автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Процессы фрагментации, перемешивания и расплавления при формировании биметаллических соединений: титан - орторомбический алюминид титана и медь - тантал

На правах рукописи

ИНОЗЕМЦЕВ Алексей Владимирович

ПРОЦЕССЫ ФРАГМЕНТАЦИИ, ПЕРЕМЕШИВАНИЯ И РАСПЛАВЛЕНИЯ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ: ТИТАН - ОРТОРОМБИЧЕСКИЙ АЛЮМИНИД ТИТАНА И МЕДЬ - ТАНТАЛ

05.16.01 — металловедение и термическая обработка металлов и сплавов 05.02.10 - сварка, родственные процессы и технологии

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

О 5 СЕН 2013

Екатеринбург - 2013

005532648

005532648

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Ордена Трудового Красного Знамени Институте физики металлов УрО РАН

Научный руководитель: Гринберг Бэлла Александровна, доктор физико-

математических наук, профессор

Официальные оппоненты: Бродова Ирина Григорьевна, доктор технических

наук, профессор, лаборатория цветных сплавов ИФМ УрО РАН, главный научный сотрудник

Гладковский Сергей Викторович, доктор технических наук, лаборатория деформирования и разрушения ИМАШ УрО РАН, заведующий лабораторией

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего

профессионального образования Волгоградский государственный технический университет (г. Волгоград)

Защита состоится 25 октября 2013 г. в 11:00 часов на заседании диссертационного совета Д 004.003.01 при Институте физики металлов УрО РАН по адресу: 620990, г. Екатеринбург, ГСП-170, ул. С.Ковалевской, 18

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики металлов УрО РАН

Автореферат разослан 2 / августа 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физ.-мат. наук ' -----Лошкарева Н.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 - интерметаплид. В соответствии с целью работы были поставлены следующие основные задачи:

1. 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.

2. 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.

3. Изучить микроструктуру зон локального расплавления, их химический и фазовый состав, причины возникновения, их влияние на перемешивание и вихреобразование.

4. 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.

5. 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:

1. Обнаружена фрагментация типа дробления (ФТД) при сварке взрывом. ФТД наблюдается как для соединений металл-интерметалл ид, так и металл-металл, независимо от взаимной растворимости компонентов и от формы границы раздела (плоской или волнообразной).

2. 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.

3. 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 интерметалл иды 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 Ре-Та, которое возможно при непосредственном покрытии танталом листов стали.

Приведенные в работе результаты использованы на кафедре термообработки и физики металлов Института материаловедения и металлургии ФГАОУ ВПО «УрФУ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина» в рамках курсов лекций специальных дисциплин «Материаловедение композиционных материалов» и «Материаловедение композиционных материалов и покрытий».

Содержание диссертации соответствует пункту 2 Паспорта специальности 05.16.01 металловедение и термическая обработка металлов и сплавов «Теоретические и экспериментальные исследования фазовых и структурных

превращений в металлах и сплавах, происходящих при различных внешних воздействиях», а также пункту 3 Паспорта специальности 05.02.10 - сварка, родственные процессы и технологии «Физические процессы в материалах при сварке и родственных технологиях, фазовые и структурные превращения, образование соединений и формирование их свойств». Основные результаты и положения, выносимые на защиту:

1. Совокупность экспериментальных данных о микроструктуре переходной зоны соединений титан - орторомбический алюминид титана и медь — тантал, полученных сваркой взрывом. Влияние параметров сварки взрывом и формы границы раздела на структуру переходной зоны.

2. Обнаружение фрагментации типа дробления при различной форме поверхности раздела и при различной взаимной растворимости исходных материалов. Определение роли ФТД как мощного канала для диссипации подводимой энергии.

3. Экспериментально выявленные закономерности и особенности формирования биметаллических соединений при сварке взрывом: явление фрагментации типа дробления, образование неоднородностей поверхности раздела и зон локального расплавления. Влияние взаимной растворимости на микроструктуру зон локального расплавления проявляется в образовании истинных либо коллоидных растворов.

