СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ ТИТАНА И УГЛЕВОЛОКНА Российский патент 2024 года по МПК C22C47/20 C22C47/12 C22C49/11 C22C49/14 C22C121/02 

Изобретение относится к технологии получения новых композиционных материалов с металлической матрицей и углеволокном.

Изобретение может быть использовано в авиационной, ракетно-космической и морской технике для производства элементов конструкций из материалов, превосходящих по удельным механическим характеристикам металлические сплавы и композиты с полимерной матрицей в аналогичных применениях.

Известен способ получения композитов с углеволокном и титановой матрицей [Mileiko ST, Rudnev AM, Gelachov MV.Low cost PM route for titanium matrix carbon fibre composites, Powder Metallurgy 39 (1996) 97-99; C. Even, C. Arvieu, J.M. Quenisset, Powder route processing of carbon fibres reinforced titanium matrix composites, Composites Science and Technology 68 (2008) 1273-1281]. В этом случае рубленое волокно смешивается с порошком титана, затем смесь подвергается горячему прессованию. Первым недостатком этого способа является невозможность получить высокопрочные и высокомодульные композиты, поскольку при его реализации максимум прочности достигается при объемном содержании волокна, не превышающем 10%. Вторым недостатком способа является невозможность получения крупногабаритных конструкций типа оболочек. Третьим недостатком способа является невозможность реализовать структуру армирования, соответствующую системе внешних нагрузок на элемент конструкции.

Известен способ жидкофазной пропитки пучка углеволокон титаном, содержащим 25 и 35 весовых %% меди с температурами ликвидуса 1280 и 1100°С, соответственно (Toloui В., Development of carbon fibre reinforced titanium-copper composites, in: Proc. of 5th int. Conf. Composite Mater. (ICCM-5), eds W.C. Harrigan, Jr., J. Strife, and A.K. Dhingra, Metall. Soc AlME, 1985, 773-777). Снижение температуры заливки достигается ценой значительного увеличения содержания меди в сплаве, что приводит к существенному ухудшению механических характеристик матрицы и, как следствие, к низким величинам прочности композита. Максимальные величины прочности достигаются при объемном содержании волокна 10% и равны 475 и 300 МПа для матрицы с 35 и 25% содержания меди, соответственно.

Наиболее близким к изобретению является способ получения композиционного материала, содержащего углеволокно и металл (Патент RU 2731699 «Способ получения композиционных материалов на основе углеволокна и металлам; опубл. 08.09.2020 бюл. № 25, 2020), включающий сборку пакета, состоящего из чередующихся слоев металлического листа и армирующего углеволокна, и пропитку слоя армирующего углеволокна образующимся при нагреве эвтектическим расплавом. При этом перед сборкой в пакет на поверхности металлического листа или ленты из титанового сплава формируют слой, содержащий никель, титан или никель и титан, нагрев пакета осуществляют до температуры, превышающей температуру плавления эвтектики не более чем на 100°С, а пропитку слоя армирующего углеволокна проводят в направлении, перпендикулярном его плоскости, образующимся расплавом эвтектики Ti-Ti₂Ni. Недостатком этого способа является необходимость предварительного формирования промежуточной матрицы эвтектики Ti-Ti₂Ni независимо от состояния углеволокна, с покрытием или без оного.

Задачей настоящего изобретения является создание такого способа получения композитов с титановой матрицей и углеволокном, который исключал бы предварительное формирование промежуточной матрицы.

Эта задача решается с использованием, как и в прототипе, сборки пакета, состоящего из чередующихся слоев металлического листа и армирующего углеволокна, и пропитку слоя армирующего углеволокна, покрытого слоем меди или никеля, образующимся при контакте нагретого слоя титанового сплава с металлом покрытия эвтектическим расплавом.

