RU2568407C1 - Fibrous composite material with matrix based on niobium - Google Patents
Fibrous composite material with matrix based on niobium Download PDFInfo
- Publication number
- RU2568407C1 RU2568407C1 RU2014126623/02A RU2014126623A RU2568407C1 RU 2568407 C1 RU2568407 C1 RU 2568407C1 RU 2014126623/02 A RU2014126623/02 A RU 2014126623/02A RU 2014126623 A RU2014126623 A RU 2014126623A RU 2568407 C1 RU2568407 C1 RU 2568407C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- niobium
- composite material
- matrix
- fibrous composite
- fibers
- Prior art date
Links
Landscapes
- Manufacture Of Alloys Or Alloy Compounds (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к волокнистым металломатричным композиционным материалам, а именно к высокотемпературным композиционным материалам на основе ниобия, упрочненным оксидными волокнами, применяемым для изготовления конструкционных деталей авиационного назначения при температурах до 1700°C.The invention relates to fibrous metal matrix composite materials, namely to high-temperature composite materials based on niobium, reinforced with oxide fibers, used for the manufacture of structural parts for aviation purposes at temperatures up to 1700 ° C.
Повышение рабочих температур газовых турбин требует новых жаропрочных конструкционных материалов с высокими механическими свойствами и окислительной стойкостью при повышенных температурах. В качестве кандидатов таких материалов рассматривают металломатричные композиционные материалы, упрочненные оксидными волокнами.Increasing the operating temperatures of gas turbines requires new heat-resistant structural materials with high mechanical properties and oxidative stability at elevated temperatures. As candidates for such materials, metal matrix composite materials reinforced with oxide fibers are considered.
Известен волокнистый композиционный материал с металлической матрицей, получаемый путем нанесения на слои волокнистого материала металлических покрытий, образующих металлическую матрицу. Волокна могут быть стеклянными, углеродными и/или арамидными, волокнистый материал может быть образован системой уложенных определенным образом волокон, например нетканым материалом, или тканью, или плетеным изделием из волокон. Слои металла могут содержать алюминий, медь, никель (Патент РФ №2465364, опубл. 27.02.2011). Основным недостатком данного материала является его невысокая рабочая температура, обусловленная невысокими температурами плавления металлов, образующих матрицу. Материал предложено использовать в конструкциях крыла самолета, при изготовлении автомобилей и спортивных снарядов, однако он неприменим в качестве конструкционного материала при высоких температурах.Known fibrous composite material with a metal matrix, obtained by applying layers of fibrous material of metal coatings forming a metal matrix. The fibers can be glass, carbon and / or aramid, the fibrous material can be formed by a system of fibers laid in a specific way, for example, non-woven material, or fabric, or a woven fiber product. The metal layers may contain aluminum, copper, nickel (RF Patent No. 2465364, publ. 02.27.2011). The main disadvantage of this material is its low operating temperature, due to the low melting points of the metals forming the matrix. It is proposed to use the material in aircraft wing structures, in the manufacture of automobiles and sports equipment, but it is not applicable as a structural material at high temperatures.
Известен жаропрочный композиционный материал на основе интерметаллической матрицы алюминида никеля (NiAl), армированной монокристаллическими волокнами оксида алюминия (Аl2О3), получаемый методом горячего прессования («Front. Mater. Science China», 2008, №2, стр. 182-193). Такой материал имеет более высокую температуру эксплуатации по сравнению с предыдущим аналогом, однако максимальная рабочая температура такого материала не превышает 1380°C, что обусловлено температурой плавления NiAl~1650°C.Known heat-resistant composite material based on an intermetallic matrix of nickel aluminide (NiAl) reinforced with monocrystalline fibers of aluminum oxide (Al 2 About 3 ), obtained by hot pressing ("Front. Mater. Science China", 2008, No. 2, pp. 182-193 ) Such a material has a higher operating temperature compared to the previous analogue, however, the maximum working temperature of such a material does not exceed 1380 ° C, which is due to the melting point of NiAl ~ 1650 ° C.
