Введение к работе
Актуальность проблемы. Требования, предъявляемые к материалам новыми отраслями науки и техники, постоянно повышаются. Нередко возникает потребность в материалах, обладающих, казалось бы, несовместимыми свойствами: высокой прочностью и низкой плотностью, жаропрочностью, коррозионной стойкостью и т.д. Поэтому наряду с традиционными конструкционными материалами, усиливается роль различных покрытий и принципиально новых материалов. Только объединение нескольких материалов в единое структурное целое, т.е. создание композиции, позволяет получить совершенно новый материал, свойства которого отличаются от свойств его составляющих.
Особая роль среди новых материалов со специальными свойствами принадлежит слоистым металлическим композициям. Такие материалы могут быть получены соединением разнородных металлов в монолитную композицию, сохраняющую надежную связь составляющих при дальнейшей технологической обработке и в условиях эксплуатации. Основную часть этих материалов представляют биметаллы - композиции, состоящие из слоев двух металлов.
Однако, несмотря на высокую техническую и экономическую эффективность, применение слоистых материалов, их производство существенно отстает от потребностей химического, нефтяного, транспортного, энергетического и других отраслей машиностроения. Это вызвано, прежде всего, недостатками существующих технологических процессов производства, которые в ряде случаев не обеспечивают требуемого качества продукции, и медленным развитием теории процессов соединения разнородных металлов, их совместной пластической деформации, формирования и изменения свойств композиций при их изготовлении, обработке и применении.
Существует несколько способов получения слоистых металлических композиций, каждый из которых имеет свои преимущества и особенности. Поэтому они не исключают, а взаимно дополняют друг друга. Знание возможностей каждого метода позволяет определить наиболее эффективный способ для производства конечного вида слоистого материала и обеспечить высокое качество изделия и хорошие экономические показатели его изготовления [1].
Титан и его сплавы обладают такими важными эксплуатационными качествами, как высокая удельная прочность при комнатной и повышенной (до 400 С) температуре и коррозионная стойкость во многих химически активных средах и в морской воде. Существенным недостатком титана и его сплавов является то, что при высоких температурах эти материалы активно поглощают атмосферные газы, образуя хрупкие сплавы, непригодные для практического применения [2]. В связи с этим повышается роль различных покрытий из принципиально новых материалов, улучшающих
эксплуатационные характеристики готовых изделий. Недостатки, присущие титановым сплавам, можно преодолеть, идя по пути создания нового класса материалов: титановых сплавов, плакированных тонкими листами из более жаропрочного и жаростойкого сплава. При выборе материала покрытия для титановых сплавов необходимо учитывать следующее: этот материал должен обладать хорошим комплексом механических свойств, технологичностью, высокой химической стабильностью и сопротивлением окислению в большом диапазоне температур. Также немаловажным фактором является совместимость материала покрытия с основным материалом. Сплавы на основе О-фазы (Ti2AlNb), имеющей орторомбическую кристаллическую решетку (далее по тексту орторомбические алюминиды титана, орторомбические алюминиды, орторомбические сплавы), обладают высоким предельным сопротивлением разрыву (до 1600 МПа), достаточно хорошей пластичностью (по сравнению с другими алюминидами титана), которая может достигать 16 % на растяжение. При рабочих температурах 650-700 С некоторые интерметаллические сплавы системы Ti-Al-Nb с химическим составом вблизи Ті-25ат.%А1-25ат.%М> сохраняют устойчивость к окислению в течение 4000 часов.
Титановые сплавы, плакированные тонкими листами алюминидов титана, являются новым и еще недостаточно изученным классом композиционных коррозионностойких и жаростойких материалов, позволяющим преодолеть недостатки, присущие титановым сплавам. Критической у этих композиционных материалов является узкая зона вблизи контактной поверхности, в которой происходят наиболее значительные изменения структуры и фазового состава материалов. Свойства этой зоны обычно определяют свойства биметаллического соединения в целом. Характер переходной зоны зависит от выбранной технологии соединения материалов, от температурно-временных, силовых и прочих режимов процесса. Целью работы являлось:
выяснить, из каких слоев, параллельных контактной поверхности (КП), состоит биметаллическое соединение для обоих способов сварки, каков атомный состав слоев, идентифицировать фазы, их заполняющие;
выяснить роль диффузионных процессов и фазовых превращений, включая возможное расплавление;
выявить, какие из исследуемых процессов являются ответственными за перемешивание материалов вблизи контактной поверхности и соответственно за сцепление материалов (их свариваемость);
определить факторы, которые отвечают за качество исследуемых биметаллических соединений и за возможность использования орторомбиче-ского алюминида для плакирования титана и титановых сплавов.
