Введение к работе
Актуальность работы.
Развитие и совершенствование промышленных технологий вызывает необходимость использования современных материалов со специальными служебными свойствами. Разнообразные технические задачи могут быть решены с применением в производстве деталей и узлов из слоистых композиционных материалов. Для их изготовления возможно использование хорошо зарекомендовавших себя титана и его сплавов, а также материалов на основе алюминия.
Слоистые интерметаллидные композиты (СИК) представляют собой принципиально новый класс конструкционных материалов, обладающих уникальным сочетанием физических (электрических, тепловых, магнитных и др.) и механических (жаропрочности, удельной прочности и др.) свойств. Реализация этих свойств оказалась возможной благодаря оптимальному конструированию структуры СИК, которые представляют собой структурно неоднородную систему из чередующихся металлических слоев и диффузионных интерметаллидных прослоек. СИК на основе алюминия и титана обладают высокой прочностью, коррозионной стойкостью, жаропрочностью, низкой удельной плотностью и применяются для изготовления переходников, предназначенных для сварки конструкций из разнородных металлов, узлов и деталей летательных аппаратов, космической, химической, криогенной и атомной техники. Накопленный теоретический и экспериментальный материал по структурно-механической неоднородности, формирующейся при различных способах получения слоистых титано-алюминиевых интерметаллидных композитов, таких как твердофазная диффузия, взаимодействие титана с расплавом алюминия, сварка взрывом (СВ) на завышенных режимах, недостаточно изучен. В работах отечественных ученых {Казак Н. Н., Лысака В. И., Кузьмина С. В., Седых В. С, Соннова А. П., ТрыковаЮ. П., Шморгуна В. Г. и др.) содержатся предположения о том, что конечные свойства и структура локальных участков закристаллизовавшегося оплавленного металла зависят от физико-химических свойств каждого из соединяемых металлов (в первую очередь - температур плавления), мгновенной температуры в зоне
Автор выражает искреннюю благодарность к.т.н., доценту Гуревичу Леониду Моисеевичу за участие в формировании направления и методологической подготовке исследований и помощь при анализе научной новизны
СВ и условий охлаждения сварного соединения.
Образование при нагреве интерметаллидных прослоек на границах соединения является одним из основных процессов формирования титано-алюминиевых СИК, кинетика которого, во многом, определяется наличием оксидных пленок. Очистка соединяемых поверхностей от окислов возможна при СВ титано-алюминиевых СКМ на завышенных режимах, однако имеющиеся сведения о кинетике формирования диффузионных прослоек при нагревах не учитывают возможность образования на границе раздела оплавленного металла. Исследование изменения при термических воздействиях структуры, кинетики роста, фазового состава и механических свойств интерметаллидных соединений в слоистых композитах ВТ1-0-АД1, полученных СВ с различной энергетикой может стать научной основой для интенсификации технологий получения титано-алюминиевых СИК.
Актуальность работы подтверждается выполнением ее в рамках следующих научно-технических программ и грантов:
-
Проект № 2.1.2/573 аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы» на 2009-2010 гг. «Создание научных основ производства функциональных и конструкционных материалов нового поколения - слоистых интерметаллидных композитов, обладающих уникальными теплофизическими и жаропрочными свойствами»;
-
Грант МК-218.2010.8 Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых-кандидатов наук на 2010-2011 гг. «Создание теоретических основ получения нового класса конструкционных материалов - слоистых интерметаллидных композитов с градиентными физико-механическими свойствами».
Цель и задачи работы. Целью диссертационного исследования является разработка метода получения титано-алюминиевых слоистых интерметаллидных композитов с использованием энергии взрыва на основе определения закономерностей трансформирования структурно-механической неоднородности с учетом температурно-временных и деформационных факторов.
Для достижения поставленной цели поставлены и решены следующие задачи:
-
Выявлены закономерности формирования структурно-механической неоднородности в сваренном взрывом титано-алюминиевом композите и ее эволюции при термо-силовом воздействии.
-
Изучено влияние полученной при различных режимах сварки взрывом
структурно-механической неоднородности в зоне соединения титано-алюминиевого композита на деформационную способность.