4. Наблюдение, кроме ФТД, фрагментации другого типа, которая реализуется в металлах при их интенсивной пластической деформации и включает в себя накачку дислокаций, формирование клубковой, ячеистой, полосовой структур, рекристаллизацию и. т.д. В случае сварки взрывом ФТД реализуется вблизи границы раздела, а традиционная фрагментация - дальше от поверхности раздела.

5. Результаты исследования влияния выступов на поверхности раздела на сцепление материалов: трение на поверхности выступа усиленное за счет того, что выступ не является гладким, а содержит выступы следующих порядков.

6. Новый подход к анализу внутренней структуры зон локального расплавления: истинные растворы при наличии взаимной растворимости, коллоидные растворы при отсутствии взаимной растворимости. При наличии взаимной растворимости зоны локального расплавления ухудшают свойства соединения при образовании в них интерметаллидов. При отсутствии взаимной растворимости опасность может представлять расслоение эмульсий в этих зонах.

Личный вклад автора. Автор участвовал в постановке задач исследования, частично (совместно с O.A. Елкиной) в подготовке образцов для металлографических, и электронно-микроскопических, рентгенографических исследований, микродюрометрических измерений и для испытаний прочности на срез исследованных в данной работе биметаллических соединений. Соискатель самостоятельно при помощи метода ионной полировки и утонения получил образцы с точной локализацией прозрачных для электронного пучка областей в переходной зоне соединений сильно различающихся по физико-химическим свойствам материалов для их дальнейших электронно-микроскопических ис-

следований. Соискатель принимал участие (совместно с О.А. Елкиной, О.В. Антоновой) в проведении структурных исследований методами просвечивающей и сканирующей электронной микроскопии, а также в проведении испытаний прочности соединений на срез (совместно с Ю.И. Филипповым) в Центрах коллективного пользования ИФМ УрО РАН. Автором самостоятельно проведен анализ и расчёт электронограмм, а также обработка результатов рентгенострук-турного анализа, проведены микродюрометрические исследования и обработаны их результаты. Материал диссертации неоднократно лично докладывался автором на российских и международных конференциях в виде устных и стендовых докладов. Соискатель принимал активное участие в планировании экспериментов, обсуждении результатов и написании статей.

Достоверность полученных результатов, обоснованность выносимых на защиту положений, выводов, сформулированных в работе, обеспечена корректностью постановки задачи, использованием современных методов исследования структуры, воспроизводимостью результатов и согласованием результатов с данными других исследований.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

I, IV, V международной школе «Физическое материаловедение» (Тольятти, 2004, 2009, 2011); V, XII Уральской школе-семинаре металловедов - молодых ученых, (Екатеринбург, 2004, 2011); V, VII, XI Молодежном семинаре по проблемам физики конденсированного состояния вещества СПФКС, (Екатеринбург, 2005, 2008, 2010, 2011); Международной конференции ЕШОМАТ-2005, (Чехия, Прага, 2005); XXVI Российской школе по проблемам науки и технологий, (Миасс, 2006); Первом Российском научном форуме "Демидовские чтения на Урале" (Екатеринбург, 2006); Научной сессии Института физики металлов УрО РАН по итогам 2005 года, (Екатеринбург, 2006); IV международной конференции по математическому и компьютерному моделированию технологий материалов ММТ-2006. (Израиль, Ариэль, 2006); IX Российско-Китайском симпозиуме «Новые материалы и технологии», (Астрахань, 2007); V Российской ежегодной конференции молодых научных сотрудников и аспирантов, (Москва, 2008); III Всероссийской конференции по наноматериалам (Екатеринбург, 2009); 51-й Международной конференции «Актуальные проблемы прочности» (Харьков, 2011); XII Международном семинаре «Дислокационная структура и механические свойства металлов и сплавов» ОСМСМС-2011 (Екатеринбург, 2011); VI Всероссийской молодежной научной конференции «Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений» (Тольятти, 2011).

Публикации. Материал диссертационной работы отражен в 16 публикациях в рецензируемых журналах, включая 15 входящих в Перечень ВАК, из них 2 статьи в зарубежных периодических изданиях, а также в сборниках тезисов и докладов российских и международных конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 6-ти глав, заключения и списка литературы. Диссертация содержит 132 страницы, 57 рисунков, 6 таблиц и список литературы из 104 наименований.

