Kompozitni materijali s metalnom matricom. Praškasti kompoziti

Kompozitni materijali s metalnom matricom. Raditi s više visoke temperature koriste se metalne matrice.

Metalni CM imaju brojne prednosti u odnosu na polimerne. Uz višu radnu temperaturu karakterizira ih bolja izotropija i veća stabilnost svojstava tijekom rada te veća otpornost na eroziju.

Plastičnost metalnih matrica daje potrebnu viskoznost strukturi. To doprinosi brzom izjednačavanju lokalnih mehaničkih opterećenja.

Važna prednost metalnih CM-ova je veća obradivost proizvodnog procesa, kalupljenja, toplinske obrade te formiranja spojeva i premaza.

Prednost kompozitnih materijala na bazi metala su veće vrijednosti karakteristika ovisno o svojstvima matrice. To su prije svega privremeni otpor i vlačni modul elastičnosti u smjeru okomitom na os armaturnih vlakana, čvrstoća na pritisak i savijanje, duktilnost i žilavost na lom. Osim toga, kompozitni materijali s metalnom matricom zadržavaju svoje karakteristike čvrstoće na višim temperaturama od materijala s nemetalnom matricom. Otporniji su na vlagu, nezapaljivi i imaju električnu vodljivost.Visoka električna vodljivost metalnih CM dobro ih štiti od elektromagnetskog zračenja, munja i smanjuje opasnost od statičkog elektriciteta. Visoka toplinska vodljivost metalnih CM štiti od lokalnog pregrijavanja, što je posebno važno za proizvode kao što su vrhovi raketa i prednji rubovi krila.

Najperspektivniji materijali za matrice metalnih kompozitnih materijala su metali niske gustoće (A1, Mg, Ti) i legure na njihovoj osnovi, kao i nikal, koji se trenutno široko koristi kao glavna komponenta legura otpornih na toplinu.

Kompoziti se dobivaju različitim metodama. To uključuje impregnaciju snopa vlakana tekućim talinama aluminija i magnezija, plazma raspršivanje i korištenje metoda vrućeg prešanja, ponekad nakon čega slijedi hidroekstruzija ili valjanje sirovina. Kod armiranja sastava tipa sendvič koji se sastoje od izmjeničnih slojeva aluminijske folije i vlakana s kontinuiranim vlaknima, koriste se valjanje, vruće prešanje, zavarivanje eksplozijom i zavarivanje difuzijom. Iz tekuće metalne faze dobiva se odljevak šipki i cijevi ojačanih vlaknima visoke čvrstoće. Snop vlakana kontinuirano prolazi kroz kupelj taline i pod pritiskom impregnira tekućim aluminijem ili magnezijem. Kada izlaze iz impregnacijske kupelji, vlakna se sjedinjuju i prolaze kroz predionicu kako bi se formirala šipka ili cijev. Ova metoda osigurava maksimalno punjenje kompozita vlaknima (do 85%), njihovu ravnomjernu raspodjelu u poprečni presjek i kontinuiteta procesa.

Aluminijski matrični materijali. Materijali aluminijske matrice uglavnom ojačavaju čelična žica(CAS), borova vlakna (BKA) i karbonska vlakna (VKU). Kao matrica koriste se i tehnički aluminij (na primjer, AD1) i legure (AMg6, V95, D20 itd.).

Korištenje legure (na primjer, B95) kao matrice, ojačane toplinskom obradom (kaljenje i starenje), daje dodatni učinak jačanja sastava. Međutim, u smjeru osi vlakana on je mali, dok u poprečnom smjeru, gdje su svojstva određena uglavnom svojstvima matrice, doseže 50%.

Najjeftiniji, najučinkovitiji i pristupačniji armaturni materijal je čelična žica visoke čvrstoće. Dakle, armiranje tehničkog aluminija čeličnom žicom VNS9 promjera 0,15 mm (σ in = 3600 MPa) povećava svoju čvrstoću za 10-12 puta s volumenskim udjelom vlakana od 25% i 14-15 puta s povećanjem udjela na 40%, nakon čega privremena otpornost doseže 1000-1200 odnosno 1450 MPa. Ako se za armiranje koristi žica manjeg promjera, odnosno veće čvrstoće (σ in = 4200 MPa), privremena otpornost kompozitnog materijala će se povećati na 1750 MPa. Tako aluminij ojačan čeličnom žicom (25-40%) po svojim osnovnim svojstvima znatno premašuje čak i aluminijske legure visoke čvrstoće i doseže razinu odgovarajućih svojstava titanovih legura. U ovom slučaju, gustoća sastava je u rasponu od 3900-4800 kg/m 3 .

Ojačavanje aluminija i njegovih legura skupljim vlaknima B, C, A1 2 O e povećava cijenu kompozitnih materijala, ali se istodobno učinkovitije poboljšavaju neka svojstva: na primjer, kada se ojačavaju borovim vlaknima, povećava se modul elastičnosti 3 -4 puta, karbonska vlakna pomažu smanjiti gustoću. Bor malo omekšava s povećanjem temperature, tako da sastavi ojačani borovim vlaknima zadržavaju visoku čvrstoću do 400-500 ° C. Materijal koji sadrži 50 vol.% kontinuiranih borovih vlakana visoke čvrstoće i visokog modula (VKA-1) našao se u industriji primjena. U pogledu modula elastičnosti i privremene otpornosti u temperaturnom rasponu od 20-500°C, nadilazi sve standardne legure aluminija, uključujući i legure visoke čvrstoće (B95), i legure posebno dizajnirane za rad na visokim temperaturama (AK4-1), što je jasno prikazano na sl. 13.35. Visoka sposobnost prigušivanja materijala osigurava otpornost na vibracije konstrukcija izrađenih od njega. Gustoća legure je 2650 kg/m 3, a specifična čvrstoća 45 km. To je znatno više od čelika visoke čvrstoće i legura titana.

Izračuni su pokazali da zamjena legure B95 legurom titana u proizvodnji krila zrakoplova s ​​elementima za pojačanje iz VKA-1 povećava njegovu krutost za 45% i omogućuje uštedu težine od oko 42%.

Kompoziti ojačani ugljičnim vlaknima (CFRP) na bazi aluminija jeftiniji su i lakši od kompozita s borovim vlaknima. I iako su inferiorni u odnosu na potonje u snazi, imaju sličnu specifičnu snagu (42 km). Međutim, proizvodnja kompozitnih materijala s ugljičnim učvršćivačem povezana je s velikim tehnološkim poteškoćama zbog interakcije ugljika s metalne matrice kada se zagrijava, uzrokujući smanjenje čvrstoće materijala. Kako bi se uklonio ovaj nedostatak, koriste se posebni premazi od karbonskih vlakana.

Materijali s magnezijskom matricom. Materijali s magnezijevom matricom (MCM) odlikuju se nižom gustoćom (1800-2200 kg/m3) nego s aluminijem, uz približno jednako visoku čvrstoću od 1000-1200 MPa i stoga veću specifičnu čvrstoću. Deformabilne legure magnezija (MA2 i druge), ojačane borovim vlaknima (50 vol.%), imaju specifičnu čvrstoću > 50 km. Dobra kompatibilnost magnezija i njegovih legura s borovim vlaknima, s jedne strane, omogućuje proizvodnju dijelova impregnacijom gotovo bez naknadnog strojna obrada, s druge strane, osigurava dug radni vijek dijelova na povišenim temperaturama. Specifična čvrstoća ovih materijala povećava se upotrebom lakih legura legiranih litijem kao matrice, kao i upotrebom lakših karbonskih vlakana. Ali, kao što je ranije rečeno, uvođenje ugljičnih vlakana komplicira tehnologiju već niskotehnoloških legura. Kao što je poznato, magnezij i njegove legure imaju nisku tehnološku plastičnost i sklonost stvaranju labavog oksidnog filma.

Kompozitni materijali na bazi titana. Pri izradi kompozitnih materijala na bazi titana nastaju poteškoće zbog potrebe zagrijavanja do visokih temperatura. Na visokim temperaturama titanska matrica postaje vrlo aktivna; stječe sposobnost upijanja plinova i interakcije s mnogim ojačivačima: borom, silicijevim karbidom, aluminijevim oksidom itd. Kao rezultat toga nastaju reakcijske zone i smanjuje se čvrstoća i samih vlakana i kompozitnih materijala u cjelini. Osim toga, visoke temperature dovode do rekristalizacije i omekšavanja mnogih armaturnih materijala, što smanjuje učinak ojačanja armature. Stoga se za ojačavanje materijala s titanskom matricom koriste žice od berilija i keramička vlakna od vatrostalnih oksida (Al 2 0 3), karbida (SiC), kao i vatrostalnih metala s visokim modulom elastičnosti i visokom temperaturom rekristalizacije (Mo, W ) su korišteni. Štoviše, svrha armature uglavnom nije povećati ionako visoku specifičnu čvrstoću, već povećati modul elastičnosti i povećati radne temperature. Mehanička svojstva legure titana VT6 (6% A1, 4% V, ostatak A1), ojačane vlaknima Mo, Be i SiC, prikazani su u tablici. 13.9. Kako se vidi iz. Tablica, specifična krutost se najučinkovitije povećava kada je ojačana vlaknima silicijevog karbida.

Ojačanje legure VT6 molibdenskom žicom pomaže u održavanju visokih vrijednosti modula elastičnosti do 800 "C. Njegova vrijednost na ovoj temperaturi odgovara 124 GPa, tj. smanjuje se za 33%, dok se privremena vlačna čvrstoća smanjuje na 420 MPa, tj. više od 3 puta.

