Формирование структуры и микромеханических свойств сваренных взрывом титано-алюминиевых слоистых металлических и интерметаллидных композитов

Развитие высокотехнологичных отраслей промышленности, а также постоянно возрастающие требования к свойствам промышленной продукции общего и специального назначения вызывают необходимость разработки современных конструкционных и функциональных материалов с повышенными служебными свойствами и эффективных технологий их производства. Разнообразные технические задачи могут быть решены с применением деталей и узлов из слоистых композиционных материалов.

Слоистые металлические композиционные материалы (СКМ), в том числе титано-алюминиевые, применяются в машиностроении для изготовления переходников, предназначенных для сварки различных конструкций из разнородных металлов, корпусов, узлов и деталей космической аппаратуры, летательных аппаратов, химической, криогенной и атомной техники и т. д.

Получаемые различными видами сварки СКМ, фактически, являются полуфабрикатами. Для применения в различных конструкциях и узлах, получения разнообразных изделий сваренные листовые заготовки СКМ, как правило, необходимо подвергать дальнейшим технологическим переделам (прокатке, гиб-ке, штамповке, волочению и т. п.) на различных режимах температурно-силового воздействия. Исследованию процессов деформирования разнородных металлов посвящены работы Г. Э. Аркулиса, Е. И. Астрова, А. А. Быкова, Н. П. Громова, С. А. Голованенко, П. Ф. Засухи, А. Г. Кобелева, В. К. Короля, П. И. Полухина и др., в которых авторами, в основном, рассматривались возможности получения композиционных материалов, в том числе, титано-алюминиевых СКМ, совместной прокаткой.

До сих пор остаются недостаточно изученными вопросы влияния величины и знака деформации, реализуемой в процессе операций формообразования, темпе-ратурно-временных условий термообработки и других видов нагружения, применяемых к СКМ, на их механические и физические свойства, параметры тонкой структуры, а также кинетику диффузионного взаимодействия в зоне соединения однородных и разнородных металлов. Исследование этих и других вопросов, связанных с деформированием СКМ и влиянием деформации на структуру и свойства слоистых композитов представляет большой интерес, как для научных, так и для производственных целей.

Известно, что в слоистых титано-алюминиевых композитах, состоящих из разнородных по физико-механическим свойствам металлов, при технологических и эксплуатационных нагревах возможно протекание диффузионных процессов и, как следствие, образование хрупких интерметаллидных прослоек на границе соединения. Существующие сведения об изучении кинетики формирования диффузионных прослоек в металлических композиционных материалах, в том числе титано-алюминиевых, опубликованы в работах J1.H. Ларикова, В. И. Лысака, П. О. Пашкова, B.C. Седыха, Ю. П. Трыкова, В. Р. Рябова, В. М. Фальченко, Д. А. Фридлянда и др. Полученные опытные данные о процессах диффузионного взаимодействия при нагревах титано-алюминиевых композиционных материалов позволяют утверждать, что образование и рост интерметаллидных фаз в зоне соединения титан-алюминий свыше определенной толщины способны приводить к недопустимому снижению прочностных и эксплуатационных характеристик этих материалов. Однако важные вопросы, касающиеся влияния технологических переделов СКМ на диффузионное взаимодействие их компонентов мало изучены, а имеющиеся сведения разрознены, иногда разноречивы или носят информационный характер.

В последнее время на базе исследования диффузионных процессов в СКМ активно разрабатываются комплексные технологии изготовления слоистых интерметаллидных композитов (СИК), обладающих уникальным сочетанием тепло-физических и жаропрочностных свойств. На кафедре «Материаловедение и композиционные материалы» Волгоградского государственного технического университета разработаны комплексные технологии производства слоистых интерметаллидных композитов на основе сочетаний Cu-Al, Fe-Ti, Fe-Al, Mg-Al и др. Однако применение таких технологий для получения титано-алюминиевых СИК по ряду изложенных ниже причин оставалось нерешенной задачей.

Поэтому исследование структуры и механических свойств практически актуальных слоистых металлических композитов ОТ4 — АД1 — АМгб, ВТ1−0-АД1 после деформационных и термических воздействий, а также изучение кинетики роста интерметаллических соединений в этих материалах для разработки эффективных комплексных технологий получения титано-алюминиевых слоистых интерметаллидных композитов является актуальной задачей.

Цель работы: разработка методов получения титано-алюминиевых слоистых металлических и интерметаллидных композитов (СМК и СИК) на базе определения закономерностей формирования структурно-механической неоднородности с учетом температурно-временных и деформационных факторов.

Работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы, включающего 121 источник.

