Курсовая работа "Активирование процессов взаимодействия компонентов композита на границе раздела фаз"

Название:
Активирование процессов взаимодействия компонентов композита на границе раздела фаз
Тип работы:
курсовая работа
Размер:
965,7 K
26
Скачать
Создание композиционного материала (КМ) на основе никеля для повышения жаропрочности существующих никелевых сплавов. Технология изготовления КМ, его характеристика. Компоненты композита, матрица, армирующий элемент. Применение металлических композитов.

Краткое сожержание материала:

Содержание

  • 1. Введение
  • 2. Композиционный материал (Ni - Аl203)
  • 2.1 Компоненты композита, матрица и армирующий элемент
  • 2.2 Характеристика композиционного материала
  • 2.3 Взаимодействие компонентов на границе раздела фаз
  • 3. Технология изготовления композиционного материла
  • 4. Применение металлических композитов
  • 5. Заключение
  • Список литературы

1. Введение

Главная функция поверхности раздела - передача нагрузки между упрочнителем и матрицей, определяется механическими требованиями к стабильности поверхности раздела при всевозможных методах нагружения.

Выбранный КМ (Ni - Аl203) по типу взаимодействия на границе раздела фаз относится к второй группе, т. е волокно и матрица взаимно не реакционно способны, но растворимы, то есть образуют друг с другом твердые растворы, но не образуют химические соединения. На границе раздела фаз возникает связь при смачивании и растворении которая реализуется благодаря силам поверхностного натяжения. Обычно смачивание сопровождается небольшим растворением компонентов, реализуется при пропитке волокон расплавленной матрицей в отсутствие химической реакции.

Создание КМ на основе никеля в первую очередь обусловлено необходимостью повышения жаропрочности существующих никелевых сплавов. Традиционные способы упрочнения - дисперсионное твердение, карбидное упрочнение, сложное легирование или термомеханическая обработка - позволяют сохранить работоспособность никелевых сплавов только до температур 1223-1323 К. Армирование сплавов на основе никеля высокопрочными проволоками тугоплавких металлов и сплавов, керамическими НК, керамическими волокнами и УВ обеспечивает более высокую жаропрочность, чем у современных суперсплавов. Свойства армированных КМ на основе никеля определяются в значительной мере способностью волокон и матрицы вступать во взаимодействие при изготовлении или эксплуатации КМ и степенью разупрочнения арматуры под действием высоких температур, напряжений и окружающей среды. [1]

композиционный материал никелевый сплав

2. Композиционный материал (Ni - Аl203)

2.1 Компоненты композита, матрица и армирующий элемент

Никель (Ni) - матрица

Никель (лат. Niccolum), Ni, химический элемент первой триады VIII группы периодической системы Менделеева, атомный номер 28, атомная масса 58,70; серебристо-белый металл, ковкий и пластичный. При обычных условиях Никель существует в виде в-модификации, имеющей гранецентрированную кубическую решетку. Основные физико-механические характеристики никеля приведены ниже. (табл.1).

Таблица 1. Физико-механические характеристики никеля.

Плотность r, (кг/м3) • 10-3

8,9

Температура плавления Тпл,° С

1453

Температура кипения Ткип,° С

3000

Теплопроводность l, Вт/м Ч град (при 25° С)

90,1

Предел текучести, МПа

120

Коэффициент линейного расширения a Ч 106, 1/° С (при 25° С)

13,3

Удельное электросопротивление r Ч 108, ОмЧ м (при 20° С)

68,4

Предел прочности s в, МПа

400-500

Относительное удлинение d, %

40

Твердость по Бринеллю НВ

600 - 800

Модуль нормальной упругости E, ГПа

205

Никель входит в состав важнейших магнитных материалов и сплавов с минимальным значением коэффициента теплового расширения. Никель - металл средней активности. Поглощает (особенно в мелкораздробленном состоянии) большие количества газов (H2, СО и других); насыщение Никеля газами ухудшает его механические свойства.

