Создание высокопрочного композиционного материала титан-алюминий с перфорированным интерметаллическим слоем и оксидо-керамическим покрытием Гуськов Максим Сергеевич

Содержание к диссертации

Введение

1. Анализ методов повышения комплекса свойств композиционных материалов на основе титана 12

1.1 Область применения титана и упрочненных титановых сплавов 12

1.2 Диаграмма состояния системы титан-алюминий. Структура и свойства исходных компонентов 14

1.3 Способы упрочнения титановых сплавов 19

1.4 Способы получения композиционных материалов на основе титана и алюминия 27

1.5 Формирование оксидо-керамических покрытий на поверхности металлов и сплавов методом микродугового оксидирования 34

Выводы. Постановка задач исследования 37

2. Разработка технологии упрочнения композиционного материала титан-алюминий 40

2.1 Выбор схемы упрочнения композиционных материалов в зависимости от исходных элементов 40

2.2 Разработка новой схемы получения высокопрочного композиционного материала 49

2.3 Компьютерное моделирование и анализ прочностных свойств модели композиционного материала в среде SolidWorks 53

Выводы 62

3. Исследование влияния параметров ударно-волнового нагружения на микроструктуру и свойства слоистых композиционных материалов на основе титана и алюминия 64

3.1 Выбор рациональных параметров ударно-волнового нагружения слоистых композиционных материалов на основе титана и алюминия 64

3.2 Методы исследования микроструктуры 72

3.3 Рентгеноспектральный микроанализ высокопрочного композиционного материала 83

Выводы з

4. Исследование влияния термической обработки на структурные превращения и физико-механические свойства композиционного материала титан-алюминий 90

4.1 Влияние термической обработки на кинетику образования и роста интерметаллических прослоек в композиционном материале 90

4.2 Исследование изменения величины микротвердости композиционного материала титан-алюминий и определение состава интерметаллических фаз, образующихся в зоне соединения при термической обработке 100

4.3 Исследование диффузионных процессов, протекающих в композиционном материале титан-алюминий при термической обработке 104

4.4 Исследование механических свойств высокопрочного композиционного материала с интерметаллическим упрочнением 107

Выводы 111

5. Влияние параметров микродугового оксидирования на теплофизические свойства композиционных материалов с оксидо-керамическим покрытием. оценка технико экономических показателей . 113

5.1 Исследование влияния параметров микродугового оксидирования на теплофизические свойства оксидо-керамических покрытий 113

5.2 Теплофизические свойства высокопрочных композиционных материалов с оксидо-керамическим покрытием 117

5.3 Оценка технико-экономических показателей высокопрочного композиционного материала титан-алюминий 125

Выводы 129

Заключение 130

Список использованной литературы 133

• Способы получения композиционных материалов на основе титана и алюминия
• Выбор схемы упрочнения композиционных материалов в зависимости от исходных элементов
• Методы исследования микроструктуры
• Исследование изменения величины микротвердости композиционного материала титан-алюминий и определение состава интерметаллических фаз, образующихся в зоне соединения при термической обработке

Введение к работе

Актуальность темы. В современной промышленности широкое распространение получили композиционные материалы (КМ) на основе титановых сплавов. Для непрерывного развития различных ее отраслей КМ должны обладать повышенным комплексом физико-механических свойств в целом и прочностными свойствами в частности. Существующие традиционные методы упрочнения КМ, такие как легирование, термообработка и термопластическая обработка, или недостаточно эффективны, или требуют использования дорогостоящих материалов. Перспективным путем решения данной задачи является модернизация существующих технологических схем получения КМ ударно-волновым воздействием, разработка которых ведется учеными коллективами Института гидродинамики им. М. А. Лаврентьева СО РАН г. Новосибирск, ВолгГТУ г. Волгоград, МГТУ им. Н. Э. Баумана г. Москва, ВИАМ г. Москва, Института электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины, ПГУ г. Пенза и др. Весьма эффективным является создание в КМ упрочняющих интерметаллических слоев. Однако на сегодняшний день отсутствуют данные по повышению прочности КМ на основе титановых сплавов за счет создания интерметаллических перфорированных упрочняющих слоев с различной геометрией перфораций.

В ряде случаев детали и узлы, изготовленные из КМ титан-алюминий, работают при повышенных температурах, что может привести к структурным превращениям на границе внутренних слоев КМ и негативно повлиять на работоспособность и долговечность изделия в целом. Проблему можно решить путем формирования на КМ покрытий, обладающих необходимым набором теплофизических характеристик, в частности оксидо-керамических покрытий, с помощью которых можно эффективно влиять на величину коэффициента теплопроводности КМ.

