лов, полученных методами твердофазного компактирования по рошков или препрегов с порошковой или напыленной матрицей, возможна пористость по границе сплавления и примыкающим к ней межфазным границам, ухудшающая не только прочност ные свойства, но и герметичность сварного соединения.
В зоне 4 (сварном шве) можно выделить 3 участка:
— участок 4', примыкающий к оси шва, где из-за сильного перегрева под дугой металлического матричного расплава и наи большей длительности пребывания металла в расплавленном состоянии происходит полное растворение армирующей фазы;
—участок 4", характеризующийся более низкой температу рой нагрева расплава и меньшей длительностью контактирова ния армирующей фазы с расплавом. Здесь эта фаза лишь ча стично растворяется в расплаве (например, уменьшается диа метр волокон, на их поверхности появляются раковины; нарушается однонаправленность армирования);
—участок 4"', где заметного изменения размеров армирую щей фазы не происходит, но развивается интенсивное взаимо действие с расплавом, образуются прослойки или островки хрупких продуктов взаимодействия, снижается прочность арми рующей фазы. В итоге зона 4 становится зоной максимального повреждения композиционного материала при сварке.
III. Из-за различий в тепловом расширении материала мат рицы и армирующей фазы в сварных соединениях композици онных материалов возникают дополнительные термоупругие на пряжения, вызывающие образование различных дефектов: растрескивание, разрушение хрупких армирующих фаз в наи
более нагретой зоне 4 соединения, расслоения по межфазным границам в зоне 3.
Для обеспечения высоких свойств сварных соединений ком позиционных материалов рекомендуется следующее.
Во-первых, из известных методов соединения следует отдать предпочтение методам сварки в твердой фазе, при которых вследствие меньшей подводимой энергии можно достичь мини мальной деградации свойств компонентов в зоне соединения.
Во-вторых, режимы сварки давлением должны быть вы браны так, чтобы исключить смещение или дробление армирую щего компонента.
В-третьих, при сварке плавлением композиционных материа лов следует выбирать способы и режимы, обеспечивающие ми нимальное тепловложение в зону соединения.
В-четвертых, сварку плавлением следует рекомендовать для
соединения композиционных |
материалов с |
термодинамически |
|
совместимыми компонентами, |
такими, |
как |
медь — вольфрам, |
медь — молибден, серебро — вольфрам, |
или армированных |
||
термостойкими наполнителями, например волокнами карбида кремния, или наполнителями с барьерными покрытиями, напри
мер волокнами бора с покрытиями карбида бора или карбида кремния.
В-пятых, электродный или присадочный материал или мате риал промежуточных прокладок для сварки плавлением или пайки должен содержать легирующие добавки, ограничиваю щие растворение армирующего компонента и образование хрупких продуктов межфазного взаимодействия в процессе сварки и при последующей эксплуатации сварных узлов.
38.5.1. Сварка композиционных материалов
Волокнистые и слоистые композиционные материалы чаще всего соединяют внахлестку. Отношение длины перекрытия к толщине материала обычно превышает 20. Такие соединения могут быть дополнительно усилены заклепочными или болто выми соединениями. Наряду с нахлесточными соединениями возможно выполнение стыковых и угловых сварных соединений в направлении армирования и, реже, поперек направления ар мирования. В первом случае при правильном выборе способов и режимов сварки или пайки возможно достижение равнопрочности соединения; во втором случае прочность соединения обычно не превышает прочности матричного материала.
Композиционные материалы, армированные частицами, ко роткими волокнами, нитевидными кристаллами, сваривают с использованием тех же приемов, что и дисперсионно-твердею- щие сплавы или порошковые материалы. Равнопрочность свар
ных соединений основному |
материалу в этом случае может |
быть достигнута при условии, |
если композиционный материал |
изготовлен методами жидкофазной технологии, армирован тер мостойкими наполнителями и при выборе соответствующих ре жимов сварки и сварочных материалов. В ряде случаев элек тродный или присадочный материал может быть аналогичен или близок по композиции основному материалу.