-
Исследованы структура и фазовый состав диффузионных зон в тита-но-алюминиевых СИК, полученных в процессе твердофазной диффузии и при взаимодействии титана с расплавом алюминия.
-
Разработана технология изготовления цилиндрических и конических деталей из титано-алюминиевых композиционных материалов с применением моделирования процесса глубокой вытяжки.
Научная новизна работы заключается в раскрытии механизмов трансформации структурно-механической неоднородности сваренных взрывом слоистых титано-алюминиевых интерметаллидных композитов с определением оптимальных энергетических, деформационных и температурно-временных факторов, позволяющих рационально проектировать и изготавливать конструкции из СКМ.
1. Установлено, что при сварке взрывом титано-алюминиевого
композита на повышенных режимах формируются локальные гетерогенные
оплавы с частицами термодинамически мало вероятной интерметаллидной
фазы Ті3А1 в матрице твердого раствора на основе алюминия. Увеличение
энергетики сварки взрывом приводит к росту площади и протяженности
оплавов и объемного содержания в них алюминидов, фазовый состав кото
рых трансформируется от Ті3А1 до ТіА13.
2. Показано, что в процессе отжига композита ВТ1-0 - АД1, полученно
го сваркой взрывом на завышенных режимах, происходит образование и рост
интерметаллидной прослойки на участках зоны соединения, свободных от
оплавленного металла, и повышение в оплавах объемного содержания алю
минидов титана, а рост площади диффузионной зоны начинается только по
сле гомогенизации оплавов.
3. Исследования химического состава интерметаллидной прослойки,
формирующейся в процессе твердофазной диффузии, показали практически
неизменное содержание по всей толщине интерметаллидного слоя 75% А1 и
25 % Ті, свидетельствующее о наличии только интерметаллида ТіА13. У гра
ницы с прилегающим слоем алюминия наблюдалось плавное снижение со
держания титана, связанное с образованием смеси твердого раствора на
основе алюминия и ТіА13.
Практическая значимость работы.
На основе исследований кинетики жидкофазной диффузии предложены новые технологические схемы изготовления СИК с требуемым объемным содержанием интерметаллидов.
Наличие оплавленного металла в зоне соединения титано-алюминиего композита, полученного СВ, позволило интенсифицировать технологию получения титано-алюминиевых СИК в процессе твердофазной диффузии.
Разработана аддитивная методика прогнозирования эффективного коэффициента теплопроводности многослойных композитов с диффузионными слоями из фрагментов интерметаллидов и алюминиевых прослоек, включающая определение коэффициентов теплопроводности таких слоев как многокомпонентных гетерогенных систем.
Разработан и практически реализован технологический процесс изготовления из сваренных взрывом листовых титано-алюминиевых заготовок трубчатых переходных элементов с использованием прокатки и глубокой вытяжки для сварки электролизеров для производства хлора.
Проведенные экспериментальные и расчетные исследования деформирования слоистых титано-алюминиевых композитов показали достоверность моделирования процессов глубокой вытяжки и прокатки с использованием конечно элементных моделей в пакете программ SIMULIA/Abaqus.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на международных научных конференциях «Новые перспективные материалы и технологии их получения» (Волгоград 2010), «Проблемы синергетики в трибологии, трибоэлектрохимии, материаловедении и мехатронике» (Новочеркасск 2011) и «Механика разрушения и её приложения в инженерных науках» (Воронеж, 2012); всероссийской научно-технической конференции «Инновационные технологии в обучении и производстве» (Камышин 2008, 2010); XIX Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Волгоград, 2011 г.); IV всероссийской научной конференции «Наука и устойчивое развитие» (Нальчик 2010), Всероссийской молодежной научной школы «Химия и технология полимерных и композиционных материалов» (Волгоград 2012), научно-практических конференциях студентов и молодых ученых Волгограда и Волгоградской области (Волгоград 2009-2011); ежегодных научно-технических конференциях Волгоградского государственного технического университета (Волгоград 2009-2012).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 16 печатных работ, в том числе 12 статей в российских периодических рецензируе-
мых изданиях, рекомендованных ВАК РФ для опубликования основных научных результатов диссертаций. Получено 6 патентов на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы, включающего 201 наименование. Основная часть работы содержит 204 страницы машинописного текста, 162 рисунка, 35 таблиц.