В этой связи создание высокопрочных КМ на основе титановых сплавов с упрочняющими интерметаллическими элементами и оксидо-керамическим покрытием является актуальной и перспективной задачей материаловедения.

Объект исследования – высокопрочный композиционный материал титан-алюминий с перфорированным интерметаллическим слоем и оксидо-керамическим покрытием.

Предмет исследования – взаимосвязь состава, структуры, механических, технологических и теплофизических свойств высокопрочного композиционного материала титан-алюминий с оксидо-керамическим покрытием с параметрами его обработки на всех технологических этапах.

Цель работы – разработка технологии создания и исследование свойств высокопрочного композиционного материала титан-алюминий с перфорированным интерметаллическим слоем и оксидо-керамическим покрытием.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать схему ударно-волновой обработки для получения качественного слоистого композиционного материала системы «титан – алюминий» с листовыми перфорированными элементами.

2. Провести компьютерное моделирование композиционного материала, полученного по разрабатываемой технологии с целью оценки его свойств.

3. Определить кинетические температурно-временные параметры роста интерметаллических фаз в структуре высокопрочного композиционного материала.

4. Исследовать взаимосвязь между составом, структурой и механическими свойствами высокопрочного композиционного материала с листовыми перфорированными интерметаллическими элементами на различных стадиях технологической обработки.

5. Выбрать вариант оксидо-керамического покрытия на титановом слое с целью уменьшения теплопроводности разработанного композиционного материала.

6. Определить сферу практического использования созданного композиционного материала с учетом технико-экономической эффективности.

Методы исследования. Использован комплекс современных методик и исследовательского оборудования, в частности, для исследования микроструктуры (металлографический микроскоп Альтами МЕТ 6C, электронный микроскоп Zeiss SIGMA), для микрорентгеноспектрального анализа (установка Energy 350 с безазотным SDD детектором X-Max 80 (Platinum)), для измерения микротвердости (микротвердомер DM-8), для измерения толщины интерметаллических фаз (программа анализа изображения VESTRA ImagingSystem), для определения механических и прочностных свойств композиционного материала (разрывная машина модель ИР 5145-500-11, копер ИО 5003-0,3-11), для измерения температуропроводности и теплопроводности методом лазерной вспышки (прибор LFA 427/7/G), для определения удельной теплоемкости (дифференциальный сканирующий калориметр DSC823e), для определения плотности металла (электронные аналитические весы Mettler Toledo XS 204). Создание модели слоистого КМ осуществлялось в программе SolidWorks, а компьютерное моделирование процесса одноосного растяжения проводилось в интегрированном модуле CosmosWorks. Экспериментальные исследования проводились по стандартным методикам в аттестованных лабораториях на поверенном оборудовании.

Достоверность и обоснованность научных положений и выводов подтверждаются применением современных методов исследования, сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, компьютерного моделирования, а также испытаний по определению механических, технологических и теплофизических свойств полученного композиционного материала.

Научная новизна (п. 1, 2, 4, 8, 10 паспорта специальности 05.16.09):

7. Разработана новая технология получения высокопрочного композиционного материала титан-алюминий путем синтеза слоев интерметаллида в зоне контакта листовых перфорированных элементов с основным металлом при ударно-волновой и последующей термической обработке.

8. В результате компьютерного моделирования прочностных испытаний композиционного материала с перфорированным интерметаллическим слоем установлена связь его прочности с изменением геометрии перфораций и удельного объема интерметаллической фазы.

9. Установлена взаимосвязь между составом, структурой и механическими свойствами композиционного материала титан-алюминий с перфорированным интерметаллическим слоем на различных стадиях технологической обработки. Определены коэффициенты диффузии и энергии активации образования интерметаллической фазы для выбора рациональных режимов изотермического отжига.

10. Определены параметры процесса микродугового оксидирования, позволяющего сформировать на поверхности слоистого композиционного материала оксидо-керамическое покрытие, уменьшающее коэффициент его теплопроводности.

Практическая значимость:

11. Разработан комплексный подход к созданию высокопрочного композиционного материала титан-алюминий, включающий процессы ударно-волнового нагружения, формообразования, термической обработки и микродугового оксидирования, что позволяет повысить предел прочности и снизить коэффициент теплопроводности композиционного материала.

