Композиты с металлическим, интерметаллидными и...

Композиты с металлическим, Композиты с металлическим, интерметаллидными и керамическими интерметаллидными и керамическими

матрицамиматрицами

С.Т. МилейкоИнститут физики твёрдого тела РАН, Черноголовка

Московской обл., Россия 142432

Семейства композитов

Композиты с полимерной матрицей (КПМ) Композиты с металлической матрицей

(КММ)

Композиты с керамической матрицей (ККМ) Углерод-углерод

Семейства композитов

Композиты с полимерной матрицей (КПМ) Композиты с металлической матрицей

(КММ) Композиты с интерметаллидной матрицей

(КИММ) Композиты с керамической матрицей (ККМ) Углерод-углерод

Неизбежность широкого использования композитов – КММ, КИММ, ККМ – в

конструкциях High Tech Технические причины Экономические Экологические Политические

Слава Богу, и младое поколение руководителей начинает понимать неизбежность прихода ПКМ

Технические причины

1. Ограничения по удельному модулю упругости металлов и, соответственно, - по потенциальной прочности.

2. Ограничения по температурам плавления и, соответсвенно, - по температурам использования.

3. Ограничения по соотношению прочность – трещиностойкость .

Ограничения по удельному модулю упругости металлов

ВеществоТемпература

плавления

Модуль Юнга,

E

Плотность,

E/

oC GPa kg/m310-3 (m/s)2

Металлы

Fe 1536 200 7.87 25.4

Al 660 70 2.7 26.0

Ti 1665 100 4.5 22.2

Углерод и керамика

Вещество

Температура плавления

или сублимации

Модуль Юнга,

E

Плотность,

E/

oC GPa kg/m310-3 (m/s)2

УглеродНитевидные кристаллы

графитаи

Нанотрубки3503 1000/1700 2.5 400/600

Керамики

SiC 2600 460 3.2 143.8

B4C 2470 450 2.5 180

B 2300 400 2.7 148.1

Al2O3 2050 400 3.97 100.8

Ограничения по соотношению прочность – трещиностойкость

1000 150020

40

60

80

100

120

140

160

Cri

tical

str

ess

inte

nsity

fac

tor

/ M

Pa.

м1/

2Strength / MPa

Ti alloys

500 1000 1500 2000 25000

100

200

300

Cri

tical

str

ess

inte

nsity

fac

tor

/ M

Pa.

м1/

2

Strength / MPa

Steels

0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40

20

40

60

80

Crit

ical

str

ess

inte

nsity

fact

or /

MP

a.m

1/2

Fibre volume fraction0.0 0.1 0.2 0.3 0.40

200

400

600

800

1000

Str

en

gth

/ M

Pa

Fibre volume fraction

B-Al

Boron - aluminium

Прочность – трещиностойкость КММ

Экономические причины

1. Облегчение конструкции – увеличение полезной нагрузки, экономия топлива

2. Повышение температуры цикла в двигателе – экономия топлива, сокращение вредных выбросов

3. Опережающие разработки и внедрение новых материалов, отсутствующих за границей, – рост экспорта продукции, не сырья

4. ...

Экологические причины

1. Облегчение конструкции – увеличение полезной нагрузки, экономия топлива

2. Повышение температуры цикла в двигателе – экономия топлива, сокращение вредных выбросов

3. Уменьшение антропогенной нагрузки на Землю

4. ...

Некоторые технические проблемы и возможные решения

1. Технология волокон - основанная на науке и изобретательности

2. Технология композитов – основанная на науке

3. Прочность – трещиностойкость

4. Жаропрочность

Технология монокристаллических оксидных волокон

1. Технология EFG (основанная на концепции Степанова): стоимость сапфирового волокна $100000 – 200000 / кг

2. Micro-pulling down – EFG c ног на голову, стоимость примерно та же

3. Технология LHPG – примерно то же

Какие это волкнаКакие это волкна? ?

SapphireSingle crystalline garnets (i.e., YAG)Single crystalline mulliteA variety of rhe oxide eutecticsetc.