Связь работы с научными программами, темами: Данное исследование выполнено в Институте физики металлов УрО РАН в соответствии с основным научным направлением лаборатории (тема «Структура» № г.р.01.2.006 13392); 09-М-12-2002 «Получение субмикрокристаллических и нанокристаллических структур в металлах и сплавах при фазовых превращениях и интенсивной пластической деформации»; 12-П-2-1014 «Сварка взрывом металлов с ограниченной растворимостью: процессы фрагментации, перемешивания, расплавления», а также при финансовой поддержке грантов и контрактов: ГК № ОВ/07/458/НТБ/К от 26.07.07, договор № 48/07/939-2007 «Разработка технологии получения интерметаллидов на основе титана и обработка их методом интенсивной пластической деформации для деталей и конструкций перспективной техники»; ГК № 02.523.12.3021, договор №46/08/213-2008 «Разработка технологии создания слоистых композитов на основе титана и алюминидов титана»; РФФИ № 04-03-96008) «Новые аэрокосмические материалы на основе орторомбических алюминидов титана: структура и свойства»; РФФИ № 10-02-00354-а «Вихревые структуры в интерметаллидах при большой пластической деформации».

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы исследования и описана структура диссертации, сформулированы цели и задачи работы, раскрыта научная новизна и практическая значимость полученных результатов, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведён обзор работ, посвященных исследованию различных аспектов получения слоистых композиционных материалов сваркой взрывом. В работах, приведенных в обзоре, изучаются различные особенности этого процесса, отличающие его от других способов сварки и определяющие его уникальные возможности для решения большого круга инженерных задач. Также в рассмотренных работах приводятся различные точки зрения и гипотезы о механизмах образования неразъемного соединения при высокоскоростном соударении металлических материалов, о влиянии схемы и режима сварки взрывом на деформационные, температурные и временные условия формирования соединения и на структуру его переходной зоны.

Во второй главе приведено описание материалов и методики исследований. Для выполнения поставленных в настоящей работе задач использовались следующие материалы:

Биметаллические соединения «1» и «2» технически чистого титана ВТ1-0 с орторомбическим сплавом марки ВТИ-1 (Т1-30А1-16ЫЬ-12г-1Мо), полученные при двух различных схемах сварки взрывом (Рис. 1).

На титановой пластине (подложке) было сделано углубление, в которое закладывали и фиксировали лист из сплава ВТИ-1 (Рис. 1а). На верхней (плакирующей) пластине титана размещали заряд взрывчатого вещества (ВВ). Другая схема сварки отличается от описанной выше расположением листа орто-

ромбического сплава ВТИ-1. Титановая пластина с зафиксированным на ней листом орторомбического сплава при такой схеме являлась метаемой (Рис. 16). Параметры (угол соударения у, скорость точки контакта Ук и скорость соударения Ус), реализованные при сварке взрывом орторомбического сплава ВТИ-1 с технически чистым титаном «1» и «2» были следующими:

Режим «1»: у = 13°; Ук = 2460 м/с; Ус = 500 м/с.

Режим «2»: у = 12,3°; Ук = 2150 м/с; Ус = 460 м/с. давление составляло ~6 ГПа, а зафиксированная температура биметаллического соединения после сварки -900 °С.

Рис. 1. Схемы сварки взрывом орторомбического сплава ВТИ-1 с титаном: а -схема 1 (метаемая пластина - ВТ1-0); б - схема 2 (метаемая пластина - ВТ1-0, с закреплённой в ней пластиной ВТИ-1).

Для исследования процессов массопереноса и перемешивания в зоне соединения при сварке взрывом металлов без взаимной растворимости для сварки была выбрана соответствующая пара металлов: медь марки М1 и тантал марки ТВЧ. Сварку выполняли в ОАО "Уралхиммаш" «3» и в ВолгГТУ «4» при различных параметрах соударения:

Режим «3»: у = 5,2°, Ук = 2680 м/с, Ус = 234 м/с. Величина энергии, затраченной на пластическую деформацию металла при этих параметрах W2 = 0,33 МДж/м2. Использовалось параллельное расположение пластин. Толщина пластины тантала составляла 1 мм, меди - 4 мм, зазор между пластинами — 1 мм. Медная пластина металась на танталовую.

