КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ, СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗ НЕГО ДЕТАЛЕЙ ТИПА ОБЕЧАЕК И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2001 года по МПК C22C47/20 C22C49/04 C22C101/10 

Изобретение относится к технологии изготовления обечаек из композиционного материала на основе алюминиево-литиевого и магниево-литиевых сплавов, упрочненных углеродным волокном.

Известен способ изготовления полуфабрикатов из композиционных материалов на основе магния, армированного многофиламентным углеродным волокном, включающий операции: очистка контактирующих поверхностей, нанесение смачивающе-защитных покрытий, жидкофазная пропитка каркаса упрочняющих волокон матричным расплавом, горячее прессование и диффузная сварка композиции (см. К.Крайдер "Композиционные материалы с металлической матрицей" т.4, "Машиностроение", 1978 г., стр. 357, 363, 375-389, 404).

Однако приведенным способом можно изготавливать полуфабрикаты только в виде прутка или пакета, что сдерживает применение углеметаллической композиции для изготовления цельных, без сварных швов, полуфабрикатов с развитой поверхностью типа обечаек.

Известен композиционный материал, содержащий в качестве матрицы магниевый сплав и упрочненный высокомодульным углеродным волокном, применяемый в изготовлении конструкций с высокими удельными прочностными характеристиками (см. К.Крайдер "Композиционные материалы с металлической матрицей" т.4, М., Машиностроение, 1978 г., с. 403-405).

Из описанных в литературе композиционных материалов на основе магниево-литиевой матрицы по составу ингредиентов наиболее близок к заявляемому материал (см. Дриц М.Е. "Магниево-литиевые сплавы", М., Металлургия, 1980 г. , с. 94-99), который содержит указанные ингредиенты в следующем количестве, (вес.%):
Литий (Li) - 8
Стальная проволока (У8А) - 15 (об.%);
Магний (Mg) - Остальное
Материал имеет следующие прочностные характеристики:
в продольном направлении
σ_в = 660 МПа
E = 6,4 ГПа
δ = 5%
σ_в = 60-100 МПа - в поперечном направлении волокна (трансверсальная прочность).

Плотность композиции - 2400 кг/м³.

Основным недостатком композиционных материалов на основе магниево-литиевых сплавов является низкая прочность композиционного материала при растяжении в направлении, перпендикулярном направлению армирования упрочняющим волокном (транверсальная прочность), а также склонность магниево-литиевых сплавов к межкристаллитной коррозии.

Известно устройство вакуумно-компрессионной пропитки каркаса композиционного материала матричным расплавом (См. Тучинский Л.И. "Композиционные материалы, получаемые методом пропитки" М., Металлургия, 1986, С.37-39).

Намотанное на оправку волокно устанавливают в тонкостенную металлическую форму, внутренняя полость которой соответствует конфигурации будущего изделия. Форму помещают в верхнюю часть печи, а в ее нижнюю часть (тигель) закладывается матричный расплав. Форму вакуумируют и нагревают, одновременно в нижней зоне расплавляется матрица, а в печь под давлением подается сжатый аргон. Форму опускают в жидкий металл, где она прокалывается иглами, расположенными на дне тигля. В образующие отверстия под давлением поступает жидкий матричный расплав, который заполняет и пропитывает зазоры между волокнами. После окончания пропитки форму поднимают вверх, где расположен холодильник в виде трубчатого змеевика с проточной водой, расплав кристаллизуется, охлаждается, изделие извлекается из формы.

В известном устройстве затруднено получение крупногабаритных изделий типа обечаек с высокими показателями трансверсальной прочности вследствие невозможности получения многослойной матрицы.

Целью настоящего изобретения является разработка композиционного материала на основе алюминево-магниево-литиевой матрицы, упрочненной углеродным волокном, с повышенными показателями трасверсальной прочности и коррозионной стойкости, а также способа и устройства изготовления из него цельных (без продольных сварных швов) обечаек.

Поставленная цель достигается путем получения композиционного материала с металлической матрицей на основе магниево-литиевого сплава, упрочненного волокном, в качестве упрочнителя он содержит углеродное волокно, а матрица имеет слоистое строение и дополнительно содержит наружные слои из алюминиево-литиевого сплава, при этом слои из магниево-литиевых сплавов выполнены со структурами α-, (α+β)- и β- твердых растворов, упрочняющие волокна могут быть расположены между слоями магниево-литиевого сплава со структурой β- твердого раствора, а наружные слои матрицы из алюминиево-литиевого сплава выполнены в виде оболочки.

