CC BY
19
УДК 669.018.95
112 2 2 В.М. Cepnoea , А.А. Шавнев , Ю.О. Соляев , М.В. Прокофьев , Л.Н. Рабинский
ИССЛЕДОВАНИЕ ГРАНИЦ РАЗДЕЛА В МЕТАЛЛИЧЕСКОМ КОМПОЗИЦИОННОМ МАТЕРИАЛЕ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА, АРМИРОВАННОГО ВОЛОКНАМИ ОКСИДА АЛЮМИНИЯ
DOI: 10.18577/2307-6046-2016-0-8-5-5
В работе отражены результаты исследования границ раздела в металлическом композиционном материале (МКМ) на основе алюминиевого сплава, армированном волокнами оксида алюминия. В качестве исходных компонентов были использованы непрерывные волокна оксида алюминия и сплав системы Al-Mg-Cu. Методами рентгенографического и рентгеновского флюоресцентного химического анализов исследован состав и структура материалов, выполнена оценка объемного содержания межфазных зон в МКМ.
Работа выполнена в рамках реализации комплексного научного направления 12.1. «Металлические композиционные материалы (МКМ), армированные частицами и волокнами тугоплавких соединений» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [1].
Ключевые слова: металлический композиционный материал, непрерывные волокна оксида алюминия, граница раздела, межфазные слои, шпинель.
The paper presents results of investigation of interfaces in composite metal material (MMC) based on aluminum alloy reinforced by alumina fiber. The continuous fibers of alumina and Al-Mg-Cu alloy are used as precursor components. The chemical composition and structure of the investigated materials, estimation of the volume fraction of interfacial zones in microns is performed by methods of x-ray and x-ray fluorescence analysis.
The work is executed within implementation of the complex scientific direction 12.1. «Metal composite materials (MCM) reinforced by particles and fibers of refractory compounds» («The strategic directions of development of materials and technologies of their processing for the period till 2030») [1].
Keywords: metal matrix composite material, continuous alumina fiber, interface, interfacial layers (spinel).
Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» Государственный научный центр Российской Федерации [Federal state unitary enterprise «All-Russian scientific research institute of aviation materials» State research center of the Russian Federation]; e-mail: admin@viam.ru
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)» [Moscow Aviation Institute (National Research University)] E-mail: mai@mai.ru
Введение
Возможность реализации проектов для создания новых перспективных образцов аэрокосмической техники, определяющих уровень научно-технического прогресса общества, в значительной мере обусловлена наличием материалов, отвечающих условиям их работы в конструкциях. Несмотря на успехи теоретического и практического материаловедения за последние годы, проблема новых авиационных материалов стоит сейчас не менее остро чем 50 лет назад [1-4].
Одним из эффективных путей решения этой задачи является разработка композиционных материалов (КМ) на металлической матрице с армирующей фазой и технологий их изготовления - в частности металлического композиционного материала
(МКМ) на основе алюминиевой матрицы, упрочненной непрерывными волокнами Al2O3. С помощью композиционных материалов возможно совершенствовать уже освоенные промышленностью изделия путем замены традиционных материалов и осваивать производство новых изделий, которые в принципе могут быть созданы только при использовании таких материалов. Причем наибольший эффект от применения КМ достигается в высоконагруженных конструкциях, к которым предъявляются жесткие требования по снижению их массы - например, в аэрокосмической промышленности [5-8].
Основным способом получения МКМ системы Al-Al2O3 является вакуумно-компрессионная пропитка волокнистой заготовки расплавом. Однако применение этого метода связанно с рядом проблем, обусловленных обеспечением связи на границе раздела «волокно-матрица» [8-11].
Свойства границы раздела - в первую очередь, адгезионное взаимодействие волокна и матрицы - определяют уровень свойств КМ и их сохранение при эксплуатации. Локальные напряжения в КМ достигают максимальных значений как раз вблизи или непосредственно на границе раздела, где обычно и начинается разрушение материала. Поэтому для достижения высоких механических характеристик, в композиционном материале необходимо реализовать эффективную передачу нагрузки от матрицы к армирующему наполнителю. Адгезионная связь по границе раздела не должна разрушаться под действием внешней нагрузки и при возникновении термических и усадочных напряжений, возникающих вследствие различия значений температурных коэффициентах линейного расширения (ТКЛР) матрицы и волокна. Высокая прочность КМ реализуется при хорошей смачиваемости матричным сплавом армирующего компонента. Однако, как правило, межфазное взаимодействие приводит к образованию хрупких соединений, которые являются причиной хрупкого разрушения МКМ [11-13].
