Введение к работе
Актуальность темы диссертационного исследования. Одним из перспективных направлений науки в области материалов с высоким уровнем жаропрочности, износостойкости и особыми тепло- и электрофизическими свойствами является создание сплавов с интерметаллидным упрочнением. В 1950 г. алюминиды титана Ті3А1 и ТІА1, имеющие низкую плотность и постоянный предел прочности до 600С, предложены в качестве основы для создания титановых аг- и у-сплавов. Для аэрокосмических систем применение алюминидов, благодаря высоким значениям статической прочности, сопротивления ползучести и стойкости к окислению, решает две проблемы: рост рабочих температур двигателя, позволяющий увеличить удельную мощность и экономить горючее, и уменьшение нагрузок от вращающихся деталей за счет снижения массы.
Развитием направления является создание слоистых металло-интерметаллидных композитов (СМИК) - материалов с чередующимися металлическими и интерметал-лидными слоями. Наличие слоев титана и алюминидов титана с градиентом физико-механических свойств обуславливает перспективу применения СМИК в энергетических установках, криогенном и теплообменном оборудовании в качестве теплозащитных барьеров, износостойких покрытий, жаропрочных и жаростойких материалов, так как титановые слои обеспечивают пластичность при комнатной температуре, а алюминидные - необходимые износостойкость, пределы прочности и текучести при повышенных температурах.
Производительный, не требующий дорогостоящего оборудования процесс сварки взрывом (СВ) - эффективный метод создания слоистых металлических композитов (СМК) из-за быстротечности формирования соединения, препятствующей диффузии на границе разнородных металлов и позволяющей получать равнопрочные соединения из практически любых сочетаний металлов. Недостаточность на современном этапе научно-технической информации по проектированию конструкций и технологий изготовления титано-алюминиевых СМИК, базирующихся на металлофизических представлениях о формировании структурно-механической неоднородности в сваренных взрывом композитах и ее трансформации при последующих переделах, требует решения ряда задач, посвященных изучению образования соединения в процессе СВ и диффузионных процессов с учетом накопленных микродефектов, исследованию возможностей интенсификации формирования СМИК системы титан-алюминий, определению свойств СМК и СМИК различной структуры при нормальных и повышенных температурах.
Актуальность темы диссертационного исследования подтверждается выполнением его части в рамках межвузовских, межотраслевых и федеральных научно-технических программ по направлениям «Развитие научного потенциала высшей школы», «Интеграция науки и высшего образования России», «Научно-
инновационное сотрудничество», «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» и др.
Цель и задачи работы. Целью работы явилась разработка теоретических основ проектирования и изготовления слоистых металло-интерметаллидных композитов системы титан-алюминид титана на основе исследования закономерностей трансформации структурно-механической неоднородности полученного сваркой взрывом ти-тано-алюминиевого композита при обработке давлением (ОД) и термообработке (ТО).
Для достижения указанной цели в диссертационной работе поставлены и решены следующие задачи:
-
Раскрыты основные закономерности формирования и трансформации локальных участков оплавленного металла в околошовной зоне (ОШЗ) полученных СВ ти-тано-алюминиевых слоистых композитов.
-
На основе исследования структуры, макро- и микромеханических свойств соединений и компьютерного моделирования разработаны рекомендации по управляемому регулированию параметров процессов холодной (ХП) и неполной горячей прокатки (НПГП) для повышения качества титано-алюминиевых композитов.
-
Получены зависимости, позволяющие назначать режимы нагревов титано-алюминиевых композитов ниже точки ликвидуса алюминия для реализации требуемых структурно-геометрических параметров СМИК с учетом энергетики СВ и термосиловых параметров на последующих стадиях деформирования.
-
На основе исследования механизма образования и эволюции упрочненных частицами алюминидов слоев при взаимодействии расплава алюминия с титаном разработаны технологические процессы ускоренного формирования СМИК системы титан-алюминид титана с управляемой структурной, фазовой и химической неоднородно-стями на межслойных границах.
-
Предложены методики расчета механических и физических свойств СМИК системы титан-алюминид титана с учетом структуры и объемного соотношения основных и интерметаллидных слоев.
Научная новизна. Новым положением работы является создание теоретических основ проектирования и изготовления слоистых металло-интерметаллидных титано-алюминиевых композитов, базирующихся на выявленных закономерностях формирования и трансформации их структуры и свойств при различных деформационно-энергетических и температурно-временных условиях сварки взрывом, обработки давлением и высокотемпературной термообработки.
