автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Совершенствование технологического процесса изготовления композиционного материала типа "алюминий-сталь"

Введение

1. ТЕХНОЛОГИЯ РАЗРАБОТКИ КМ С АЛЮМИНИЕВОЙ 5 МАТРИЦЕЙ

1.1. Принципы конструирования КМ

1.2. КМ системы А1 - борное волокно

1.3. КМ с алюминиевой матрицей, армированной углеродными волокнами

1.4. КМ системы "алюминиевый сплав - стальное волокно"

1.5. Технические процессы получения КМ

2. МЕХАНИЗМ УПРОЧНЕНИЯ ПРОВОЛОКИ ВНС

2.1. Состав, технология изготовления проволоки ВНС

2.2. Методы упрочнения металлических волокон

2.3. Исследование механизма упрочнения волокон ВНС

3. ТЕХНОЛОГИЯ СОЗДАНИЯ ПОЛУФАБРИК ATA КМ 63 ГАЗОТЕРМИЧЕСКИМИ СПОСОБАМИ

3.1. Факторы, влияющие на прочность связи компонентов КМ

3.2. Подготовка поверхностей волокна и матрицы к контакту

3.3. Совершенствование технологии изготовления 84 полуфабрикатов КМ

3.3.1. Пути совершенствования технологии изготовления ПФ

3.3.2. Технологический процесс изготовления ПФ типа 93 "углерод-алюминий" газотермическими способами

3.3.3. Технологический процесс изготовления ПФ алюминий- 96 сталь

3.3.4. Достоинства и недостатки некоторых газотермических 101 способов напыления

4. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ

4.1. Методы иготовления КМ

4.2. Технологический процесс изготовления КМ 110 "алюминий-сталь"

4.3. Методы определения характеристик КМ

В настоящее время алюминиевые сплавы широко применяют в авиастроении, судостроении, автомобильной и электротехнической промышленности и т. п. Это обусловлено хорошими физико-химическими свойствами сплавов, технологичностью и экономичностью.

Возрастающая потребность в материалах, обладающих высокими прочностными характеристиками стимулирует работы по созданию композиционных материалов (КМ), например, КМ с алюминиевой матрицей, армированные борными, углеродными или стальными волокнами. Такие КМ, наряду с хорошими показателями удельных характеристик прочности и жесткости обладают и недостатками. Они имеют одноосное армирование и низкие характеристики в поперечном направлении. При перекрестном армировании наблюдаются многочисленные разрушения волокон, приводящие к разупрочнению КМ.

Хрупкость и высокая реакционная способность углеродных волокон не позволяют использовать диффузионную сварку и горячее прессование при производстве КМ. Углеродный жгут состоит из большого числа элементарных тонких (-0,5 мкм) волокон (филаментов), наличие которых затрудняет проникновение жидкого металла матрицы внутрь жгута или ленты, из-за плохой смачиваемости алюминиевыми сплавами углеродных волокон. Нарушения монолитности не только снижают прочностные характеристики КМ «алюминий-углерод», но являются одной из причин низкой коррозионной стойкости из-за многочисленных капилляров, облегчающих проникновение влаги на границу раздела «алюминий-углерод».

Существует КМ типа КАС - алюминиевый сплав, армированный в одном направлении стальными волокнами - проволоками.

Такие КМ имеют следующие преимущества: высокая технологичность при производстве КМ;

Выводы: Выявлены условия и технологические факторы твердофазного процесса соединения, влияющие на качество КМ, основными из которых являются давление и температура в зоне контакта и время выдержки.

Использование ПФ с повышенными физико-механическими характеристиками, полученных методами газотермического напыления и применение динамических методов компактирования позволили получить КМ "алюминий-сталь" с улучшенными характеристиками: пределом прочности при продольном армировании тв = 2100 ± 120 МПа, удельной прочностью 44,3 10 4 м/с 2.