Известен волокнистый композиционный материал, выбранный авторами за прототип. Это волокнистый композиционный материал с матрицей на основе ниобия, армированный монокристаллическим волокном оксида алюминия (слои монокристаллических волокон оксида алюминия и фольги ниобия), получаемый вакуумным горячим прессованием слоистой заготовки (Composites Science and Technology, vol. 51, 1994, pages. 27-33). Основной недостаток данного материала - образование пористых зон и так называемых «ушей» между волокнами при прессовании слоев волокна и ниобиевой фольги, а также проблематичность получения изделия сложной формы. Кроме того, при размещении волокна монокристаллического оксида алюминия между слоями фольги и последующем горячем прессовании заготовки сложно предотвратить смещение волокна и обеспечить его равномерное распределение в материале, а следовательно, получить равномерность свойств композиционного материала и необходимые прочностные свойства.Known fibrous composite material selected by the authors for the prototype. This is a fiber composite material with a niobium-based matrix reinforced with a single crystal alumina fiber (layers of single crystal alumina fibers and niobium foil), obtained by vacuum hot pressing a laminated preform (Composites Science and Technology, vol. 51, 1994, pages. 27-33) . The main disadvantage of this material is the formation of porous zones and the so-called “ears” between the fibers when pressing the layers of fiber and niobium foil, as well as the difficulty of obtaining a product of complex shape. In addition, when placing monocrystalline aluminum oxide fiber between the foil layers and subsequent hot pressing of the preform, it is difficult to prevent the fiber from shifting and ensure its uniform distribution in the material, and therefore, to obtain uniformity of the properties of the composite material and the necessary strength properties.
Целью данного изобретения является создание волокнистого композиционного материала для изготовления конструкционных деталей авиационного назначения при температурах до 1700°C с высокими прочностными свойствами при повышенных температурах.The aim of this invention is the creation of a fibrous composite material for the manufacture of structural parts for aviation purposes at temperatures up to 1700 ° C with high strength properties at elevated temperatures.
Техническим результатом данного изобретения является композиционный материал с металлической матрицей, армированный монокристаллическими волокнами оксида алюминия, с высокими прочностными свойствами (σизг - прочностью на изгиб), как при комнатной, так и при повышенной температуре и с максимальной рабочей температурой до 1700°C.The technical result of the present invention is the composite material with metal matrix reinforced monocrystalline alumina fibers with high strength properties (σ mfd - flexural strength) at both room and elevated temperature and a maximum operating temperature up to 1700 ° C.
Для достижения технического результата предложен волокнистый композиционный материал с матрицей на основе ниобия, армированный монокристаллическим волокном оксида алюминия, в качестве материала матрицы на основе ниобия используют ниобий или соединения на основе ниобия, полученные путем высокоэнергетического помола, при этом используют монокристаллические волокна оксида алюминия с диаметром от 50 до 500 мкм и объемной долей в композиционном материале от 10 до 60%. На поверхности вышеуказанного волокна может быть выполнено покрытие, совместимое с материалом матрицы. Матрица на основе ниобия может содержать по меньшей мере один элемент, выбранный из группы, включающей Si, Ti, Al, Cr, Mo, W, Hf.To achieve a technical result, a fibrous composite material with a niobium-based matrix reinforced with a single crystal alumina fiber is proposed, niobium is used as a niobium-based matrix material or niobium-based compounds obtained by high-energy grinding, using single-crystal alumina fibers with a diameter of 50 to 500 μm and a volume fraction of 10 to 60% in the composite material. A coating compatible with the matrix material may be provided on the surface of the above fiber. The niobium-based matrix may contain at least one element selected from the group consisting of Si, Ti, Al, Cr, Mo, W, Hf.
Материал матрицы получают путем высокоэнергетического помола исходных порошков из указанной группы, что позволяет получать композиционные гранулы с заданным химическим составом и равномерно распределенным по объему каждой гранулы фазовым составом. Высокоэнергетический помол обеспечивает механическое активирование порошка матричного материала, а также позволяет производить перемешивание одновременно с размолом, во время которого происходит механическая активация смеси, увеличивается контакт между частицами порошка, уменьшается пористость, происходит деформация или разрушение отдельных частиц порошка. В результате в процессе прессования получали заготовку нужной формы и достаточной прочности для заявленных в настоящем изобретении диапазонов диаметров монокристаллического оксидного волокна и его объемной доли в композиционном материале.The matrix material is obtained by high-energy grinding of the starting powders from the indicated group, which makes it possible to obtain composite granules with a given chemical composition and phase composition evenly distributed over the volume of each granule. High-energy grinding provides mechanical activation of the matrix material powder, and also allows mixing at the same time as grinding, during which the mixture is mechanically activated, contact between the powder particles increases, porosity decreases, deformation or destruction of individual powder particles occurs. As a result, a blank of the desired shape and sufficient strength was obtained in the pressing process for the diameters of the monocrystalline oxide fiber and its volume fraction in the composite material declared in the present invention.
Сохранение формы и прочности заготовок после прессования вызвано действием, в первую очередь, сил механического сцепления частиц порошка, электростатических сил притяжения и сил трения.The preservation of the shape and strength of the workpieces after pressing is caused by the action, first of all, of the forces of mechanical adhesion of the powder particles, electrostatic forces of attraction and friction forces.