12. Даны рекомендации по выбору рациональных режимов обработки на всех технологических этапах получения высокопрочного композиционного материала титан-алюминий с оксидо-керамическим покрытием, что позволило получить композиционный материал с максимальной прочностью 634,5 МПа и минимальным коэффициентом теплопроводности 13,82 Вт/(м К).

13. Композиционный материал, разработанный в ходе выполнения диссертационной работы, может быть использован для изготовления воздухозаборников, элементов планера и обшивки в сверхзвуковых самолетах, для изготовления средненагруженных деталей и узлов в ракето- и автомобилестроении, в качестве облицовочного материала в полупогруженных буровых нефтяных платформах, что приведет к улучшению их технико-экономических показателей.

На защиту выносятся:

14. Запатентованная технология создания слоистого композиционного материала титан-алюминий с интерметаллическим упрочнением.

15. Данные компьютерного моделирования испытаний композиционного материала с целью определения его прочностных свойств.

3. Результаты исследований кинетики формирования интерметаллических фаз в высокопрочных композиционных материалах, рентгеноспектрального микроанализа и определения латентного периода зарождения интерме-таллидов.

4. Результаты механических и технологических испытаний композиционного материала с интерметаллическим упрочнением.

5. Результаты исследования теплофизических свойств композиционного материала с интерметаллическим упрочнением и оксидо-керамическим покрытием.

Реализация результатов работы:

1. Результаты диссертационной работы использованы в рамках НИР РНФ «Изучение возможности применения методов высокоэнергетического воздействия для формирования заданного комплекса механических и теплофизических свойств композиционных материалов» (соглашение № 14-19-00251 от 26.06.2014), «Разработка теоретических основ создания композиционных металло-керамических материалов повышенной механической прочности и термостабильности для авиационной техники» (соглашение № 14.В37.21.1850 от 04.10.2012) в виде технических предложений по выполнению схем ударно-волнового нагружения, экспериментальных данных по исследованию микроструктуры, результатов определения механических, технологических и теплофизических свойств высокопрочного композиционного материала с оксидо-керамическим покрытием, результатов компьютерного моделирования процессов испытаний в интегрированном модуле CosmosWorks.

2. Результаты работы внедрены в учебный процесс кафедры «Сварочное, литейное производство и материаловедение» Пензенского государственного университета для подготовки специалистов и бакалавров по направлению 15.07.00 «Машиностроение» в качестве дополнения к курсу «Технология конструкционных материалов» в раздел «Композиционные материалы».

3. Результаты диссертационной работы использованы в научно-исследовательской работе, проводимой в ООО «НПЦ "Титан"» по тематике «Высокопрочные композиты специального назначения».

Работа выполнена на кафедре «Сварочное, литейное производство и материаловедение» Пензенского государственного университета.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на следующих Всероссийских и международных конференциях и симпозиумах: «Инновационные технологии в машиностроительном комплексе» (г. Пенза, ПГУ, 2011 г.); «Модели, системы сети в экономике, технике, природе и обществе» (г. Пенза, ПГУ, 2012 г.); «Будущее машиностроения России» (г. Москва, МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2012, 2013 гг.); «Студент и научно-технический прогресс» (г. Новосибирск, НГУ, 2012 г.); «ТестМат-2012» (г. Москва, «ВИАМ», 2012 г.); «Проблемы разливки и кристаллизации стали, сварки, термообработки и математическое моделирование технологических

процессов» (г. Москва, «ЦНИИТМАШ», 2012 г.); «Сварка и родственные технологии» (г. Киев, ИЭС им. Е. О. Патона, 2013 г.); «Молодежь и наука: модернизация и инновационное развитие страны» (г. Пенза, ПГУ, 2012); Школа-семинар по структурной макрокинетике для молодых ученых (г. Черноголовка, ИСМАН, 2012); «Новые перспективные материалы и технологии их получения – 2014» (г. Волгоград, ВолгГТУ, 2014).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 26 печатных работ (2 работы без соавторов), из них 3 работы – в изданиях из перечня ВАК РФ, получен патент РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованной литературы из 126 наименований и одного приложения. Работа изложена на 146 страницах основного текста, включает 51 рисунок и 17 таблиц.