В первой главе на основе литературных данных рассмотрены области применения и основные способы получения титано-алюминиевых слоистых композитов. Приведены существующие данные о диаграмме состояния, основных интер-металлидных соединениях и взаимной растворимости в двухкомпонентной системе Ti-Al и показано, что данная система до сих пор недостаточно изучена, а по отдельным параметрам взаимодействия компонентов у разных авторов существуют значительные расхождения. Основными направлениями ранее проводимых исследований являлось изучение возможности получения слоистых композитов совместной прокаткой разнородных металлов, при этом авторами, как правило, решалась конкретная задача или выявлялась общая картина деформации. Показано, что важные вопросы, касающиеся влияния технологических переделов на диффузионную активность соединяемых слоев практически не изучены, а имеющиеся сведения разрознены или носят частный характер.

Во второй главе приведена информация о материалах, конструкции и геометрии композиционных титано-алюминиевых образцов, описаны методики проводимых исследований, применяемое оборудование и способы обработки полученных результатов. Выбраны параметры процессов силового и температурного воздействия на СКМ, применяемые в исследованиях. Описаны используемые методики оценки деформации составляющих КМ после изгиба, проведения микромеханических испытаний, а также металлографического и рентгеноструктурно-го анализов характеристик материалов и зон их диффузионного взаимодействия.

В третьей главе представлены экспериментальные данные и проведен анализ полученных результатов. Изучено распределение продольной деформации 8 в исследуемом композите ОТ4 — АД1 — АМгб после изгиба и ее влияние на микромеханические свойства его компонентов. Исследовано влияние величины деформации 8 и времени нагрева на рост интерметаллидного слоя TiAl3 при твердофазном диффузионном взаимодействии титана с алюминием в композите ОТ4 — АД1 — АМгб. На основе опытных данных количественно уточнены основные параметры диффузионных процессов в зоне соединения ОТ4-АД1 и получена аналитическая зависимость, описывающая рост интерметаллидного слоя TiAb в титано-алюминиевом композите в условиях твердофазной диффузии компонентов.

В четвертой главе приведены результаты исследований диффузионного взаимодействия титана с жидким алюминием. Показаны основные закономерности формирования интерметаллидного слоя в расплаве алюминия, температурно-временные зависимости кинетики роста интерметаллидного слоя для двухи трехслойных композиционных материалов ВТ1−0-АД1 и ВТ1−0-АД1-ВТ1−0. Исследовано влияние температуры и исходного соотношения толщин слоев на кинетику формирования интерметаллидного слоя и объемное содержание в нем частиц интерметаллида TiAb. Изучено изменение микромеханических свойств интерметаллидного слоя в зависимости от объемного содержания в нем дисперсных интерметаллидных частиц.

В пятой главе приведены примеры практической реализации результатов проведенных исследований. Предложена технология получения тонколистовых титано-алюминиевых материалов для летательных аппаратов. Разработан технологический процесс изготовления трубчатых переходников из сваренных взрывом титано-алюминиевых заготовок, включающий прокатку, термообработку и штамповку. Разработан новый способ получения титано-алюминиевых СКМ, защищенный патентом РФ 2 255 849. Спроектированы конструктивные схемы и технология получения титано-алюминиевых СИК из чередующихся слоев титана, и интерметаллида (TiAl3).

В заключении приведены выводы, отражающие основные результаты работы.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Влияние деформации изгиба на кинетику диффузии в сваренном взрывом композите ОТ4-АД1-АМг6. / Ю. П. Трыков, J1.M. Гуревич, А. Н. Жоров, Д.Н. Гу-рулев // Перспективные материалы. — 2003. — № 6 — С. 76−80.

2. Особенности деформирования и кинетика диффузии в сваренном взрывом титано-алюминиевом композите. / Ю. П. Трыков, J1.M. Гуревич, А. Н. Жоров, В. Д. Рогозин // Физика и химия обработки материалов. — 2004. — № 3. — С. 50−54.

3. Трыков, Ю. П. Диффузионные процессы в сваренных взрывом титано-алюминиевых соединениях / Ю. П. Трыков, J1.M. Гуревич, А. Н. Жоров // Конструкции из композиционных материалов. — 2005. — № 2. — С. 19−23.

4. Титано-алюминиевый композит, полученный сваркой взрывом. / В. Н. Арисова, Ю. П. Трыков, JI.M. Гуревич, А. Н. Жоров // Технология металлов. -2005.-№ 8.-С. 39−42.

5. Effect of bending deformation on the kinetics of diffusion in the explosive-welded OT4-ADl-AMg6 composite. / Ю. П. Трыков, JI.M. Гуревич, А. Н. Жоров, Д. Н. Гурулев // Journal of Advanced Materials. — 2003. — Vol.10, № 6. C. 570−575,-Англ.

