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