RU2731699C1

RU2731699C1 - Method of producing composite materials based on carbon fiber and metal

Info

Publication number: RU2731699C1
Application number: RU2020105321A
Authority: RU
Inventors: Сергей Тихонович Милейко; Андрей Александрович Колчин; Сергей Николаевич Галышев; Максим Юрьевич Никонович; Виктор Викторович Кедров; Дмитрий Иванович Кривцов; Александр Михайлович Руднев
Priority date: 2020-02-04
Filing date: 2020-02-04
Publication date: 2020-09-08

Abstract

FIELD: chemistry.

SUBSTANCE: invention relates to the technology of producing novel composite materials with carbon fiber and can be used, in particular, for making structural elements in aviation, aerospace engineering and marine engineering. Method of producing composite material containing carbon and metal includes assembling a stack consisting of alternating layers of metal sheet and reinforcing carbon, and impregnation of the layer of reinforcing carbon fiber formed when heated by eutectic melt, wherein prior to assembly into a package on the surface of the metal sheet or tape of titanium or nickel alloy, forming a layer containing nickel, titanium or nickel and titanium, packet is heated to temperature higher than fusion point of eutectic by not more than 100 °C, and impregnation of reinforcing carbon layer is carried out in direction perpendicular to its plane, formed by melt of eutectic Ti-Ti₂Ni.

EFFECT: invention is aimed at obtaining composite materials with reinforcing carbon and metal matrix, having specific mechanical characteristics exceeding composite materials with a polymer matrix and alloys.

1 cl, 5 dwg, 1 tbl, 5 ex

Description

Изобретение относится к технологии получения новых композиционных материалов с металлической матрицей и углеволокном.The invention relates to a technology for producing new composite materials with a metal matrix and carbon fiber.

Изобретение может быть использовано в авиационной, ракетно-космической и морской технике для производства элементов конструкций из материалов, превосходящих по удельным механическим характеристикам металлические сплавы и композиты с полимерной матрицей в аналогичных применениях.The invention can be used in aviation, rocket-space and marine engineering for the production of structural elements from materials superior in specific mechanical characteristics to metal alloys and composites with a polymer matrix in similar applications.

В настоящее время углеволокна широко применяются в конструкциях вышеуказанных областей в качестве армирующего средства в полимерных матрицах. Полимеры оказываются технологически удобным связующим для углеволокон, поскольку связующее с малой вязкостью относительно легко пропитывает пучки угленити, состоящие из филаментов диаметром около 10 мкм. Однако это привносит и определенные ограничения в применении углепластиков. В частности: предельная температура использования не превышает 300°С (в случае применения полиимидных связующих); углепластики с однонаправленным армированием характеризуются чрезвычайно высокой анизотропией. Так, прочность в направлении армирования однонаправленного углепластика (высокопрочное волокно -эпоксидное связующее) достигает 1900 МПа при модуле Юнга 130 ГПа, аналогичные характеристики в случае высоко модульного углеволокна - 1200 МПа и 210 ГПа, соответственно [Concise Encyclopedia of Composite Materials, ed. A.Kelly, Pergamon, 1995, p.43]. Очевидная анизотропия (величина прочности и модуля Юнга для углепластикас двумя типами волокон в поперечном направлении: 50 МПа тире 10 ГПа и 35 МПа 7 ГПа, соответственно [Concise Encyclopedia of Composite Materials, ed. A. Kelly, Pergamon, 1995, p. 43] заставляют применять многонаправленное армирование в плоскости. Это приводит к тому, что, например, для композита со структурой армирования, обеспечивающей изотропию механических характеристик в плоскости (0°/90°/±45°) величины прочности и модуля Юнга композитов с высокопрочным углеволокном равны 600 МПа и 50 ГПа, соответственно, для композитов с высокомодульными волокнами эти величины 350 МПа и 75 ГПа, соответственно [Concise Encyclopedia of Composite Materials, ed. A/Kelly, Pergamon, 1995, p. 44]. Столь же большая анизотропия прочности современных углепластиков демонстрируется в материалах основного производителя углеволокна - компании Torey [http://www.torayca.com/en/lineup/product/gt_z600.html].Currently, carbon fibers are widely used in the structures of the above-mentioned areas as a reinforcing agent in polymer matrices. Polymers turn out to be a technologically convenient binder for carbon fibers, since a binder with a low viscosity relatively easily impregnates bundles of carbonium, consisting of filaments about 10 μm in diameter. However, this also introduces certain limitations in the use of CFRPs. In particular: the limiting temperature of use does not exceed 300 ° C (in the case of using polyimide binders); unidirectional CFRPs are characterized by extremely high anisotropy. Thus, the strength in the direction of reinforcement of unidirectional carbon fiber (high-strength fiber-epoxy binder) reaches 1900 MPa at Young's modulus of 130 GPa, similar characteristics in the case of highly modular carbon fiber - 1200 MPa and 210 GPa, respectively [Concise Encyclopedia of Composite Materials, ed. A. Kelly, Pergamon, 1995, p. 43]. Obvious anisotropy (strength and Young's modulus for CFRP with two types of fibers in the transverse direction: 50 MPa dash 10 GPa and 35 MPa 7 GPa, respectively [Concise Encyclopedia of Composite Materials, ed. A. Kelly, Pergamon, 1995, p. 43] force to apply multidirectional reinforcement in the plane.This leads to the fact that, for example, for a composite with a reinforcement structure providing isotropy of mechanical characteristics in the plane (0 ° / 90 ° / ± 45 °), the values of strength and Young's modulus of composites with high-strength carbon fiber are equal to 600 MPa and 50 GPa, respectively, for composites with high modulus fibers, these values are 350 MPa and 75 GPa, respectively [Concise Encyclopedia of Composite Materials, ed. A / Kelly, Pergamon, 1995, p. 44]. Equally large strength anisotropy of modern CFRPs Demonstrated by Torey, a major carbon fiber manufacturer [http://www.torayca.com/en/lineup/product/gt_z600.html].