All these fibres have been obtained by using the Internal Crystallisation Method (ICM) invented in ISSP RAS by V. Kazmin and S. Mileiko

Метод внутренней кристаллизации

Метод внутренней кристаллизации

Internal Crystallisation MethodInternal Crystallisation Method

далее

Метод внутренней кристаллизации

5. Dissolution of molybdenum

Метод внутренней кристаллизации (МВК)

5. Dissolution of molybdenum

МВК-волокна: форма и размеры

МВК-волокна: прочность и высокотемпературная ползучесть

Прочность волокна

1998 : Asthana, R., Tewari, S. N., Draper, S. L. Strength degradation of sapphire fibers during pressure casting of a sapphire-reinforced Ni-base superalloy. Metall. Mater. Trans., 1998, 29A, 1527-1530.

S.T.Mileiko, N.S.Sarkissyan, A.A.Kolchin, V.M.Kiiko, Oxide fibres in a Ni-based matrix – do they degrade or become stronger? Journal of Materials: Design and Applications, 218 (2004) No L3, 193-200.

R. Asthana, S.T. Mileiko, and N. Sobczak, Wettability and interface considerations in advanced heat-resistant Ni-based composites, Bulletin of the Polish Academy of Sciences, Technical Sciences, Vol. 54, No. 2, 2006, 147-166.

Прочность оксидного волокна в матрице

60s: Occuring MMCs 19 : Calow 19 : LaBelle HE, Jr., Mlavsky AI, Growth of sapphire filaments from the melt.

Nature ,1967, 216, 574-575. 1998 : Asthana, R., Tewari, S. N., Draper, S. L. Strength degradation of sapphire

fibers during pressure casting of a sapphire-reinforced Ni-base superalloy. Metall. Mater. Trans., 1998, 29A, 1527-1530.

S.T.Mileiko, N.S.Sarkissyan, A.A.Kolchin, V.M.Kiiko, Oxide fibres in a Ni-based matrix – do they degrade or become stronger? Journal of Materials: Design and Applications, 218 (2004) No L3, 193-200.

R. Asthana, S.T. Mileiko, and N. Sobczak, Wettability and interface considerations in advanced heat-resistant Ni-based composites, Bulletin of the Polish Academy of Sciences, Technical Sciences, Vol. 54, No. 2, 2006, 147-166.

Yes, the fibres degrade in a Ni-based matrix. However, the same matrix heals surface defects,

which lower the strength of fibres extracted from the matrix.

Moreover, the matrix heals surface defects existing in the as-received fibres provided an intimate contact on the interface is observed.

The latter is a necessary condition to form a strong interface to make the fibre to contribute their inherent strength to mechanical properties of the composite.

Сопротивление ползучести (CП) монокристаллических волокон муллита и

граната YAG

CП напряжение, вызывающее 1% деформации ползучести за 100 ч

Технологии композитов, основанные на науке

1. Боро-алюминиевые элементы конструкций

2. Жаропрочные КММ

3. Жаропрочные ККМ

4. КИММ для повышенных температур

Боро-алюминиевые элементы конструкций (трубы, оболочки)

Делать “в лобовой атаке”: газовое давление ~ 1000 атм при температуре ~ 500оС – дорого, недостижимы потенциально предельные величины прочности (первая версия технологии – ИФТТ-ЦНИИМВ).

Делать по науке: температура снижена до ~ 350оС, прочность выше за счёт возможной оптимизации структуры (вторая версия технологии ИФТТ)

Вторая версия технологии: участок в ЛАС ИФТТ

Вторая версия технологии: участок в КБ Салют

Известные советские применения

НИИ Прикладной механики (ГЛОНАС) – первая версия

Вторая версия: КБ Салют НПО Молния (Буран) ЦНИИМ

КБ Антонова – элементы шасси АН-124

Жаропрочные КММ

Al2O3-волокно/Ni-суперсплав-матрица, 1150oC

Сопротивление ползучести: напряжение, вызывающее 1% деформации ползучести за 100 ч.

Сопротивление ползучести оксид-Ni композитов

Al2O3 волокно/Ni-суперсплав-матрица, 1150oC

Creep resistance: stress to cause 1% creep strain for 100 h.