Способ изготовления деталей типа обечаек из заявляемого композиционного материала включает сборку обечайки-полуфабриката, вакуумирование, нагрев и жидкофазную пропитку упрочняющего волокна, а пропитку проводят через жидкую фазу лития, после жидкофазной пропитки проводят горячее изостатическое прессование и диффузионную сварку, при этом вакуумирование с прогревом внутренних полостей матрицы и упрочняющего волокна, жидкофазную пропитку композиционного материала литием, горячее изостатическое прессование и диффузионную сварку проводят последовательно непрерывно непосредственно в обечайке-полуфабрикате, наружные слои матрицы выполняют герметичными, жидкофазную пропитку композиции ведут вакуумным всасыванием, при этом над поверхностью жидкой фазы расплавленного лития создают избыточное давление инертной газовой среды, а наружные и внутренние внешние слои матрицы торцевых частей обечайки-полуфабриката герметично соединяют между собой.

Устройство для изготовления деталей типа обечаек из предложенного материала включает системы нагрева, вакуумирования и напуска прессующего инертного газа, оправку для формирования и установки полуфабриката обечайки, снабжено полой стойкой, разделенной герметичной перегородкой на верхнюю и нижнюю части, нижним и верхним опорными кольцами, фиксирующими кольцами, причем в каждом опорном кольце, снабженном конусным выступом, выполнена концентричная кольцевая канавка, сообщенная через радиальные каналы кольца и патрубки с внутренними нижней и верхней полостями стойки, нижняя часть полой стойки сообщена с системой напуска инертного газа, а верхняя - с системой вакуумирования, при этом оправка выполнена сборной.

Магниево-литиевый сплав со структурой β- твердого раствора является наиболее пластичным, поэтому использование его в качестве прокладки между углеродным волокном и более упругими слоями матрицы из сплавов со структурой α- и (α+β)- твердых растворов способствует снижению требуемого уровня давления инертного газа.

Литий имеет температуру плавления 180^oC, поэтому при температурах прессования 200-400^oC он практически полностью пропитывает многофиламентное углеродное волокно, а высокая растворимость лития в магнии способствует созданию прочного диффузионного соединения как между слоями матрицы в процессе диффузионной сварки композиционного материала, так и между углеродным волокном и матрицей. Кроме того, щелочные свойства лития способствуют смачиванию и очистке контактирующих поверхностей углеродных волокон и матрицы.

Горячее вакуумирование внутренних полостей матрицы обеспечивает практически полное удаление растворенных газов и дополнительно очищает поверхности контакта упрочнителя (углеродного волокна) и матрицы.

Таким образом, автономное горячее вакуумирование внутренних полостей матрицы в процессе изостатического прессования и диффузионной сварки композиционного материала, использование лития для жидкофазной пропитки композиционного материала магниево-литиевого сплава со структурой β- твердого раствора в качестве прокладки между углеродным волокном и более упругими слоями матрицы на основе магниево-литиевых сплавов со структурой α- и (α+β)- - твердых растворов открывает возможность изготовления цельными (без продольных сварных швов) обечаек при более низком требуемом уровне давления прессующего газа.

С целью повышения уровня трансверсальной прочности и коррозионной стойкости в известном композиционном материале, в состав которого входят магний, литий и упрочняющее волокно, предлагается многослойная матрица из алюминиево-литиевого сплава и магниево-литиевых сплавов, при этом наружные слои матрицы (оболочки) относительно углеродных волокон выполнены из алюминиево-литиевого сплава, а внутренние - из магниево-литиевых сплавов со структурами α-, (α+β)- и β- твердых растворов.

Слоистое построение матрицы позволяет наиболее полно использовать прочностные свойства сплавов, а применение алюминиево-литиевого сплава и магниево-литиевых сплавов со структурами α- и (α+β)- твердых растворов открывает возможность дополнительного повышения транверсальной прочности композиционного материала за счет термоупрочняющей обработки.