Разработан директивный технологический процесс изготовления КМ "алюминий-сталь" позволяющий улучшить характеристики КМ по сравнению с КА1-1А на 60 %.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенная работа и полученные результаты позволяют сделать следующие выводы:

1. Установлен механизм упрочнения ВНС-9. Определенны зависимости изменения физико-механических свойств ВНС-9 от степени деформации.

2. Разработан технологический процесс и оборудование для повышения удельных прочностных характеристик армирующих волокон ВНС-9 в 1,8 раза.

3. Определены основные технологические параметры газотермических способов получения полуфабриката КМ

4. Установлена эмпирическая зависимость скорости газового потока от давления в газотермическом аппарате и рабочего расстояния.

5. Разработаны новые технологические способы и устройства, позволяющие: повысить прочность сцепления матрицы с армирующим волокном на 40 %; повысить коэффициент использования материала до 65 %; использовать матричный материал в виде мелкодисперсных частиц размером менее 10 мкм.

6. Усовершенствован технологический процесс изготовления КМ типа "алюминий-сталь", обладающих повышенными механическими характеристиками по сравнению с КАС - 1А на 60 %. Уменьшен разброс показателей прочности до 10 %.

7. Разработан технологический процесс получения изотропного КМ с перекрестным армированием волокон с пределом прочности до1500МПа.

8. Представлена методология построения директивных технологических процессов изготовления КМ типа "алюминий-сталь".

9. Разработан технологический процесс изготовления деталей типа лист, труба, кронштейн из КМ "алюминий-сталь ".

1. Композиционные материалы: в 8-ми т. Пер. с англ./Под ред. Л. Браут-мана и Р. Кока. М.: Машиностроение, 1978.

2. Горбунов Ю. А., Русев И. Г. и .др. Разработка быстрозакристаллизо-ванного сплава повышенной прочности 014294 и технологических параметров производства из него деформированных полуфабрикатов. Технология легких сплавов, 1991. № 6 с. 52-57.

3. Композиционные материалы с металлической матрицей./Под ред. К. Крейцера, 1978. М.: Мир, 1978. 503 с.

4. Алюминиевые и магниевые сплавы, армированные волокнами. /Под ред. В. С. Ивановой / М.: Наука, 1974. 202 с.

5. Волокнистые компазиционные материалы с металлической матрицей / М. X. Шоршоров, А. И. Колпашников и др. М.: Машиностроение, 1981. 272 с.

6. Портной К. М. Салибеков С. Е., Светлов И. Л. Чубаров В. М. Структура и свойства композиционных материалов . М.: Машиностроение, 1979. 255 с.

7. Alexander J. A. "Engineering uses of filament reinforced metal-matric composites". Memals Eng. Quant, 1970. 10. № 2 p 22-40.

8. Колпашников А. И., Арефьев Б. А., Мануйлов В. Ф. Деформирование композиционных материалов М.: Металлургия, 1982. 248 с.

9. Стацура В. В., Замбржицкий А. П. и др. Разработка и исследование технологического процесса изготовления плазменнонапыленного полуфабриката. Научно-техн. отчет. Красноярск гос. per. № 0187.0.026100. 105 с.

10. Композиционный материал ВКА-1 на алюминиевой основе, упрочненный волокнами бора. Туманов А. Т., Портной К. И., Чубаров В. М., Салибеков С. Е. с. 40-51 в сб. Композиционные материалы под ред. К. Г. Крейцера. М.: ОНТИ ВНИИАМ, 1972. 238 с.

11. Достижения в области композиционных материалов. Сб. научн. тр. под ред. Дж. Пиатти. М.: Металлургия, 1982. 304 с.

12. Углеродные волокна: пер. с япон. / Под ред. Симамуры. М.: Мир, 1987. 304 с/

13. Заболоцкий А. А. Композиционные материалы с металлической матрицей. /Итоги науки и техники. Серия: композиционные материалы ВИНИТИ АН СССР. Т. 3. М.: 1988. 105 с.