38.5.2. Дуговая сварка в среде защитных газов
Метод используют для сварки плавлением композиционных ма териалов с матрицей из химически активных металлов и спла вов (алюминия, магния, титана, никеля, хрома). Сварку осуще ствляют неплавящимся электродом в атмосфере аргона или смеси с гелием. Для регулирования теплового воздействия сварки на материалы целесообразно применение импульсной дуги, сжатой дуги или трехфазной дуги.
Для повышения прочности соединений рекомендуют выпол нять швы композиционными электродами или присадочными проволоками с объемным содержанием армирующей фазы 15—20 %. В качестве армирующих фаз применяют короткие во локна бора, сапфира, нитрида или карбида кремния.
38.5.3. Электронно-лучевая сварка
Преимущества метода — в отсутствии окисления расплав ленного металла и армирующего наполнителя, вакуумной дега зации металла в зоне сварки, высокой концентрации энергии в пучке, позволяющей получить соединения с минимальной ши риной зоны плавления и околошовной зоны. Последнее преиму щество особенно важно при выполнении соединений волокнис тых композиционных материалов в направлении армирования. При специальной подготовке соединений возможна сварка с ис пользованием присадочных проставок.
38.5.4. Контактная точечная сварка
Наличие армирующей фазы в композиционном материале снижает его тепло- и электропроводность по сравнению с мате риалом матрицы и препятствует формированию литого ядра. Удовлетворительные результаты получены при точечной сварке тонколистовых композиционных материалов с плакирующими слоями. При сварке листов различной толщины или компози ционных листов с однородными металлическими листами для того, чтобы вывести ядро сварной точки в плоскость соприкос новения листов и сбалансировать разницу в электропроводно сти материала, подбирают электроды с разной проводимостыр, с обжатием периферийной зоны, изменяют диаметр и радиус закругления электродов, толщину плакирующего слоя, приме няют дополнительные прокладки [11].
Средняя прочность сварной точки при сварке одноосноармцрованных боралюминиевых пластин толщиной 0,5 мм (с объем ной долей волокон 50%) составляет 90% от прочности боралюминия эквивалентного сечения. Прочность соединения листов боралюминия с перекрестным армированием выше, чем листов с одноосным армированием.
38.5.5. Диффузионная сварка
Процесс проводят при высоком давлении без использования припоя. Так, детали из боралюминия, подлежащие соединению, нагревают в герметичной реторте до температуры 480 °С при давлении до 20 МПа.и выдерживают в этих условиях в течение 30—90 минут. Технологический процесс диффузионной точечной сварки сопротивлением боралюминия с титаном почти не отли чается от точечной сварки плавлением. Разница в том, что ре жим сварки и форма электродов подобраны так, чтобы темпера тура нагрева алюминиевой матрицы была близка к температуре плавления, но ниже ее. В результате в месте контакта образу ется диффузионная зона толщиной от 0,13 до 0,25 мкм.
Образцы, сваренные внахлестку диффузионной точечной свар кой, при испытании на растяжение в интервале температур 20—120 °С разрушаются по основному материалу с вырывом вдоль волокон. При температуре 315 °С образцы разрушаются сдвигом по месту соединения.
38.5.6. Клинопрессовая сварка
Для соединения законцовок из обычных конструкционных
•сплавов с трубами или корпусами из композиционных материа лов разработан способ сварки разнородных металлов, резко различающихся по твердости, который можно назвать микро-
клинопрессовым. Давление впрессовывания получают за счет термических напряжений, возникающих при нагреве оправки и обоймы приспособления для термокомпрессионной сварки, выполненных из материалов с различными коэффициентами термического расширения (КТР). Элементы законцовки, на контактную поверхность которых нанесена клиновая резьба, со бирают с трубой из композиционного материала, а также с оп равкой и обоймой. Собранное приспособление нагревают в за щитной среде до температуры 0,7—0,9 от температуры плавле ния наиболее легкоплавкого металла. Оправка приспособления имеет больший КТР, чем обойма. В процессе нагрева расстоя ние между рабочими поверхностями оправки и обоймы сокра щается, и выступы («клинья») резьбы на законцовке впрессо вываются в плакировочные слои трубы. Прочность твердофаз ного соединения не ниже прочности матричного или плакировочного металла.
