physiques et mécaniques élevées du renfort en béryllium, et, tout d'abord, sa faible densité et sa rigidité spécifique élevée. Les compositions sont obtenues avec du fil de béryllium par soudage diffusion de paquets de couches alternées de fil de béryllium et de feuilles matricielles. À partir d'alliages d'aluminium, renforcés de fils d'acier et de béryllium, des pièces de corps de fusée et des réservoirs de carburant sont fabriqués.

Dans la composition "aluminium - fibres de carbone", la combinaison d'une faible densité de renfort et de matrice permet de créer des matériaux composites à haute résistance spécifique et rigidité. L'inconvénient des fibres de carbone est leur fragilité et leur grande réactivité. La composition « aluminium - carbone » est obtenue par imprégnation de fibres de carbone par du métal liquide ou par des procédés de métallurgie des poudres. Technologiquement, il est tout simplement possible de tirer des faisceaux de fibres de carbone à travers une fonte d'aluminium.

Le composite aluminium-carbone est utilisé dans la conception des réservoirs de carburant des combattants modernes. En raison de la résistance spécifique élevée et de la rigidité du matériau, la masse des réservoirs de carburant est réduite de
30 %. Ce matériau est également utilisé pour la fabrication d'aubes de turbines pour moteurs à turbine à gaz d'avions.

Matériaux composites à matrice métallique. Composites en poudre

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