Введение к работе
Актуальность проблемы. Одной из основных тенденций в современном материаловедении является широкое использование слоистых композиционных материалов и покрытий, постоянный прогресс в конструировании которых требует опережающего исследования фундаментальных физических процессов, происходящих в твердых телах при сильном внешнем воздействии. Различные композиционные материалы имеют высокую прочность, жесткость, вязкость разрушения и др., а также специальные физические и эксплуатационные свойства. При формировании новых свойств композиционных материалов, которые отличаются от свойств составляющих их компонентов, существенную роль играют разделяющие их границы. Эффективным способом соединения материалов для создания высококачественных биметаллических и многослойных композитов является сварка взрывом. Благодаря таким особенностям, как кумулятивное струеобразование, интенсивная высокоскоростная пластическая деформация, локализованная вблизи контактной поверхности, и связанный с этим локальный разогрев до температур, часто превышающих температуры плавления свариваемых материалов, процесс сварки взрывом является в некоторых случаях единственным возможным способом качественного соединения материалов.
Создание новых композиционных материалов необходимо для динамичного развития многих отраслей промышленности и, в первую очередь, атомной энергетики, ракетно-космической, химической и др. Потенциальная эффективность метода сварки взрывом реализована далеко не в полной мере. Это связано, главным образом, с необходимостью разработки физически обоснованной модели, отражающей свойства материалов после взрыва и необходимой для целенаправленного воздействия на их структурное состояние. Не вызывает сомнений актуальность исследования процессов, которые происходят при сварке взрывом и определяют возможность получения новых композиционных материалов. Настоящая работа является фундаментальным исследованием процессов, определяющих формирование сварного соединения, и структур, которые при этом возникают. Несмотря на широту теоретических и экспериментальных исследований, выполненных ранее в этом направлении, многие вопросы остаются не выясненными до сих пор.
При всем многообразии материалов и режимов сварки центральной является проблема перемешивания в переходной зоне сварного соединения. Перемешивание происходит в результате сильного внешнего воздействия, которое предполагает большие давления, интенсивную и сильно неоднородную пластическую деформацию, трение поверхностей, влияние кумулятивной струи и другие факторы. Но до сих пор остается неясным, как за столь короткое время, пока длится сварка, успевает произойти сцепление материалов даже при таком сильном внешнем воздействии. Еще более остро встает этот вопрос, если речь идет о материалах, не имеющих взаимной растворимости. Соединение некоторых пар материалов представляет собой сложную задачу, особенно это касается пар металл-интерметаллид и металлов, не имеющих взаимной растворимости.
Трудности сварки металлов с интерметаллидами обусловлены хрупкостью интерметаллидов, т.к. интерметаллиды являются высокотемпературными химическими соединениями с сильными межатомными связями. Тем не менее, сваркой взрывом было получено биметаллическое соединение титана с орторомбическим алюминидом титана. Структура этого соединения исследуется в настоящей работе. Для металлов, не имеющих взаимной растворимости, проблема перемешивания также является достаточно острой. Для того чтобы выяснить, насколько важным фактором является наличие взаимной растворимости исходных материалов, для сварки взрывом выбраны медь и тантал, которые в обычных условиях не имеют взаимной растворимости.
Для оптимизации параметров сварки необходимо исследование структуры соединений и выявление на этой основе закономерностей их формирования. Однако в настоящее время роль структурных исследований является недооцененной, причем в основном они ограничиваются оптической металлографией. В настоящей работе для исследования структуры сварных соединений используется оптическая металлография (ОМ), сканирующая (СЭМ) и просвечивающая (ПЭМ) электронная микроскопия.
Принято считать, что образование расплавов в процессе сварки взрывом значительно ухудшает качество соединений пар металлов, склонных к образованию интерметаллидов, не говоря уже о применении интерметаллида в качестве одного из исходных материалов. Однако для исследованных материалов соединения оказались весьма прочными.
Орторомбический алюминид титана был выбран для покрытия титана из-за присущего этим сплавам комплекса свойств, включающего высокие значения удельной прочности, хорошую пластичность, вязкость разрушения, высокие сопротивления ползучести и окислению. Соединение меди с танталом является перспективным из-за исключительной коррозионной стойкости тантала, благодаря которой эти композиционные материалы можно использовать в химическом машиностроении. Одним из наиболее известных применений таких композитов является корпус химического реактора из конструкционной стали, внутренняя стенка которого покрыта тонким слоем тантала через подслой меди.
Степень разработанности темы исследования
Исследования в области сварки взрывом ведутся уже более 50 лет. При этом большое внимание уделяется физическим аспектам процесса и технологии сварки взрывом, структурные же исследования ограничиваются в основном оптической металлографией, либо сканирующей электронной микроскопией с целью выявить особенности волнообразного профиля, показать наличие либо отсутствие зон расплавов, непроваров, трещин и других дефектов сварного соединения. Данных об исследованиях тонкой структуры материалов, структуры границ и зон расплавления, о сравнении переходной зоны соединений металлов, имеющих различную взаимную растворимость, о сварке взрывом металлов с интерметаллидами в литературе практически не приводится. В связи с этим все основные результаты в работе получены впервые и являются оригинальными.