38.5.7. Сварка взрывом
Сварку взрывом применяют для соединения листов, профи лей и труб из металлических композиционных материалов, ар мированных металлическими волокнами или слоями, имеющими достаточно высокие пластические свойства, чтобы избежать дробления армирующей фазы, а также для соединения компо зиционных материалов с законцовками из различных металлов и сплавов. Прочность соединений обычно равна или даже выше (за счет деформационного упрочнения) прочности наименее прочного матричного материала, применяемого в соединяемых деталях. Для повышения прочности соединений применяют промежуточные прокладки из других материалов.
В соединениях обычно отсутствуют поры или трещины. Оп лавленные участки в переходной зоне, особенно при сварке взрывом разнородных металлов, представляют собой смеси фаз эвтектического типа.
38.6. Пайка композиционных материалов
Процессы пайки весьма перспективны для соединения компози ционных материалов, поскольку могут осуществляться при тем пературах, не оказывающих влияния на армирующий наполни тель и не вызывающих развития межфазного взаимодействия.
Пайка выполняется обычными техническими приемами, т. е. погружением в припой или в печи. Весьма важен вопрос о ка честве подготовки поверхности под пайку. Соединения, выпол ненные твердыми припоями с применением флюсов, подвер жены коррозии, поэтому флюс должен быть полностью удален из зоны соединения.
Пайка твердыми и мягкими припоями
Разработано несколько вариантов пайки боралюминия. Оп
робованы припои |
для низкотемпературной пайки |
[12]. |
При |
|||
пои состава |
55% |
Cd — 45% |
Ag, |
95% Cd — 5% |
Ag, 82,5 % |
|
Cd— 17,5% |
Zn рекомендуются |
для |
деталей, работающих |
при |
||
температурах не |
выше 90 °С; припой состава 95% Zn — 5% |
|||||
А1— для рабочих температур до 315 °С. Для улучшения смачи вания и растекания припоя на соединяемые поверхности нано сят слой никеля толщиной 50 мкм. Высокотемпературную пайку производят с использованием эвтектических припоев системы алюминий — кремний при температурах порядка 575—615 °С. Время пайки должно быть сведено к минимуму из-за опасно сти деградации прочности борных волокон.
Основные трудности при пайке углеалюминиевых компози ций как между собой, так и с алюминиевыми сплавами связаны с плохой смачиваемостью углеалюминия припоями. Лучшими
припоями являются |
сплав 718 (А1— 12% |
Si) |
или чередую |
|
щиеся слои фольги из сплава 6061. Пайку |
производят в |
печи |
||
в атмосфере аргона |
при температуре 590 °С в |
течение |
5— |
|
10 мин. Для соединения боралюминия и углеалюминия с тита ном могут быть применены припои системы алюминий — крем ний— магний. Для повышения прочности соединения рекомен дуют на поверхность титана наносить слой никеля.
Эвтектическая диффузионная пайка. Метод состоит в нане сении на поверхность свариваемых деталей тонкого слоя вто рого металла, образующего эвтектику с металлом матрицы. Для матриц из сплавов алюминия используют слои из Ag, Си, Mg, Ge, Zn, температура эвтектики которых с алюминием соот ветственно 566, 547, 438, 424 и 382 °С. В результате диффузион ного процесса концентрация второго элемента в зоне контакта постепенно снижается, и температура плавления соединения повышается, приближаясь к температуре плавления матрицы. Таким образом, паяные соединения могут работать при темпе ратурах, превышающих температуру пайки.