Введение к работе
Актуальность работы. Сварка взрывом (СВ) в силу ряда ее специфических особенностей является одним из эффективных методов получения слоистых металлических композитов (СКМ) различного строения и назначения. Сложности возникают при создании СКМ из тонколистовых металлов и сплавов, особенно больших размеров, а также при конструировании композитов с числом слоев более трех. В этом случае рационально применение технологии, предусматривающей сочетание СВ и последующей обработки давлением (ОД), в частности холодной или горячей прокатки.
Разработанные на кафедре «Материаловедение и КМ» ВолгГТУ технологические процессы, включающие СВ, прокатку и специальную термообработку (ТО), позволяют получать слоистые (до 30 и более слоев) композиты многоцелевого назначения на основе А1, Си, Ті, Fe, Mg и их сплавов по двум вариантам структурных систем. Если в СКМ, получаемых по первому варианту, после СВ и ТО на межслойных границах интерметаллидные соединения в виде отдельных фрагментов или промежуточных прослоек практически отсутствуют, то слоистые интерметаллидные композиты (СИК), создаваемые по второму варианту, представляют собой структурно неоднородную систему из чередующихся металлических слоев и диффузионных интерметаллидных прослоек толщиной до 150 мкм и более при их общем объемном содержании до 50% и более от общей толщины СИК.
Наличие в СИК систем Cu-Al, Ti-Fe, Al-Mg, Al-Fe, Al-Ti, Al-Ni и др. слоев с большим градиентом физико-механических свойств обуславливает перспективу их применения в энергетических установках, криогенном и теплообменном оборудовании в качестве тепловых и теплозащитных барьеров, износостойких покрытий, жаропрочных и жаростойких материалов.
Однако, несмотря на достигнутые успехи, до сих пор остаются недостаточно изученными вопросы влияния температурно-временных условий ТО на кинетику диффузионного взаимодействия в зоне соединения разнородных металлов, фазовый состав образующихся диффузионных слоев, а также механические и теплофизические свойства СКМ и СИК. Исследование этих и других вопросов, связанных с высокотемпературным воздействием на структуру и свойства слоистых композитов, представляет большой интерес, как для научных, так и для производственных целей.
Актуальность диссертационной работы подтверждается выполнением ее части в рамках научно-технической программы «Оптимизация конструкции и комплексной технологии изготовления жаропрочного структурно неоднородного многослойного медно-алюминиевого композита» (ВНП Развитие научного потенциала высшей школы; 2005 г.) и гранта «Исследование и разработка комплексной технологии изготовления композиционных упругих чувствительных элементов приборов многоцелевого назначения» (грант Министерства образования РФ; 2004 г.).
* Автор выражает глубокую благодарность Заслуженному деятелю науки РФ, д.т.н., профессору Трыкову Ю.П. за оказанную помощь при анализе и обсуждении полученных результатов.
Цель и задачи исследования. Цель работы - разработка методов получения медно-алюминиевых слоистых металлических и интерметаллидных композитов на основе определения закономерностей формирования структурно-механической неоднородности с учетом термо-деформационного воздействия при сварке взрывом, обработке давлением и термообработке.
Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Разработать новый способ получения многослойных медно-
алюминиевых СКМ, позволяющий осуществлять одновременную СВ между
однородными металлами с целью расширения ее оптимального режима и ста
билизации параметров диффузии на межслойных границах СИК при ТО.
Исследовать эффект локального разупрочнения околошовной зоны холоднокатаных медно-алюминиевых СКМ с обоснованием необходимости его учета при расчете энергий активации зарождения и роста диффузионных прослоек, а также при назначении оптимальных режимов ТО для реализации требуемого объемного наполнения интерметаллидами в СИК и предотвращения «опасных» видов микронеоднородности в СКМ.
Исследовать закономерности изменения структуры и микромеханических свойств медно-алюминиевых СКМ после СВ, ОД и ТО.
Исследовать теплопроводность СКМ и СИК системы Си-Al с учетом зон деформационного упрочнения, толщин металлических и диффузионных слоев.
Определить зависимость прочности и пластичности СКМ и СИК при нормальной и повышенной температуре от количества основных и интерметаллидных слоев и объемного наполнения интерметаллидами.