Малый диаметр филаментов не позволяет их эффективное использование в твердофазных технологических процессах, хорошо развитых в случаях армирования металлической матрицей волокнами с диаметром более 100 мкм. Примерами таких технологий могут служить технологии, применяемые в производстве изделий из боро-алюминиевых композитов (Патент SU 1331097 Способ изготовления изделий из волокнистых композиционных материалов с металлической матрицей Авторы: Милейко С.Т., Грязнов В.П., Сулейманов Ф.Х., Милейко Н.С., Михеев В.И.) или из композитов SiC - волокна/титановая матрица (Ch. Leyens, F. Kocian, J. Hausmann, W.A. Kaysser, Materials and design concepts for high performance compressor components, Aerospace Science and Technology 7 (2003) 201-210).The small diameter of filaments does not allow their efficient use in solid-phase technological processes, which are well developed in cases of reinforcement with a metal matrix with fibers with a diameter of more than 100 μm. Examples of such technologies are technologies used in the production of products from boron-aluminum composites (Patent SU 1331097 Method of manufacturing products from fibrous composite materials with a metal matrix Authors: Mileiko S.T., Gryaznov V.P., Suleimanov F.Kh., Mileiko N.S., Mikheev V.I.) or from SiC composites - fibers / titanium matrix (Ch. Leyens, F. Kocian, J. Hausmann, WA Kaysser, Materials and design concepts for high performance compressor components, Aerospace Science and Technology 7 (2003) 201-210).

Прямые жидко-фазные технологии для получения углеметаллических композитов либо ведут к образованию нежелательных карбидов на границе раздела волокна и матрицы в случае матриц с относительно низкой температурой плавления (алюминий является примером), которые ослабляют границу раздела и приводят к катастрофическому падению прочности, либо вообще неприменимы (случай титановой матрицы), поскольку даже кратковременный контакт титана с углеродом превратит углеволокно в поликристаллический хрупкий и непрочный карбид титана.Direct liquid-phase technologies for the production of coal-metal composites either lead to the formation of undesirable carbides at the fiber-matrix interface in the case of matrices with a relatively low melting point (aluminum is an example), which weaken the interface and lead to a catastrophic drop in strength, or are generally not applicable ( the case of a titanium matrix), since even a short-term contact of titanium with carbon will transform carbon fiber into polycrystalline brittle and fragile titanium carbide.