14. Кендол Е. Г. Композиционные материалы с металлической матрицей, армированной высокопрочными углеродными волокнами, с. 338-418. В кн. Композиционные материалы с металлической матрицей /Под ред. К.Г. Крейде-ра. М.: Машиностроение, 1978.

15. Заболоцкий А. А. Салибеков С. Е. Разработка и исследование угле-алюминиевого композиционного материала. Металловедение и термическая обработка металлов, 1978 № 10 с 49-51.

16. Современные композиционные материалы /Под ред. J1. Браутмана и Р. Крока. М.: Мир, 1970. 672 с.

17. Кайдич Ю. В. Контактные явления в металлических расплавах. Киев. Наукова думка, 1972. 196 с.

18. Френкель Я. И. Кинетическая теория жидкостей JI. 1980.

19. Сумм Б. Д., Горюнов Ю. В. Физико-химические основы смачивания и растекания. М.: Химия, 1976. 232 с.

20. Композиционные материалы. Справочник. /Под ред. Д. И. Карпиноса. Киев. Наукова думка, 1985. 599 с.

21. Watt A. A. ed Commercial Oppontunities for Advanced Composites. ASTN STP. 704 p. 75 1980.

22. H. M. Бескоровайный, Я. Б. Фридман. Труды Московского технического института № 5 1953.

23. Колпашников А. И., Белоусов А. С. Мануйлов В. Ф. Высокопрочная нержаве.щая проволока. М.: Металлургия, 1971. 184 с.

24. Колпашников А. И., Мануйлов В. Ф., Ширяев Е. В. Армирование цветных металлов и сплавов волокнами. М.: Металлургия, 1974. 248 с.

25. Конев И. М. Устинов JI. М. Метод подбора армирующих волокон для получения волокнистых композиционных материалов с заданными прочностными свойствами. Физика и химия обработки материалов, 1972. " 2 с. 97-99.

26. Карпинос Д. М., Тучинский J1. И., Сапожникова А. Б. и др. Композиционные материалы в технике. Киев: Техника, 1985.152 с.

27. Композиционные материалы. /Под ред. А. И. Манохина. М.: Наука, 1981. 305 с.

28. Григорович В. К. Выбор компонентов КМ в аспекте электронного строения и валентных связей в сб. Волокнистые и дисперсноупрочненные композиционные материалы /Под ред. Н.В. Агеева. М.: Наука, 1976. С. 57-60.

29. Келли А. Высокопрочные материалы. Пер. с англ. М.: Мир, 1976. 261 с.

30. Регель В. Р. и др. Кинетическая природа прочности твердых тел. М.: Наука, 1974. 560 с.

31. Стацура В. В., Моисеев В. А. Нанесение покрытий на изделия РЭА. Томск: МГП "РАСКО", 1993. 177 с.

32. ОСТ 92-1755-84. Элементы трубчатые из волокнистого металлического композиционного материала марки АМГ6-БОР. ТУ.

33. Карпинос Д. М., Зильберберг В. Г., Кадыров В. X. и др. Порошковая металлургия, 1974. № 8. с. 21.

34. Кудинов В. В. Плазменные покрытия. М.: Наука, 1977. 184 с.

35. ТУ 14-4-850-77. Проволока коррозионно-стойкая особо прочная.

36. ТУ 14-4-1206-83. Проволока нержавеющая, пружинная из стали 18X15 Н6АМЗШ.

37. Хасис JI. А. Исследование процесса гибки технологических профилей из листовых композиционных материалов. Автореферат диссертации на соискание уч. степени кандидата технических наук. Сам. гос. аэрокосм. ун-т. Самара, 1998.

38. Ивасев С.С. Совершенствование технологии изготовления КМ "алюминий-сталь". сб. научных трудов. Материалы, технологии конструкции, Красноярск.: САА, 1998. Вып. 4. С. 556-557.

39. А.С. № 1593242 СССР С21 Д9/52.02.12.87.

40. Заболоцкий А. А. Композиционные материалы с металлической матрицей. /Итоги науки и техники Серия: композиционные материалы ВИНИТИ АН СССР/ т. 3. М., 1988. 105 с.

