Перспективные материалы для нефтегазовых объектов (стр. 24 )

Таблица 3.8

Механические свойства композиционного материала на основе сплава ВТ6

Упрочнитель	Композиционный материал
Название	Объемная доля, %	sв, МПа	ρ, г/см3	σв, МПа	км	Е, ГПа	103 км
Мо	30	2300	6,25	1400	22	200	3,2
Ве	35	1050	-	1050	-	168	-
SiC*	25	2550	4,3	910	23	210	5
* Матрица – технический титан

Армирование сплава ВТ6 молибденовой проволокой способствует сохранению высоких значений модуля упругости до 800 °С. Его величина при этой температуре соответствует 124 ГПа, т. е. снижается на 33%, тогда как временное сопротивление разрыву при этом уменьшается до 420 МПа, т. е. более чем в 3 раза.

3.6.4. Материалы с никелевой матрицей

Основная задача при создании композиционных материалов на никелевой основе (ВКН) заключается в повышении рабочих температур выше 1000 °С. И одним из лучших металлических упрочнителей, способных обеспечить хорошие показатели прочности при столь высоких температурах, является вольфрамовая проволока. Введение вольфрамовой проволоки в количестве от 40 до 70 об. % в сплав никеля с хромом обеспечивает прочность при 1100 °С в течение 100 ч соответственно 130 и 250 МПа, тогда как лучший неармированный никелевый сплав, предназначенный для работы в аналогичных условиях, имеет прочность 75 МПа. Использование для армирования проволоки из сплавов вольфрама с рением или гафнием увеличивает этот показатель на 30 - 50 %.

Композиционные материалы применяют во многих отраслях промышленности и прежде всего, в авиации, ракетной и космической технике, где особенно большое значение имеет снижение массы конструкций при одновременном повышении прочности и жесткости. Благодаря высоким удельным характеристикам прочности и жесткости их используют при изготовлении, например, горизонтальных стабилизаторов и закрылков самолетов, лопастей винтов и контейнеров вертолетов, корпусов и камер сгорания реактивных двигателей и др. Использование композиционных материалов в конструкциях летательных аппаратов уменьшило их массу на 30 - 40 %, увеличило полезную нагрузку без снижения скорости и дальности полета.

В настоящее время композиционные материалы применяют в энергетическом турбостроении (рабочие и сопловые лопатки турбины), автомобилестроении (кузова автомобилей и рефрижераторов, детали двигателей), машиностроении (корпуса и детали машин), химической промышленности (автоклавы, цистерны, емкости), судостроении (корпуса лодок, катеров, гребные винты) и др.

Особые свойства композиционных материалов позволяют использовать их в качестве электроизоляционных материалов (органоволокниты), радиопрозрачных обтекателей (стекловолокниты), подшипников скольжения (карбоволокниты) и других деталей.

Глава 4. ТЕХНИЧЕСКАЯ КЕРАМИКА

Керамика - неорганический материал, получаемый из отформованных минеральных масс в процессе высокотемпературного обжига. В результате обжига (1200–2500 °С) формируется структура материала (спекание), и изделие приобретает необходимые физико-механические свойства.

Техническая керамика включает искусственно синтезированные керамические материалы различного химического и фазового состава; она обладает специфическими комплексами свойств. Такая керамика содержит минимальное количество или совсем не содержит глины. Основными компонентами технической керамики являются оксиды и бескислородные соединения металлов. Любой керамический материал является многофазной системой. В керамике могут присутствовать кристаллическая, стекловидная и газовая фазы.

Кристаллическая фаза представляет собой определенные химические соединения или твердые растворы. Эта фаза составляет основу керамики и определяет значения механической прочности, термостойкости и других ее основных свойств.

Стекловидная фаза находится в керамике в виде прослоек стекла, связывающих кристаллическую фазу. Обычно керамика содержит 1 - 10 % стеклофазы, которая снижает механическую прочность и ухудшает тепловые показатели. Однако стеклообразующие компоненты (глинистые вещества) облегчают технологию изготовления изделий.

Газовая фаза представляет собой газы, находящиеся в порах керамики; по этой фазе керамику подразделяют на плотную, без открытых пор и пористую. Наличие даже закрытых пор нежелательно, так как снижается механическая прочность материала.

Большинство видов специальной технической керамики обладает плотной спекшейся структурой поликристаллического строения, для ее получения применяют специфические технологические приемы.