Настоящее изобретение относится к получению композитов с матрицами, температура плавления которых выше температуры плавления алюминия. Такого типа композиты получаются либо методами порошковой металлургии. Примером могут служить композиты с углеволокном и титановой матрицей [Mileiko S.T., Rudnev A.M., Gelachov M.V. Low cost PM route for titanium matrix carbon fibre composites, Powder Metallurgy 39 (1996) 97-99]. В этом случае рубленое волокно смешивается с порошком титана, смесь подвергается горячему прессованию с последующим контролируемым отжигом с целью формирования слоя карбида титана такой толщины, которая не приводит к уменьшению прочности волокна, но при этом растет модуль упругости композита (модуль упругости карбида титана - около 500 ГПа). Эти композиты не отличаются высокими характеристиками прочности и жесткости, поскольку в силу особенностей технологии, не удается получить материал с объемной долей волокон, превышающей 10%. Аналогичная схема с аналогичными результатами изложена в статье (С. Even, С. Arvieu, J.M. Quenisset, Powder route processing of carbon fibres reinforced titanium matrix composites, Composites Science and Technology 68 (2008) 1273-1281).The present invention relates to the preparation of composites with matrices, the melting point of which is higher than the melting point of aluminum. Composites of this type are obtained either by powder metallurgy methods. An example is composites with carbon fiber and titanium matrix [Mileiko S.T., Rudnev A.M., Gelachov M.V. Low cost PM route for titanium matrix carbon fiber composites, Powder Metallurgy 39 (1996) 97-99]. In this case, chopped fiber is mixed with titanium powder, the mixture is subjected to hot pressing followed by controlled annealing in order to form a titanium carbide layer of such a thickness that does not reduce the fiber strength, but the elastic modulus of the composite increases (the modulus of elasticity of titanium carbide is about 500 GPa). These composites do not differ in high characteristics of strength and rigidity, since, due to the peculiarities of the technology, it is not possible to obtain a material with a fiber volume fraction exceeding 10%. A similar scheme with similar results is described in the article (C. Even, C. Arvieu, J.M. Quenisset, Powder route processing of carbon fibers reinforced titanium matrix composites, Composites Science and Technology 68 (2008) 1273-1281).

Известны также композиты с никелевой и кобальтовой матрицами, которые получаются электролитическим осаждением никеля или кобальта на углеволокно с последующим спеканием (Composite Materials, Vol. 4 Metallic Matrix Composites, Ed. K.G. Kreider, Academic Press, N-Y, London, 1974 со ссылкой на патенты США 3,473,900 от 1969 г. и 3,553,820 от 1971 г. ). Технология оказывается столь непроизводительной, и механические свойства композитов столь низкими, что с конца 60-х - начала 70-х годов такие композиты и такой способ их получения в литературе не встречаются.Also known are composites with nickel and cobalt matrices, which are obtained by electrolytic deposition of nickel or cobalt on carbon fiber, followed by sintering (Composite Materials, Vol. 4 Metallic Matrix Composites, Ed.KG Kreider, Academic Press, NY, London, 1974 with reference to US patents 3,473,900 of 1969 and 3,553,820 of 1971). The technology turns out to be so unproductive, and the mechanical properties of composites are so low that since the late 60s - early 70s such composites and such a method of their preparation have not been found in the literature.

Известна также схема жидкофазной пропитки пучка углеволокон титаном, содержащим 25 и 35 весовых % меди с температурами ликвидус 1280 и 1100°С, соответственно (Toloui В., Development of carbon fibre reinforced titanium-copper composites, in: Proc. of 5th Int.Conf. Composite Mater. (ICCM-5), eds W.C. Harrigan, Jr., J. Strife, and A.K. Dhingra, Metall. Soc AIME, 1985, 773-777). Снижение температуры заливки ценой значительного содержания меди в сплаве привело к существенному снижению механических характеристик матрицы и, как следствие, к низким величинам прочности композита. Максимальные величины прочности достигаются при объемном содержании волокна 10% и равны 475 и 300 МПа для матрицы с 35 и 25% содержания меди, соответственно.There is also a known scheme of liquid-phase impregnation of a bundle of carbon fibers with titanium containing 25 and 35 wt% copper with liquidus temperatures of 1280 and 1100 ° C, respectively (Toloui V., Development of carbon fiber reinforced titanium-copper composites, in: Proc. Of 5th Int.Conf Composite Mater. (ICCM-5), eds WC Harrigan, Jr., J. Strife, and AK Dhingra, Metall. Soc AIME, 1985, 773-777). A decrease in the pouring temperature at the cost of a significant copper content in the alloy led to a significant decrease in the mechanical characteristics of the matrix and, as a consequence, to low values of the strength of the composite. The maximum strength values are achieved with a fiber volume content of 10% and are equal to 475 and 300 MPa for a matrix with 35 and 25% copper content, respectively.