Kompozitni materijali na bazi nikla. CM otporni na toplinu izrađeni su na bazi legura nikla i kobalta, ojačani keramikom (SiC, Si 3 Ni 4, Al 2 O 3) i ugljičnim vlaknima. Glavni zadatak u stvaranju kompozitnih materijala na bazi nikla (NBC) je povećanje radnih temperatura iznad 1000 °C. A jedno od najboljih metalnih ojačanja koje može pružiti dobru čvrstoću na tako visokim temperaturama je volframova žica. Uvođenje volframove žice u količini od 40 do 70 vol.% u leguru nikal-kroma daje čvrstoću na 1100 ° C tijekom 100 sati, odnosno 130 i 250 MPa, dok je najbolja neojačana legura nikla, dizajnirana za rad u sličnim uvjetima, ima čvrstoću od 75 MPa. Korištenje žice od legura volframa s renijem ili hafnijem za ojačanje povećava ovu brojku za 30-50%.

Kompozitni materijali se koriste u mnogim industrijama, a prvenstveno u zrakoplovstvu, raketnoj i svemirskoj tehnici, gdje posebno veliki značaj ima smanjenje težine konstrukcija uz povećanje čvrstoće i krutosti. Zbog svoje visoke specifične čvrstoće i krutosti, koriste se u proizvodnji, primjerice, horizontalnih stabilizatora i zakrilaca zrakoplova, lopatica rotora i kontejnera helikoptera, tijela i komora za izgaranje mlaznih motora itd. Upotreba kompozitnih materijala u strukturama zrakoplova smanjio je njihovu težinu za 30-40%, povećao nosivost bez smanjenja brzine i doleta.

Trenutno se kompozitni materijali koriste u konstrukciji energetskih turbina (rad turbine i lopatice mlaznica), automobilskoj industriji (karoserije automobila i hladnjaka, dijelovi motora), strojogradnji (karoserije i dijelovi automobila), kemijska industrija(autoklavi, spremnici, spremnici), brodogradnja (trupovi čamaca, čamci, propeleri) itd.

Posebna svojstva kompozitnih materijala omogućuju njihovu upotrebu kao elektroizolacijskih materijala (organska vlakna), radio-prozirnih obloga (staklena vlakna), kliznih ležajeva (ugljična vlakna) i drugih dijelova.

Kompozitni materijali s keramičkom matricom. Za najviše radne temperature kao matrični materijal koristi se keramika. Kao keramičke matrice koriste se silikatni (SiO 2), aluminosilikatni (Al 2 O 3 - SiO 2), aluminoborosilikatni (Al 2 O 3 - B 2 O 3 - SiO 2) materijali, vatrostalni aluminijevi oksidi (Al 2 O 3), cirkonij. (ZrO 2), berilij (BeO), silicij nitrid (Si 3 N 4), titan boridi (TiB 2) i cirkonij (ZrB 2), silicij karbidi (SiC) i titan (TiC). Kompoziti s keramičkom matricom imaju visoka tališta, otpornost na oksidaciju, toplinske udare i vibracije te tlačnu čvrstoću. Keramički CM na bazi karbida i oksida s dodacima metalnog praha (< 50об. %) называются kermete . Osim praha, metalna žica od volframa, molibdena, niobija, čelika otpornog na toplinu, kao i nemetalna vlakna (keramička i ugljična) koriste se za ojačanje keramičkih CM. Korištenje metalne žice stvara plastični okvir koji štiti CM od uništenja kada krhka keramička matrica pukne. Nedostatak keramičkih CM-ova ojačanih metalnim vlaknima je njihova niska toplinska otpornost. CM s matricom od vatrostalnih oksida (mogu se koristiti do 1000 °C), borida i nitrida (do 2000 °C) i karbida (preko 2000 °C) imaju visoku otpornost na toplinu. Kada su keramički CM ojačani vlaknima silicijevog karbida, postiže se visoka čvrstoća veze između njih i matrice, u kombinaciji s otpornošću na oksidaciju pri visokim temperaturama, što im omogućuje upotrebu za izradu teško opterećenih dijelova (visoke temperature ležajevi, brtve, radne lopatice plinskoturbinskih motora itd.). Glavni nedostatak keramike - nedostatak duktilnosti - donekle se kompenzira armirajućim vlaknima koja sprječavaju širenje pukotina u keramici.

Ugljik-ugljik kompozit . Korištenje amorfnog ugljika kao matričnog materijala, te kristalnih karbonskih (grafitnih) vlakana kao materijala za ojačanje, omogućilo je stvaranje kompozita koji može izdržati zagrijavanje do 2500 °C. Takav kompozit ugljik-ugljik obećava za astronautiku i transatmosfersko zrakoplovstvo. Nedostatak ugljične matrice je moguća oksidacija i ablacija. Kako bi se spriječile ove pojave, kompozit je presvučen tankim slojem silicij karbida.

Karbonska matrica, slična ugljičnim vlaknima po fizičkim i kemijskim svojstvima, osigurava toplinsku stabilnost CCCM-a

Najviše široka primjena pronašli su dva načina za proizvodnju ugljik-ugljik kompozita:

1. karbonizacija polimerne matrice prethodno oblikovane preforme karbonskih vlakana toplinskom obradom na visokoj temperaturi u neoksidirajućoj okolini;

2. taloženje iz plinske faze pirolitičkog ugljika, nastaju tijekom toplinske razgradnje ugljikovodika u porama podloge od karbonskih vlakana.

Obje ove metode imaju svoje prednosti i nedostatke. Prilikom stvaranja UKCM-a često se kombiniraju kako bi kompozit dobio potrebna svojstva.

Karbonizacija polimerne matrice. Proces karbonizacije je toplinska obrada proizvoda od karbonskih vlakana na temperaturu od 1073 K u neoksidirajućem okruženju (inertni plin, sloj ugljena itd.). Svrha toplinske obrade je pretvaranje veziva u koks. Tijekom procesa karbonizacije dolazi do toplinske destrukcije matrice, praćene gubitkom mase, skupljanjem, stvaranjem velikog broja pora i, kao rezultat toga, smanjenjem fizičkih i mehaničkih svojstava kompozita.

Karbonizacija se najčešće provodi u otpornim retortnim pećima. Retorta izrađena od legure otporne na toplinu štiti proizvod od oksidacije atmosferskim kisikom i grijaći elementi i izolacija - od kontakta s hlapljivim korozivnim proizvodima pirolize veziva i osigurava ravnomjerno zagrijavanje reakcijskog volumena peći.

Mehanizam i kinetika karbonizacije određeni su omjerom brzina disocijacije kemijskih veza i rekombinacije nastalih radikala. Proces je popraćen uklanjanjem isparljivih smolastih spojeva i plinovitih produkata i stvaranjem krutog koksa, obogaćenog atomima ugljika. Stoga se tijekom procesa karbonizacije ključna stvar je izbor temperaturno-vremenskog režima, koji treba osigurati maksimalno stvaranje koksnog taloga iz veziva, budući da mehanička čvrstoća karboniziranog kompozita ovisi, između ostalog, o količini nastalog koksa.

Što su veće dimenzije proizvoda, to bi proces karbonizacije trebao biti duži. Brzina porasta temperature tijekom karbonizacije je od nekoliko stupnjeva do nekoliko desetaka stupnjeva na sat, trajanje procesa karbonizacije je 300 sati ili više. Karbonizacija obično završava u temperaturnom području od 1073-1773 K, što odgovara temperaturnom području prijelaza ugljika u grafit.

Svojstva CCCM-a uvelike ovise o vrsti početnog veziva, a to su sintetičke organske smole koje proizvode visoku količinu koksnog ostatka. Najčešće se u tu svrhu koriste fenol-formaldehidne smole zbog njihove proizvodnosti, niske cijene, a koks koji nastaje u ovom procesu je vrlo izdržljiv.

Fenol-formaldehidne smole imaju određene nedostatke. Zbog polikondenzacijske prirode njihovog stvrdnjavanja i otpuštanja hlapljivih spojeva, teško je dobiti homogenu gustu strukturu. Stupanj skupljanja tijekom karbonizacije fenol-formaldehidnih veziva veći je nego kod drugih vrsta veziva koji se koriste u proizvodnji CCCM-a, što dovodi do pojave unutarnjih naprezanja u karboniziranom kompozitu i smanjenja njegovih fizikalno-mehaničkih svojstava.

Furanska veziva proizvode gušći koks. Njihovo skupljanje tijekom karbonizacije je manje, a čvrstoća koksa je veća nego kod fenol-formaldehidnih smola. Stoga se, unatoč složenijem ciklusu otvrdnjavanja, u proizvodnji CCCM koriste i veziva na bazi furfurala, furfuriliden acetona i furil alkohola.

Ugljeni i naftni smoli vrlo su obećavajući za dobivanje ugljikove matrice zbog visokog sadržaja ugljika (do 92-95%) i visokog koksnog broja. Prednosti smola u odnosu na ostala veziva su dostupnost i niska cijena, eliminacija otapala iz tehnološkog procesa, dobra grafitabilnost koksa i njegova velika gustoća. Nedostaci smola uključuju stvaranje značajne poroznosti, deformaciju proizvoda i prisutnost kancerogenih spojeva u njihovom sastavu, što zahtijeva dodatne sigurnosne mjere.

