Содержание к диссертации
Введение 5
Глава I. Особенности диффузионных процессов в слоистых 11
металлических композиционных материалах
1.1 Области применения слоистых композиционных материалов 11
1.1.1. Области применения композита ОТ4-АД 1-АМгб 12
1.2 Способы получения слоистых металлических и интерметаллид- 15
ных композиционных материалов.
Способы получения титано-алюминиевых композитов 15
Комплексные технологии получения слоистых 21 интерметаллидных композитов.
1.3 Диаграмма состояния и интерметаллидные соединения 24
системы Ti-Al
Диаграмма состояния системы Ti-Al 24
Интерметалл иды в системе Ti-Al 27
Взаимная растворимость компонентов 30
1.4 Влияние режимов применяемых технологических процессов на 31
структурную неоднородность титано-алюминиевых СКМ
Влияние упруго-пластической деформации на свойства 32 композиционных материалов
Интерметаллидные соединения титана и алюминия 34 с другими металлами
Твердофазное диффузионное взаимодействие при нагреве 36 титано-алюминиевых СКМ
Взаимодействие титана с расплавом алюминия 40
1.5 Задачи исследования 43
Глава 2. Материалы, оборудование и методы исследования 45
Исследуемые материалы. 45
Методика проведения исследований. 47
Методика деформирования титано-алюминиевого КМ 47
Методика оценки остаточных пластических деформаций 49 титано- алюминиевого композита после изгиба.
Приготовление шлифов. 51
Металлографические исследования. 51
Измерение микротвердости. 54
Рентгенографические исследования. 55
Определение параметров тонкой структуры 55
Фазовый рентгеноструктурный анализ 69
2.2.7 Исследование диффузионных процессов. 62
2.3. Обработка результатов экспериментов 65
Выводы ко второй главе 67
Глава 3. Исследование влияния деформационных и термических 69
факторов на микромеханические свойства, тонкую структуру и кинетику твердофазного формирования интерметаллидов в титано-алюминиевых КМ.
3.1 Особенности распределения деформации и микротвердости 69
в сваренном взрывом титано-алюминиевом композите
ОТ4-АД1-АМг6 после изгиба
Изучение распределения деформации в титано-алюминиевом 69 композите после изгиба.
Влияние условий деформирования на механическую 80 неоднородность титано-алюминиевого композита.
Изменение микромеханических характеристик сваренного 85 взрывом титано-алюминиевого композита при деформировании по схеме изгиб+разгиб
Влияние упруго-пластического деформирования на тонкую 87 структуру титано-алюминиевого композита, полученного
сваркой взрывом
3.2 Влияние повышенных температур на микромеханические 93
свойства, тонкую структуру и кинетику диффузионного
взаимодействия компонентов титано-алюминиевого КМ
Влияние нагревов на микромеханические свойства титано- 93 алюминиевого КМ
Влияние нагревов на тонкую структуру деформированного 94 КМ
Влияние повышенных температур на кинетику роста 96 интерметаллидов в титано-алюминиевых КМ
3.2.4 Вывод уравнений диффузии 101
Выводы к третьей главе 106
Глава 4. Исследование влияния конструктивных и температурно- 108
временных факторов на кинетику жидкофазного формирования интерметаллидов в титано-алюминиевых КМ.
Проблемы получения титано-алюминиевых СИК 108
Диффузионное взаимодействие титана с жидким алюминием 109
4.2.1 Кинетика образования и роста интерметаллидного слоя 109
в композите ВТ1-0-АД1 при температуре 700С
Начальная стадия 111
Стадия роста 112
Стадия насыщения 120
4.2.2 Диффузионное взаимодействие в композите ВТ1-0-АД1 при 124
675 и 750С
4.2.2.1 .Отжиг при 675С 124
4.2.2.2.0тжиг при 750С 129
4.2.3 Влияние основных факторов диффузионного взаимодействия 132
на кинетику процесса
Влияние температуры отжига на кинетику роста 134 интерметаллидного слоя в композите ВТ1-0-АД1
Влияние исходной толщины слоя АД1 на кинетику 136 жидкофазной диффузии в титано-алюминиевом композите ВТ1-0-АД1.
Особенности диффузионных процессов в трехслойном 141 композите ВТ1-0-АД1-ВТ1-0
4.2.4 Исследование структуры, фазового состава 144
и микромеханических свойств интерметаллидного слоя
Выводы к четвертой главе 153
Глава 5. Разработка технологии изготовления титано-алюминиевых 155 композиционных материалов со специальными свойствами.