4. 1. Керамика на основе чистых оксидов

В производстве оксидной керамики используют в основном следующие оксиды: А1203 (корунд), ZrO2, MgO, CaO, BeO, ThO2, UO2. Структура керамики однофазная поликристаллическая. Кроме кристаллической фазы может содержаться небольшое количество газов (поры) и стекловидной фазы, которая образуется в результате наличия примесей в исходных материалах. Температура плавления чистых оксидов превышает 2000 °С, поэтому их относят к классу высокоогнеупорных материалов. Как и для других неорганических материалов, оксидная керамика обладает высокой прочностью при сжатии по сравнению с прочностью при растяжении или изгибе; более прочными являются мелкокристаллические структуры, так как при крупнокристаллическом строении на границе между кристаллами возникают значительные внутренние напряжения.

С повышением температуры прочность керамики понижается (рис. 4.1). При использовании материалов в области высоких температур важным свойством является их стойкость к окислению. Керамика из чистых оксидов, как правило, не подвержена процессу окисления. Основные свойства керамики на основе чистых оксидов приведены в табл. 4.1. Летучесть спеченных оксидов в вакууме показана на рис. 4.2.

Рис. 4.1. Зависимость предела прочности при изгибе спеченной оксидной керамики от температуры: 1 - ZrO2 (стабилизатор MgO); 2 - шпинель (MgO·Al2O3); 3 - корунд А12О3; 4 - BeO; 5 – MgO

Керамика на основе Al2О3 (корундовая) обладает высокой прочностью, которая сохраняется при высоких температурах, химически стойка, отличный диэлектрик. Термическая стойкость корунда высокая. Изделия из него широко применяют во многих областях техники: резцы, используемые при больших скоростях резания, калибры, фильеры для протяжки стальной проволоки, детали высокотемпературных печей, подшипники печных конвейеров, детали насосов, свечи зажигания в двигателях внутреннего сгорания. Керамику с плотной структурой используют в качестве вакуумной, пористую – как термоизоляционный материал. В корундовых тиглях проводят плавление различных металлов, оксидов, шлаков. Корундовый материал микролит (ЦМ-332) по свойствам превосходит другие инструментальные материалы, его плотность до 3960 кг/м3, σсж до 5000 МПа, твердость 92 - 93 HRA и красностойкость до 1200 °С. Из микролита изготовляют резцовые пластинки, фильеры, насадки, сопла, матрицы и др.

Особенностью оксида циркония (ZrO2) является слабокислотная или инертная природа, низкий коэффициент теплопроводности. Рекомендуемые температуры применения керамики из ZrO2 составляют 2000 - 2200 °С; она используется для изготовления огнеупорных тиглей для плавки металлов и сплавов, как тепловая изоляция печей, аппаратов и реакторов, в качестве покрытия на металлах для защиты последних от действия температур.

Таблица 4.1

Свойства керамики на основе чистых оксидов

Оксиды	Температура плавления, °С	Плотность (теорети-ческая), кг/м3	Предел прочности, МПа	Модуль упругости, ГПа	Коэффициент линейного расширения, α·106,1/°С	Коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К)	Удельное электрическое сопротивление (объемное), Ом·см	Стойкость к тепловому удару	Стойкость к эрозии
при растяжении	при изгибе	при сжатии
Al2О3	2050	3990	260	150	3000	382	8,4	36,2 - 6,08 (100-1600)	1016	Высокая	Высокая
ZrO2	2700	5600	150	230	2100	172	7,7	1,95 - 2,44 (100-1400)	104 (1000)	Низкая	- " -
ВеО	2580	3020	100	130	800	310	10,6	218,6 - 151,1 (100-1600)	1014	Высокая	Средняя
MgO	2800	3580	100	110	1400	214	15,6	34,4 - 6,57 (100-1600)	1015	Низкая	- " -
СаО	2570	3350	–	80		–	13,8	13,8 - 8,37 (100-400)	1014	- " -	- " -
ThO2	3050	9690	100	–	1500	140	10,2	10,4 - 3,34 (100-1000)	1013	Низкая	Высокая
UO2	2760	10960	–	–	980	164,5	10,5	9,8 - 3,4 (100-1000)	103 (800)	–	–
Примечание: в скобках указана температура испытания,°С