При изготовлении МКМ системы Al-Al2O3 вокруг волокон в матрице могут образовываться межфазные слои, состоящие из шпинелей MgAl2O4 и/или СиА1204, в зависимости от состава матрицы. Существует предположение, что при добавлении магния в алюминиевый сплав происходит сегрегация его на межфазной границе и таким образом улучшается смачивание и адгезия в МКМ системы А1-А1203 [14-16].
Шпинель состава МрА1204 может образовываться по двум идентичным реакциям - при взаимодействии магния с алюминием и магния с волокнами а-А1203, согласно термодинамическим расчетам [10, 17]:
М§+2А1+202^МрАЬ04;
3М§+4А1203^3МрА1204+2А1.
Целью данной работы является исследование границ раздела МКМ на основе алюминиевого сплава, армированного непрерывными волокнами А1203, на возможность образования межфазных слоев (шпинелей).
Материалы и методы
По жидкофазной технологии были изготовлены экспериментальные образцы МКМ, армированного непрерывными волокнами А1203. В качестве матрицы использовали алюминиевый сплав системы А1-М§-Си (с содержанием Мр: 1,2-1,8, Си: 3,8-4,9). Содержание волокон в МКМ составляет 55% (объемн.).
Технологическими операциями получения образцов МКМ являлись: формирование методом намотки волокнистой заготовки из непрерывного волокна А1203, ваку-умно-компрессионная пропитка волокнистой заготовки расплавом матричного сплава, механическая обработка.
Рентгенографический анализ (РФА) проводили на аппарате АЬЯ Х'ТЯА (ТегшоЕ18Ьег) в Си Ка-излучении методом сканирования с использованием базы данных
PDF-2 и программного комплекса Crystallographica Search-Match Version 3.1.0.0 на образцах с продольным и поперечным расположением волокон.
Химический рентгенофлюоресцентный анализ проводили на установке ARL-Optim-X (TermoFisher) с использованием программы UQuant.
Результаты Рентгенографический анализ
Анализ проводили на образцах с продольным и поперечным расположением волокон относительно источника излучения. Для продольного и поперечного расположения волокон получены рентгенограммы, представленные на рис. 1, а и б соответственно. Количественный рентгенофазовый анализ выполнен с использованием программы Siroquant v.3. Отдельно исследованы волокна оксида алюминия, закрепленные на подложке из картона. Этот эксперимент проводили для оценки чувствительности и точности проводимого рентгенофазового анализа КМ. Сопоставление рентгенограммы волокон с эталоном (Star) базы данных приведено на рис. 2.
4
6)
Рис. 1. Рентгенограммы композиционного материала при продольном (а) и поперечном (б) расположении волокон
Рис. 2. Рентгенограмма исходных волокон оксида алюминия
В результате анализа рентгенограммы для образца КМ с продольным расположением волокон получены результаты, представленные в табл.1.
Результаты анализа образца с продольным расположением волокон
Таблица 1
Характеристика
Оксид алюминия
Алюминий
Формула РББ пошЬег
Концентрация, % (по массе) Всего пиков
а-А1203 010-71-1241 58 25
А1
010-71-4625 42 5
В результате анализа рентгенограммы для образца КМ с поперечным расположением волокон получены результаты, представленные в табл. 2.
Таблица 2
Результаты анализа образца с поперечным расположением волокон
Характеристика
Оксид алюминия
Алюминий
Формула РББ пошЬег
Концентрация, % (по массе) Всего пиков
а-А1203 010-82-1468 59 25
А1
010-71-4624 41 5
В результате рентгенофазового анализа установлено, что образец преимущественно двухфазный, состоит из а-А1203 и твердого раствора меди в А1. Результаты измерений интенсивности для двух образцов (с продольным и поперечным направлением волокон) незначительно отличаются, что свидетельствует об отсутствии анизотропии в указанных направлениях.
Флюоресцентный химический анализ
При проведении флюоресцентного химического анализа вещества с содержанием <0,2% не учитывались. Анализ проводили с поправкой на обратное рассеяние. Используемое оборудование не позволяет выявить объемное содержание «легких» элементов, входящих в состав материала, - от водорода до фтора. В данном случае в явном виде не учитывается объемное содержание кислорода. Анализирующая программа позволяет только оценить объемное содержание элементов или их оксидов. Полученные результаты представлены в табл. 3 и 4.