Цель работы: экспериментальное и теоретическое исследование закономерностей формирования биметаллических соединений (титан - орторомбический алюминид титана, медь - тантал), выявление процессов, которые происходят при сварке взрывом и роли, которую играет при этом взаимная растворимость металлов, разработка новых подходов к анализу структуры соединений металл - металл, металл - интерметаллид. В соответствии с целью работы были поставлены следующие основные задачи:
-
Провести электронно-микроскопический анализ переходной зоны биметаллических соединений титан - орторомбический алюминид титана, медь - тантал. Изучить влияние формы границы (плоская, волнообразная) на структуру переходной зоны при разном удалении от поверхности раздела. Выяснить, какую роль в формировании соединения играет микрорельеф поверхности раздела.
-
Выяснить возможность протекания при сварке взрывом процессов фрагментации; изучить, при каких условиях наблюдается фрагментация, типичная для больших степеней пластической деформации, а при каких - фрагментация типа дробления, аналогичная наблюдаемой при взрыве.
-
Изучить микроструктуру зон локального расплавления, их химический и фазовый состав, причины возникновения, их влияние на перемешивание и вихреобразование.
-
По результатам электронно-микроскопических исследований структуры соединений медь - тантал выяснить механизмы перемешивания в переходной зоне, и определить, при каких условиях зоны перемешивания представляют опасность для сплошности сварного соединения металлов без взаимной растворимости.
-
Разработать новый подход к анализу структуры переходной зоны сварного соединения, включающий изучение многообразия процессов фрагментации, перемешивания, расплавления и вихреобразования.
Научная новизна. В данной диссертации впервые получены следующие результаты:
-
-
Обнаружена фрагментация типа дробления (ФТД) при сварке взрывом. ФТД наблюдается как для соединений металл-интерметаллид, так и металл-металл, независимо от взаимной растворимости компонентов и от формы границы раздела (плоской или волнообразной).
-
ФТД при сварке взрывом представляет собой процесс образования частиц (фрагментов) в результате микроразрушения, сопровождающийся образованием большой площади свободной поверхности и дальнейшей частичной консолидацией частиц таким образом, что сохраняется сплошность материала. Вследствие большой поверхностной энергии образующихся частиц ФТД является мощным каналом диссипации подводимой энергии. Таким образом, посредством ФТД, реализуемой на границе раздела свариваемых материалов при сварке взрывом, в переходной зоне рассеивается значительная часть энергии метаемой пластины.
-
Обнаружены выступы на поверхности раздела. Выступы возникают в результате бездиффузионного (из-за быстротечности сварки) выброса одного металла в другой. Выступы наблюдались во всех исследуемых в настоящей работе соединениях. Выступы образованы металлом, обладающим в данной паре наибольшей твердостью. Фактически поверхность раздела представляет собой хаотический рельеф с большим числом выступов и впадин.
4. Определены условия, при которых зоны локального расплавления представляют опасность для сплошности сварного соединения. Если на фазовой диаграмме соединяемых металлов (или компонентов сплавов) присутствуют интерметаллиды или упорядоченные фазы, то опасность представляют образование этих фаз и интерметаллические реакции в зонах локального расплавления. При отсутствии взаимной растворимости соединяемых металлов, когда зоны локального расплавления представляют собой коллоидные растворы, опасность возникает из-за возможного расслоения эмульсии.
Научная и практическая значимость работы. Полученные в работе экспериментальные результаты о механизмах формирования структуры в переходной зоне биметаллических соединений при сварке взрывом, расширяют знания и дополняют представления о процессах, протекающих при столь высокоинтенсивном воздействии, каким является сварка взрывом.
Результаты работы свидетельствуют, что метод сварки взрывом можно рекомендовать для практического использования как эффективный метод получения биметаллических и многослойных соединений металлов без взаимной растворимости, металлов, сильно различающихся по температурам плавления, для сварки обычных сплавов с интерметаллидными с целью получения теплостойких, жаростойких, износостойких покрытий. В работе показано, что методом сварки взрывом возможно эффективно наносить на титановые сплавы покрытия из тонколистового проката более жаростойких орторомбических сплавов.
Областью применения биметаллических соединений медь-тантал, в которых тонколистовой тантал выступает в качестве покрытия, являются корпуса резервуаров и емкостей, трубопроводы, теплообменники, эксплуатация которых в условиях агрессивных сред и при повышенных температурах требует высокой коррозионной стойкости внутренних либо наружных стенок конструкции. При этом использование тантала в деталях конструкции в виде тонких покрытий приводит к существенной его экономии. Медь может быть как основным конструкционным материалом, на который наносится покрытие, так и промежуточным слоем (например, в трехслойных композитах сталь-медь-тантал), препятствующим образованию хрупких интерметаллидов системы Fe-Ta, которое возможно при непосредственном покрытии танталом листов стали.
Приведенные в работе результаты использованы при чтении курсов «Материаловедение композиционных материалов» и «Материаловедение композиционных материалов и покрытий» на Кафедре термообработки и физики металлов Института материаловедения и металлургии ФГАОУ ВПО «УрФУ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина».
Похожие диссертации на Процессы фрагментации, перемешивания и расплавления при формировании биметаллических соединений: титан - орторомбический алюминид титана и медь - тантал
-