Способ реализуется следующими образом: в отличие от прототипа, в котором расплав промежуточной матрицы формируется плавлением предварительно внесенного в пакет-заготовку прекурсора эвтектического состава с температурой плавления ниже температуры плавления титановой матрицы, в предлагаемом способе собирают пакет из чередующихся слоев сплава матрицы и углеволокна, покрытого медью или никелем, нагревают пакет до температуры, превышающей температуру плавления не более чем на 100°С выше температуры плавления эвтектик в системах Ti-Cu или Ti-Ni, в зависимости от материала покрытия, затем прикладывают давление к заготовке, что сопровождается плавлением эвтектики и пропиткой волокна полученным расплавом.

Пример 1 (АР0161)

В качестве волокна взято UMATEX-49 с медным покрытием толщиной 4 мкм, в качестве матрицы - фольга сплав ВТ1-0 толщиной 100 мкм. Набран пакет, состоящий из 6 слоев волокна и 7 слоев фольги. Далее пакет помещается в вакуумную установку для горячего прессования и нагревается до температуры 955°С под давлением 1 МПа. По достижении указанной температуры давление поднимается до 4 МПа, и температура 955°С сохраняется в течение 1 мин. Далее следует охлаждение. Полученная структура угле-титанового образца представлена на Фиг. 1. Величины прочности и модуля Юнга образца, измеренные в испытаниях на 3-точечгый изгиб равны 1235 МПа и 151 ГПа, соответственно.

Пример 2 (АР0158)

В качестве волокна взято UMATEX-49 с медным покрытием толщиной 4 мкм, в качестве матрицы - фольга сплав ОТ4-0 толщиной 100 мкм. Набран пакет, состоящий из 6 слоев волокна и 7 слоев фольги. Далее пакет помещается в вакуумную установку для горячего прессования и нагревается до температуры 955°С под давлением 1 МПа. По достижении указанной температуры давление поднимается до 4 МПа и следует охлаждение. Полученная структура аналогична представленной на Фиг. 1. Величины прочности и модуля Юнга образца, измеренные в испытаниях на 3-точечгый изгиб равны 1223 МПа и 148 ГПа, соответственно.

Пример 3

В качестве волокна взято UMATEX-49 с никелевым покрытием толщиной 3 мкм, в качестве матрицы - фольга сплав ОТ4-0 толщиной 100 мкм. Набран пакет, состоящий из 6 слоев волокна и 7 слоев фольги. Далее пакет помещается в вакуумную установку для горячего прессования и нагревается до температуры 1030°С под давлением 1 МПа. По достижении указанной температуры давление поднимается до 4 МПа и следует охлаждение. Полученная структура аналогична представленной на Фиг 1. Величины прочности и модуля Юнга образца, измеренные в испытаниях на 3-точечгый изгиб равны 1330 МПа и 132 ГПа, соответственно.

Изобретение относится к области композиционных материалов с металлической матрицей способам их получения и может быть использовано в производстве конструкций, работающих при нормальной и повышенных температурах, таких как силовые конструкции летательных аппаратов, компрессорные и вентиляторные лопатки авиационных газотурбинных двигателей и др. Способ включает сборку пакета из чередующихся слоев сплава матрицы и углеволокна, покрытого медью или никелем, нагревают пакет до температуры, превышающей температуру плавления не более чем на 100°С выше температуры плавления эвтектик в системах Ti-Cu или Ti-Ni, в зависимости от материала покрытия, затем прикладывают давление к заготовке, что сопровождается плавлением эвтектики и пропиткой волокна полученным расплавом. Технический результат заключается в создании способа получения композитов с титановой матрицей и углеволокном, который исключал бы предварительное формирование промежуточной матрицы. 1 ил., 3 пр.

Способ получения композиционного материала на основе титана и углеволокна, включающий сборку пакета, состоящего из чередующихся слоев листа титанового сплава и армирующего углеволокна, и пропитку слоя армирующего углеволокна образующимся при нагреве эвтектическим расплавом, отличающийся тем, собранный пакет с армированным углеволокном, покрытым медью или никелем, нагревают до температуры, превышающей температуру плавления не более чем на 100°С выше температуры плавления эвтектик в системах Ti-Cu или Ti-Ni, затем прикладывают давление к собранному пакету, что сопровождается плавлением эвтектики и пропиткой волокна полученным расплавом