Таблица 3
Массовое содержание в пересчете на оксиды
Вещество Содержание, % (по массе)
АЬ0з 96,3
Си0 1,01
Мв0 0,941
8x02 0,752
Бе20з 0,395
Массовое содержание в пересчете на металлическую фазу
Таблица 4
Вещество
Содержание, % (по массе)
А1 Си
Мв Бе
94,14 2,03 1,15 0,908 0,667
На основе полученных данных о составе (количественный РФА и химический состав) материала проведем оценку максимального возможного объемного содержания межфазных зон в КМ. Предположим, что весь выявленный в результате химического анализа объем оксидов магния и меди присутствует в материале только в составе шпинели, т. е. в виде соединения с оксидом алюминия. Проведены расчеты массовой доли оксидов СиО и М§0 в соединениях СиА1204 и М§А1204 соответственно, тогда:
тсио Щси +то
®СиО =
тСиА1204
т,
®МвО =
Мв0
2тА1 +4то
т^ +то
т
М^А^
2тА1 + 4т0 +т]
-=0,44;
=0,28,
Мв
где т - относительная масса соответствующего элемента или соединения; юСи0, юМё0 - массовые доли оксидов Си0 и Мв0 в соединениях в виде шпинели.
Далее определено возможное массовое содержание шпинелей ГСиА1г04 и ^^^ в композиционном материале:
^СиА1204 = ^Си0/юСи0; ^МвА1204 = /®Мв0 ,
где 1Си0 и 1МЁ0 - массовое содержание оксидов меди и магния в композиционном материале.
Определено объемное содержание шпинелей фСиА1г0 и фМёАЬ0 . Выразим массовое содержание оксидов через их объемные содержания:
ф _ f р _ fCuO р _ф CuO р CuO р _ф CuO р CuO
ф CuAl2O4 _ fCuAl2O
РCuAl2O4 ®CuO рCuAl2O4 ®CuO р рCuAl2O4 ®CuO рCuAl2O4 Р _ fMgO Р _фMgO р MgO Р _ф MgO р MgO
фMgAl2O4 _ fMgAl2O4
рМаА12о4 ®Мао рМаА12о4 ®Мао р рМаА12о4 ®Мао рМаА12о4
где р =3,4 г/см3 - усредненная плотность композиционного материала; рСиА1 о , р-плотности шпинелей, равные ~3,6 г/см3; рСио = 6,3 г/см3, рМёо = 3,6 г/см3 - плотности оксидов; фСио, фМёо - объемные содержание оксидов, найденные в экспериментах (см. табл. 3).
В результате проведения расчетов получена оценка объемного содержания шпинелей в КМ:
ф СиА12о4 = 3,75; ф МаА12о4 =3,2.
Таким образом, в качестве оценки для объемного содержания слоев шпинелей, расположенных в КМ вокруг волокон, получено значение 7%. В этом случае средняя толщина слоев шпинели на волокнах ёшп находится из следующего выражения, определяющего объемное содержание шпинели:
(Кв +d шп)2 -Кв2
фCuAl2O4 + фMgAl2O4 шп _О,74
мкм,
Кв2/ фв
где Ив=12 мкм - радиус волокон оксида алюминия; фв=55% - объемное содержание волокон.
мкм 2мкм
Рис. 3. Микроснимок шлифа структуры композита Al-Al2O3, полученный на электронном микроскопе EVO 50 (а) с указанием возможного расположения межфазных зон рассчитанной толщины (б)
На рис. 3 представлена приблизительная оценка вероятного расположения межфазных шпинельных зон, нанесенная на микроснимок шлифа исследуемого композиционного материала. Снимок получен на электронном микроскопе EVO 50, и межфазные зоны на нем визуально установить не удалось.
Обсуждение и заключения
По данным рентгенофазового анализа в образцах МКМ обнаружены только фазы Al и Al2O3, фазы шпинелей MgAl2O4 и CuAl2O4 не были обнаружены, что может быть связано с погрешностью метода, которая равна 5% (по массе). На основе полученных результатов анализа химического состава образца проведена оценка возможного максимального объемного содержания межфазных зон в МКМ, которая показала, что фаза шпинели может составлять: 3,75% - CuAl2O4, 3,2% - MgAl2O4, что соответствует
толщине межфазного слоя на волокнах, равной 740 нм. Визуально наличие этих зон на микроснимках шлифов КМ также не установлено. Таким образом, показано, что с помощью имеющихся стандартных методов исследования структуры и состава материалов не удается обнаружить наличие слоев шпинелей в межфазной зоне КМ. Однако с высокой вероятностью эти межфазные зоны малой толщины (<1 мкм) могут присутствовать в КМ. В дальнейшем в процессе выполнения работы планируется исследовать локальное изменение химического состава матричного материала вблизи волокон, а также провести расчет необходимой минимальной толщины межфазной зоны для эффективной передачи нагрузки при действии внешних механических или температурных напряжений.