Получение Никеля. Около 80% Никеля от общего его производства получают из сульфидных медно-никелевых руд. После селективного обогащения методом флотации из руды выделяют медный, никелевый и пирротиновый концентраты. Никелевый рудный концентрат в смеси с флюсами плавят в электрических шахтах или отражательных печах с целью отделения пустой породы и извлечения Никеля в сульфидный расплав (штейн), содержащий 10-15% Ni. Обычно электроплавке предшествуют частичный окислительный обжиг и окускование концентрата. Наряду с Ni в штейн переходят часть Fe, Со и практически полностью Cu и благородные металлы. После отделения Fe окислением (продувкой жидкого штейна в конвертерах) получают сплав сульфидов Cu и Ni - файнштейн, который медленно охлаждают, тонко измельчают и направляют на флотацию для разделения Cu и Ni. Никелевый концентрат обжигают в кипящем слое до NiO. Металл получают восстановлением NiO в электрических дуговых печах. Из чернового Никель отливают аноды и рафинируют электролитически. Содержание примесей в электролитном Никель (марка 110) 0,01%.

Наиболее совершенно и перспективно окисление жидких сульфидов. Все более распространяются процессы, основанные на обработке никелевых концентратов растворами кислот или аммиака в присутствии кислорода при повышенных температурах и давлении (автоклавные процессы). Обычно Никель переводят в раствор, из которого выделяют его в виде богатого сульфидного концентрата или металлического порошка (восстановлением водородом под давлением). [5]

Матрицы на основе никеля. Никель и никелевые сплавы, пригодные для применения в качестве матрицы КМ, выпускаются промышленностью в виде листов, лент и порошков. Технически чистый никель можно использовать при получении КМ, армированных проволоками тугоплавких металлов, керамическими волокнами и УВ, методами, предотвращающими взаимодействие волокон и матрицы. Однако жаростойкость КМ на основе технически чистого никеля низка. Более широко применяются КМ на основе промышленных окалиностойких и жаропрочных никелевых сплавов. Добавки вольфрама, молибдена, алюминия и титана увеличивают жаропрочность и термическую стойкость.

Жаропрочные деформируемые сплавы сочетают существенную окалиностойкость со способностью работать в нагруженном состоянии при высоких температурах. Повышенные длительная прочность, сопротивление ползучести и усталости достигаются в этих сплавах за счет введения титана и алюминия, образующих дисперсные упрочняющие фазы Ni3Ti и Ni3Al (г'-фаза), а также за счет легирования тугоплавкими элементами (вольфрамом, молибденом, ниобием), упрочняющими твердый никелевый раствор, и малыми добавками бора, церия и других элементов, увеличивающими стабильность межзеренных границ. Жаропрочные литейные сплавы имеют тот же механизм упрочнения, что и деформируемые, однако они легированы большим количеством тугоплавких элементов, которые обеспечивают более высокую жаропрочность вплоть до температуры 1373 К. Их основной технологический недостаток - низкая пластичность. Поэтому жаропрочное литье применяют преимущественно в термически обработанном состоянии.

Матрицы КМ на никелевой основе должны быть совместимы с материалом армирующих волокон, прочными при высоких температурах, пластичными, обладать сопротивлением высокотемпературной коррозии и технологичностью. Никелевый матричный сплав считается совместимым с армирующими волокнами, если при температурах предполагаемой эксплуатации КМ не происходят процессы, разупрочняющие арматуру и материал в целом (химическая реакция между компонентами, взаимная диффузия, интенсивная рекристаллизация волокон). Наилучшей совместимостью с вольфрамовой проволокой при температурах 1273-1473 К обладает отечественный сплав ХН60ВТ, из зарубежных (США) - NASA-1, NASA-3, NASA-5 и NASA-7.

При температурах ниже 1373 К жаропрочная матрица способна вносить достаточно большой вклад в прочность КМ. Пластичность ряда никелевых сплавов позволяет обеспечить сопротивление КМ ударным нагрузкам и снятие термических напряжений, возникающих в КМ вследствие различных к. т. р. Внутренние термические напряжения образуются в КМ при нестационарных температурных режимах и могут привести к растрескиванию хрупкой матрицы. При создании КМ на никелевой основе необходимо учитывать значения к. т. р. и теплопроводности матричных сплавов.

В условиях эксплуатации КМ подвергаются воздействию внешней среды (окислению, сульфидной коррозии и т.д.), поэтому одними из требований, предъявляемых к жаропрочной матрице, являются жаростойкость и обеспечение надежной защиты поверхности легкоокисляющейся армировки от коррозионного разрушения.

Окалиностойкие никелевые сплавы хорошо деформируются в холодном и горячем состоянии. Жаропрочные деформируемые сплавы обрабатываются методами пластической деформации при нагревании. Для получения КМ на основе окалиностойких сплавов и...