Техническим результатом, получаемым в результате осуществления изобретения, является достижение высоких показателей удельной прочности композиционного материала, а следовательно, и изделий из него, что приводит к существенному снижению массы в конструкциях авиационных, ракетных и космических изделий.

В таблице 1 приведены расчетные характеристики предлагаемого углеметаллического композиционного материала на основе матрицы из алюминиево-магниевого сплава и магниево-литиевых сплавов со структурами α-, (α+β)- и β- твердых растворов в сравнении с прочностными свойствами композиционного материала из магниево-литиевого сплава (матрицы), упрочненной стальной (У8А) проволокой, и другими известными легкими конструкционными материалами.

Как видно из таблицы 1, величины прочностных характеристик, в том числе трансверсальная и удельная прочности, значительно превышают те же показатели у известных материалов и сплавов.

Изобретение иллюстрируется чертежами, где изображено: на фиг. 1 - поперечный разрез предложенного композиционного материала обечайки на основе алюминиево-литиевого сплава и магниево-литиевых сплавов со структурами α-, (α+β)- и β- твердых растворов, упрочненного углеродным волокном; на фиг. 2 - график процессов вакуумирования, жидкофазной пропитки, горячего изостатического прессования и диффузионной сварки композиционного материала; на фиг. 3 - схема устройства для горячего изостатического прессования и диффузионной сварки полуфабрикатов типа обечайки.

Композиционный материал (см. фиг. 1) состоит из следующих элементов:
A - алюминиево-литиевый сплав (Al -Li);
B - магниево-литиевый сплав (Mg-Li) со структурой (α+β)- твердого раствора:
C - магниево-литиевый сплав (Mg-Li) со структурой α- твердого раствора;
D - углеродное волокно;
F- магниево-литиевый сплав (Mg-Li) со структурой β- твердого раствора.

На фиг. 2 представлены:
а - график изменения температуры процесса (^oC);
б - график изменения наружного избыточного давления прессующего газа (атм);
в - график изменения всасывающего разрежения внутренних полостей матрицы (мм рт.ст.);
г - график изменения давления над поверхностью расплавленного лития (атм).

В таблице 2 приведена схема технологического процесса изготовления обечаек из предлагаемого композиционного материала.

На фиг. 3 представлено устройство для реализации предложенного способа. Оно включает вакуумно-компрессионную печь 1, теплоизолированный муфель 2 и оснастку для вакуумирования внутренних полостей композиционного материала обечайки, жидкофазной пропитки литием упрочняющего волокна и матрицы, а также горячего изостатического прессования и диффузионной сварки композиционного материала.

Оснастка включает верхнее 3 и нижнее 4 опорные кольца. Каждое кольцо 3, 4 снабжено кольцевым выступом 5, имеющим форму усеченного конуса.

Кроме того, в оснастку входят фиксирующие внешние кольца 6, соответственно верхнее и нижнее, сборная оправка 7, полая составная стойка 8, 9, радиальные патрубки 10 и соединительные трубопроводы 11 и 12. Патрубки 10 соединены с верхней 9 и нижней 8 частями стойки и с верхним 3 и нижним 4 кольцами соответственно.

В каждом из колец 3, 4 в центре выступа 5 выполнена кольцевая канавка 13 с центром окружности, совпадающим с центром окружности каждого кольца 3, 4. Кроме того, в кольцах 3, 4 выполнены радиальные каналы 14, которые соединены с патрубками 10, а также сообщаются с кольцевыми канавками 13.

Нижняя 8 и верхняя 9 полости стойки разделены герметичной перегородкой 15. Нижняя часть 8 полой стойки скреплена с кольцом 4, а верхняя часть 9 - с кольцом 3 и через соединительные трубопроводы 11, 12 сообщены с системой напуска инертного газа и вакуумной системой соответственно. (Последние на чертеже не показаны)
Сборная оправка 7 имеет цилиндрическую форму и состоит из нескольких частей для монтажа обечайки-полуфабриката 16 и демонтажа готовой обечайки.

Фиксирующие внешние кольца 6, верхняя и нижняя внешние фаски оправки 7 закрепляют через медные уплотняющие прокладки торцевые слои оболочки матрицы композиционного материала полуфабриката-обечайки 16 на обращенных друг к другу конусных выступах колец 3, 4.