Прототипом настоящего изобретения является способ получения угле-титанового композита иерархической структуры, изложенный в статье (Mileiko.S.T., Rudnev.A.M., and Gelachov.M.V., Carbon-fibre/titanium-silicide-interphase/titanium-matrix composites - fabrication, structure and mechanical properties, Comp. Sci. and Technol, 55 (1995) 255-260). В этом способе формируется промежуточная матрица, состоящая из эвтектики Ti-Ti₅Si₃ с температурой плавления 1330°С, путем пропитки углеволоконной ленты, уложенной между фольгами титанового сплава, расплавом указанной эвтектики. В предварительно подготовленный в специальном тигле расплав промежуточной матрицы, состоящий из материала с температурой плавления ниже температуры плавления основной матрицы, погружается указанная выше заготовка-пакет титановой фольги и углеволокна; в результате расплав, смачивающий углеволокно, распространяется вдоль армирующего углеволокна.The prototype of the present invention is a method for producing a carbon-titanium composite with a hierarchical structure described in the article (Mileiko.ST, Rudnev.AM, and Gelachov.MV, Carbon-fiber / titanium-silicide-interphase / titanium-matrix composites - fabrication, structure and mechanical properties, Comp Sci and Technol 55 (1995) 255-260). In this method, an intermediate matrix is formed, consisting of a Ti-Ti ₅ Si ₃ eutectic with a melting point of 1330 ° C, by impregnating a carbon fiber tape laid between the titanium alloy foils with a melt of said eutectic. In a preliminary prepared in a special crucible melt of the intermediate matrix, consisting of a material with a melting point below the melting point of the main matrix, the above blank-package of titanium foil and carbon fiber is immersed; as a result, the melt wetting the carbon fiber spreads along the reinforcing carbon fiber.

Этот способ обладает рядом существенных недостатков. Во-первых, схема сама по себе ограничивает длину получаемого таким образом композитного изделия, во-вторых, время контакта расплава с волокном зависит от координаты, направленной вдоль волокна, что приводит к непостоянной по длине изделия толщине слоя карбида металла, например, карбида титана, по длине изделия, и в-третьих, все это не позволяет управлять технологическим режимом так, чтобы поучить заданный слой карбида на поверхности волокна и, следовательно, заданные величины прочности и модуля Юнга в направлении армирования, в-четвертых, ограничивается выбор волокна только теми сортами, которые смачиваются расплавом промежуточной матрицы, в-пятых, требуется применения специального тигля.This method has a number of significant disadvantages. First, the scheme itself limits the length of the composite product obtained in this way, and secondly, the contact time of the melt with the fiber depends on the coordinate directed along the fiber, which leads to a non-constant thickness of the metal carbide layer along the length of the product, for example, titanium carbide. along the length of the product, and thirdly, all this does not allow to control the technological regime so as to obtain a given carbide layer on the fiber surface and, consequently, the given values of strength and Young's modulus in the direction of reinforcement, and fourthly, the choice of fiber is limited to only those grades , which are wetted by the melt of the intermediate matrix, fifthly, a special crucible is required.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в разработке технологии получения таких композитов как угле-титан, угле-никель и другие, превосходящих по удельным механическим характеристикам металлические сплавы и композиты с полимерной матрицей.The technical result, which the invention is aimed at, is to develop a technology for producing such composites as carbon-titanium, carbon-nickel and others, which are superior in specific mechanical characteristics to metal alloys and composites with a polymer matrix.