Способы получения композиционных материалов на основе титана и алюминия

Титан и сплавы на его основе широко используются в различных отраслях промышленного производства. Это обусловлено уникальными физико-механическими свойствами данных материалов. Титан превосходит алюминиевые сплавы и стали по удельно-прочностным характеристикам и хладостойко-сти, медно-никелевые сплавы и нержавеющие стали - по коррозионной стойкости. Замена конструкционных сталей на титановые сплавы обеспечивает сочетание высокой прочности и высокой пластичности с относительно низкой плотностью. Благодаря данным преимуществам титановые сплавы получили широкое распространение в общем машиностроении, авиа- и ракетостроении, судостроении, автомобилестроении, химической и пищевой промышленности, нефтегазовой отрасли, медицине и многих других отраслях [1-5].

Одной из наиболее перспективных отраслей для применения титановых сплавов с интерметаллическим упрочнением является машиностроение. Для повышения мощности автомобильных двигателей необходимо уменьшить массу деталей возвратно-поступательных систем без потери прочности, что достигается применением жаропрочных и высокопрочных титановых сплавов [6–8]. В автомобилестроении из данных материалов могут быть изготовлены: несущее конструкции; наиболее ответственные детали двигателя (клапаны, шатуны, кулачковые валы, гильзы ДВС, болты, кривошипные валы); компоненты ходовой части, такие как элементы трансмиссий (шестерни, валы, сателлиты, болты) и элементы сцепления (корпусы, диски сцепления); теплообменники, системы выхлопных газов, радиаторы, пружины клапанов и шасси и ряд других деталей. Изготовление шатунов из упрочненных титановых сплавов позволит на 30 % снизить нагрузки на шатунные подшипники, что значительно повышает их надежность и долговечность.

В судостроении из среднепрочных титановых сплавов могут быть изготовлены обшивка, гребные валы, винты, детали насосов. Высоколегированный титан применяют при изготовлении глушителей дизельных двигателей подводных лодок, тонкостенных труб для конденсаторов и теплообменников, дисков измерительных приборов [5]. Использование титановых сплавов позволяет существенно уменьшить общую массу корабля и, тем самым, увеличить объём перевозимых грузов и повысить скорость судов [2,4].

К материалам, используемым в авиастроении, предъявляют ряд требований; они должны обладать высокими удельнопрочностными показателями, жаропрочностью, сопротивлению усталостным нагрузкам, и коррозионно- и тре-щиностойкостью. Относящиеся к жаропрочным материалам, высоколегированные титановые сплавы, могут длительное время работать при температурах свыше 600С. Данные материалы получили широкое распространение в конструкциях сверхзвуковых самолетов, из них изготавливают лопатки компрессоров, диски турбин реактивных двигателей, воздухозаборники и корпусные детали вентиляторов и компрессоров двигателей и многие другие штампованные детали [2,4,5]. Из нелегированного титана производят кожухи, закрылки, защитные оболочки для кабелей и направляющие для снарядов. Для изготовления каркаса фюзеляжа, шпангоутов, лонжеронов, балок, деталей шасси, трубопроводов и противопожарных перегородок применяют легированный титан [5]. Использование титановых сплавов взамен легированных сталей при изготовлении узлов в самолето- и вертолетостроении способствует снижению массы летательных аппаратов на 35...40 %, при сохранении надежности, долговечности и экономичности изделий.

Поиск новых титановых сплавов с улучшенными физико-механическими характеристиками продолжается. Наиболее перспективным становится переход к использованию титановых сплавов на основе интерметаллидов. По жаропрочности и уровню рабочих температур сплавы на основе интерметаллидов титана значительно превосходят алюминиевые и магниевые сплавы и практически могут успешно конкурировать со сталями. Данные материалы показывают эффективную работоспособность при температурах 700-800С [9]. Эксплуатация сплавов на основе интерметаллидов при температурах ниже 600С является неэффективной в связи с хрупким разрушением материала. Нагрев в диапазоне от 600С до 750С способствует резкому увеличению пластичности ин-терметаллида с сохранением его прочности. Это позволяет использовать их в авиационной и космической промышленности.

Одновременно с данными работами перспективными являются исследования, связанные с применением титановых сплавов в качестве матрицы для, дисперсно-упрочненных и армированных углеродными или бороуглеродными, карбидокремниевыми волокнами композиционных материалов [10, 11].

Диаграмма состояния системы Ti-Al, которую в настоящее время является наиболее достоверной и общепризнанной, показана на рис. 1.1 [18]. Как и в предыдущих вариантах, диаграмма состояния свидетельствует о наличии неупорядоченных - и -фаз и упорядоченных фаз 2(Ti3Al) и (ТiА1). Максимальная растворимость алюминия в Ti составляет 45 ат. %, в Ti – 50 ат. %. Область гомогенного твердого раствора распространяется от 22 до 35 ат. % Al, а область гомогенности -фазы – от 51 % Аl и более.