Zbog otpuštanja hlapljivih spojeva tijekom toplinske razgradnje smole, u karboniziranoj plastici se pojavljuje značajna poroznost, što smanjuje fizikalna i mehanička svojstva CCCM-a. Stoga faza karbonizacije karbonskih vlakana dovršava proces dobivanja samo poroznih materijala koji ne zahtijevaju visoku čvrstoću, na primjer, CCCM niske gustoće za potrebe toplinske izolacije. Tipično, kako bi se uklonila poroznost i povećala gustoća, karbonizirani materijal se ponovno impregnira vezivom i karbonizira (ovaj ciklus se može ponoviti nekoliko puta). Ponovljena impregnacija se provodi u autoklavima u režimu "vakuum-tlak", tj. prvo se obradak zagrijava u vakuumu, nakon čega se dovodi vezivo i stvara se višak tlaka do 0,6-1,0 MPa. Tijekom impregnacije koriste se otopine i taline veziva, a poroznost kompozita se svakim ciklusom smanjuje, pa je potrebno koristiti veziva smanjene viskoznosti. Stupanj zbijenosti kod reimpregnacije ovisi o vrsti veziva, koksnom broju, poroznosti proizvoda i stupnju ispunjenosti pora. Kako se gustoća povećava tijekom ponovljene impregnacije, povećava se i čvrstoća materijala. Koristeći ovu metodu, moguće je dobiti CCCM s gustoćom do 1800 kg / m 3 i više. Metoda karbonizacije karbonskih vlakana relativno je jednostavna, ne zahtijeva složenu opremu, a osigurava dobru obnovljivost svojstava materijala dobivenih proizvoda. Međutim, potreba za ponovljenim operacijama zbijanja značajno produljuje i poskupljuje dobivanje proizvoda iz CCCM-a, što je ozbiljan nedostatak ove metode.

Po primitku UKCM od strane metoda taloženja pirolitičkog ugljika iz plinske faze plin ugljikovodika (metan, benzen, acetilen itd.) ili mješavina ugljikovodika i plina razrjeđivača (inertni plin ili vodik) difundira kroz porozni okvir od karbonskih vlakana, gdje pod utjecajem visoke temperature dolazi do razgradnje ugljikovodika na zagrijanu površinu vlakna. Taloženi pirougljik postupno stvara spojne mostove između vlakana. Kinetika taloženja i struktura dobivenog pirolitičkog ugljika ovise o mnogim čimbenicima: temperaturi, brzini protoka plina, tlaku, reakcijskom volumenu itd. Svojstva dobivenih kompozita također su određena vrstom i sadržajem vlakana, te shema armature.

Proces taloženja provodi se u vakuumu ili pod tlakom u indukcijskim pećima, kao iu otpornim pećima.

Razvijeno je nekoliko tehnoloških metoda za proizvodnju pirolitičke ugljične matrice.

S izotermnom metodom obradak se nalazi u jednolično zagrijanoj komori. Ravnomjerno zagrijavanje u indukcijskoj peći osigurava se uz pomoć elementa za generiranje goriva - suceptora od grafita. Plin ugljikovodika dovodi se kroz dno peći i difundira kroz reakcijski volumen i radni komad; plinoviti produkti reakcije uklanjaju se kroz ispust u poklopcu peći.

Proces se obično provodi na temperaturi od 1173-1423 K i tlaku od 130-2000 kPa. Pad temperature dovodi do smanjenja brzine taloženja i prekomjernog produljenja trajanja procesa. Povećanje temperature ubrzava taloženje pirolitičkog ugljika, ali plin nema vremena difundirati u volumen izratka i dolazi do površinskog raslojavanja pirolitičkog ugljika. Proces traje stotine sati.

Izotermna metoda obično se koristi za izradu dijelova s ​​tankim stijenkama, budući da su u ovom slučaju pretežno ispunjene pore koje se nalaze blizu površine proizvoda.

Koristi se za volumetrijsku zasićenost pora i izradu proizvoda debelih stijenki. neizotermna metoda, koji se sastoji u stvaranju temperaturnog gradijenta u obratku stavljanjem na zagrijani trn ili jezgru ili izravnim zagrijavanjem strujom. Ugljikovodični plin se dovodi sa strane koja ima više niske temperature. Tlak u peći obično je jednak atmosferskom tlaku. Kao rezultat toga, taloženje pirolitičkog ugljika događa se u najtoplijoj zoni. Učinak hlađenja plina koji teče preko površine velikom brzinom primarni je način postizanja temperaturnog gradijenta.

Povećanje gustoće i toplinske vodljivosti kompozita dovodi do pomicanja fronte temperature taloženja, što u konačnici osigurava volumetrijsku zbijenost materijala i proizvodnju proizvoda visoke gustoće (1700-1800 kg/m3).

Izotermna metoda za proizvodnju CCCM s pirokarbonskom matricom karakteriziraju sljedeće prednosti: dobra ponovljivost svojstava; jednostavnost tehničkog dizajna; visoka gustoća i dobra grafitabilnost matrice; mogućnost obrade nekoliko proizvoda istovremeno.

Nedostaci uključuju: nisku stopu taloženja; površinsko taloženje pirolitičkog ugljika; loše popunjavanje velikih pora.

Neizotermna metoda ima sljedeće prednosti: visoka brzina taloženja; mogućnost popunjavanja velikih pora; volumetrijsko brtvljenje proizvoda.

Njegovi nedostaci su sljedeći: složen dizajn hardvera; obrađuje se samo jedan proizvod; nedovoljna gustoća i grafitabilnost matrice; stvaranje mikropukotina.

3.4.4. Visokotemperaturna toplinska obrada (grafitizacija) CCCM. Struktura karbonizirane plastike i kompozita s pirokarbonskom matricom nakon zbijanja iz plinske faze je nesavršena. Međuslojna udaljenost d002, koja karakterizira stupanj uređenosti ugljikove matrice, relativno je velika - preko 3,44·10 4 μm, a veličine kristala su relativno male - obično ne više od 5·10 -3 μm, što je tipično za dvodimenzionalni poredak osnovnih slojeva ugljika. Osim toga, tijekom procesa proizvodnje u njima mogu nastati unutarnji naprezanja, što može dovesti do deformacija i izobličenja strukture proizvoda kada se ti materijali koriste na temperaturama iznad temperature karbonizacije ili taloženja pirolitičkog ugljika. Stoga, ako je potrebno dobiti toplinski stabilniji materijal, podvrgava se visokotemperaturnoj obradi. Konačna temperatura toplinske obrade određena je radnim uvjetima, ali je ograničena sublimacijom materijala, koja se intenzivno događa na temperaturama iznad 3273 K. Toplinska obrada se provodi u indukcijske peći ili otporne peći u neoksidirajućoj okolini (zatrpavanje grafitom, vakuum, inertni plin). Promjena svojstava materijala ugljik-ugljik tijekom visokotemperaturne toplinske obrade određena je mnogim čimbenicima: vrstom punila i matrice, konačnom temperaturom i trajanjem toplinske obrade, vrstom medija i njegovim tlakom i drugim čimbenicima. Na visokim temperaturama prevladavaju se energetske barijere u ugljičnom materijalu, sprječavajući kretanje višenuklearnih spojeva, njihovo pričvršćivanje i međusobnu preusmjeravanje s u većoj mjeri tuljani.

Ti procesi traju kratko, a stupanj pretvorbe uglavnom je određen temperaturom. Stoga je trajanje procesa visokotemperaturne toplinske obrade mnogo kraće nego kod karbonizacije ili taloženja pirokarbona i obično iznosi nekoliko sati. Tijekom visokotemperaturne toplinske obrade karbonizirane plastike dolazi do nepovratnih deformacija proizvoda i postupnog "zacjeljivanja" nedostataka. Za dobro grafitizirane materijale na bazi smola na temperaturama iznad 2473 K opaža se intenzivan rast trodimenzionalno uređenih kristalita ugljika sve do prijelaza u grafitnu strukturu. Istodobno, u karboniziranoj plastici koja se temelji na slabo grafitiziranim polimernim vezivima, strukturni defekti postoje do 3273 K i materijal ostaje u negrafitiziranom strukturnom obliku.

38.1. Klasifikacija

Kompozitni materijali su materijali ojačani punilima raspoređenim na određeni način u matricu.Punala su najčešće tvari visoke energije međuatomskih veza, velike čvrstoće i visokog modula, no visoko plastična punila mogu se koristiti i u kombinaciji s krhkim matricama.

Vezivne komponente, odnosno matrice, u kompozitnim materijalima mogu biti različite - polimerne, keramičke, metalne ili mješovite. U potonjem slučaju govorimo o polimatričnim kompozitnim materijalima.

Prema morfologiji armaturnih faza, kompozitni materijali se dijele na:

nulta dimenzija (oznaka: 0,), ili ojačana česticama različite disperzije, nasumično raspoređenih u matrici;

jednodimenzionalni vlaknasti (simbol: 1), ili ojačani jednosmjernim kontinuiranim ili diskretnim vlaknima;

dvodimenzionalni slojeviti (oznaka: 2), ili koji sadrže identično orijentirane armaturne lamele ili slojeve (sl. 38.1).

Anizotropija kompozitnih materijala, unaprijed “dizajnirana” s ciljem korištenja u odgovarajućim strukturama, naziva se strukturnom.

Na temelju veličine armaturnih faza ili veličine armaturne ćelije, kompozitni materijali se dijele na sljedeći način:

submikrokompoziti (veličina ćelija za pojačanje, promjer vlakana ili čestica<С 1 мкм), например, дисперсноупрочненные сплавы или волокни­стые композиционные материалы с очень тонкими волокнами:

mikrokompoziti (veličina ćelija za pojačanje, promjer vlakana, čestica ili debljina sloja ^1 μm), na primjer materijali ojačani česticama, ugljičnim vlaknima, silicijevim karbidom, borom itd., jednosmjerne eutektičke legure;

makrokompoziti (promjer ili debljina armaturnih komponenata -100 mikrona), primjerice dijelovi od bakrenih ili aluminijskih legura ojačani volframom ili čeličnom žicom ili folijom. Makrokompoziti se najčešće koriste za povećanje otpornosti na habanje tarnih dijelova u tehnološkoj opremi.