Для достижения названного технического результатана поверхность листа или ленты, далее - лист, металлического сплава предварительно наносится химический элемент или элементы, образующий или образующие, композицию с температурой плавления ниже температуры плавления металла матрицы путем нанесения шликера на поверхность листа, либо наложением фольги (фолы в случае более чем один химический элемент), либо иным известным способом нанесения покрытия, затем собирается пакет из чередующихся слоев указанного листа и углеволокна и нагревается до температуры, превышающей температуру плавления указанной композиции не более чем на 100°С, что сопровождается пропиткой волокна полученным расплавом промежуточной матрицы, распространяющимся в направлении, перпендикулярном к плоскости слоя армирующего углеволокна.To achieve the named technical result, the surface of a sheet or strip is applied, then a sheet, a metal alloy, a chemical element or elements forming or forming a composition with a melting point below the melting temperature of the matrix metal is preliminarily applied by applying a slip on the surface of the sheet, or by applying a foil (fouls in the case of more than one chemical element), or by another known coating method, then a stack of alternating layers of the specified sheet and carbon fiber is assembled and heated to a temperature exceeding the melting point of the specified composition by no more than 100 ° C, which is accompanied by impregnation of the fiber with the resulting melt of the intermediate matrix propagating in a direction perpendicular to the plane of the reinforcing carbon fiber layer.

Будет удобно продолжить описание настоящего изобретения со ссылкой на сопровождающие схемы и фотографии микроструктур, которые иллюстрируют предпочтительный вариант осуществления способа получения композитных материалов согласно настоящему изобретению. Возможны другие варианты осуществления настоящего изобретения, и, соответственно, особенности сопровождающих схем и фотографий нельзя считать заменяющими общность предшествующего описания настоящего изобретения.It will be convenient to continue the description of the present invention with reference to the accompanying diagrams and photographs of microstructures, which illustrate a preferred embodiment of the method for producing composite materials according to the present invention. Other embodiments of the present invention are possible, and accordingly, the features of the accompanying diagrams and photographs should not be considered as replacing the generality of the previous description of the present invention.

На данных схемах:In these diagrams:

фиг. 1 представляет схему получения композита согласно настоящему изобретению, где 1 - фольга, 2 - слой шликера, 3 - слои углеволокна;fig. 1 is a diagram of obtaining a composite according to the present invention, where 1 - foil, 2 - slip layer, 3 - carbon fiber layers;

фиг. 2 (а)-(в) представляет микроструктуру полученного композита с титановой матрицей согласно настоящему изобретению при разных приближениях, где 1 - титановая матрица, 2 - армирующий слой, содержащий углеволокно 3 и эвтектику Ti-Ti₂Ni, 4 - слой карбида титана;fig. 2 (a) - (c) represents the microstructure of the obtained composite with a titanium matrix according to the present invention at different approximations, where 1 is a titanium matrix, 2 is a reinforcing layer containing carbon fiber 3 and a Ti-Ti ₂ Ni eutectic, 4 is a titanium carbide layer;

фиг. 3 представляет кривую напряжение-перемещение в центре образца угле-титанового композита, полученного согласно настоящему изобретению, в испытаниях на изгиб с перерезывающей силой;fig. 3 is a stress-displacement curve at the center of a titanium-carbon composite specimen prepared according to the present invention in shear force bending tests;

фиг. 4 (а)-(в) представляет СЭМ-микрофотографии поверхности разрушения полученного композита согласно настоящему изобретению при разных приближениях, где 1 - титановая матрица, 2 - армирующий слой, содержащий углеволокно 3 и эвтектику Ti-Ti₂Ni, 4 - слой карбида титана;fig. 4 (a) - (c) shows SEM micrographs of the fracture surface of the obtained composite according to the present invention at different approximations, where 1 is a titanium matrix, 2 is a reinforcing layer containing carbon fiber 3 and a Ti-Ti ₂ Ni eutectic, 4 is a titanium carbide layer ;

фиг. 5 (а)-(в) представляет микроструктуру полученного композита с никелевой матрицей согласно настоящему изобретению при разных приближениях, где 1 - никелевая матрица, 2 - армирующий слой, содержащий углеволокно 3 и эвтектику Ti-Ti₂Ni, 4 - слой карбида титана.fig. 5 (a) - (c) shows the microstructure of the obtained composite with a nickel matrix according to the present invention at different approximations, where 1 is a nickel matrix, 2 is a reinforcing layer containing carbon fiber 3 and a Ti-Ti ₂ Ni eutectic, 4 is a titanium carbide layer.