5.1 Изготовление тонколистового биметалла ОТ4-АД1 для 155
антиобледенительных систем
Сварка взрывом 155
Сварка взрывом с последующей прокаткой 157
5.2 Разработка комплексной технологии производства титано- ..„
алюминиевых композитов с особыми тепловыми свойствами
Сварка взрывом
Термообработка
5.3 Технология производства трубчатых титано-алюминиевых jg6
переходников
Сварка взрывом *"'
Штамповка 169
5.4 Комплексные технологические процессы производства титано-
алюминиевых слоистых композитов
Выводы к пятой главе 184
Заключение 185
Список использованной литературы 187
Введение к работе
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 Л.Н. 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 компози-
тов. 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 ТіАІз 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 ТіАІз 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 двух- и 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 ТіА13. Изучено изменение микромеханических свойств интерме-
таллидного слоя в зависимости от объемного содержания в нем дисперсных ин-терметаллидных 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 2255849. Спроектированы конструктивные схемы и технология получения титано-алюминиевых СИК из чередующихся слоев титана, и интерметаллида (ТіАІз).
В заключении приведены выводы, отражающие основные результаты работы.
Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:
Влияние деформации изгиба на кинетику диффузии в сваренном взрывом композите ОТ4-АД1-АМг6. / Ю.П. Трыков, Л.М. Гуревич, А.Н. Жоров, Д.Н. Гу-рулев // Перспективные материалы. - 2003. - № 6- С. 76-80.
Особенности деформирования и кинетика диффузии в сваренном взрывом титано-алюминиевом композите. / Ю.П. Трыков, Л.М. Гуревич, А.Н. Жоров, В.Д. Рогозин // Физика и химия обработки материалов. - 2004. - № 3. - С. 50-54.
Трыков, Ю.П. Диффузионные процессы в сваренных взрывом титано-алюминиевых соединениях / Ю.П. Трыков, Л.М. Гуревич, А.Н. Жоров // Конструкции из композиционных материалов. - 2005. - №2. - С. 19-23.
Титано-алюминиевый композит, полученный сваркой взрывом. / В.Н. Арисова, Ю.П. Трыков, Л.М. Гуревич, А.Н. Жоров // Технология металлов. -2005.- №8. -С. 39-42.
Effect of bending deformation on the kinetics of diffusion in the explosive-welded OT4-ADl-AMg6 composite. / Ю.П. Трыков, Л.М. Гуревич, А.Н. Жоров, Д.Н. Гурулев // Journal of Advanced Materials. - 2003. - Vol.10, №6,- С. 570-575,-Англ.
Диффузионное взаимодействие в титано-алюминиевом биметалле ВТ1-АД1 в присутствии жидкой фазы. / Ю.П. Трыков, Л.М. 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.
Особенности деформирования при изгибе механически неоднородного ти-тано-алюминиевого композита / Ю.П. Трыков, Л.М. 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.
Получение трубчатых титано-алюминиевых переходников из сваренных взрывом композитов. / Ю.П. Трыков, Л.М. 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.
Гуревич, Л.М. Диффузионное взаимодействие в титано-алюминиевом композите после изгиба / Л.М. 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.
Влияние деформации на кинетику диффузии и микромеханические свойства композита ОТ4-АД1-АМг6. / Ю.П. Трыков, Д.В. Проничев, А.Н. Жоров, Л.М. 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.
Особенности распределения деформации и микротвердости в сваренном взрывом титано-алюминиевом композите ОТ4-АД1-АМг6 после изгиба. / Ю.П. Трыков, Л.М. 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.
Изменение микромеханических характеристик при изгибе сваренного взрывом титано-алюминиевого композита. / Ю.П. Трыков, Л.М. Гуревич, Д.Н. Гурулев, А.Н. Жоров // Металловедение и прочность материалов: межвузовский сборник научных трудов / ВолгГТУ. - Волгоград, 2003. - С. 36-42.
Гуревич, Л.М. Кинетика диффузии в деформированном титано-алюминиевом композите / Л.М. 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-ТЛІ.-С. 92-93.
Уравнение диффузии в титано-алюминиевом композите с учетом темпе-ратурно-силовых факторов. / А.Н. Жоров, Л.М. Гуревич, Ю.П. Трыков, С.С. Половинко // 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.
Влияние условий деформирования на структурно-механическую неоднородность титано-алюминиевого композита. / Ю.П. Трыков, Л.М. Гуревич, А.Н.
Жоров, С.С. Половинко // 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.Н.- С. 247-248.
Диффузия в титано-алюминиевом композите, полученном с помощью комплексной технологии. / Ю.П. Трыков, Л.М. Гуревич, А.Н. Жоров, В.Н. Арисо-ва // 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.
Комплексные технологии получения тонколистового титано-алюминиевого композита. / Ю.П. Трыков, Л.М. Гуревич, А.Н. Жоров, Д.В. Про-ничев, СВ. 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.
Пат. 2255849 Российская федерация, МПК7 В 23 К 20/08, В 32 В 15/01. Способ получения композиционного материала алюминий-титан. / Трыков Ю.П., Писарев СП., Гуревич Л.М., Шморгун В.Г., Жоров А.Н., Абраменко С.А., Крашенинников СВ. Заявитель и патентообладатель Волгоградский гос. техн. ун-т. -№ 2004107755/02; 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 паук, доценту Л.М. 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.