38.2. Međufazna interakcija u kompozitnim materijalima

38.2.1. Fizikalno-kemijska i termomehanička kompatibilnost komponenata

Kombinacija u jednom materijalu tvari koje se značajno razlikuju po kemijskom sastavu i fizikalnim svojstvima stavlja u prvi plan u razvoju, proizvodnji i povezivanju kompozitnih materijala problem termodinamičke i kinetičke kompatibilnosti komponenata. Pod pritiskom

Pod dinamičkom kompatibilnošću podrazumijeva se sposobnost matrice i punila za ojačanje da budu u stanju termodinamičke ravnoteže neograničeno vrijeme na proizvodnim i radnim temperaturama. Gotovo svi umjetno stvoreni kompozitni materijali su termodinamički nekompatibilni. Jedina iznimka je nekoliko metalnih sustava (Cu-W, Cu-Mo, Ag-W), gdje ne postoji kemijska i difuzijska interakcija između faza tijekom neograničenog vremena njihovog kontakta.

Kinetička kompatibilnost - sposobnost komponenti kompozitnih materijala da održavaju metastabilnu ravnotežu u određenim temperaturno-vremenskim intervalima. Problem kinetičke kompatibilnosti ima dva aspekta: 1) fizikalni i kemijski - osiguravanje jake veze između komponenti i ograničavanje procesa otapanja, hetero- i reakcijske difuzije na sučeljima, koji dovode do stvaranja krhkih produkata interakcije i razgradnje čvrstoća armaturnih faza i kompozitnog materijala u cjelini; 2) termomehanički - postizanje povoljne raspodjele unutarnjih naprezanja toplinskog i mehaničkog podrijetla i smanjenje njihove razine; osiguranje racionalnog odnosa između deformacijskog otvrdnjavanja matrice i njegove sposobnosti opuštanja naprezanja, sprječavanje preopterećenja i preranog uništenja faza ojačanja.

Postoje sljedeće mogućnosti za poboljšanje fizikalne i kemijske kompatibilnosti metalnih matrica s punilima za ojačavanje:

I. Razvoj novih tipova ojačavajućih punila koja su otporna na kontakt s metalnim matricama pri visokim temperaturama, na primjer, keramička vlakna, viskiri i dispergirane čestice silicijevih karbida, titana, cirkonija, bora, aluminijevih oksida, cirkonija, silicijevih nitrida, bora itd.

II Nanošenje barijernih prevlaka na punila za ojačanje, na primjer prevlake od vatrostalnih metala, titan karbida, hafnija, bora, titan nitrida, bora, itrijevih oksida na karbonskim vlaknima, bora, silicij karbida. Neki barijerni premazi na vlaknima, uglavnom metalnim, služe kao sredstvo za poboljšanje vlaženja vlakana talinama matrice, što je posebno važno pri proizvodnji kompozitnih materijala metodama tekuće faze. Takvi se premazi često nazivaju tehnološkim

Ništa manje važan je učinak plastificiranja otkriven tijekom nanošenja tehnoloških premaza, koji se očituje u stabilizaciji, pa čak i povećanju čvrstoće vlakana (primjerice, kod aluminiziranja borovih vlakana provlačenjem kroz kupelj taline ili kod niklanja karbonskih vlakana uz naknadnu toplinsku obradu).

III. Upotreba u kompozitnim materijalima metalnih matrica dopiranih elementima s većim afinitetom prema punilu za pojačanje od metala matrice ili s aditivima površinski aktivnih tvari. Rezultirajuća promjena u kemijskom sastavu međupovršina trebala bi spriječiti razvoj međupovršinske interakcije. Legiranje matričnih legura s površinski aktivnim dodacima ili aditivima koji stvaraju karbide, kao i primjena tehnoloških premaza na vlakna, može pomoći u poboljšanju močivosti punila za ojačanje s metal se topi.

IV. Legiranje matrice elementima koji povećavaju kemijski potencijal armirajućeg punila u matričnoj slitini ili dodacima armirajućeg punila do koncentracija zasićenja na temperaturama proizvodnje i rada kompozitnog materijala. Takvo legiranje sprječava otapanje armirajuće faze, tj. povećava toplinsku stabilnost sastava.

V. Stvaranje “umjetnih” kompozitnih materijala sličnih “prirodnim” eutektičkim sastavima odabirom odgovarajućeg sastava komponenata.

VI. Odabir optimalnog trajanja kontakta komponenti tijekom pojedinog procesa proizvodnje kompozitnih materijala ili u uvjetima njihove uporabe, tj. uzimajući u obzir faktore temperature i sile. Trajanje kontakta, s jedne strane, mora biti dovoljno za stvaranje jakih ljepljivih veza između komponenti; s druge strane, ne dovode do intenzivne kemijske interakcije, stvaranja krhkih međufaza i smanjenja čvrstoće kompozitnog materijala.

Termo-mehanička kompatibilnost komponenti u kompozitnim materijalima osigurava se:

odabir matričnih legura i punila s minimalnim razlikama u modulima elastičnosti, Poissonovim omjerima i koeficijentima toplinskog širenja;

korištenje međuslojeva i premaza u fazama za pojačanje, smanjujući razlike u fizičkim svojstvima matrice i faza;

prijelaz s armature s komponentom jedne vrste na poliarmaturu, tj. kombinaciju u jednom kompozitnom materijalu armaturnih vlakana, čestica ili slojeva koji se razlikuju po sastavu i fizičkim svojstvima;

mijenjanje geometrije dijelova, uzorka i razmjera armature; morfologija, veličina i volumni udio armirajućih faza; zamjena kontinuiranog punila s diskretnim;

izbor metoda i načina za proizvodnju kompozitnog materijala koji osiguravaju zadanu razinu čvrstoće veze njegovih komponenti.

38.2.2. Ojačavanje punila

Za ojačanje metalnih matrica koriste se punila visoke čvrstoće visokog modula - kontinuirana i diskretna metalna, nemetalna i keramička vlakna, kratka vlakna i čestice, viskiri (tablica 38.1).

Karbonska vlakna jedan su od najnaprednijih i najnaprednijih materijala za ojačanje u proizvodnji. Važna prednost karbonskih vlakana je njihova niska specifična težina, toplinska vodljivost bliska metalima (R = 83,7 W/(m-K)), relativno niska cijena.

Vlakna se isporučuju u obliku ravnih ili upletenih miogofilamentnih niti, tkanina ili vrpci izrađenih od njih. Ovisno o vrsti sirovine, promjer filamenata varira od 2 do 10 mikrona, broj filameita u snopu - od stotina do desetaka tisuća komada.

Karbonska vlakna imaju visoku kemijsku otpornost na atmosferske uvjete i mineralne kiseline. Otpornost vlakana na toplinu je niska: temperatura dugotrajnog rada na zraku ne prelazi 300-400 °C. Kako bi se povećala kemijska otpornost u dodiru s metalima, na površinu vlakana nanose se barijere od titanovih i cirkonijevih borida, titanovih karbida, cirkonija, silicija i vatrostalnih metala.

Borova vlakna se proizvode taloženjem bora iz plinske smjese vodika i bor triklorida na volframovu žicu ili ugljične monofilamente zagrijane na temperaturu od 1100-1200 °C. Zagrijavanjem na zraku borova vlakna počinju oksidirati na temperaturama od 300-350 °C, a na 600-800 °C potpuno gube svoju čvrstoću. Aktivna interakcija s većinom metala (Al, Mg, Ti, Fe, Ni) počinje na temperaturama od 400-600 °C. Kako bi se povećala otpornost borovih vlakana na toplinu, nanose se tanki slojevi (2-6 μm) silicij karbida (SiC/B/W), bor karbida (B4C/B/W), bor nitrida (BN/B/W). plinsku fazu.

Vlakna silicijevog karbida promjera 100-200 mikrona proizvode se taloženjem na 1300 °C iz mješavine pare i plina silicijevog tetraklorida i metana, razrijeđenog vodikom u omjeru 1:2:10, na volframovoj žici.

ili smola karbonskih vlakana. Najbolji uzorci vlakana imaju čvrstoću od 3000-4000 MPa na 1100 °C

Silicij karbidna vlakna bez jezgre u obliku multifilamentitnih snopova, dobivena iz tekućih organosilana izvlačenjem i pirolizom, sastoje se od ultrafinih f)-SiC kristala.

Metalna vlakna se proizvode u obliku žice promjera 0,13; 0,25 i 0,5 mm. Vlakna od čelika visoke čvrstoće i legura berilija namijenjena su uglavnom za armiranje matrica od lakih legura i titana. Vlakna od vatrostalnih metala legiranih renijem, titanom, oksidnom i karbidnom fazom koriste se za ojačavanje toplinski otpornih nikal-kromovih, titanovih i drugih legura.

Brkovi koji se koriste za ojačanje mogu biti metalni ili keramički. Struktura takvih kristala je monokristalna, promjer je obično do 10 mikrona s omjerom duljine i promjera od 20 do 100. Brkovi se dobivaju različitim metodama: rastom iz premaza, elektrolitičkim taloženjem, taloženjem iz okoline pare i plina, kristalizacijom. iz plinovite faze u tekuću fazu. mehanizmom para-tekućina-kristal, piroliza, kristalizacija iz zasićenih otopina, visceracija

38.2.3. Matrične legure

U metalnim kompozitnim materijalima uglavnom se koriste matrice od lakih kovanih i lijevanih legura aluminija i magnezija, kao i legura bakra, nikla, kobalta, cinka, kositra, olova i srebra; legure nikal-kroma, titana, cirkonija, vanadija otporne na toplinu; legure vatrostalnih metala kroma i niobija (tablica 38 2).

38.2.4. Vrste veza i sučelne strukture u kompozitnim materijalima

Ovisno o materijalu za punjenje i matricama, metodama i načinima dobivanja kompozitnih materijala preko sučelja, primjenjuje se šest vrsta veza (tablica 38.3). Najjača veza između komponenti u sastavima s metalnim matricama osigurava se kemijskom interakcijom. Uobičajena vrsta veze je mješovita, koju predstavljaju čvrste otopine i intermetalne faze (na primjer, sastav "aluminij-bor vlakna" dobiven kontinuiranim lijevanjem) ili čvrste otopine, intermetalne i oksidne faze (isti sastav dobiven prešanjem plazma polu- gotovi proizvodi) itd.