ЛИТЕРАТУРА
1. Каблов E.H. Инновационные разработки ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ по реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» //Авиационные материалы и технологии. 2015. №1 (34). С. 3-33.
2. Алюминиевые сплавы // История авиационного материаловедения. ВИАМ - 80 лет: годы и люди / под общ. ред. E.H. Каблова. М.: ВИАМ, 2012. С. 143-15б.
3. Каблов E.H. Материалы и химические технологии для авиационной техники // Вестник Российской академии наук. 2012. Т. 86. №6. С. 520-530.
4. Каблов E.H. Современные материалы - основа инновационной модернизации России // Металлы Евразии. 2012. №3. С. 10-15.
5. Каблов E.H., Щетанов Б.В., Ивахненко Ю.А., Балинова Ю.А. Перспективные армирующие высокотемпературные волокна для металлических и керамических композиционных материалов // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. 2013. №2. Ст. 05. URL: http:IIwww.vlam-works.ru (дата обращения: 10.06.2015).
6. Каблов E.H., Герасимов В.В., Висик Е.М., Демонис ИМ. Роль направленной кристаллизации в ресурсосберегающей технологии производства деталей ГТД // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. 2013. №3. Ст. 01. URL: http:IIwww.vlam-works.ru (дата обращения: 10.0б.2015).
7. Щетанов Б.В., Купцов P.C., Свистунов В.М. Методы получения монокристаллических волокон оксида алюминия для создания композиционных материалов и высокотемпературной волоконной оптики // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. 2013. №4. Ст. 01. URL: http:IIwww.vlam-works.ru (дата обращения: 10.06.2015).
8. Гришина О.И., Кочетов В.Н., Шавнев A.A., Серпова В.М. Аспекты применения высокопрочный и высокомодульных волокнистых металлических композиционных материалов авиационного назначения (обзор) // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. 2014. №10. Ст. 05. URL: http:IIwww.vlam-works.ru (дата обращения: 10.06.2015). DOI: 10.18577I2307-6046-2014-0-10-5-5.
9. Композиционные материалы: справочник / под ред. Д.М. Карпиноса. Киев: Наукова думка, 1985. C. 110-124.
10. Итоги науки и техники. Композиционные материалы / под. ред. Л.П. Кобец. М.: ВИНИТИ, 1988. Т. 3. С. б5-75.
11. Chawla N., Chawla K.K. Metal Matrix Composltes. Sprlnger Slence+Buslness Medla Inc., 200б. 401 p.
12. Шолошов M.X., Колпашников А.И., Костиков В.И. и др. Волокнистые композиционные материалы с металлической матрицей. М.: Машиностроение, 1981. C. 12-45.
13. Вашуков Ю.А. Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композитных материалов: мультимед. образоват. модуль. Самара: Изд-во СГАУ. 2012. (CD-R-диск).
14. Plng Shen, Hldetoshl Fujll, Talhel Matsumoto, Klyoshl Nog. Critical Factors Affectlng the Wetta-blllty of a-alumlna by Molten Aluminum // J. Am. Ceram. Soc. 2004. V. 87. №11. P. 2151-2159.
15. Jonas T.R., Cornle J.A., Russell K.C. Interfaces and Wetting of Alumlna Particulates Preforms by Alumlnum and Alumlnum-Magneslum Alloys II Metall. Trans. A. 1995. V. 26a. P. 1491-1497.
16. Hallstedt B., Llu Z.K., Agren J. Reactlons ln Al203-Mg Metal-Matrix Composltes During Prolonged Heat-Treatment At 400°C, 550°C and 600°C // Mater. Sci. Eng. A. 1993. V. 169. P. 149-157.
17. Levl C.G., Abbaschlan G.L., Mehrablan R. Interface Interactlons Durlng Fabrication of Alumlnum Alloy - Alumlna Flber Composltes II Metall. Trans. 1978. V. 9A. P. 697-710.