41. А.С. №1243379 "Способ получения изделий из металлических волокнистых композиционных материалов" Фридляндер И. Н., Прокофьев С. А. и др. пл. С22С1/09 1983.

42. А.С. 839149 СССР пл. В22Д 11/06 1979.

43. АС № 522000 СССР пл. В22Г 7/06 1976.

44. А. А. Михеев. Диффузионные соединения. Контроль качества, испытания исследования М.: Изд-во стандартов, 1992. 180 с.

45. А. А. Михеев. Композиционные диффузионные соединения. М.: СИП. РИА, 1998 112 с.

46. Казаков Н. Ф. Диффузионная сварка материала. М.: Машиностроение, 1976. 360 с.

47. Туманов А. Г., Портной К. И. и др. Композиционные материалы. М.: ВИАМ. ОНТИ, 1972. С. 40-48.

48. Кан. Р. У. Сплавы, быстрозакаленные из расплава//Физическое металловедение: в 3 т. //Под ред. Р. У. Кана, П. Хаазена. М.: Наука, 1964. 487 с.

49. Новиков И. И. Теория термической обработки металлов. М.: Металлургия, 1986. 480 с.

50. Коваленко В. С. Головко Л.Ф. Черненко B.C. Упрочнение, легирование деталей машин лучом лазера. Киев: Тэхника, 1990. 120 с.

51. Григорович А. Г., Сафонов А. Н. Методика поверхностной лазерной обработки. М.: Высшая школа, 1987. 191 с.

52. Черненко В. С. Электоронно-лучевое и лазерное упрочнение сталей //Вести. Киев, политехнический институт. Машиностроение, 1984. Вып. 21. С. 52-56.

53. Рыкалин Н. И., Углов А. А., Зуев И. В. Колора А. Н. Лазерная и электроннолучевая обработка материалов. Справочник. М.: Машиностроение, 1985. 496 с.

54. Особенности упрочнения поверхностных слоев стали У10 электронным пучком. Радченко М. В., Батырев Н. И, Косоногов Е. Н. В кн. Новые методы повышения конструктивной прочности стали. Отв. ред. Тушинский. Новосибирск, 1985.

55. Филиппов А. С., Фомичев В. Ю., Томащук Ю. Ф. и др. Особенности формирования структуры в углеродистой стали при воздействии электронного потока с энергией 30 МэВ при плотности мощности ~104 Вт/см2.//ФиХОМ, 1990 №4 С. 101-107.

56. Гуляев А. П. Материаловедение. М.: Металлургия, 1977, 648 с.

57. Стацура В. В., Ивасев С. С. Изменение состояния поверхности стали при облучении электронным пучком. В сб. Материалы, технологии, конструкции: Сб. материалов межрегиональной конференции 4.1./Отв. ред. Стацура В. В. Красноярск: САА, 1996.

58. Марков А. Б., Ротштейн В. П. Термический и деформационно-волновой механизмы упрочнения углеродистой стали при воздействии высокоэнергетического сильноточного электронного пучка// ФиХОМ, 1997 № 6 С. 37-41.

59. Шнейдер Ю. Г. Холодная бесштамповая обработка металлов давлением. J1.: Машиностроение, 1967. 352.

60. Сопротивление пластической деформации металлов и сплавов. Справочник. Полухин П. И., Гун Г. Я., Галкин А. М. Металлургия, 1983. 356 с.

61. Унксов Е. П. Джонсон У., Колмогоров В. Я. и др. Теория пластических деформаций металлов. М.: Машиностроение, 1983. 598 с.

62. Шефтель Н. И. Холодная прокатка стали. М.: Металлургиздат. 1953.

63. Лившиц Б. Г., Крапошин В. С., Линецкий Я. Л. Физические свойства металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1980. 320 с.

64. Физическое металловедение. /Под ред. Р. Кана. вып. 3. М.: Мир, 1968.484 с.