38.3. Metode proizvodnje kompozitnih materijala

Tehnologija proizvodnje metalnih kompozitnih materijala određena je dizajnom proizvoda, osobito ako su složenog oblika i zahtijevaju pripremu spojeva zavarivanjem, lemljenjem, lijepljenjem ili zakivanjem, te je u pravilu višeprijelazna.

Elementarna osnova za izradu dijelova ili poluproizvoda (limova, cijevi, profila) od kompozitnih materijala najčešće su tzv. metalom impregnirana vlaknasta vlakna ili pojedinačna vlakna presvučena matričnim legurama.

Dijelovi i poluproizvodi se dobivaju spajanjem (kompaktiranjem) izvornih preprega metodama impregnacije, vrućeg prešanja, valjanja ili izvlačenja paketa preprega. Ponekad se i preprezi i proizvodi izrađeni od kompozitnih materijala proizvode istim metodama, na primjer, pomoću tehnologije praha ili lijevanja, ali na različite načine i u različitim tehnološkim fazama.

Postupci za proizvodnju preprega, poluproizvoda i proizvoda od kompozitnih materijala s metalnim matricama mogu se podijeliti u pet glavnih skupina: 1) parno-plinska faza; 2) kemijski i elektrokemijski; 3) tekuća faza; 4) čvrsta faza; 5) čvrsto-tekuća faza.

38.4. Svojstva kompozitnih materijala s metalnom matricom

Kompozitni materijali s metalnim matricama imaju niz neospornih prednosti u odnosu na ostale konstrukcijske materijale namijenjene uporabi u ekstremnim uvjetima. Ove prednosti uključuju: visoku čvrstoću i... krutost u kombinaciji s velikom otpornošću na lom; visoka specifična čvrstoća i krutost (omjer vlačne čvrstoće i modula elastičnosti prema specifičnoj težini a/y i E/y); visoka granica zamora; visoka otpornost na toplinu; niska osjetljivost na toplinske udare, na površinske defekte, visoka svojstva prigušenja, električna i toplinska vodljivost, proizvodnost u dizajnu, obradi i spajanju (tablica 38 4).

U nedostatku posebnih zahtjeva za materijale u pogledu toplinske vodljivosti, električne vodljivosti, otpornosti na hladnoću i drugih svojstava, temperaturna područja rada kompozitnih materijala određuju se kako slijedi:<250 °С - для материалов с полимерными матрицами; >1000 °C - za materijale s keramičkim matricama; Kompozitni materijali s metalnim matricama pokrivaju ta ograničenja

Karakteristike čvrstoće nekih kompozitnih materijala dane su u tablici 38 5.

Glavne vrste spojeva kompozitnih materijala danas su vijčani, zakovicama, ljepljivi, spojevi lemljenjem i zavarivanjem i kombinirani. Spojevi lemljenjem i zavarivanjem posebno su obećavajući, jer otvaraju mogućnost najpotpunijeg ostvarenja jedinstvenih svojstava kompozita. materijala u strukturi, ali njihova implementacija predstavlja složen znanstveno-tehnički zadatak iu mnogim slučajevima još nije izašla iz eksperimentalne faze.

38.5. Problemi zavarljivosti kompozitnih materijala

Ako pod zavarljivošću podrazumijevamo sposobnost materijala da stvara zavarene spojeve koji mu po svojim svojstvima nisu inferiorni, tada kompozitne materijale s metalnim matricama, osobito vlaknastima, treba svrstati u teško zavarljive materijale. Nekoliko je razloga za to.

I. Metode zavarivanja i lemljenja uključuju spajanje kompozitnih materijala preko metalne matrice. Ojačajuće punilo u zavarenom ili lemljenom šavu ili je potpuno odsutno (na primjer, u sučeonim zavarima koji se nalaze poprečno na smjer armature u vlaknastim ili slojevitim kompozitnim materijalima), ili je prisutno u smanjenom volumenskom udjelu (prilikom zavarivanja materijala ojačanih disperzijom s žice koje sadrže diskretnu armaturnu fazu), ili postoji povreda kontinuiteta i smjera armature (na primjer, tijekom difuzijskog zavarivanja vlaknastih sastava poprečno u smjeru armature). Prema tome, zavareni ili lemljeni šav je oslabljeno područje strukture kompozitnog materijala, što zahtijeva razmatranje pri projektiranju i pripremi spoja za zavarivanje. U literaturi postoje prijedlozi za autonomno zavarivanje komponenti sastava radi održavanja kontinuiteta armature (na primjer, zavarivanje tlakom volframovih vlakana u sastavu volfram-bakar), međutim, autonomno sučeono zavarivanje vlaknastih kompozitnih materijala zahtijeva posebnu pripremu rubova , strogo pridržavanje koraka armature i prikladan je samo za materijale ojačane metalnim vlaknima. Drugi prijedlog je priprema sučeonih spojeva s preklapajućim vlaknima iznad kritične duljine, ali to predstavlja poteškoće u ispunjavanju spoja matričnim materijalom i osiguravanju jake veze na granici vlakana i matrice.

II. Prikladno je razmotriti utjecaj zagrijavanja pri zavarivanju na razvoj fizikalno-kemijske interakcije u kompozitnom materijalu na primjeru spoja koji nastaje kada se električni luk topi vlaknasti materijal poprečno u smjeru armature (slika 38.2). Ako metal matrice nema polimorfizam (na primjer, Al, Mg, Cu, Ni itd.), tada se u spoju mogu razlikovati 4 glavne zone: 1 - zona koja se zagrijava na temperaturu povrata matrice (analogno s zavarivanjem homogeni materijali, ovu zonu ćemo nazvati glavnim materijalom); 2 - zona ograničena temperaturama povrata i rekristalizacije metala matrice (povratna zona); 3 zone,

ograničena temperaturama rekristalizacije i taljenja matrice (zona rekristalizacije); 4 - zona zagrijavanja iznad temperature taljenja matrice (nazovimo ovu zonu zavarom). Ako je matrica u kompozitnom materijalu legura Ti, Zr, Fe i drugih metala koji imaju polimorfne transformacije, tada će se u zoni 3 pojaviti podzone s potpunom ili djelomičnom rekristalizacijom faze matrice, ali za ovo razmatranje ova točka nije značajna.

Promjene svojstava kompozitnog materijala počinju u zoni 2. Ovdje procesi oporavka uklanjaju deformacijsko otvrdnjavanje matrice postignuto tijekom zbijanja kompozitnog materijala u čvrstoj fazi (u sastavima dobivenim metodama tekuće faze, omekšavanje se ne opaža u ovom zona).

U zoni 3 dolazi do rekristalizacije i rasta zrna metala matrice. Zbog difuzijske pokretljivosti atoma matrice, moguć je daljnji razvoj međufazne interakcije koja je započela u procesu proizvodnje kompozitnog materijala, povećava se debljina krhkih slojeva i pogoršavaju svojstva kompozitnog materijala u cjelini. Kod materijala za zavarivanje topljenjem
Kada se dobije metodama čvrste faze zbijanja praha ili preprega s praškastom ili prskanom matricom, moguća je poroznost duž granice taljenja i susjednih međufaznih granica, pogoršavajući ne samo svojstva čvrstoće, već i nepropusnost zavarenog spoja.

U zoni 4 (zavareni šav) mogu se razlikovati 3 dijela:

Odsječak 4", uz os zavara, gdje zbog jakog pregrijavanja pod lukom taline metalne matrice i najduljeg trajanja metala u rastaljenom stanju dolazi do potpunog otapanja armirajuće faze;

Odjeljak 4", karakteriziran nižom temperaturom zagrijavanja taline i kraćim trajanjem kontakta ojačavajuće faze s talinom. Ovdje je ova faza samo djelomično otopljena u talini (na primjer, smanjuje se promjer vlakana, pojavljuju se šupljine na njihovoj površini; narušena je jednosmjernost armature);

Dionica 4"", gdje nema zamjetne promjene u dimenzijama armirajuće faze, ali se razvija intenzivna interakcija s talinom, stvaraju se slojevi ili otoci krhkih produkata interakcije, a čvrstoća armirajuće faze opada. Kao rezultat toga, zona 4 postaje zona najvećeg oštećenja kompozitnog materijala tijekom zavarivanja.

III. Zbog razlika u toplinskom rastezanju materijala matrice i armaturne faze u zavarenim spojevima kompozitnih materijala nastaju dodatna termoelastična naprezanja koja uzrokuju nastanak različitih defekata: pucanje, razaranje krhkih armaturnih faza u najzagrijanijoj zoni 4 spoja. , delaminacija duž međufaznih granica u zoni 3.

Za osiguranje visokih svojstava zavarenih spojeva kompozitnih materijala preporučuje se sljedeće.

Prije svega, među poznatim metodama spajanja prednost treba dati metodama zavarivanja čvrste faze, kod kojih se, zbog nižeg utroška energije, može postići minimalna degradacija svojstava komponenti u zoni spoja.

Drugo, načini tlačnog zavarivanja moraju biti odabrani tako da se spriječi pomicanje ili drobljenje armaturne komponente.

Treće, pri zavarivanju kompozitnih materijala topljenjem treba odabrati metode i načine koji osiguravaju minimalan unos topline u zonu spoja.

Četvrto, zavarivanje taljenjem trebalo bi preporučiti za spajanje kompozitnih materijala s termodinamički kompatibilnim komponentama, kao što su bakar-volfram, bakar-molibden, srebro-volfram, ili ojačanih punilima otpornim na toplinu, kao što su vlakna silicij-karbida, ili punila s barijernim premazima, kao što su vlakna bor s prevlakama od bor-karbida ili silicij-karbida.