Пример 1:Example 1:

На поверхность фольги 1 (Фиг. 1) титанового сплава ВТ1-0 (технически чистый титан с прочностью при комнатной температуре 350-500 МПа и модулем Юнга 110 ГПа [Авиационные материалы - Справочник, редактор А.Т. Туманов, т. 5, Москва, 1973]) толщиной 300 мкм наносится слой шликера 2, содержащего порошок никеля, так чтобы общее количество никеля в слое было бы 7.7 мг/см². Затем набирается пакет, содержащий 7 слоев фольги с нанесенным шликером и 6 слоев низкомодульного углеволокна 3. Пакет подвергается нагреву до температуры 1000°С в течение 10 мин при давлении 0.4 МПа. Микроструктура полученного композита приведена на Фиг. 2. Здесь 1 - титановая матрица, 2 - армирующий слой, содержащий углеволокно 3 и эвтектику Ti-Ti₂Ni, 4 - слой карбида титана.On the surface of the foil 1 (Fig. 1) titanium alloy VT1-0 (commercially pure titanium with strength at room temperature 350-500 MPa and Young's modulus 110 GPa [Aviation materials - Handbook, editor A.T. Tumanov, vol. 5, Moscow , 1973]) with a thickness of 300 μm, a layer of slip 2 containing nickel powder is applied, so that the total amount of nickel in the layer would be 7.7 mg / cm ² . Then a package is assembled containing 7 layers of foil with applied slip and 6 layers of low-modulus carbon fiber 3. The package is heated to a temperature of 1000 ° C for 10 min at a pressure of 0.4 MPa. The microstructure of the resulting composite is shown in FIG. 2. Here 1 is a titanium matrix, 2 is a reinforcing layer containing carbon fiber 3 and a Ti-Ti ₂ Ni eutectic, 4 is a titanium carbide layer.

Было испытано на изгиб с перерезывающей силой (3-точечный) три полученных образца. Величины прочности и нижняя оценка модуля Юнга даются в Таблица 1. Кривая деформирования образца, приведенная на Фиг. 3, свидетельствует о нехрупком разрушении композиционного материала.Shear force bending (3-point) was tested on three specimens obtained. The strength values and the lower estimate for Young's modulus are given in Table 1. The strain curve of the specimen shown in FIG. 3 indicates the non-brittle fracture of the composite material.

Пример 2:Example 2:

На поверхность фольги 1 (Фиг. 1) титанового сплава ВТ1-0 толщиной 300 мкм наносится слой шликера 2, содержащего смесь порошков никеля и титана, так чтобы соотношение массовых количеств никеля и титана было 28:72 и общее количество металлических порошков в слое было бы 0.14 г/см². Затем набирается пакет, содержащий 7 слоев фольги с нанесенным шликером и 6 слоев низкомодульного углеволокна 3. Пакет подвергается нагреву до температуры 1000°С в течение 1 мин при давлении 1.3 МПа. Микроструктура полученного композита приведена на Фиг. 4. Обозначения те же, что и на Фиг. 2.A layer of slip 2 containing a mixture of nickel and titanium powders is applied to the surface of foil 1 (Fig. 1) of titanium alloy VT1-0 with a thickness of 300 μm, so that the ratio of the mass amounts of nickel and titanium is 28:72 and the total amount of metal powders in the layer is 0.14 g / cm ² . Then a package is assembled containing 7 layers of foil with applied slip and 6 layers of low-modulus carbon fiber 3. The package is heated to a temperature of 1000 ° C for 1 min at a pressure of 1.3 MPa. The microstructure of the resulting composite is shown in FIG. 4. The designations are the same as in FIG. 2.