6. Диффузионное взаимодействие в титано-алюминиевом биметалле ВТ1-АД1 в присутствии жидкой фазы. / Ю. П. Трыков, JI.M. Гуревич, А. Н. Жоров, В. Н. Арисова // Изв. ВолгГТУ. Сер. Материаловедение и прочность элементов конструкций: межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. — 2005. — Вып. 1, № 3. — С. 9−12.

7. Особенности деформирования при изгибе механически неоднородного ти-тано-алюминиевого композита / Ю. П. Трыков, JI.M. Гуревич, Д. Н. Гурулев, А.Н.

Жоров // Слоистые композиционные материалы — 2001: тез. докл. междунар. конф. Волгоград, 24−28 сентября 2001 /ВолгГТУ и др. — Волгоград, 2001 — С. 127−128.

8. Получение трубчатых титано-алюминиевых переходников из сваренных взрывом композитов. / Ю. П. Трыков, JI.M. Гуревич, Д. Н. Гурулев, А. Н. Жоров //Композиты — в народное хозяйство России. Композит-02: труды. Международной научно-технической конференции / Алтайский гос. технический университет и др. — Барнаул, 2002. — С. 74−76.

9. Гуревич, J1.M. Диффузионное взаимодействие в титано-алюминиевом композите после изгиба / JI.M. Гуревич, А. Н. Жоров // Прогрессивные технологии в обучении и производстве: матер. II Всерос. конф., г. Камышин, 20−23 мая 2003 г./ Камышин, технол. ин-т. (филиал) ВолгГТУ и др. — Камышин, 2003. — Т. 1- С. 187.

10. Влияние деформации на кинетику диффузии и микромеханические свойства композита ОТ4-АД1-АМг6. / Ю. П. Трыков, Д. В. Проничев, А. Н. Жоров, JI.M. Гуревич // Проблемы машиностроения и технологии материалов на рубеже веков: сб. ст. VIII Междунар. научн.-техн. конф., Пенза, 28−30.05.03 / Пензен. гос. ун-т и др.- Пенза, 2003. — Часть 1. — С. 359−362.

11. Особенности распределения деформации и микротвердости в сваренном взрывом титано-алюминиевом композите ОТ4-АД1-АМг6 после изгиба. / Ю. П. Трыков, JI.M. Гуревич, А. Н. Жоров, Д. В. Проничев // Современные технологии и материаловедение: международный сборник научных трудов / Магнитогор. гос. техн. ун-т им. Г. И. Носова и др. — Магнитогорск, 2004. — Вып. 2. — С. 182−186.

12. Изменение микромеханических характеристик при изгибе сваренного взрывом титано-алюминиевого композита. / Ю. П. Трыков, JI.M. Гуревич, Д. Н. Гурулев, А. Н. Жоров // Металловедение и прочность материалов: межвузовский сборник научных трудов / ВолгГТУ. — Волгоград, 2003. — С. 36−42.

13. Гуревич, JI.M. Кинетика диффузии в деформированном титано-алюминиевом композите / JI.M. Гуревич, Ю. П. Трыков, А. Н. Жоров //Новые перспективные материалы и технологии их получения (НПМ)-2004: сб. науч. тр. Междунар. науч. конф., Волгоград, 20−23.09.04 /ВолгГТУ и др.-Волгоград, 2004;T.II.-C. 92−93.

14. Уравнение диффузии в титано-алюминиевом композите с учетом темпе-ратурно-силовых факторов. / А. Н. Жоров, JI.M. Гуревич, Ю. П. Трыков, С.С. По-ловинко // Новые перспективные материалы и технологии их получения (НПМ) -2004: сб. науч. тр. Междунар. науч. конф., Волгоград, 20−23.09.04 /ВолгГТУ и др.-Волгоград, 2004.-Т.П.-С. 120−121.

15. Влияние условий деформирования на структурно-механическую неоднородность титано-алюминиевого композита. / Ю. П. Трыков, JI.M. Гуревич, А.Н.

Жоров, С. С. Половинко // Новые перспективные материалы и технологии их получения (НПМ) — 2004: сб. науч. тр. Междунар. науч. конф., Волгоград, 2023.09.04 /ВолгГТУ и др.-Волгоград, 2004. Т.Н.- С. 247−248.

16. Диффузия в титано-алюминиевом композите, полученном с помощью комплексной технологии. / Ю. П. Трыков, JT.M. Гуревич, А. Н. Жоров, В. Н. Арисова // Инновационные технологии в обучении и производстве: матер. III Всерос. конф., г. Камышин, 20−22 апреля 2005 г. / КТИ (филиал) ВолгГТУ и др. — Камышин, 2005.-Т.2.-С. 61−62.