Peto, elektroda ili dodatni materijal ili materijal srednjih brtvi za zavarivanje topljenjem ili lemljenje mora sadržavati aditive za legiranje koji ograničavaju otapanje komponente za pojačanje i stvaranje krhkih proizvoda međupovršinske interakcije tijekom procesa zavarivanja i tijekom naknadnog rada zavarenog jedinice.

38.5.1. Zavarivanje kompozitnih materijala

Vlaknasti i lamelirani kompozitni materijali najčešće se spajaju na preklopni način. Omjer duljine poda i debljine materijala obično prelazi 20. Ovakvi spojevi mogu se dodatno ojačati zakovnim ili vijčanim spojevima. Uz preklopne spojeve moguće je izvesti sučeone i kutne zavarene spojeve u smjeru armature, a rjeđe poprijeko u smjeru armature. U prvom slučaju, s pravilnim odabirom metoda i načina zavarivanja ili lemljenja, moguće je postići jednaku čvrstoću veze; u drugom slučaju, čvrstoća veze obično ne prelazi čvrstoću materijala matrice.

Kompozitni materijali ojačani česticama, kratkim vlaknima i viskirima zavareni su istim tehnikama kao legure s taloženjem ili praškasti materijali. U tom slučaju može se postići jednaka čvrstoća zavarenih spojeva s osnovnim materijalom pod uvjetom da je kompozitni materijal proizveden tehnologijom tekuće faze, ojačan punilima otpornim na toplinu i odabirom odgovarajućih načina zavarivanja i materijala za zavarivanje. U nekim slučajevima, elektroda ili materijal za punjenje može biti sličan ili sličan osnovnom materijalu.

38.5.2. Elektrolučno zavarivanje u zaštiti plina

Metoda se koristi za zavarivanje taljenjem kompozitnih materijala s matricom kemijski aktivnih metala i legura (aluminij, magnezij, titan, nikal, krom). Zavarivanje se izvodi nepotrošnom elektrodom u atmosferi argona ili mješavine s helijem. Za reguliranje toplinskog učinka zavarivanja na materijale, preporučljivo je koristiti pulsni luk, komprimirani luk ili trofazni luk.

Za povećanje čvrstoće spojeva preporuča se izrada šavova pomoću kompozitnih elektroda ili žica za punjenje s volumetrijskim udjelom armaturne faze od 15-20%. Kao faze za ojačanje koriste se kratka vlakna bora, safira, nitrida ili silicijevog karbida.

38.5.3. Zavarivanje elektronskim snopom

Prednosti metode su odsutnost oksidacije rastaljenog metala i punila za ojačanje, vakuumsko otplinjavanje metala u zoni zavarivanja, visoka koncentracija energije u gredi, što omogućuje dobivanje spojeva s minimalnom širinom taljenja. zona i zona utjecaja topline. Posljednja prednost posebno je važna pri izradi spojeva vlaknastih kompozitnih materijala u smjeru armature. Uz posebnu pripremu spojeva moguće je zavarivanje pomoću odstojnika za punjenje.

38.5.4. Otporno točkasto zavarivanje

Prisutnost armirajuće faze u kompozitnom materijalu smanjuje njegovu toplinsku i električnu vodljivost u usporedbi s materijalom matrice i sprječava stvaranje lijevane jezgre. Zadovoljavajući rezultati dobiveni su točkastim zavarivanjem tankoslojnih kompozitnih materijala s oblogama. Kod zavarivanja limova različitih debljina ili kompozitnih limova s ​​homogenim limovima, kako bi se jezgra mjesta zavara dovela u ravninu dodira limova i uravnotežila razlika u električnoj vodljivosti materijala, odaberite elektrode različite vodljivosti, komprimiranjem periferne zone, promijenite promjer i radijus zakrivljenosti elektroda i debljinu sloja obloge, koristite dodatne brtve.

Prosječna čvrstoća točke zavarivanja pri zavarivanju monoaksijalnih aluminijskih ploča ojačanih borom debljine 0,5 mm (s volumnim udjelom vlakana od 50%) iznosi 90% čvrstoće bor-aluminija ekvivalentnog presjeka. Čvrstoća spoja bora-aluminijskih limova s ​​poprečnom armaturom veća je nego kod limova s ​​jednoosnim armiranjem.

38.5.5. Difuzijsko zavarivanje

Proces se provodi pod visokim tlakom bez upotrebe lema. Tako se bor-aluminijski dijelovi koji se spajaju zagrijavaju u zatvorenoj retorti na temperaturu od 480 °C pri tlaku do 20 MPa i drže u tim uvjetima 30-90 minuta. Tehnološki postupak difuzijskog otpornog točkastog zavarivanja bora-aluminija s titanom gotovo se ne razlikuje od točkastog zavarivanja taljenjem. Razlika je u tome što su način zavarivanja i oblik elektroda odabrani tako da je temperatura zagrijavanja aluminijske matrice blizu temperature taljenja, ali ispod nje. Kao rezultat toga, na mjestu dodira nastaje difuzijska zona debljine od 0,13 do 0,25 mikrona.

Uzorci preklopno zavareni difuzijskim točkastim zavarivanjem pri ispitivanju na vlačnost u temperaturnom području 20-120 °C razaraju se duž osnovnog materijala s kidanjem duž vlakana. Na temperaturi od 315 °C, uzorci se uništavaju smicanjem na spoju.

38.5.6. Zavarivanje klinom

Za spajanje krajeva od konvencionalnih konstrukcijskih legura s cijevima ili tijelima od kompozitnih materijala, razvijena je metoda za zavarivanje različitih metala koji se oštro razlikuju u tvrdoći, što se može nazvati mikroklinastim prešanjem. Tlak prešanja postiže se zbog toplinskih naprezanja koja nastaju zagrijavanjem trna i držača uređaja za termokompresijsko zavarivanje, izrađenih od materijala s različitim koeficijentima toplinskog rastezanja (TE). Završni elementi, na čijoj kontaktnoj površini je nanesen klinasti navoj, montiraju se s cijevi od kompozitnog materijala, kao i s trnom i držačem. Sastavljeni uređaj se zagrijava u zaštitnom okruženju na temperaturu od 0,7-0,9 od tališta najtaljivijeg metala. Trn za učvršćenje ima veći KTŠ od držača. Tijekom procesa zagrijavanja razmak između radnih površina trna i držača se smanjuje, a izbočine ("klinovi") navoja na vrhu se utiskuju u slojeve obloge cijevi. Čvrstoća spoja pune faze nije niža od čvrstoće matrice ili metala za oblaganje.

38.5.7. Zavarivanje eksplozijom

Zavarivanje eksplozijom koristi se za spajanje limova, profila i cijevi izrađenih od metalnih kompozitnih materijala ojačanih metalnim vlaknima ili slojevima koji imaju dovoljno visoka plastična svojstva da se izbjegne drobljenje armaturne faze, kao i za spajanje kompozitnih materijala sa spojevima od raznih metala i legura. . Čvrstoća spojeva obično je jednaka ili čak veća (zbog otvrdnuća naprezanja) od čvrstoće najmanje čvrstog materijala matrice koji se koristi u dijelovima koji se spajaju. Za povećanje čvrstoće spojeva koriste se međubrtve od drugih materijala.

U fugama obično nema pora niti pukotina. Otopljena područja u prijelaznoj zoni, posebno tijekom eksplozije različitih metala, mješavine su faza eutektičkog tipa.

38.6. Lemljenje kompozitnih materijala

Postupci lemljenja vrlo su obećavajući za spajanje kompozitnih materijala, budući da se mogu provoditi na temperaturama koje ne utječu na armaturno punilo i ne uzrokuju razvoj međupovršinske interakcije.

Lemljenje se izvodi konvencionalnim tehnikama, tj. uranjanjem u lem ili u pećnici. Vrlo je važno pitanje kvalitete pripreme površine za lemljenje. Spojevi izrađeni lemljenim lemovima uz upotrebu topitelja podložni su koroziji, stoga se topilo mora potpuno ukloniti iz područja spoja.

Lemljenje tvrdim i mekim lemovima

Razvijeno je nekoliko opcija za lemljenje bor-aluminija. Ispitani su lemovi za lemljenje na niskim temperaturama. Lemovi sastava 55% Cd -45% Ag, 95% Cd -5% Ag, 82,5% Cd-17,5% Zn preporučuju se za dijelove koji rade na temperaturama ne višim od 90 °C; sastav lema 95% Zn - 5% Al - za radne temperature do 315 °C. Kako bi se poboljšalo vlaženje i širenje lema, na površine koje se spajaju nanosi se sloj nikla debljine 50 mikrona. Visokotemperaturno lemljenje izvodi se pomoću eutektičkih lemova sustava aluminij - silicij na temperaturama reda 575-615 °C. Vrijeme lemljenja treba svesti na minimum zbog opasnosti od degradacije čvrstoće borovih vlakana.

Glavne poteškoće u lemljenju ugljično-aluminijskih smjesa međusobno i s aluminijskim legurama povezane su s slabom močivošću ugljično-aluminijskih smjesa s lemovima. Najbolji lemovi su legura 718 (A1-12% Si) ili naizmjenični slojevi folije od legure 6061. Lemljenje se provodi u pećnici u atmosferi argona pri temperaturi od 590 ° C tijekom 5-10 minuta. Za spajanje bora-aluminija i ugljika-aluminija s titanom mogu se koristiti lemovi sustava aluminij-silicij-magnezij. Za povećanje čvrstoće veze preporuča se nanošenje sloja nikla na površinu titana.