В связи с этим были поставлены следующие задачи:
- исследовать различными методами микроструктуру и фазовый состав
соединений орторомбического алюминида титана ВТИ-1 (ТІ-30А1-16Nb-lZr-lMo, ат.%) с титановым сплавом ПТЗВ (диффузионная сварка) и с технически чистым титан (сварка взрывом);
выяснить, какие фазовые и структурные превращения происходят в основном объеме материалов вдали от контактной поверхности; сохраняются ли здесь исходные фазы, возможно ли разупорадочение;
определить структуру переходной области между материалами, выяснить, какие фазы возникают при подходе с обеих сторон к контактной поверхности, возможно ли, и в каких случаях, перемешивание за счет диффузии в твердых телах;
выяснить различия в формировании зоны перемешивания при сварке с высокоинтенсивным (сварка взрывом) и низкоинтенсивным (диффузионная сварка) силовым воздействием;
выяснить вопрос о возможности расплавления в переходной зоне при сварке взрывом, о роли расплавления в формировании зоны перемешивания и об ее микроструктуре при последующей быстрой закалке.
Научная новшна работы. В данной диссертации впервые получены следующие результаты:
Обнаружено, что после диффузионной сварки титановый сплав в основном возвращается в исходное состояние, тогда как алюминид оказался превращенным в разупорядоченную ОЦК фазу. При подходе к контактной поверхности с обеих сторон возникают ОЦК-фазы. Взаимная подстройка ОЦК решеток является фактором, благоприятным для хорошего качества биметаллического соединения.
Обнаружено, что при сварке взрывом в состав соединения входят: зона сплошного деформирования, наблюдаемая в обоих материалах; рекристаллизованная зона, наблюдаемая в титане;
переходная зона вблизи границы раздела, содержащая изолированные вихри.
3. Установлено, что при сварке взрывом сцепление поверхностей
осуществляется посредством:
расплавления и последующего перемешивания (в зоне вихрей);
переноса частиц одного металла в другой с образованием треков частиц (вне
зоны вихрей).
4. Показано, что вихревая зона имеет три характерных средних размера.
Один связан с общим размером самого вихря, который составляет 20-100
мкм. Второй размер связан со слоистой структурой вихря. Расстояние между
слоями, составляет примерно 2 мкм. Третий характерный размер связан с
микроструктурой вихревой зоны, состоящей из смеси зерен ос- и Р-фаз.
Средние размеры зерен составляют примерно 100 нм.
Научная и практическая ценность. Данное исследование является по существу первым, в котором проведен детальный анализ микроструктуры со-
единений орторомбического алюминида титана с титановыми сплавами. Соединения получены при двух способах сварки, различающихся по интенсивности силового воздействия, а именно при диффузионной сварке (низкоинтенсивное силовое воздействие) и сварке взрывом (высокоинтенсивное силовое воздействие). В обоих случаях соединения имеют многослойную структуру, но слои заполнены разными фазами, и различные процессы обеспечивают перемешивание материалов вблизи границы раздела. Принципиально различной является и роль диффузионных процессов, и роль процесса расплавления. Результаты проведенных экспериментальных исследований позволили выявить ряд общих закономерностей в формировании соединений интерметаллид - металл. На этой основе удалось объяснить, почему удачным оказался выбор режимов сварки, сделанный во ФГУГІ ЦНИИКМ "Прометей" при конструировании исследуемых соединений. Изучение физических закономерностей, лежащих в основе образования соединений разнородных материалов, и определяет практическую значимость данного исследования. При этом многие из изучаемых вопросов, например, вопрос об образовании вихрей при взрыве, составляют часть фундаментальной проблемы поведения материалов при сильных воздействиях. Основные результаты и положения, выносимые на защиту:
Результаты исследования микроструктуры биметаллических соединений орторомбического алюминида титана ВТИ-1 (Ti-30Al-16Nb-lZr-lMo, ат.%) с титановым сплавом ПТЗВ (диффузионная сварка) и с технически чистым титаном ВТ1-0 (сварка взрывом).
Выявление фазовых и структурных превращений, которые происходят в разных слоях, образующих биметаллическое соединение, и выделение тех превращений, которые обеспечивают перемешивание материалов вблизи границы раздела.
Выяснение структуры вихревых зон. Определение возможного сценария формирования вихревой зоны как зоны перемешивания. Доказательства того, что вихревая зона возникает из расплава.
Определение факторов, которые отвечают за качество исследуемых биметаллических соединений и за возможность использования орторомбического алюминида для плакирования титана и титановых сплавов.
Личный вклад автора. В работах, написанных в соавторстве, автору принадлежат подготовка и проведение экспериментов и измерений, связанных с исследованием структуры биметаллических соединений, расчеты, связанные с анализом экспериментальных данных, полученных методами рентге-ноструктурного анализа, рентгеновской спектроскопии и просвечивающей электронной микроскопии, а также активное творческое участие в планировании экспериментов, обсуждении результатов и написании статей. Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием современных методов исследования структуры и фазового состава, включая
металлографию, просвечивающую электронную микроскопию, сканирующую электронную микроскопию и рентгеноструктурный анализ. Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