Растворимость титана в алюминии мала и находится в диапазоне от 0,024 % (по массе) при температуре 250 С до 0,26 % при 665 С. Растворимость алюминия в титане значительно лучше. При температуре 1460 С может быть максимальная концентрация в 34,5 % [19]. В работах описывается, что интерметаллид Ti3Al образуется из -титана при температуре 1125 С [20]. Однако, есть данные, что реакция Tii3Al развивается при 850...1180 С [21]. Кроме того, отмечается существование высокотемпературной фазы TiAl2 (), которая при 1000 С распадается на соединения TiAl2 и TiAl3.

В соответствии с данными, образование соединения TiAl3 происходит по перитектической реакции из жидкости и -фазы при температуре 1395 С. -фаза представляет собой соединение Ti5Al11, образующееся из жидкости и химического соединения ТiА1 при 1415 С. При 990С -фаза распадается на TiAl2 и TiAl3 [22], а охлаждение до 1175С приводит образованию фазы TiAl2. При меньшей температуре в 780С кристаллизуется соединение Ti9Al23.

Выбор схемы упрочнения композиционных материалов в зависимости от исходных элементов

Вышесказанное в целом способствует увеличению прочности сварного соединения, повышению предела прочности при растяжении и модуля упругости материала при рациональном сочетании их величин.

Полученные материалы по данной схеме сварки взрывом по сравнению с материалами, полученными по традиционной схеме, обладают следующими положительными технико-экономическими преимуществами: – увеличение в среднем на 10–15 % предела прочности на растяжение и модуля упругости за счет более равномерного распределения интерметаллических зон по площади контакта металла-основы и армирующего металла, а также за счет более качественной и равномерной сварки слоев металла-основы в районе каналов армирующего металла; – существенное уменьшение анизотропности механических свойств композиционного материала в зависимости от направления воздействия нагрузки. Это объясняется тем, что интерметаллические зоны в предлагаемом изобретении имеют равномерную многосимметричную направленность по разным направлениям и не имеют ни одной преимущественной ориентации. Установлено, что механические свойства, измеренные на образцах, вырезанных во вза-имноперпендикулярных направлениях, отличаются не более чем на 15%. – повышение технологичности композиционного материала, полученного предлагаемым способом, объясняемое тем, что снижение анизотропности позволяет существенно расширить область применения материала, ассортимент изготовляемых из него деталей и их геометрическую форму (листовую, трубную и т.д.). – снижение на 15–20 % трудоемкости изготовления композиционного материала, обеспечиваемое снижением трудоемкости изготовления армирующих листов и монтажа пакета перед проведением сварки взрывом.

По классификации, приведенной в работе, материалы полученные по данной схеме относятся к СКМ, по причине того, что два размера составляющих компонентов значительно превышают третий размер [90]. Данная схема существенно отличается от уже известных схем получения композиционных материалов, из-за конструктивных особенностей промежуточной алюминиевой пластины. Механические и технологические свойства конечного продукта имеют значительные отличия по сравнению с продуктами, полученными по традиционной схеме сварки взрывом слоистых материалов. Использование перфорированной пластины, в качестве армирующего элемента, является более рациональным по сравнению с армированием волокнами в продольном направлении и слоистыми композиционными материалами.

В литературе [90] описывается ячеистая схема получения трехслойных конструкций при помощи точечной сварки взрывом локальными цилиндрическими зарядами. По внешним признакам данная схема схожа с вышеприведенной, но процесс получения и предназначение отверстий в метаемой пластине преследуют цели, отличающиеся от целей, поставленных в данной работе. В этих материалах не требуется соединение металлов по всей поверхности их контакта и является достаточным локальная (в виде точек и полос) сварка одного листа к другому.

С целью проверки имеющихся теоретических данных, было предложено провести компьютерное моделирование слоистого композиционного материала по разработанной схеме.