Eutektičko difuzijsko lemljenje. Metoda se sastoji od nanošenja tankog sloja drugog metala na površinu dijelova koji se zavaruju, stvarajući eutektiku s metalom matrice. Za matrice od aluminijskih legura koriste se slojevi Ag, Cu, Mg, Ge, Zn, čija je eutektička temperatura kod aluminija 566, 547, 438, 424 i 382 °C. Kao rezultat procesa difuzije, koncentracija drugog elementa u kontaktnoj zoni postupno se smanjuje, a temperatura taljenja spoja raste, približavajući se temperaturi taljenja matrice. Dakle, lemljeni spojevi mogu raditi na temperaturama višim od punkka temperature.

Kod difuzijskog lemljenja bor aluminija, površine dijelova koji se spajaju oblažu se srebrom i bakrom, zatim komprimiraju i održavaju pod tlakom do 7 MPa na temperaturi od 510-565 ° C u čeličnoj retorti u vakuumu ili inertna atmosfera.

Ova vrsta kompozitnih materijala uključuje materijale kao što je SAP (sinterirani aluminijski prah), koji su aluminij ojačan raspršenim česticama aluminijevog oksida. Aluminijski prah se dobiva raspršivanjem rastaljenog metala, nakon čega slijedi mljevenje u kuglastim mlinovima na veličinu od oko 1 mikrona u prisutnosti kisika. S povećanjem vremena mljevenja prah postaje finiji i povećava se njegov sadržaj aluminijevog oksida. Daljnja tehnologija proizvodnje proizvoda i poluproizvoda iz SAP-a uključuje hladno prešanje, predsinteriranje, toplo prešanje, valjanje ili ekstruziju sinterirane aluminijske gredice u obliku gotovih proizvoda koji se mogu podvrgnuti dodatnoj toplinskoj obradi.

Legure tipa SAP koriste se u zrakoplovnom inženjerstvu za izradu dijelova visoke specifične čvrstoće i otpornosti na koroziju, koji rade na temperaturama do 300 - 500 °C. Koriste se za izradu klipnjača, lopatica kompresora, ljuski gorivih elemenata i cijevi izmjenjivača topline.

Ojačanje aluminija i njegovih legura čeličnom žicom povećava njihovu čvrstoću, povećava modul elastičnosti, otpornost na zamor i proširuje temperaturni raspon vijeka trajanja materijala.

Ojačanje kratkim vlaknima provodi se metodama metalurgije praha, koje se sastoje od prešanja nakon čega slijedi hidroekstruzija ili valjanje praznina. Kod armiranja sastava tipa sendvič koji se sastoje od izmjeničnih slojeva aluminijske folije i vlakana s kontinuiranim vlaknima, koriste se valjanje, vruće prešanje, zavarivanje eksplozijom i zavarivanje difuzijom.

Vrlo obećavajući materijal je sastav aluminij-berilijeve žice, koji ostvaruje visoka fizikalna i mehanička svojstva berilijeve armature i, prije svega, njenu nisku gustoću i visoku specifičnu krutost. Kompozicije s berilijevom žicom dobivaju se difuzijskim zavarivanjem paketa izmjeničnih slojeva berilijeve žice i listova matrice. Za izradu dijelova tijela rakete i spremnika za gorivo koriste se legure aluminija ojačane čeličnom i berilijskom žicama.

U sastavu "aluminij - karbonska vlakna", kombinacija armature niske gustoće i matrice omogućuje stvaranje kompozitnih materijala visoke specifične čvrstoće i krutosti. Nedostatak karbonskih vlakana je njihova krhkost i velika reaktivnost. Sastav aluminij-ugljik dobiva se impregniranjem ugljičnih vlakana tekućim metalom ili korištenjem metoda metalurgije praha. Tehnološki, najlakši način za to je provlačenje snopova karbonskih vlakana kroz rastaljeni aluminij.

Aluminij-ugljični kompoziti koriste se u strukturama spremnika goriva modernih borbenih zrakoplova. Zbog visoke specifične čvrstoće i krutosti materijala, težina spremnika goriva smanjena je za 30%. Ovaj se materijal također koristi za izradu turbinskih lopatica za zrakoplovne plinskoturbinske motore.

Kompozitni materijali s nemetalnom matricom

Kompozitni materijali s nemetalnom matricom našli su široku primjenu u industriji. Kao nemetalne matrice koriste se polimerni, karbonski i keramički materijali. Polimerne matrice koje se najviše koriste su epoksi, fenol-formaldehid i poliamid. Ugljene matrice su koksirane ili dobivene od sintetskih polimera podvrgnutih pirolizi (razgradnja, dezintegracija). Matrica veže sastav, dajući mu oblik. Ojačivači su vlakna: staklena, ugljična, borova, organska, na bazi kristala brkova (oksidi, karbidi, boridi, nitridi, itd.), Kao i metal (žice), koji imaju visoku čvrstoću i krutost.

Svojstva kompozitnih materijala ovise o sastavu komponenata, njihovoj kombinaciji, količinskom omjeru i čvrstoći veze između njih.

Sadržaj učvršćivača u orijentiranim materijalima je 60 - 80 vol. %, u neorijentiranim (s diskretnim vlaknima i brkovima) - 20 - 30 vol. %. Što je veća čvrstoća i modul elastičnosti vlakana, veća je čvrstoća i krutost kompozitnog materijala. Svojstva matrice određuju čvrstoću na smicanje i pritisak sastava te otpornost na slom uslijed zamora.

S obzirom na vrstu ojačanja, kompozitni materijali se dijele na staklena vlakna, ugljična vlakna s ugljičnim vlaknima, borova vlakna i organovlakna.

U slojevitim materijalima, vlakna, niti, trake impregnirane vezivom polažu se paralelno jedna s drugom u ravnini polaganja. Planarni slojevi se sastavljaju u ploče. Svojstva su anizotropna. Da bi materijal funkcionirao u proizvodu, važno je uzeti u obzir smjer djelovanja opterećenja. Možete stvoriti materijale s izotropnim i anizotropnim svojstvima. Vlakna se mogu polagati pod različitim kutovima, mijenjajući svojstva kompozitnih materijala. Krutost materijala na savijanje i torziju ovisi o redoslijedu kojim su slojevi položeni po debljini paketa.

Koriste se ojačanja od tri, četiri ili više niti (slika 7). Najraširenija struktura je struktura od tri međusobno okomite niti. Armature mogu biti smještene u aksijalnom, radijalnom i obodnom smjeru.

Trodimenzionalni materijali mogu biti bilo koje debljine u obliku blokova ili cilindara. Glomazne tkanine povećavaju otpornost na ljuštenje i otpornost na smicanje u usporedbi s laminiranim tkaninama. Postavljanjem armature po dijagonalama kocke konstruira se sustav od četiri niti. Struktura od četiri niti je ravnotežna i ima povećanu posmičnu krutost u glavnim ravninama. Međutim, stvaranje četverosmjernih materijala je teže nego stvaranje trosmjernih materijala.

Riža. 7. Shema armiranja kompozitnih materijala: 1- pravokutno, 2- šesterokutno, 3- koso, 4- zakrivljenim vlaknima, 5 – sustav od n niti.

Najučinkovitiji sa stajališta uporabe u najtežim uvjetima suhog trenja su antifrikcijski materijali na bazi politetrafluoroetilena (PTFE).

PTFE karakterizira prilično visok statički koeficijent trenja, međutim, tijekom trenja klizanja na površini PTFE-a nastaje vrlo tanak sloj visoko orijentiranog polimera koji pomaže izjednačavanju statičkih i dinamičkih koeficijenata trenja i glatkom kretanju pri klizanju . Kada se smjer klizanja promijeni, prisutnost usmjerenog površinskog filma uzrokuje privremeno povećanje koeficijenta trenja, čija se vrijednost ponovno smanjuje kako se površinski sloj preusmjerava. Ovakvo ponašanje PTFE-a pri trenju dovelo je do njegove široke upotrebe u industriji, gdje se PTFE bez punila uglavnom koristi za proizvodnju ležajeva. U mnogim slučajevima, nepodmazani ležajevi moraju raditi s većim trenjem. U isto vrijeme, neispunjeni PTFE karakteriziraju visoke vrijednosti koeficijenta trenja i stope trošenja. Kompozitni materijali, najčešće na bazi PTFE-a, našli su široku primjenu kao materijali za nepodmazane ležajeve koji rade u takvim uvjetima.

Najjednostavniji način smanjenja relativno visoke stope trošenja PTFE-a tijekom suhog trenja je uvođenje praškastih punila. Istodobno se povećava otpornost na puzanje tijekom kompresije i uočava se značajan porast otpornosti na trošenje tijekom suhog trenja. Uvođenje optimalne količine punila omogućuje povećanje otpornosti na habanje do 10 4 puta.

Polimeri i kompozitni materijali koji se temelje na njima imaju jedinstven skup fizikalnih i mehaničkih svojstava, zahvaljujući kojima se uspješno natječu s tradicionalnim konstrukcijskim čelicima i legurama, au nekim slučajevima bez uporabe polimernih materijala nemoguće je osigurati tražene funkcionalne karakteristike i performanse specijalnih proizvoda i strojeva. Visoka obradivost i niska energetska intenzivnost tehnologija za preradu plastike u proizvode, u kombinaciji s gore navedenim prednostima PCM-a, čine ih vrlo obećavajućim materijalima za dijelove strojeva za različite namjene.

Punilo u obliku praha unosi se u matricu kompozitnog materijala kako bi se inherentna svojstva tvari punila implementirala u funkcionalna svojstva kompozita. U praškastim kompozitima matrica je uglavnom metala i polimera. Praškasti kompoziti s polimernom matricom imaju naziv "plastike".

Metalno matrični kompoziti

Kompoziti s metalnom matricom. Praškasti kompoziti s metalnom matricom proizvode se hladnim ili vrućim prešanjem mješavine praha matrice i punila, nakon čega slijedi sinteriranje dobivenog poluproizvoda u inertnoj ili redukcijskoj sredini na temperaturama od oko 0,75 T mn matrični metal. Ponekad se kombiniraju procesi prešanja i sinteriranja. Tehnologija proizvodnje praškastih kompozita naziva se "metalurgija praha". Metode metalurgije praha koriste se za proizvodnju kermeta i legura s posebnim svojstvima.