17. Комплексные технологии получения тонколистового титано-алюминиевого композита. / Ю. П. Трыков, JI.M. Гуревич, А. Н. Жоров, Д.В. Про-ничев, С. В. Клочков // Инновационные технологии в обучении и производстве: матер. III Всерос. конф., г. Камышин, 20−22 апреля 2005 г. / КТИ (филиал) ВолгГТУ и др. — Камышин, 2005 — Т.2. — С. 62−63.

18. Пат. 2 255 849 Российская федерация, МПК7 В 23 К 20/08, В 32 В 15/01. Способ получения композиционного материала алюминий-титан. / Трыков Ю. П., Писарев С. П., Гуревич JI.M., Шморгун В. Г., Жоров А. Н., Абраменко С. А., Крашенинников С. В. Заявитель и патентообладатель Волгоградский гос. техн. ун-т. -№ 2 004 107 755/02- заявл. 15.03.2004; опубл. 10.07.2005 Бюл. № 19. — 9 с.

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на международных научно-технических конференциях «Слоистые композиционные материалы» (Волгоград, 2001 г.), «Новые перспективные материалы и технологии их получения (НПМ) — 2004» (Волгоград, 2004 г.), «Современные технологии и материаловедение» (Магнитогорск, 2004 г.), всероссийской научно-технической конференции «Инновационные технологии в обучении и производстве» (Камышин, 2004 — 2006 г. г.), научно-практических конференциях студентов и молодых ученых Волгограда и Волгоградской области (Волгоград, 2002 — 2006 г. г.), ежегодных научно-технических конференциях Волгоградского государственного технического университета (Волгоград, 2002 — 2006 г. г.).

Выражаю особую благодарность научному руководителю — Заслуженному деятелю науки РФ, доктору технических наук, профессору Ю. П. Трыкову и научному консультанту — кандидату технических наук, доценту JI.M. Гуревичу, за большую помощь, оказанную в процессе выполнения данной работы. Выражаю особую признательность к.т.н., доцентам В. Н. Арисовой, В. А. Локтюшину, В. Г. Шморгуну, А. Ф. Трудову за консультации и помощь, оказанные при проведении исследований, а также всем сотрудникам кафедры «Материаловедение и композиционные материалы» ВолгГТУ.

Выводы к пятой главе:

1) Разработана технология производства тонколистового слоистого композиционного материала титановый сплав ОТ4-алюминий АД1 для антиобледенитель-ных систем летательных аппаратов, включающая два возможных варианта: сварку взрывом пластин необходимой толщины либо сварку взрывом и последующую прокатку заготовок до нужных размеров. Теоретически и экспериментально установлено, что интерметаллидная прослойка в зоне соединения ОТ4-АД1, образующаяся в процессе изготовления композита имеет допустимую толщину до 2 мкм и не снижает прочности соединения слоев, а предложенная технология позволяет получать тонколистовые слоистые КМ титановый сплав ОТ4-алюминий АД1 равнопрочные алюминию.

2) На основе исследований жидкофазной диффузии разработан комплексный технологический процесс получения титано-алюминиевых слоистых КМ с теплозащитной интерметаллидной прослойкой. Особенностью данной технологии является проведение операции диффузионного отжига композита при температурах превышающих температуру плавления алюминия, в результате чего в нем формируется интерметаллидная прослойка, обладающая повышенным термическим сопротивлением, а также значительно сокращается продолжительность данной операции по сравнению с отжигом ниже температур плавления алюминия. Предложенная технология защищена патентом РФ.

3) На основе анализа существующего опыта изготовления трубчатых титано-алюминиевых переходников предложен альтернативный комплексный технологический процесс их производства, включающий сварку взрывом трехслойного КМ ОТ4-АД1-АМг6 и последующую операцию глубокой вытяжки стаканов с механической вырезкой готовых изделий. Преимуществом данного способа является проведение операции сварки взрывом более технологичных плоских, а не трубчатых заготовок, а также значительная экономия металла по сравнению с вырезкой переходника из сваренных толстолистовых композиционных пакетов.

4) На базе исследований твердофазной и жидкофазной диффузии при повышенных температурах в титано-алюминиевых слоистых композитах разработана научно обоснованная комплексная технология, позволяющая получать титано-алюминиевые слоистые интерметаллидные композиты с требуемым объемным содержанием интерметаллидной фазы, а также основные варианты конструктивного исполнения композиционных изделий.