Режим «4»: у = 11,8°, Ук = 2125 м/с, Ус = 440 м/с; tV2 = 1,04 МДж/м2. При получении данного соединения фольга тантала толщиной 0,1 мм металась на медную пластину. Параметры «3» находятся вблизи нижней границы области сварки для данной пары материалов, параметры «4» обеспечивают более сильное воздействие, чем при режиме «5», не выходя при этом за верхнюю границу области сварки.

Основными методами исследования служили металлографический анализ, рентгеноструктурный анализ, просвечивающая (ПЭМ) и сканирующая (СЭМ) электронная микроскопия, микроренггеноспектральный анализ (МРСА), микро-дюрометрия. Металлографический анализ проводили на оптических микроскопах OLYMPUS GX51 и NEOPHOT-21. Микродюрометрические измерения проводили на твердомере ПМТ-3 при нагрузке 20-50 г. Приготовление шлифов для измерений микротвердости проводили механической шлифовкой на абразивной бумаге

с последующей электрополировкой, необходимой для устранения наклепа поверхности при шлифовании. Рентгеноструктурный анализ фазового состава проводили на дифрактометре ДРОН-3 в монохроматизированном Си-Кд-излучении. Исследование микроструктуры выполнено с помощью просвечивающего электронного микроскопа JEM200CX при ускоряющем напряжении 160 кВ и растровых электронных микроскопов Quanta 200, Quanta 600, оснащенных микроанализаторами. Изображения поверхности получались с использованием как детектора вторичных электронов, который обладает наибольшим латеральным разрешением (до 3,5 нм для QUANTA 200, и до 2 нм для QUANTA 600), так и детектора обратно рассеянных электронов. Исследование элементного состава образцов проводились методом анализа спектров характеристического рентгеновского излучения, генерируемых электронным пучком в растровом электронном микроскопе. Приготовление фольг для электронно-микроскопического исследования биметаллических соединений орторомбиче-ского сплава с титаном проводилось по стандартной методике: механической, а затем электролитической полировкой. Особое внимание уделялось тому, чтобы участки переходной зоны оказались на просвечиваемых участках фольги. Окончательная подготовка фольги с переходной зоны соединения медь—тантал производилось методом ионной полировки на пушке Fashione 1010 ION MILL.

В третьей главе приведены оригинальные результаты исследования изменений, произошедших в структуре исходных материалов для биметаллических соединений (орторомбического сплава и технически чистого титана) после сварки взрывом. В частности, рассматривается влияние пластической деформации вне переходной зоны при сварке взрывом на структуру свариваемых материалов.

По данным рентгеноструктурного анализа орторомбический сплав в исходном состоянии содержит гексагональную а2-фазу (структура D0I9) и орторомбическую О-фазу. Кроме того, наблюдается небольшое количество ОЦК Р-фазы со следами упорядочения по типу В2, о присутствии которой свидетельствует пик при 29 = 56,9°. Структура сплава ВТИ-1 представляет собой распределение областей глобулярной формы на фоне однородной структурной составляющей (рис. 2а). Области глобулярной формы имеют бимодальное распределение по размерам: ~20 мкм, и более мелкие ~2 мкм. Как показало ПЭМ исследование, глобулярные области имеют слоистое внутреннее строение и представляют собой а2-фазу Ti3Al, обогащенную Nb и находящуюся на разных стадиях распада, который идет по реакции типа:

a2"ch — а2 + О (1)

Пространство между глобулами, как показало ПЭМ исследование, заполнено зернами а2- и О-фазы различной морфологии.