Kermetovi su kompozitni materijali s metalnom matricom, čije su punilo dispergirane čestice keramike, npr. karbidi, oksidi, boridi, silicidi, nitridi i dr. Kao matrica uglavnom se koriste kobalt, nikal i krom. Kermeti kombiniraju tvrdoću, otpornost na toplinu i otpornost na toplinu keramike s visokom žilavošću i toplinskom vodljivošću metala. Stoga su kermeti, za razliku od keramike, manje krhki i mogu podnijeti velike promjene temperature bez uništenja.

Kermeti se najviše koriste u proizvodnji alata za obradu metala. Tvrde legure u prahu nazvani kermetima za instrumentalne svrhe.

Praškasto punilo tvrdih legura su karbidi ili karbonitridi u količini od 80% ili više. Ovisno o vrsti punila i metala koji služi kao matrica kompozita, praškaste tvrde legure dijele se u četiri skupine:

• 1) WC-Co - jednokarbidni tip B K;
• 2) WC-TiC-Co - dvokarbidni tip TK,
• 3) WC-TiC-TaC-Co - trokarbidni tip TTK;
• 4) TiC i TiCN-(Ni + Mo) - legure na bazi titan karbida i karbonitrida - bez volframa tipa TN i KNT.

VK legure. Legure se označavaju slovima VK i brojem koji označava sadržaj kobalta. Na primjer, sastav legure VK6 je: 94% WC i 6% Co. Otpornost VK legura na toplinu je oko 900°C. Legure ove skupine imaju najveću čvrstoću u odnosu na ostale tvrde legure.

TK legure. Legure se označavaju kombinacijom slova i brojeva. Broj iza T označava sadržaj titanijevog karbida u leguri, a iza K - kobalta. Na primjer, sastav legure T15K6: TiC - 15%, Co - 6%, ostatak, 79%, je WC. Tvrdoća legura TK, zbog uvođenja tvrđeg titan karbida u sastav punila, veća je od tvrdoće legura VK. Također imaju prednost u postojanosti na toplinu - 1000 °C, ali njihova čvrstoća uz isti sadržaj kobalta je veća. niži.

TTK legure (TT7K12, TT8K, TT20K9). Oznaka TTK legura je slična TK. Broj iza drugog slova T označava ukupni sadržaj TiC i TaC karbida.

Uz jednaku toplinsku otpornost (1000°C), TTK legure su superiornije od TK legura s istim sadržajem kobalta u tvrdoći i čvrstoći. Najveći učinak legiranja tantal karbidom očituje se pri cikličkim opterećenjima - vijek trajanja od udarnog zamora povećava se do 25 puta. Stoga se legure koje sadrže tantal koriste uglavnom za teške uvjete rezanja s velikim opterećenjima snage i temperature.

Legure TN, KNT. To su tvrde legure bez volframa (TBHS) temeljene na titanijevom karbidu i karbonitridu s nikl-molibden vezivom umjesto kobaltnim vezivom.

Što se tiče otpornosti na toplinu, BVTS su inferiorni od legura koje sadrže volfram; otpornost na toplinu BVTS ne prelazi 800 ° C. Njihova čvrstoća i modul elastičnosti također su manji. Toplinski kapacitet i toplinska vodljivost BHTS niži su od tradicionalnih legura.

Unatoč relativno niskoj cijeni, široka uporaba BVTS-a za proizvodnju alata za rezanje je problematična. Preporučljivo je koristiti legure bez volframa za izradu mjernih (mjernih blokova, mjerača) i alata za crtanje.

Metalna matrica se također koristi za vezivanje praškastog punila od dijamanta i kubičnog bor nitrida, koji se zajednički nazivaju “supertvrdi materijali” (SHM). Kao alati za obradu koriste se kompozitni materijali punjeni STM-om.

Izbor matrice za punilo dijamantnog praha ograničen je niskom otpornošću dijamanta na toplinu. Matrica mora osigurati termokemijski režim za pouzdano vezanje zrna dijamantnog punila, isključujući izgaranje ili grafitizaciju dijamanta. Kositrene bronce najčešće se koriste za vezivanje dijamantnog punila. Veća otpornost na toplinu i kemijska inertnost borovog nitrida omogućuju upotrebu veziva na bazi željeza, kobalta i tvrdih legura.

Alati sa STM izrađuju se uglavnom u obliku krugova, čija se obrada provodi brušenjem površine materijala koji se obrađuje rotirajućim krugom. Brusni kotači na bazi dijamanta i bor nitrida naširoko se koriste za oštrenje i završnu obradu alata za rezanje.

Kada se uspoređuju abrazivni alati na bazi dijamanta i bor nitrida, treba napomenuti da ove dvije skupine ne konkuriraju jedna drugoj, već imaju svoja područja racionalne primjene. To je određeno razlikama u njihovim fizičkim, mehaničkim i kemijskim svojstvima.

Prednosti dijamanta kao alatnog materijala u odnosu na bor nitrid uključuju činjenicu da je njegova toplinska vodljivost veća i koeficijent toplinske ekspanzije manji. Međutim, odlučujući čimbenici su visoka difuzijska sposobnost dijamanta u odnosu na legure na bazi željeza - čelike i lijevano željezo i, naprotiv, inertnost borovog nitrida na te materijale.

Pri visokim temperaturama uočava se aktivna difuzijska interakcija između dijamanta i legura na bazi željeza. Na temperaturama ispod

Primjenjivost dijamanta u zraku ima temperaturna ograničenja. Dijamant počinje oksidirati primjetnom brzinom na temperaturi od 400°C. Na višim temperaturama gori, oslobađajući ugljični dioksid. Ovo također ograničava mogućnosti izvedbe dijamantnih alata u usporedbi s alatima od kubičnog bor nitrida. Primjetna oksidacija borovog nitrida na zraku uočena je tek nakon sat vremena izlaganja na temperaturi od 1200°C.

Temperaturna granica djelovanja dijamanta u inertnom okruženju ograničena je njegovom transformacijom u termodinamički stabilan oblik ugljika – grafit, koji počinje zagrijavanjem na 1000°C.

Drugo široko područje primjene kermeta je njihova uporaba kao visokotemperaturnog strukturnog materijala za objekte nove tehnologije.

Radna svojstva praškastih kompozita s metalnom matricom određena su uglavnom svojstvima punila. Stoga je za praškaste kompozitne materijale s posebnim svojstvima najčešća klasifikacija prema području primjene.

Ova vrsta kompozitnih materijala uključuje materijale kao što je SAP (sinterirani aluminijski prah), koji su aluminij ojačan raspršenim česticama aluminijevog oksida. Aluminijski prah se dobiva raspršivanjem rastaljenog metala, nakon čega slijedi mljevenje u kuglastim mlinovima na veličinu od oko 1 mikrona u prisutnosti kisika. S povećanjem vremena mljevenja prah postaje finiji i povećava se njegov sadržaj aluminijevog oksida. Daljnja tehnologija proizvodnje proizvoda i poluproizvoda iz SAP-a uključuje hladno prešanje, predsinteriranje, toplo prešanje, valjanje ili ekstruziju sinterirane aluminijske gredice u obliku gotovih proizvoda koji se mogu podvrgnuti dodatnoj toplinskoj obradi.

Legure tipa SAP koriste se u zrakoplovnoj tehnici za izradu dijelova visoke specifične čvrstoće i otpornosti na koroziju, koji rade na temperaturama do 300–500 °C. Koriste se za izradu klipnjača, lopatica kompresora, ljuski gorivih elemenata i cijevi izmjenjivača topline.

Ojačanje aluminija i njegovih legura čeličnom žicom povećava njihovu čvrstoću, povećava modul elastičnosti, otpornost na zamor i proširuje temperaturni raspon vijeka trajanja materijala.

Ojačanje kratkim vlaknima provodi se metodama metalurgije praha, koje se sastoje od prešanja nakon čega slijedi hidroekstruzija ili valjanje praznina. Kod armiranja sastava tipa sendvič koji se sastoje od izmjeničnih slojeva aluminijske folije i vlakana s kontinuiranim vlaknima, koriste se valjanje, vruće prešanje, zavarivanje eksplozijom i zavarivanje difuzijom.

Vrlo obećavajući materijal je sastav "aluminij - berilijeva žica", koji ostvaruje visoka fizikalna i mehanička svojstva berilijeve armature, a prije svega, njegovu nisku gustoću i visoku specifičnu krutost. Kompozicije s berilijevom žicom dobivaju se difuzijskim zavarivanjem paketa izmjeničnih slojeva berilijeve žice i listova matrice. Za izradu dijelova tijela rakete i spremnika za gorivo koriste se legure aluminija ojačane čeličnom i berilijskom žicama.

U sastavu aluminij-ugljičnih vlakana, kombinacija armature niske gustoće i matrice omogućuje stvaranje kompozitnih materijala visoke specifične čvrstoće i krutosti. Nedostatak karbonskih vlakana je njihova krhkost i velika reaktivnost. Sastav aluminij-ugljik dobiva se impregniranjem karbonskih vlakana metodama tekućeg metala ili metalurgije praha. Tehnološki, najlakši način za to je provlačenje snopova karbonskih vlakana kroz rastaljeni aluminij.

Kompozit aluminij-ugljik koristi se u izradi spremnika goriva modernih borbenih zrakoplova. Zbog visoke specifične čvrstoće i krutosti materijala, težina spremnika goriva smanjena je za
trideset posto. Ovaj se materijal također koristi za izradu turbinskih lopatica za zrakoplovne plinskoturbinske motore.