Под совместимостью волокна и матрицы понимается способность компонентов сохранять метастабильное равновесие в определенных температурно-временных интервалах и имеет два аспекта:Fiber and matrix compatibility is understood as the ability of components to maintain metastable equilibrium in certain temperature-time intervals and has two aspects:
1) физико-химический - обеспечение достаточной связи между компонентами и ограничение на поверхностях раздела процессов химического взаимодействия и диффузии, которые могут приводить к образованию новых фаз, ухудшающих свойства матрицы, и деградации волокна;1) physical and chemical — ensuring sufficient bonding between the components and restricting chemical interaction and diffusion processes on the interface, which can lead to the formation of new phases that degrade the properties of the matrix and fiber degradation;
2) термомеханический - достижение совместимости КТР и снижение уровня термических напряжений; обеспечение рационального соотношения между деформационным упрочнением матрицы и ее способностью к релаксации напряжений, предупреждающей перегрузку и преждевременное разрушение упрочняющих фаз.2) thermomechanical - achieving KTR compatibility and reducing the level of thermal stresses; ensuring a rational relationship between the strain hardening of the matrix and its ability to stress relaxation, preventing overload and premature failure of the hardening phases.
Оксидное волокно, используемое в предложенном композиционном материале в качестве армирующего наполнителя, обладает достаточной стойкостью в контакте с ниобием при высоких температурах. Однако для обеспечения совместимости при использовании в качестве матрицы сплавов на основе ниобия желательно нанесение барьерных покрытий на волокно, например покрытий из тугоплавких металлов, карбидов титана, гафния, бора, нитридов титана и бора. Это способствует обеспечению прочных связей волокна с матрицей и предотвращает их химический контакт в процессе высокотемпературной обработки при изготовлении металломатричного композиционного материала и в процессе эксплуатации.The oxide fiber used in the proposed composite material as a reinforcing filler, has sufficient resistance in contact with niobium at high temperatures. However, to ensure compatibility when using niobium-based alloys as a matrix, it is desirable to apply barrier coatings to the fiber, for example, coatings from refractory metals, carbides of titanium, hafnium, boron, titanium nitrides and boron. This helps to ensure strong bonds of the fiber with the matrix and prevents their chemical contact during high-temperature processing in the manufacture of metal matrix composite material and during operation.
Преимуществом данного материала является его высокая прочность при изгибе при повышенных температурах, достигаемая за счет использования жаропрочной металлической матрицы на основе ниобия, полученной порошковым методом, а также армирования ее высокотермостойкими монокристаллическими оксидными волокнами.The advantage of this material is its high bending strength at elevated temperatures, achieved through the use of a heat-resistant niobium-based metal matrix obtained by the powder method, as well as by reinforcing it with highly heat-resistant single-crystal oxide fibers.
Примеры осуществленияExamples of implementation
Пример 1Example 1
Композиционный материал «10% Al2O3/Nb»Composite material "10% Al 2 O 3 / Nb"
Методом горячего прессования были изготовлены образцы композиционного материала, содержащие объемную долю 10% монокристаллических волокон оксида алюминия и матрицу из порошка ниобия. Полученные образцы были испытаны на прочность при изгибе и ударную вязкость. Результаты испытаний представлены в таблице.Composite material samples containing a volume fraction of 10% of single-crystal alumina fibers and a matrix of niobium powder were prepared by hot pressing. The resulting samples were tested for bending strength and impact strength. The test results are presented in the table.
Пример 2Example 2
Композиционный материал «10% Al2O3/TiN/Nb»Composite material "10% Al 2 O 3 / TiN / Nb"
На монокристаллические волокна оксида алюминия было нанесено покрытие нитрида титана, после чего были изготовлены образцы композиционного материала, содержащее оксидное волокно с покрытием из нитрида титана в матрице из порошка ниобия. Полученные образцы были испытаны на прочность при изгибе и ударную вязкость. Результаты испытаний представлены в таблице.Titanium nitride was coated on single-crystal alumina fibers, after which samples of a composite material were prepared containing an oxide fiber coated with titanium nitride in a matrix of niobium powder. The resulting samples were tested for bending strength and impact strength. The test results are presented in the table.