65. Биронт B.C. Теория термической обработки металлов, отжиг. Красноярск: КГАЦМиЗ, 1997. 208 с.

66. ГОСТ 10446-80. Проволока. Методы испытания на растяжение.р

67. Кассандрова О. Н., Лебедев В. В. Обработка результатов наблюдений. М.: Наука, 1970. 104 с.

68. Кемниц Ю. В. Математическая обработка зависимых результатов измерений. М.: Недра, 1970. 192 с.

69. Богомолова Н. А. Практическая металлография. М.: Высшая школа, 1978. 272 с.

70. Беккерт М., Клемм X. Способы металлографического травления. Справочник. Пер с нем. М.: Металлургия, 1988.400 с.

71. Максимова О. П. Мартенситное превращение: История и закономерности. Металловедение и термическая обработка металлов. № 8 1999. М.: Машиностроение. С. 4-22.

72. А.С. № 1790239. 1991. Способ изготовления многослойного волокнистого композицонного материала. Стацура В. В., Ивасев С. С., Михеев А. Е. и др.

73. Каракозов Э. С. Соединение металлов в твердой фазе. М.: Металлургия, 1976. 264 с.

74. Никифоров Г. Д. Металлургия сварки плавлением алюминиевых сплавов. М.: Машиностроение, 1972. 264 с.

75. Красулин Ю. Л., Стацура В. В. Пограничный слой вокруг летящей к подложке жидкой частицы. Физика и химия обработки материалов, 1988 № 5. С. 43-46.

76. Абрамович Г. Н. Прикладная газовая динамика. М.: Наука, 1969.624 с.

77. Дейч М. Е. Филиппов А. И. Газодинамика двухфазных сред. М.: Энер-гоиздат, 1982. 472 с.

78. Дубовик А. С. Фотографическая регистрация быстродействующих процессов М.: Наука, 1964. 320 с.

79. А.С. № 1702709, 1991. Способ изготовления полуфабриката для ВКМ на основе алюминиевых сплавов. Стацура В. В., Моисеев В. А., Ивасев С. С., Михеев А. Е. и др.

80. Лента графитированная "Кулон". Технические условия ТУ6-06-31-485-84.

81. А.С. № 320514. 1990. Устройство для получения полуфабриката КМ. Стацура В. В., Моисеев В. А., Ивасев С. С., Михеев А. Е. и др.

82. А.С. № 1738870. 1990. Устройство для газотермического нанесения покрытий. Стацура В. В., Ивасев С. С., Михеев А. Е. и др.

83. А.С. № 1809634. 1990. Способ газотермического нанесения покрытий. Стацура В. В., Ивасев С. С., Никушкин Н. В. и др.

84. Хасуй А. Техника напыления. М.: Машиностроение, 1985. 288 с.

85. Борвинок В. А. Управление напряженным состоянием и свойство плазменных покрытий. М.: Машиностроение, 1990. 382 с.

86. Кузнецов В. В., Бобров Г. В. Нанесение покрытий напылением. Теория, технология и оборудование. Учебник для вузов. М.: Металлургия, 1992. 432 с.

87. Красулин Ю. Л. Взаимодействие металла с полупроводником в твердой фазе. М.: Наука, 1971. 120 с.

88. Г. А. Николаев, Н.А. Ольшанский. Специальные методы сварки. М.: Машиностроение, 1975. 232 с.

89. Окисление металлов. Т.1. Под ред. Ж. Бенара. М.: Металлургия, 1968.499 с.

90. Композиционные материалы: Справочник / В. В. Васильев, В. Д. Протасов, В. В. Болотин и др.; Под общ. ред. В. В. Васильева. М. Ю. Тарнополь-ского. М.: Машиностроение, 1990. 512 с.

91. Яковлев И. В., Сиротенко Л. Д., Ханов А. М. Сварка взрывом армированных композиционных материалов. Новосибирск: Наука, Сиб. от-ние, 1991. 120 с.

92. Семенов А. П. Схватывание металлов. М.: Изд. Машиностр. лит., 1958.280 с.