Экспериментально доказано, что структура локальных участков оплавленного металла на межслойных границах сваренных взрывом титано-алюминиевых СКМ относительной протяженностью менее 60% представляет дисперсные включения термодинамически маловероятного алюминида титана Ті3А1 в матрице из твердого рас-
твора на основе алюминия. Увеличение относительной протяженностью оплавов приводит к росту площади локальных участков оплавленного металла и содержания в них интерметаллидов, в фазовом составе которых преобладает термодинамически наиболее вероятный ТіА13 за счет увеличения длительности взаимодействия расплава алюминия с титаном до кристаллизации.
Установлено, что рост диффузионной прослойки в процессе отжига слоистого титано-алюминиевого композита, полученного СВ на режимах, приводящих к появлению химической неоднородности, происходит в две стадии: на первой повышается содержание интерметаллидов титана в участках оплавленного металла с трансформацией Ті3А1 в ТіА13 и интенсифицировано растет интерметаллидная прослойка на бездефектных участках границы, а на второй стадии происходит формирование диффузионной зоны вокруг эволюционирующих до почти полной гомогенизации локальных участков оплавленого металла.
Выявлен механизм формирования участков локального разупрочнения при деформации до 10 % в титане и сплаве АМгб на расстоянии 0,2-0,3 мм от зоны соединения слоистого композита, связанный с миграцией и аннигиляцией образовавшихся при сварке взрывом дислокаций в околошовной зоне, что подтверждается уменьшением напряжений второго рода. Явление локального разупрочнения сохраняется и при повышенных температурах деформирования, но в более широком интервале обжатий.
Впервые раскрыт механизм взаимодействия на межслойных границах сваренных взрывом титано-алюминиевых композитов при температурах выше точки плавления алюминия, заключающийся в последовательном протекании следующих стадий: малоактивного образования и роста сплошной интерметаллидной прослойки на границе Ti-Al вследствие диффузии алюминия по изолированным друг от друга каналам в оксидной пленке; образование и оттеснение в расплав частиц ТіА13 в результате фрагментации под действием внутренних напряжений интерметаллидной прослойки, интенсивно формирующейся после разрушения оксидной пленки; роста в расплаве толщины слоя с постоянным для данной температуры содержанием фрагментов ТіА13,зависящим от соотношения скоростей гетерогенных и гомогенных реакций.
Раскрыта кинетика роста интерметаллидных прослоек в сваренном взрывом и прокатанном титано-алюминиевом композите, заключающаяся в уменьшении периода ретардации, энергий активации зарождения и роста интерметаллидов при увеличении деформации при прокатке вследствие повышения степени дефектности околошовных зон и разрушения барьерных оксидных пленок. Показано возрастание лимитирующей роли транспортных механизмов перемещения атомов титана и алюминия через интерметаллидную прослойку на кинетику ее роста при повышении температуры.
Практическая значимость. Результаты исследований положены в основу рас-четно-экспериментальных методов определения требуемого числа и толщины исход-
ных слоев титана и алюминия, оптимальных энергетических и технологических параметров операций (СВ, прокатки, штамповки, ТО) процессов получения слоистых металлических и металло-интерметаллидных титано-алюминиевых композитов и деталей из них с расчетным соотношением титановых и алюминидных слоев и стабильными физико-механическими свойствами.
На базе полученных теоретических и экспериментальных результатов разработан стандарт организации, технологический процесс и на этой основе изготовлены партии композиционных материалов, заготовок и узлов, внедрение которых на ряде предприятий РФ позволило получить экономический эффект 15,7 млн. руб. в ценах 2007 г.
Апробация работы. Материалы работы докладывались на 30 международных и всероссийских конференциях и симпозиумах (Москва - 1998, 2000, 2002, 2006, 2012, 2013; Санкт-Петербург - 1998, 2007, 2011, Саров - 2005; Магнитогорск - 2004, Волгоград - 1997, 1998, 2001, 2004, 2007, 2010, 2011; Барнаул - 2002; Новочеркасск -
-
2011, Воронеж - 2012, Пенза - 2003, Нальчик - 2010, Камышин - 2003, 2005,
-
2008, 2011), а также на научных конференциях ВолгГТУ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 185 работ, в том числе 4 монографии, 49 статей в рецензируемых российских и международных журналах, 12 изобретений.
Структура работы. Диссертация написана на 361 страницах, состоит из введения, 6 глав и общих выводов. В приложении содержатся копии актов внедрения, а также разработанных стандартов организации и технологического процесса.