На сегодняшний момент существует широкий выбор CAD/CAM систем с интегрированным пакетом прикладных программ (ППП), которые позволяют решать задачи статического и динамического, линейного и нелинейного характера, простых и сложных геометрических форм. Также решаются задачи с прочностным расчетом, как монометаллов, так и композиционных материалов при различных способах нагружения и граничных условиях. Основными программами подобно рода являются SolidWorks, ANSYS, MSCNastran, CATIAV5 и др. В каждой из этих программ содержатся модули необходимые для проектировочных и конструкторских расчетов. Как правило, они пересекаются у разных производителей либо функционально, либо по интерфейсу, поэтому методика получения конечных данных, либо последовательность их получения схожи. В этой связи выбор конкретной программы для использования в расчетах сводится не только к функциональным возможностям, но и к доступности самой программы на современном рынке. CosmosWorks является программным модулем SolidWorks, позволяющим решать задачи с упругими, вязко-упругими, упруго-пластичными, анизотропными и другими моделями материалов. Он обладает обширной библиотекой конечных элементов, которая включает плоские, пространственные элементы, балки, пластины, многослойные анизотропные элементы и т.д. [93-94]. Именно поэтому программа SolidWorks была выбрана для проектирования исходных заготовок, а интегрированный к ней модуль CosmosWorks – для расчета прочностных свойств композиционных материалов при статическом нагружении.

С целью проверки адекватности данных и точности расчетов был построен эксперимент таким образом, что сначала решались простые и общие задачи, а затем был переход к частным и более специфичным задачам. Так как программа позволяет смоделировать процесс нагружения как простых деталей, так и многослойных, с учетом того, что слои не будут перемещаться один относительно другого, то на выходе можно получить данные о прочности, упругости и напряженно-деформированном состоянии исследуемого композиционного материала.

Методы исследования микроструктуры

Исходя из известных литературных данных, термообработку начинали проводить с температуры 550 С. При данной температуре и времени выдержки до 1 часа возникновения интерметаллидов в зоне контакта не наблюдалось (рисунок 4.2, а). При последующем увеличении времени выдержке в зоне сварного шва зафиксировано образование интерметаллической прослойки со стороны титана величиной 1-2 мкм (рисунок 4.2, б). Толщину данной интерметаллической прослойки определяли на растровом электронном микроскопе Zeiss SIGMA с помощью сменного окуляр – микрометра и встроенного программного обеспечения, позволяющего вычислять геометрические характеристики с учетом масштаба увеличения. В каждом случае производили не менее 20 измерений, что позволило определить средние квадратичные отклонения. При длительных выдержках, в течение 6 часов и более, еще в большей степени увеличивается рост прослойки. Так, для режима № 6 (таблица 4.2) толщина прослойки составляет 3-4 мкм. (рисунок 4.2 в). С увеличением температуры термообработки до 600 С образование и роста интерметаллических прослоек происходит более интенсивно. Так появление прослойки, на исследуемых образцах, наблюдается уже через 0,5 часа выдержки, в отличие от термообработки на 550С, что можно объяснить увеличением скорости процесса взаимной диффузии титана и алюминия. При выдержке в печи в течение 1 часа при неизменной температуре прослойка достигает толщины в 4-5 мкм. Выдержка в течение 20 часов приводит к образованию прослойки толщиной 15-20 мкм (рисунок 4.2 г).

При повышении температуры отжига до 630С, образование минимальной прослойки, толщиной в 1 мкм происходит при времени выдержки в печи 0,4 часа. Увеличение времени выдержки, при условии неизменной температуры, до 20 часов приводит к образованию сплошной интерметаллической прослойки толщиной 32-40 мкм (рисунок 4.2 д). Максимальная толщина прослойки в 90-100 мкм была получена за счет применения циклической термообработки, которая состояла из последовательных операций нагрева, выдержки и охлаждения в течение 195 часов (рисунок 4.2 е). Выдержка при более длительном времени к увеличению толщины прослойки не приводит. Это связано с практически полным прекращением диффузионных процессов на границе металла-основы и перфорированных упрочняющих элементов. Кроме того, при выдержке более 220 часов в уже образовавшейся интерметаллической прослойке начинают происходить аллотропические превращения. По этим причинам, задача, поставленная во втором разделе, о полном перевода алюминиевого слоя толщиной 400 мкм в интерметаллид оказалась не выполнимой.

В литературе [120] приводятся экспериментальные данные по образованию интерметаллических прослоек материалов системы Ti-Al на режимах отжига 670 С при аналогичном временном диапазоне. Температурный режим задается заведомо завышенным, для расплавления алюминиевой составляющей. Подобная технология получения слоистых интерметаллических композитов позволяет получить максимальную толщину прослойки при сравнительно небольших энергозатратах. В связи с этим, было принято решение о проведении подобных экспериментов на образцах с перфорированными упрочняющими элементами. В результате были получены данные о том, что образование минимальной толщины прослойки в 1 мкм происходит уже после 5 минут выдержки. При дальнейшем увеличении времени выдержки, происходит расплавление алюминиевого слоя и его вытекание из зоны соединения. В связи с этим, происходит расслоение трехслойной композиции, нарушение общей целостности образца, а в некоторых случаях полное разрушение из-за различных ТКЛР, что является недопустимым явлением, в соответствии с поставленными целями работы.