Сопротивление ползучести оксид-Ni композитов

Al2O3-Al5Y3O12-fibre/Ni-based-matrix, 1150oC

Сопротивление ползучести оксид-Ni композитов

Al2O3-Al5Y3O12-волокно/Ni-суперсплав-матрица, 1150oC

Сопротивление ползучести оксид-Ni композитов

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45

60

80

100

120

140

160

C

ree

p r

esi

sta

nce

/ M

Pa

Fibre volume fraction

AYZ/Ni-based, 1150oC

Сопротивление ползучести оксид-Ni композитов

Al2O3-Al5Y3O12-ZrO2-волокно/Ni-суперсплав-матрица, 1150oC

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45

60

80

100

120

140

160

C

ree

p r

esi

sta

nce

/ M

Pa

Fibre volume fraction

AYZ/Ni-based, 1150oC

Сопротивление ползучести оксид-Ni композитов

Al2O3-Al5Y3O12-ZrO2-fibre/Ni-based-matrix, 1150oC

Сопротивление ползучести оксид-Ni композитов

Oxide-fibres/Ni-based-matrix, 1150oC

1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020

800

900

1000

1100

1200

TE

MP

ER

AT

UR

E /

оС

YEARS

DIRECTIONALLY SOLIDIFIED

SINGLE CRYSTALLINE

История жаропрочных сплавов

1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020

800

900

1000

1100

1200

TE

MP

ER

AT

UR

E /

оС

YEARS

OXIDE/Ni - COMPOSITES

DIRECTIONALLY SOLIDIFIED

SINGLE CRYSTALLINE

Суперсплавы:Tmax ~ 1100oCПлотность 9 g/cm3

Настоящий композит:Tmax ~ 1150oCПлотность 6.7 g/cm3

The limit for Ni-based composites ~ 1200oC

Будущее жаропрочных КММ

1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020

800

900

1000

1100

1200

TE

MP

ER

AT

UR

E /

оС

YEARS

OXIDE/Ni - COMPOSITES

WROUGHT

CAST

DIRECTIONALLY SOLIDIFIED

SINGLE CRYSTALLINE

Будущее жаропрочных КММ

1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020

800

1000

1200

1400

TE

MP

ER

AT

UR

E /

оС

YEARS

OXIDE/Ni - COMPOSITES

WROUGHT

CAST

DIRECTIONALLY SOLIDIFIED

SINGLE CRYSTALLINE

Changing matrix

Будущее жаропрочных КММ

ККМ – оксид-оксид

Характерстики высокотемпературной ползучести должны быть отличными!

Такие композиты будут эффективными до ~ 1600oC.

Трещиностойкость?

КИММ: нехрупкие композиты на основе TiAl

КИММ: нехрупкие композиты на основе TiAl

КИММ: нехрупкие композиты на основе TiAl

Эффективность композитов в конструкциях гражданских

самолётов

Эффективность композитов в конструкциях гражданских

самолётов

1950 1960 1970 1980 1990 2000 20102

4

6

8

10

12

A300-600

Рас

ход

топ

лив

а в

л н

а 1

пасс

. на

100

км

Годы

Ту-104

Ил-96-300B707-120B

A380Ту-204Начало композитов

25%

B787

50% !!!

A350:53% !!!

Планер самолёта ближайшего будущего

(а) (б)

A350 B787

Что дальше?

Что дальше?

1. Замена существенной части металлических сплавов в планере КММ – боро-алюминий, композиты на основе титана с бОльшим модулем упругости, ...

2. Двигатель 6-го поколения, построенный на композитах

Выбор стратегии

1. Догонять ?– Никогда не догоним! ДиП был возможен в 30-е

годы

2. Опережать!– Вернём лидирующие позиции

M. Bourgeon (Snecma Propulsion Solide, France) Thermostructural Materials in Aerospace Industry: Applications and Standardization

Это есть главная политическая причина перехода на современные

(ПМК) новые композиты

Следует понимать:

Если в прошлом веке атрибутом развитой страны являлось производство стали,

алюминия, титана и тп, то в первой половине 21 века таковым ЯВЛЯЕТСЯ (УЖЕ

ЯВЛЯЕТСЯ!) производство конструкционных волокон (углеволокна,

оксидные, карбид-кремниевые - примеры)

Если в прошлом веке атрибутом развитой страны являлось производство стали,

алюминия, титана и тп, то в первой половине 21 века таковым ЯВЛЯЕТСЯ (УЖЕ

ЯВЛЯЕТСЯ!) производство конструкционных волокон – углеволокна

50000 т, карбид-кремниевых 70 т

Технологические платформы Технологические платформы МинэкономразвитияМинэкономразвития

Композиты с Композиты с металлическим, металлическим,

интерметаллидными и интерметаллидными и керамическими матрицамикерамическими матрицами