Пример 3Example 3
Композиционный материал «20% Al2O3/Nb-Si»Composite material "20% Al 2 O 3 / Nb-Si"
Методом горячего прессования были изготовлены образцы композиционного материала, содержащие объемную долю 30% монокристаллических волокон оксида иттрия и матрицу из ниобиевого сплава, содержащего 1 ат % кремния. Полученные образцы были испытаны на прочность при изгибе и ударную вязкость. Результаты испытаний представлены в таблице.Composite material samples containing a volume fraction of 30% of single-crystal yttrium oxide fibers and a matrix of niobium alloy containing 1 at% silicon were manufactured by hot pressing. The resulting samples were tested for bending strength and impact strength. The test results are presented in the table.
Пример 4Example 4
Композиционный материал «30% Аl2О3/АlNi» (по прототипу).Composite material "30% Al 2 About 3 / AlNi" (prototype).
Методом вакуумного горячего прессования были изготовлены образцы композиционного материала, содержащие объемную долю 30% монокристаллических волокон оксида алюминия и матрицу из фольги ниобия. Полученные образцы были испытаны на прочность при изгибе и ударную вязкость. Результаты испытаний (свойства композиционного материала с металлической матрицей, армированной оксидными волокнами) представлены в таблице.Composite material samples containing a volume fraction of 30% of single-crystal alumina fibers and a niobium foil matrix were manufactured by vacuum hot pressing. The resulting samples were tested for bending strength and impact strength. The test results (properties of a composite material with a metal matrix reinforced with oxide fibers) are presented in the table.
Из таблицы видно, что прочность при изгибе предложенного композиционного материала превосходит прочность материала-прототипа, особенно при повышенных температурах.The table shows that the flexural strength of the proposed composite material exceeds the strength of the material of the prototype, especially at elevated temperatures.
Во всех случаях для материала матрицы на основе ниобия использовали ниобий или соединения на основе ниобия, полученные путем высокоэнергетического помола (результата одновременного процесса размола и перемешивания исходных порошков ниобия и его соединений). Такой процесс заключается в смешивании ниобия и/или его соединений в форме порошков с использованием высокоэнергетических размольных агрегатов, например аттриторов с относительно высоким содержанием измельчающих шаров (отношение массы шаров к массе порошка лежит в диапазоне 1/100-1/50).In all cases, niobium or niobium-based compounds obtained by high-energy grinding (the result of the simultaneous grinding and mixing of the initial niobium powders and its compounds) were used for the niobium-based matrix material. Such a process consists in mixing niobium and / or its compounds in the form of powders using high-energy grinding aggregates, for example, attritors with a relatively high content of grinding balls (the ratio of the mass of balls to the mass of powder lies in the range 1 / 100-1 / 50).
Испытания проводились для заявленных в настоящем изобретении диапазонов диаметров монокристаллического оксидного волокна (от 50 до 500 мкм) и его объемной доли в композиционном материале. Необходимое для достижения технического результата объемное содержание вышеуказанных волокон было рассчитано с помощью компьютерного моделирования и подтверждено экспериментом. Прочностные свойства материала при этом превосходили прочность материала-прототипа.The tests were carried out for the ranges of diameters of a single crystal oxide fiber (from 50 to 500 μm) declared in the present invention and its volume fraction in the composite material. The volumetric content of the above fibers required to achieve a technical result was calculated using computer simulation and confirmed by experiment. The strength properties of the material in this case exceeded the strength of the prototype material.
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014126623/02A RU2568407C1 (en) | 2014-07-01 | 2014-07-01 | Fibrous composite material with matrix based on niobium |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014126623/02A RU2568407C1 (en) | 2014-07-01 | 2014-07-01 | Fibrous composite material with matrix based on niobium |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2568407C1 true RU2568407C1 (en) | 2015-11-20 |
Family
ID=54597954
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2014126623/02A RU2568407C1 (en) | 2014-07-01 | 2014-07-01 | Fibrous composite material with matrix based on niobium |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2568407C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2614230C1 (en) * | 2016-04-14 | 2017-03-23 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Центральный Научно-Исследовательский Институт Конструкционных Материалов "Прометей" (Фгуп "Цнии Км "Прометей") | Niobium-base alloy for forming 3d-products of complex shape and coatings |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6117534A (en) * | 1994-01-20 | 2000-09-12 | Research Institute Of Advanced Material Gas-Generator, Ltd. | Reinforcement for composite material and composite material using the same |
