Композиты с металлическим, интерметаллидными и керамическими матрицами

1. Композиты с металлическим, интерметаллидными и керамическими матрицами С.Т. Милейко Институт физики твёрдого тела РАН, Черноголовка Московской обл., Россия 142432

2. Семейства композитов • Композиты с полимерной матрицей (КПМ) • Композиты с металлической матрицей (КММ) • Композиты с керамической матрицей (ККМ) • Углерод-углерод

3. Семейства композитов • Композиты с полимерной матрицей (КПМ) • Композиты с металлической матрицей (КММ) • Композиты с интерметаллидной матрицей (КИММ) • Композиты с керамической матрицей (ККМ) • Углерод-углерод

4. 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

5. Технические причины • Ограничения по удельному модулю упругости металлов и, соответственно, - по потенциальной прочности. • Ограничения по температурам плавления и, соответсвенно, - по температурам использования. • Ограничения по соотношению прочность – трещиностойкость .

6. Ограничения по удельному модулю упругости металлов

7. Углерод и керамика

8. Ограничения по соотношению прочность – трещиностойкость

9. Прочность – трещиностойкость КММ Boron - aluminium

10. Экономические причины • Облегчение конструкции – увеличение полезной нагрузки, экономия топлива • Повышение температуры цикла в двигателе – экономия топлива, сокращение вредных выбросов • Опережающие разработки и внедрение новых материалов, отсутствующих за границей, – рост экспорта продукции, не сырья • ...

11. Экологические причины • Облегчение конструкции – увеличение полезной нагрузки, экономия топлива • Повышение температуры цикла в двигателе – экономия топлива, сокращение вредных выбросов • Уменьшение антропогенной нагрузки на Землю • ...

12. Некоторые технические проблемы и возможные решения • Технология волокон - основанная на науке и изобретательности • Технология композитов – основанная на науке • Прочность – трещиностойкость • Жаропрочность

13. Технология монокристаллических оксидных волокон • Технология EFG (основанная на концепции Степанова): стоимость сапфирового волокна $100000 – 200000 / кг • Micro-pulling down – EFG c ног на голову, стоимость примерно та же • Технология LHPG – примерно то же

14. Какие это волкна? • Sapphire • Single crystalline garnets (i.e., YAG) • Single crystalline mullite • A variety of rhe oxide eutectics • etc. All these fibres have been obtained by using the Internal Crystallisation Method (ICM) invented in ISSP RAS by V. Kazmin and S. Mileiko

15. Метод внутренней кристаллизации

16. Метод внутренней кристаллизации

17. Internal Crystallisation Method далее

18. Метод внутренней кристаллизации 5. Dissolution of molybdenum

19. Метод внутренней кристаллизации (МВК) 5. Dissolution of molybdenum

20. МВК-волокна: форма и размеры

21. МВК-волокна: прочность и высокотемпературная ползучесть

22. 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.

23. Прочность оксидного волокна в матрице • 60s: OccuringMMCs • 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.

24. 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.

25. Сопротивление ползучести (CП) монокристаллических волокон муллита и граната YAG CПнапряжение, вызывающее 1% деформации ползучести за 100 ч

26. Технологии композитов, основанные на науке • Боро-алюминиевые элементы конструкций • Жаропрочные КММ • Жаропрочные ККМ • КИММ для повышенных температур

27. 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)

28. Вторая версия технологии: участок в ЛАС ИФТТ

29. Вторая версия технологии: участок в КБ Салют

30. Известные советские применения • НИИ Прикладной механики (ГЛОНАС) – первая версия Вторая версия: • КБ Салют • НПО Молния (Буран) • ЦНИИМ • КБ Антонова – элементы шасси АН-124

31. Жаропрочные КММ

32. Сопротивление ползучести оксид-Ni композитов Al2O3-волокно/Ni-суперсплав-матрица, 1150oC Сопротивление ползучести: напряжение, вызывающее 1% деформации ползучести за 100 ч.

33. Сопротивление ползучести оксид-Ni композитов Al2O3волокно/Ni-суперсплав-матрица, 1150oC Creep resistance: stress to cause 1% creep strain for 100 h.

34. Сопротивление ползучести оксид-Ni композитов Al2O3-Al5Y3O12-fibre/Ni-based-matrix, 1150oC

35. Сопротивление ползучести оксид-Ni композитов Al2O3-Al5Y3O12-волокно/Ni-суперсплав-матрица, 1150oC

36. Сопротивление ползучести оксид-Ni композитов Al2O3-Al5Y3O12-ZrO2-волокно/Ni-суперсплав-матрица, 1150oC

37. Сопротивление ползучести оксид-Ni композитов Al2O3-Al5Y3O12-ZrO2-fibre/Ni-based-matrix, 1150oC

38. Сопротивление ползучести оксид-Ni композитов Oxide-fibres/Ni-based-matrix, 1150oC

39. История жаропрочных сплавов

40. Будущее жаропрочных КММ Суперсплавы: Tmax ~ 1100oC Плотность 9 g/cm3 Настоящий композит: Tmax ~ 1150oC Плотность 6.7 g/cm3 The limit for Ni-based composites ~ 1200oC

41. Будущее жаропрочных КММ

42. Будущее жаропрочных КММ

43. ККМ – оксид-оксид Характерстики высокотемпературной ползучести должны быть отличными! Трещиностойкость? Такие композиты будут эффективными до ~ 1600oC.

44. КИММ: нехрупкие композиты на основе TiAl

45. КИММ: нехрупкие композиты на основе TiAl

46. КИММ: нехрупкие композиты на основе TiAl

47. Эффективность композитов в конструкциях гражданских самолётов

48. Эффективность композитов в конструкциях гражданских самолётов

49. Планер самолёта ближайшего будущего A350 B787

50. Что дальше?