Для обеспечения равномерного нагрева и охлаждения оснастки и оправки 7 с обечайкой 16 печь 1 снабжена вентилятором 17, теплообменником 18, клапанами 19.

Способ осуществляется следующим образом.

Вначале производится сборка обечайки 16, для этого оправку 7 обертывают листом из алюминиево-литиевого сплава. Затем герметично соединяют продольные кромки листа, например, сваркой.

Полученный полуфабрикат (оправку, обернутую листом из алюминиево-литиевого сплава) вновь обертывают листами из магниево-литиевых сплавов со структурами (α+β)-, α- и β- твердых растворов и укладывают путем намотки углеродное волокно.

Полуфабрикат обертывают листами из магниево-литиевых сплавов со структурами β-, α- и (α+β)- твердых растворов. Далее вышеуказанные операции (обертывание листами из сплавов и укладку между ними углеродного волокна) повторяют до получения заданной толщины композиционного материала.

Полуфабрикат обертывают листом из алюминиево-литиевого сплава, этот последний слой по продольной образующей герметично соединяют сваркой. (Схема композиционного материала изображена на фиг. 1)
Далее оправку 7 с полуфабрикатом 16 монтируют в оснастку.

Внутренняя нижняя полость стойки 8 загружается металлическим литием.

Укладывают на конусный выступ 5 нижнего кольца 4 медные прокладки и устанавливают на них обечайку-полуфабрикат 16 с оправкой 7. Герметично закрепляют с помощью фиксирующего нижнего кольца 6 и нижней внешней фаски оправки 7 наружные торцевые слои оболочки матрицы композиционного материала на конусном выступе 5 кольца 4.

Затем производят сборку верхнего 3 опорного кольца, радиальных патрубков 10, верхней 9 части стойки с трубопроводами 11, 12.

Одевают на обечайку-полуфабрикат 16 верхнее фиксирующее кольцо 6, отгибают наружные внешние и внутренние слои оболочки матрицы композиционного материала обечайки-полуфабриката 16, укладывают уплотняющие прокладки и устанавливают верхнее кольцо 3 в сборе конусным выступом 5 в зазор между кольцевыми уплотнительными прокладками и внешними торцевыми слоями оболочки матрицы композиционного материала обечайки-полуфабриката 16. Герметично закрепляют с помощью кольца 6 и верхней внешней фаски оправки 7 на конусном выступе 5 кольца 3 наружные торцевые слои матрицы композиционного материала обечайки-полуфабриката 16.

Патрубки 10 соединены с радиальными каналами 14 колец 3, 4.

Герметичность соединений внутренних полостей обечайки-полуфабриката 16 и оснастки проверяют на специальном отдельном стенде.

Затем в описанном выше устройстве (фиг. 3) проводят горячее изостатическое прессование и диффузионную сварку композиционного материала. (Параметры изостатического прессования и диффузионной сварки приведены на графике, изображенном на фиг. 2).

Оснастка с обечайкой-полуфабрикатом 16 загружается в муфель 2 печи 1, трубопроводы 12, 11 подсоединяют к вакуумной откачной системе и системе напуска инертного газа, например аргона.

После герметизации печи 1 включают насосы и вакуумируют печь 1 и внутренние полости матрицы обечайки 16 (через канавки 13, каналы 14, патрубки 10, трубопровод 12) до заданного разрежения. При достижении температуры 200^oC нижнюю полость 8 стойки подключают к системе напуска инертного газа и над поверхностью расплавленного лития создают избыточное давление.

Одновременно отключают от вакуумной системы печь 1 и постепенно заполняют ее инертным газом. В интервале 200-380^oC за счет вакуумного всасывания через верхнюю часть матрицы обечайки и верхнюю полость 9 стойки, а также создания избыточного давления над поверхностью расплавленного лития в полости 8 стойки происходит пропитка литием внутренних полостей композиционного материала обечайки 16.

По достижении температуры 380-400^oC подачу инертного газа в нижнюю полость 8 стойки прекращают.

Одновременно включают вентилятор 17 и в рабочем объеме печи 1 создают избыточное давление прессующего инертного газа.

По окончании процесса отключают нагрев, открывают клапаны 19 и в теплообменник 18 подают охлаждающую среду, охлаждают оснастку, оправку 7 с обечайкой 16 до температуры окружающей среды, сбрасывают избыточное давление, выгружают оснастку, оправку 7 с обечайкой 16 и демонтируют оснастку и оправку.