| DE10107763A1 (en) * | 2000-09-11 | 2002-12-12 | Slawomir Suchy | Measuring bonding and/or adhesion strength involves adjusting tapered rings of cylinder-tapered ring device to acquire bonding and/or adhesion strength, and calculating strength from performance characteristic line |
| RU2212306C1 (en) * | 2002-03-14 | 2003-09-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" | Method of composite material production |
| RU2465364C2 (en) * | 2007-01-24 | 2012-10-27 | Эрбус Сас | Composite fibrous material with metal matrix, and method used for its manufacture |
-
2014
- 2014-07-01 RU RU2014126623/02A patent/RU2568407C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6117534A (en) * | 1994-01-20 | 2000-09-12 | Research Institute Of Advanced Material Gas-Generator, Ltd. | Reinforcement for composite material and composite material using the same |
| DE10107763A1 (en) * | 2000-09-11 | 2002-12-12 | Slawomir Suchy | Measuring bonding and/or adhesion strength involves adjusting tapered rings of cylinder-tapered ring device to acquire bonding and/or adhesion strength, and calculating strength from performance characteristic line |
| RU2212306C1 (en) * | 2002-03-14 | 2003-09-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" | Method of composite material production |
| RU2465364C2 (en) * | 2007-01-24 | 2012-10-27 | Эрбус Сас | Composite fibrous material with metal matrix, and method used for its manufacture |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| KOSS D.A.at al, Interfacial shear and matrix plasticity during fiber push-out in a metal-matrix composite, Composites Science and Technology, 1994, vol.51, N1. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2614230C1 (en) * | 2016-04-14 | 2017-03-23 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Центральный Научно-Исследовательский Институт Конструкционных Материалов "Прометей" (Фгуп "Цнии Км "Прометей") | Niobium-base alloy for forming 3d-products of complex shape and coatings |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Vinci et al. | Mechanical behaviour of carbon fibre reinforced TaC/SiC and ZrC/SiC composites up to 2100° C | |
| Ma et al. | Effects of high-temperature annealing on the microstructures and mechanical properties of C/C–ZrC–SiC composites prepared by precursor infiltration and pyrolysis | |
| Liu et al. | Microstructure and tensile behavior of novel laminated Ti–TiBw/Ti composites by reaction hot pressing | |
| CN105565837B (en) | A kind of preparation method and applications of carbon ceramic composite material | |
| Patel et al. | Effect of oxidation and residual stress on mechanical properties of SiC seal coated C/SiC composite | |
| Qian-Gang et al. | Microstructure and anti-oxidation property of CrSi2–SiC coating for carbon/carbon composites | |
| Zilong et al. | Microstructure and mechanical performance of SiCf/BN/SiC mini-composites oxidized at elevated temperature from ambient temperature to 1500° C in air | |
| Okuni et al. | Joining of silicon carbide and graphite by spark plasma sintering | |
| Wang et al. | The study on joining carbon/carbon composites using Ti–Ni–Si compound | |
| Liu et al. | Brazing continuous carbon fiber reinforced Li2O–Al2O3–SiO2 ceramic matrix composites to Ti–6Al–4V alloy using Ag–Cu–Ti active filler metal | |
| Luo et al. | High-performance 3D SiC/PyC/SiC composites fabricated by an optimized PIP process with a new precursor and a thermal molding method | |
| Lin et al. | Combustion joinining of carbon/carbon composites by a reactive mixture of titanium and mechanically activated nickel/aluminum powders | |
| Zhang et al. | Characterization and mechanical properties of Cf/ZrB2-SiC composites fabricated by a hybrid technique based on slurry impregnation, polymer infiltration and pyrolysis and low-temperature hot pressing | |
| Wang et al. | The preparation and mechanical properties of carbon/carbon composite joints using Ti–Si–SiC–C filler as interlayer | |
| Liu et al. | Compressive behavior of Csf/AZ91D composites by liquid–solid extrusion directly following vacuum infiltration technique | |
| Kannan et al. | Processing and characterization of Cf/ZrB2-SiC-ZrC composites produced at moderate pressure and temperature | |
| Dong et al. | Effect of reinforcement shape on the stress–strain behavior of aluminum reinforced with SiC nanowire | |
| CN104163635A (en) | A ceramic adhesive and a preparing method thereof | |
| Zhou et al. | Effect of fabrication parameters on the microstructure and mechanical properties of unidirectional Mo-fiber reinforced TiAl matrix composites | |
| Zhao et al. | Mechanical properties and in situ crack growth observation of SiC/SiC composites | |
| Shi et al. | Microstructure and anti-erosion property of SiC coated 2D C/C composites by chemical vapor reaction | |
| Luo et al. | High-temperature mechanical properties of thermal barrier coated SiC/SiC composites by PIP process with a new precursor polymer | |
| RU2568407C1 (en) | Fibrous composite material with matrix based on niobium | |
| Yang et al. | ZrB2 coating for the oxidation protection of carbon fiber reinforced silicon carbide matrix composites | |
| Su et al. | Microstructure and compressive properties of Al/Al2O3 syntactic foams |