Таким образом, полученные данные свидетельствуют о том, что для получения прослойки максимальной толщины необходимо проведение термообработки при 630С с временем выдержки 195–200 ч. Данные о кинетике образования и роста интерметаллидов на границе раздела ВТ1-0 и АМг5М от температурно-временных параметров представлены на рисунках 4.3 и 4.4.

Таким образом, была выявлена зависимость роста прослойки от температурно-временных показателей. И на основании полученных результатов возникла необходимость в качественном изучении образовавшихся в ходе термообработки прослоек, их механических свойств, а также механические свойства композиционного материала в целом. Ті

Для того чтобы оценить влияния термической обработки на внутренние изменения в слоистом композиционном материале с перфорированной упрочняющей пластиной системы титан-алюминий производили измерение микротвердости по методу Виккерса основных металлов и интерметаллической прослойки. Исследование проводились по стандартным методикам согласно ГОСТ 9450-76 на микротвердомере DM-8. Измерение микротвердости образовавшейся прослойки производилось по 3-4 последовательных отпечатка в каждом слое композиционного материала.

В разделе 4.1 были установлены зависимости образования и роста интерметаллической прослойки от различных температурно-временных показателей. В связи с этим, задачей эксперимента являлось выявление изменения значения микротвердости от температуры и времени выдержки. Для этого были проведены испытания с последующим замером микротвердости на различных режимах.

На графиках 4.5-4.6 представлены результаты, показывающие характер изменения микротвердости композиционного материала в зависимости от параметров отжига (таблица 4.2) по сравнению с микротвердостью каждого из компонентов в состоянии поставки и после сварки на рациональном режиме. В приконтактных слоях величина микротвердости титана (см. также рисунок 3.18, п. 3.2.1) составляет 190-195 НV, алюминия 118–122 HV. По мере удаления от границы раздела микротвердость титана и алюминия снижается до значений 150-170 НV и 90-110 НV соответственно. Изучение графических зависимостей распределения микротвердости титана и алюминия на различных режимах ТО (см. рисунки 4.5-4.6) позволило четко выявить изменения значений микротвердости соединения. Установлено, что остаточный наклеп, полученный компози 101 ционным материалом в ходе сварки, снимается уже после проведения низкотемпературного отжига, при этом в зоне сварного шва отсутствуют интерметаллические соединения. Как видно из графиков, по мере удаления от зоны контакта, микротвердость титана составляет 140-150 НV, а алюминия 82-90 НV, что соответствует микротвердости исследуемых материалов в состоянии поставки.

Длительная выдержка при температуре свыше 550С приводит к образованию и росту интерметаллических прослоек и значительно увеличивает микротвердость зоны, вплотную примыкающую к сварному шву. Проведенные исследования микротвердости термобработанных образцов, показали, что происходит образование лишь одной прослойки со стороны алюминия. Значение микротвердости на исследуемых температурно-временных показателях составляет 350 – 370 НV.

Исследование изменения величины микротвердости композиционного материала титан-алюминий и определение состава интерметаллических фаз, образующихся в зоне соединения при термической обработке

В результате выполнения исследований разработана технология получения высокопрочного слоистого композиционного материала пары титан-алюминий. Комплексная технология получения композита включает ударно-волновую обработку, операции формообразования (прокатка, гибка, вальцовка и др.), термическую обработку. Ударно-волновая обработка позволяет получать плоские заготовки с качественным соединением матрицы и упрочняющего материала без образования непроваров и участков оплавления [126]. После УВО полуфабрикат сохраняет свою пластичность, что позволяет применить операции формообразования, при которых предается требуемая форма заготовки. Последующая термическая обработка позволяет сформировать на границе соединения интерметаллическую прослойку, которая обеспечивает увеличение временного сопротивления композита до 634 МПа, что на 38 % больше аналогичного показателя, чем у основного исходного материала матрицы – титана ВТ1-0 [126]. Нанесение оксидо-керамических покрытий методом микродугового оксидирования приводит к снижению теплопроводности всего композиционного материала на 28-30 %.

Разработаны рекомендации по рациональным и эффективным технологическим режимам при создании композиционного материала на различных стадиях обработки, представленные в таблице 5.3.