Разработать перспективные технологические процессы и схемы получения новых конструкционных и функциональных материалов из СИК, предназначенных для работы при статических нагрузках и повышенных температурах.
Научная новизна работы заключается в теоретическом обосновании и экспериментальном определении деформационно-силовых и температурно-временных условий, обеспечивающих создание с помощью сварки взрывом, обработки давлением и термообработки конструкционных интерметаллидных композитов системы Си-Al, обладающих уникальным сочетанием жаропрочных и теплофизических свойств за счет формирования в процессе твердо- и жидко-фазной диффузии структуры с заданным соотношением чередующихся основных и интерметаллидных слоев.
Экспериментально установлено, что холодная прокатка (ХП) СКМ системы Си-Al с общим высотным обжатием от 44 до 77% приводит к повышению энергий активации зарождения и роста диффузионных прослоек за счет реализации эффекта локального разупрочнения около шовной зоны, вызванного структурными изменениями при пластической деформации, и, как результат, замедлению процесса диффузии.
Показано, что СИК с диффузионными слоями, сформированными в твердой фазе, обладают большей жаропрочностью по сравнению с СИК с диффузионными слоями, сформированными в жидкой фазе, из-за отсутствия в их структуре интерметаллидных включений столбчатой формы, способствующих
хрупкому разрушению композита.
Установлено, что теплопроводность полученных сваркой взрывом СКМ системы Си-Al определяется их структурно-механической неоднородностью (зоны максимального упрочнения у границы раздела слоев, участки оплавленного металла и др.), а СИК - объемным наполнением диффузионными прослойками, теплопроводность которых (30-37 Вт/м-К) значительно ниже теплопроводности исходных металлов (410 Вт/м-К - медь и 220 Вт/м-К - алюминий).
Практическая ценность:
Впервые получены и систематизированы данные о теплопроводности слоистых медно-алюминиевых композитов, позволяющие расширить области применения этого класса композиционных материалов. Установленная связь теплофизических свойств и конструктивно-технологических факторов дает возможность разрабатывать технологические процессы и создавать с их помощью слоистые композиты с заданным коэффициентом теплопроводности.
Полученные в результате обработки экспериментальных данных уравнения позволяют рассчитывать энергии зарождения и скорости роста диффузионных прослоек в многослойных медно-алюминиевых СКМ и обоснованно назначать режимы высокотемпературных нагревов для двух случаев: а) реализации требуемого объемного соотношения основных и интерметаллидных слоев; б) предотвращения диффузии, способной привести к образованию «опасных видов» микронеоднородности.
Для ООО «ДИЦ МОСТ» разработана технология изготовления трубчатого слоистого композиционного материала с интерметаллидной прослойкой. Экономический эффект от внедрения разработки составил 150 тыс. руб.
Достоверность результатов обеспечена использованием металлографического метода исследования с применением оптической микроскопии (микроскоп «Olympus ВХ61»), фазового рентгеноструктурного анализа (рентгеновский ди-фрактометр ДРОН-3), механических испытаний на растяжение при комнатной и повышенной температурах (вакуумная установка АЛА-ТОО), теплофизических исследований (установка «Теплофон» КИТ-02Ц), измерения микротвердости (микротвердомер ПМТ-ЗМ), применением средств компьютерной обработки экспериментальных данных.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных научно-технических конференциях «Новые перспективные материалы и технологии их получения (НПМ) - 2004» (Волгоград 2004), "Современные технологии и материаловедение" (Магнитогорск 2004), Всероссийской научно-технической конференции «Инновационные технологии в обучении и производстве» (Камышин 2003, 2005), научно-практических конференциях студентов и молодых ученых Волгограда и Волгоградской области (Волгоград 2003-2006), ежегодных научно-технических конференциях ВолгГТУ (Волгоград 2003-2006).
Публикации: Основные результаты исследований по теме диссертационной работы опубликованы в 18 печатных работах, в т. ч. 5 работ - в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Получен 1 патент РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы, включающего 205 наименований, и приложения. Основная часть работы содержит 201 страницы машинописного текста, 95 рисунков, 36 таблиц.