Затем производят герметичное соединение торцевых (наружных) слоев матрицы композиционного материала обечайки.

По сравнению с известными аналогами предлагаемый композиционный материал имеет более высокий уровень удельных прочностных характеристик и коррозионной стойкости, а предлагаемые способ и устройство для его получения потребуют значительно меньших капитальных вложений.

Изобретение относится к технологии изготовления обечаек из металлического композиционного материала, упрочненного углеродным волокном, которые могут быть использованы в авиационных и ракетно-космических конструкциях. Предложен композиционный материал на основе магниево-литиевого сплава, который в качестве упрочнителя содержит углеродное волокно. Матрица материала имеет слоистое строение и дополнительно содержит наружные слои из алюминиево-литиевого сплава. Слои из магниево-литиевых сплавов выполнены со структурами α-, (α+β)- и β-твердых растворов. Способ включает сборку обечайки-полуфабриката, вакуумирование, нагрев и пропитку упрочняющего волокна через жидкую фазу лития, горячее изостатическое прессование и диффузионную сварку. Операции способа проводят последовательно-непрерывно непосредственно в обечайке-полуфабрикате. Устройство включает системы нагрева, вакуумирования и напуска прессующего инертного газа, оправку для формирования и установки полуфабриката обечайки, полую стойку, разделенную герметичной перегородкой на верхнюю и нижнюю части, нижнее и верхнее опорные и фиксирующие кольца. При этом оправка выполнена сборной. Техническим результатом изобретения является достижение высоких показателей удельной прочности и снижение массы в авиационных и ракетно-космических конструкциях. 3 с. и 5 з.п.ф-лы, 3 ил., 2 табл.

1. Композиционный материал с металлической матрицей на основе магниево-литиевого сплава, упрочненного волокном, отличающийся тем, что в качестве упрочнителя он содержит углеродное волокно, а матрица имеет слоистое строение и дополнительно содержит наружные слои из алюминиево-литиевого сплава, при этом слои из магниево-литиевых сплавов выполнены со структурами α-, (α+β)- и β- твердых растворов. 2. Композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что упрочняющие волокна расположены между слоями магниево-литиевого сплава со структурой β-твердого раствора. 3. Композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что наружные слои матрицы из алюминиево-литиевого сплава выполнены в виде оболочки. 4. Способ изготовления деталей типа обечаек из композиционного материала, включающий сборку обечайки-полуфабриката, вакуумирование, нагрев и жидкофазную пропитку упрочняющего волокна, отличающийся тем, что пропитку проводят через жидкую фазу лития, после жидкофазной пропитки проводят горячее изостатическое прессование и диффузионную сварку, при этом вакуумирование с прогревом внутренних полостей матрицы и упрочняющего волокна, жидкофазную пропитку композиции литием, горячее изостатическое прессование и диффузионную сварку проводят последовательно-непрерывно непосредственно в обечайке-полуфабрикате. 5. Способ изготовления обечайки по п.4, отличающийся тем, что наружные слои матрицы выполняют герметичными. 6. Способ изготовления обечайки по п.4, отличающийся тем, что жидкофазную пропитку ведут вакуумным всасыванием, при этом над поверхностью жидкой фазы расположенного лития создают избыточное давление инертной газовой среды. 7. Способ изготовления обечайки по п.4, отличающийся тем, что наружные и внутренние внешние слои матрицы торцевых частей обечайки-полуфабриката герметично соединяют между собой. 8. Устройство для изготовления деталей типа обечаек, включающее системы нагрева, вакуумирования и напуска прессующего инертного газа, оправку для формирования и установки полуфабриката обечайки, отличающееся тем, что оно снабжено полой стойкой, разделенной герметичной перегородкой на верхнюю и нижнюю части, нижним и верхним опорными кольцами и фиксирующими кольцами, причем в каждом опорном кольце, снабженном конусным выступом, выполнена концентричная кольцевая канавка, сообщенная через радиальные каналы кольца и патрубки с внутренними нижней и верхней полостями стойки, нижняя часть полой стойки сообщена с системой напуска инертного газа, а верхняя - с системой вакуумирования, при этом оправка выполнена сборной.