Пример 3:Example 3:

На поверхность фольги 1 (Фиг. 1) никелевого сплава НП1 (технически чистый никель с прочностью при комнатной температуре 370-540 МПа и модулем Юнга 220 ГПа [Авиационные материалы - Справочник, редактор А.Т. Туманов, т. 3, Москва, 1973]) толщиной 100 мкм наносится слой шликера 2, содержащего порошок титана, так чтобы общее количество титана с слое было бы 19.8 мг/см². Затем набирается пакет, содержащий 7 слоев фольги с нанесенным шликером и 6 слоев низкомодульного углеволокна 3. Пакет подвергается нагреву до температуры 1000°С в течение 10 мин при давлении 0.4 МПа. Микроструктура полученного композита приведена на Фиг. 5. Здесь 1 - никелевая матрица, 2 - армирующий слой, содержащий углеволокно 3 и эвтектику Ti-Ti₂Ni, 4 - слой карбида титана.On the surface of foil 1 (Fig. 1) nickel alloy NP1 (commercially pure nickel with strength at room temperature 370-540 MPa and Young's modulus of 220 GPa [Aviation materials - Handbook, editor AT Tumanov, vol. 3, Moscow, 1973 ]) with a thickness of 100 microns, a layer of slip 2 containing titanium powder is applied, so that the total amount of titanium with the layer would be 19.8 mg / cm ² . Then a package is assembled containing 7 layers of foil with applied slip and 6 layers of low-modulus carbon fiber 3. The package is heated to a temperature of 1000 ° C for 10 min at a pressure of 0.4 MPa. The microstructure of the resulting composite is shown in FIG. 5. Here 1 is a nickel matrix, 2 is a reinforcing layer containing carbon fiber 3 and a Ti-Ti ₂ Ni eutectic, 4 is a titanium carbide layer.

Пример 4:Example 4:

На поверхность фольги 1 (Фиг. 1) титанового сплава ВТ1-0 толщиной 300 мкм электролитически осаждается слой никеля 2 толщиной 20 мкм. Затем набирается пакет, содержащий 7 слоев фольги с осажденным никелем и 6 слоев низкомодульного углеволокна 3. Пакет подвергается нагреву до температуры 1000°С в течение 1 мин при давлении 1 МПа.On the surface of the foil 1 (Fig. 1) titanium alloy VT1-0 with a thickness of 300 microns, a nickel layer 2 with a thickness of 20 microns is electrolytically deposited. Then a package containing 7 layers of foil with deposited nickel and 6 layers of low-modulus carbon fiber 3 is assembled. The package is heated to a temperature of 1000 ° C for 1 min at a pressure of 1 MPa.

Пример 5:Example 5:

На поверхности титановой ленты толщиной 200 мкм с помощью точечной сварки закрепляется фольга никелевого сплава 96%Ni-4%Co толщиной 10 мкм. Затем лента помещается в вакуумную камеру. Двухслойная лента протягивается через зону нагрева со скоростью, обеспечивающей плавление поверхностного слоя с образованием эвтектики Ti-Ti₂Ni. Далее полученная лента разрезается на отрезки в соответствии с формой подлежащего изготовлению изделия, производится выкладка чередующихся слоев двухслойной ленты углеволокна. Следующий шаг - полученная заготовка помещается в пресс-форму, находящуюся в вакуумной камере и подвергается штамповке при температуре 1000°С для придания заданной формы и размеров изделия.On the surface of a titanium strip with a thickness of 200 µm, a nickel alloy foil 96% Ni-4% Co with a thickness of 10 µm is fixed by spot welding. The tape is then placed in a vacuum chamber. The two-layer tape is pulled through the heating zone at a rate that melts the surface layer to form the Ti-Ti ₂ Ni eutectic. Next, the resulting tape is cut into pieces in accordance with the shape of the product to be manufactured, and alternating layers of a two-layer carbon fiber tape are laid out. The next step - the resulting workpiece is placed in a mold located in a vacuum chamber and stamped at a temperature of 1000 ° C to give the desired shape and dimensions of the product.

Claims

A method for producing a composite material containing carbon fiber and metal, comprising assembling a package consisting of alternating layers of a metal sheet or tape and reinforcing carbon fiber, and impregnating a layer of reinforcing carbon fiber with a eutectic melt formed upon heating, characterized in that before being assembled into a package on the surface of a metal sheet or titanium or nickel alloy strips form a layer containing nickel, titanium or nickel and titanium, the package is heated to a temperature exceeding the melting point of the eutectic by no more than 100 ° C, and the reinforcing carbon fiber layer is impregnated in a direction perpendicular to its plane formed melted eutectic Ti-Ti ₂ Ni.