Разработанный по вышеприведенной технологии слоистый композиционный материал титан-алюминий с оксидо-керамическим покрытием сочетает в себе повышенные прочностные свойства с уменьшенной теплопроводностью. Такое сочетание свойств предполагает использование данного материала для средненагруженных деталей работающих при температурах до 600С и обладающих относительно невысокой плотностью. Например, для изготовления обшивки и элементов планера, воздухозаборников для сверхзвуковых самоле 126 тов, для средненагруженных деталей, работающих при повышенных температурах в ракето- и автомобилестроении, а также, благодаря высокой коррозионной стойкости исходных компонентов, для обшивки несущих элементов и элементов конструкции при облицовке полупогруженных буровых установок.

Стадия технологической обработки Основные режимы и параметры обработки

1. Получение качественного (без зон оплавления и непровара) полуфабриката композиционного материала титан-алюминий по предложенной схеме при помощи сварки взрывом Взрывчатое вещество – аммонит 6ЖВ;скорость точки контакта (Vк) – 2063–2426 м/с;скорость соударения (Vc) – 412–477 м/с

2. Синтез упрочняющей интерметаллической (TiAl3) прослойки максимальной (100 мкм) толщины на границе раздела исходных компонентов за счет термической обработки Температура отжига (Т) - 630С;Время отжига () - 195 ч

3. Формирование микродуговым оксидированием на поверхности композиционного материала оксидо-керамического покрытия уменьшающего коэффициент теплопроводности материала в целом (А, 13,82 Вт/(м-К)) Вид электролита – сульфатный;Плотность тока(j) – 1,0 А/см2; Продолжительность обработки () – 0,5 ч

В настоящее время, в качестве исходного материала для изготовления деталей системы воздухоподачи в рабочую зону турбореактивных двигателей, в частности воздухозаборников, установленных на корпусах сверхзвуковых самолетов, используют низколегированный среднепрочный псевдо--сплав марки ОТ4. Данный сплав сохраняет свои прочностные свойства до температур не бо 127 лее 350С, дальнейшее повышение рабочей температуры приводит к снижению прочностных свойств и выходу из строя воздухозаборника. Замена данного материала на разработанный композиционный материал аналогичной толщины позволит уменьшить массу элемента, за счет того, что плотность КМ ниже на 10 % и увеличить, за счет нанесенного покрытия, рабочую температуру до 700С. Следствием данной замены может являться увеличение крейсерской скорости самолёта или использование воздухозаборников, изготовленных из предлагаемого композиционного материала, в гиперзвуковых самолетов нового поколения.

Экономический эффект рассчитывался от применения разработанного слоистого композиционного высокопрочного материала пары титан-алюминий взамен сплава ОТ4, предусмотренного техническим проектом для изготовления воздухозаборника на сверхзвуковом самолете марки СУ-27.

Экономический эффект при замене исходного материала на разработанный слоистый композиционный материал с нанесенным оксидо-керамическим покрытием для изготовления пары воздухозаборников составит Эі = 186180 руб.

Согласно статистическим данным в настоящее время на территории Российской Федерации эксплуатируется порядка 40-50 единиц СУ-27. Экономический эффект при оснащении всех самолётов данной марки воздухозаборниками из разработанного материала составит Э40-5о = 7447200-9309000 руб. Кроме того, проведенный анализ номенклатуры используемых сверхзвуковых самолетов показал, что кроме СУ-27 широко эксплуатируются: МиГ-29, МиГ-35, СУ-35 и т.д. Комплекс проблем испытывающих разными типами сверхзвуковых самолетов схож и повышение рабочих температур и максимальной и крейсерской скорости актуально и для данных типов самолётов. Общее количество данных типов сверхзвуковых самолетов, эксплуатируемых на территории РФ, превышает 300 единиц.

Кроме того, проведенный прочностной расчёт показал, что замена исходного материала ОТ4 на предлагаемый СКМ, обеспечивает аналогичную прочность конструкции при той же нагрузке. Принимая во внимание то, что у разработанного СКМ плотность ( = 4,0 кг/м3) ниже, чем у низколегированного среднепрочного псевдо--сплава марки ОТ4 ( = 4,5 кг/м3), то общая масса используемых воздухозаборников уменьшается на 11 % или, при пересчете на массу - 150 кг. То есть за счет внедрения разработанного материала, на борт сверхзвукового самолета типа СУ-27 может быть дополнительно поднято до 150 кг полезного груза, что также положительно повлияет на технико-экономическую эффективность.