Введение к работе
Актуальность работы. Одним из перспективных и успешно развивающихся в мире направлений в области новых металлических материалов с высоким уровнем жаростойкости и термической стабильности, является создание интерметаллических сплавов различных систем и разработка технологий их получения.
Дальнейшим развитием этого направления явилось создание слоистых интерметаллидных композитов, представляющих собой материалы, в которых чередуются металлические и интерметаллидные слои, являющиеся результатом химического взаимодействия и обладающие особыми, специфическими свойствами близкими к свойствам керамических материалов. Наличие в слоистых интерметаллидных композитах систем титан-сталь, медь-алюминий, алюминий-магний, алюминий-цинк, медь-цинк, алюминий-сталь, алюминий-титан, алюминий-никель 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.
Температурно-временные условия образования и роста интерметаллидных фаз на межслойных границах слоистых композитов и режимы «безопасных» нагревов композиционных материалов, для которых появление интерметаллидных прослоек в диффузионной зоне является недопустимым, изучены в работах Д.А. Фридлянда, В.Р. Рябова, В.М. Фалъченко, Л.Н. Ларикова, П.О. Пашкова, B.C. Седыха, В.И. Лысака, Ю.П. Трыкова, А.Г. Кобелева, Н.Н. Казак, Е.Б. Сах-новской и др. Создание нового класса конструкционных материалов - слоистых интерметаллидных композитов (Ю.П. Трыков, ВТ. Шморгун и др.), определило необходимость углубленного изучения вопросов оптимизации режимов диффузионного отжига и раскрытия механизмов интенсификации процессов диффузии, необходимых для «выращивания» интерметаллидных прослоек требуемых толщин и фазовых составов. Однако, несмотря на достигнутые успехи, вопросы влияния химического состава металлической основы композита на кинетику диффузионных процессов и фазовый состав образующихся диффузионных слоев, конструкции слоистых металлических и интерметаллидных композитов на их механические и тепло физические свойства остались недостаточно изученными. Исследование этих и других вопросов, связанных с высокотемпературным и силовым 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 аналитической ведомственной целевой программы и гранта: >- « Создание научных основ производства функциональных и конструкционных материалов нового поколения - слоистых интерметаллидных композитов, обладающих уникальными теплофизическими и жаропрочными свойствами» (Аналитическая ведомственная целевая программа; 2009-20Юг.)
*Автор выражает глубокую благодарность Заслуженному деятелю науки РФ, д.т.н., профессору Трыкову Ю.П. за оказанную помощь при анализе и обсуждении полученных результатов.
>- «Создание теоретических основ получения нового класса конст-
рукционных материалов - слоистых интерметаллидных композитов с градиентными физико-механическими свойствами» (Грант МК-218.2010.8 Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых-кандидатов наук на 2010-2011 гг.)
Цель и задачи исследования. Цель работы - создание технологии изготовления конструкционных и функциональных слоистых интерметаллидных композитов системы Ti-Fe на базе определения закономерностей формирования структуры диффузионных зон и ее влияния на их механические и теплофизиче-ские свойства.
Для достижения указанной цели необходимо решение следующих задач:
Развить и уточнить существующие представления о формировании структуры в многослойных соединениях титана со сталями с различным содержанием углерода после высокотемпературных нагревов.
Выявить влияние термического и силового воздействия на кинетику и параметры процесса диффузионного взаимодействия между титаном и сталью в многослойных СКМ, а также получить эмпирические зависимости, позволяющие рассчитывать толщину диффузионных слоев для контроля служебных характеристик слоистых интерметаллидных композитов системы Ti-Fe.
Исследовать влияние конструкции слоистых металлических и интерметаллидных композитов системы Ti-Fe на их механические и теплофизические свойства.
Разработать практические рекомендации по применению титано-стальных слоистых интерметаллидных композитов в качестве конструкционных и функциональных материалов, предназначенных для работы при статических нагрузках и повышенных температурах.
Научная новизна работы заключается в выявлении основных закономерностей формирования структуры и тепло физических свойств слоистых интерметаллидных композитов системы Ti-Fe в процессе твердофазной диффузии.
Экспериментально доказано, что увеличение содержания углерода в стальных слоях слоистых композитов приводит к снижению скорости роста диффузионных прослоек на его межслойных границах за счет блокирования процесса гетеродиффузии прослойкой карбидов титана.
Показано, что повторные нагревы слоистых интерметаллидных композитов ниже температуры а-Р превращения титана не влияют на структуру как основных металлов композиции, так и образовавшихся ранее диффузионных зон. При нагреве до более высоких температур последующее охлаждение приводит к фазовой перекристаллизации в титановом слое, причем размер перекристаллизованной зоны увеличивается с ростом температуры нагрева и определяется концентрацией железа в твердом растворе.
Установлено, что теплопроводность полученных сваркой взрывом слоистых композиционных материалов системы Ti-Fe определяется их структурно-механической неоднородностью (зоны максимального упрочнения у границы раздела слоев, участки оплавленного металла и др.), а слоистых интерметаллидных композитов - объемным наполнением диффузионными прослойками, теплопроводность которых на порядок ниже теплопроводности исходных металлов.
Практическая ценность:
Впервые получены и систематизированы данные о теплопроводности слоистых титано-стальных композитов, позволяющие расширить области применения этого класса композиционных материалов. Установленная связь теп-лофизических свойств и конструктивно-технологических факторов дает возможность разрабатывать технологические процессы и создавать с их помощью слоистые композиты с заданным коэффициентом теплопроводности (патенты РФ № 2355536, №85856, №86899).
Полученные в результате обработки экспериментальных данных уравнения позволяют рассчитывать энергии зарождения и скорости роста диффузионных прослоек в многослойных титано-стальных 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.
Показано, что использование низкоуглеродистых сталей в качестве металлической основы титано-стальных слоистых интерметаллидных композитов приводит к росту их объемного наполнения интерметаллидами, прочности и температурного диапазона работоспособности.
Результаты проведенных исследований позволили разработать новый способ получения износостойкого покрытия на поверхности стальных и титановых деталей (патенты РФ № 2305624 и №2350442).
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), тепло физических исследований (установка «Теплофон» КИТ-02Ц), измерения удельной электрической проводимости (измеритель «Вихрь-АМ»), 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» (Волгоград 2004, 2007, 2010), Всероссийской научно-технической конференции «Инновационные технологии в обучении и производстве» (Камышин 2005-2009), III и IV Всероссийской научной конференции «Наука и устойчивое развитие» (Нальчик 2009, 2010), научно-практических конференциях студентов и молодых ученых Волгограда и Волгоградской области (Волгоград 2004-2009), ежегодных научно-технических конференциях Волгоградского государственного технического университета (Волгоград 2005-2010).
Публикации: Основные результаты исследований по теме диссертационной работы опубликованы в 36 печатных работах, в т. ч. 16 работ - в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Получено 10 патентов РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы, включающего 143 наименования, и приложения. Основная часть работы содержит 164 страницы машинописного текста, 75 рисунков, 34 таблицы.