Заключение

.

1) Установлено наличие эффекта «локального разупрочнения» околошовных зон (ОШЗ) ОТ4 до 8%, алюминия до 15%, и сплава АМгб до 6% при изгибах с деформацией до 2 — 7% и последующий разгибах до исходного состояния СКМ ОТ4-АД1-АМг6. Рентгеноструктурные исследования показали существенное уменьшение физического уширения в ОШЗ на расстоянии до 0,5 мм от границы соединения титанового и алюминиевого слоев после пластической деформации (5 -0,5%) по сравнению с состоянием после сварки взрывом. В зоне максимальных деформаций (5 = 17,5%) структурные искажения в ОШЗ титана увеличились, однако их уровень остался ниже исходного значения после СВ. В алюминии АД1 максимальные искажения кристаллической решетки после СВ наблюдались на удалении 0,5 мм, а после деформации величиной до 17,5% - на удалении 0,1 мм от границы ОТ4-АД1.

2) Исследования показали, что пластическая деформация зоны соединения ОТ4-АД1 от 0,5 до 17,5% не влияет на кинетику зарождения и роста интерметаллидной прослойки, состоящей, в основном, из TiAb. Получена математическая модель диффузии, описывающая зарождение и рост интерметаллидной прослойки в диапазоне температур 560 — 590 °C с погрешностью не более 5% и позволяющая назначать безопасные температурно-временные условия технологических нагревов композитов и прогнозировать свойства изделий из них в процессе эксплуатации.

3) Экспериментально установлено, что в результате взаимодействия титана с расплавом алюминия при термообработке композитов ВТ1−0-АД1 и ВТ1−0-АД1-ВТ1−0 структура сформировавшегося диффузионного слоя является матричной с дисперсными интерметаллидными включениями TiAb в твердом растворе на основе алюминия, а полученные толщины этих слоев многократно превышают толщины интерметаллидных прослоек после термообработки данных КМ в условиях твердофазной диффузии. Процесс диффузионного взаимодействия титана с жидким алюминием можно разделить на три характерных этапа: «начальная стадия» — малоактивный рост интерметаллидной прослойки на границе Ti-Al- «стадия. роста». — интенсивное образование дисперсных интерметаллидных частиц TiAb в результате реакции на границе с титаном и рост интерметаллидного слоя с постоянным для данной температуры содержанием TiAl3- «стадия насыщения» — увеличение объемного содержания фазы TiAl3 в интерметаллидном слое.

4. Рентгеноструктурным анализом доказано, что основной фазой, образующей при жидкофазном диффузионном взаимодействии титана и.

185 алюминия диффузионный (интерметаллидный) слой, является интерметаллид TiAl3. Существенные изменения микромеханических характеристик интерметаллидного слоя происходят при объемном содержании У0б в нем дисперсных частиц TiAl3 свыше 40−50%.

5. Показано, что структура формирующегося диффузионного слоя при взаимодействии титана с расплавом алюминия определяется соотношением скоростей гетерогенных и гомогенных реакций, зависящих от температуры термообработки. Увеличение температуры приводит к уменьшению продолжительности трех основных стадий взаимодействия, ускорению роста интерметаллидного слоя и снижению объемного содержания У0б в нем интерметаллида TiAh (V06 составляло около 80, 60 и 50% при 675, 700 и 750 °C, соответственно). В многослойных титано-алюминиевых КМ кинетика формирования и структура интерметаллидного слоя практически одинакова на каждой из границ соединения.

6. На основе результатов проведенных исследований твердофазной диффузии в титано-алюминиевых СКМ разработаны комплексные технологии производства: тонколистового биметалла титановый сплав ОТ4 — алюминий АД1 для антиобледенительных систем летательных аппаратов по двум вариантам (сварка взрывом пластин необходимой толщины либо сварка взрывом и последующая прокатка заготовок до нужных размеров), обеспечивающим получение тонколистовых слоистых КМ титановый сплав ОТ4 — алюминий АД1, равнопрочных алюминиютрубчатых титано-алюминиевых переходников, включающая сварку взрывом трехслойного СКМ ОТ4-АД1-АМг6 и последующую глубокую вытяжку стаканов с механической вырезкой из них готовых переходников, обеспечивающая экономию металла по сравнению с вырезкой переходника из сваренных толстолистовых композиционных плит.

7. На основе исследований кинетики жидкофазной диффузии предложены новые технологические схемы производства слоистых интерметаллидных композитов и разработан комплексный технологический процесс получения титано-алюминиевых слоистых КМ с теплозащитной интерметаллидной прослойкой с повышенным термическим сопротивлением, защищенный патентом РФ.