Лист титана технической чистоты ВТ 1-0, в исходном состоянии имел структуру с размером зерна 30-50 мкм. В некоторых отдельных зернах обнаруживаются тонкие двойники, уходящие с границ в тело зерна. Некоторые, достигнув противоположной границы зерна, либо переходят в соседнее зерно,

либо останавливаются. В отдельных зернах наблюдается множественное двойникование. Подобная структура, согласно [1], наблюдается в технически чистом титане при накопленной степени пластической деформации е ~ 0,01-0,02.

После сварки по данным рентгеноструктурного анализа для орторомбического сплава практически полностью сохранился набор наблюдаемых в исходном состоянии рентгеновских пиков (0+а2), но исчезли линии р0(В2)-фазы. В пластине из титана на разных расстояниях от контактной поверхности обнаружена только гексагональная а-фаза. Дифрактограмма отличается от исходной некоторым размытием пиков.

При металлографическом исследовании в структуре титана после сварки взрывом в отличие от исходного состояния наблюдается больший процент зерен, охваченных двойникованием. В подавляющем большинстве зёрен наблюдается множественное двойникование (рис. 2а). Наблюдение в отдельных зёрнах изогнутых (деформированных) двойников говорит о том, что степень деформации в материале достигает е ~ 0,1 [1].

При ПЭМ исследовании (рис. 26, в) как в орторомбическом сплаве, так и в титане наблюдаются фрагментированные структуры деформационного происхождения (полосовые структуры).

Рис. 2. Типичные микроструктуры ВТИ-1 и ВТ1-0 после сварки взрывом: а -колонии двойников в титане (оптическая металлография); б, в - деформационные полосы в материалах при ПЭМ исследовании.

В четвёртой главе приведены оригинальные результаты исследования переходной зоны биметаллических соединений «1» и «2» орторомбического сплава с технически чистым титаном, полученных при двух различных режимах соударения свариваемых пластин. Рассматриваются различные типы границ раздела биметаллических соединений, обусловленные различием схемы и соответственно режима сварки, а также процессы расплавления (локального или вдоль всей поверхности раздела), вихреобразования и фрагментации, происходящие в переходной зоне исследуемых соединений. Граница соединения «1» (рис. За) имеет регулярную волнообразную форму. Длина волны и амплитуда составляют -300-400 мкм и —70-100 мкм соответственно. В переходной зоне наблюдаются светлые участки (зоны локального расплавления). Граница соединения «2» (рис. 36) содержит нерегулярные неровности с очень малой амплитудой. Вдоль этой границы наблюдается сплошной тонкий слой расплава. Схематическое изображение структурных элементов переходной зоны,

выявленных при исследовании поперечных сечений биметаллических соединений «1» и «2» методами ОМ и СЭМ, представлены на рис 3 в, г.

Рис. 3. Вид границ раздела на поперечных соединениях ВТИ-1-ВТ1-0 (поперечное сечение, ОМ): а - схема 1; б - схема 2; в, г — схематические изображения расположения характерных зон с различной структурой: однородно деформированных орторомбического сплава и титана (1,5); интенсивной и неоднородной пластической деформации (2,4); термического влияния (3) и расплавленных участков и прослоек (серая штриховка).

На рис. 4 приведена структура расплавленной границы сварного соединения «2». Результаты электронно-микроскопических (СЭМ и ПЭМ) исследований показали, что граница имеет ультрамикрокристаллическую структуру, которая на СЭМ изображениях выявляется в виде сферолитов размером (100-400нм), а при исследовании методом просвечивающей электронной микроскопии выявляется зёренная структура с размером зерна субмикронного диапазона.

Хотя орторомбические сплавы и считаются интерметаллидами, при определенных термообработках в них может фиксироваться разупорядоченная р-фаза (ОЦК). Возможно такое превращение реализуется при застывании расплава, возникшего при перемешивании титана и алюминида. Также возможен фазовый переход а2—>Р при нагреве приграничного слоя орторомбического сплава в р-область с последующей фиксацией р-фазы при закалке. Вследствие того, что Р-фаза более пластична по сравнению с упорядоченными фазами, расплавление не приводит к охрупчиванию переходной зоны, а из-за очень малой толщины расплавленного слоя (~5 мкм) и больших скоростей охлаждения дендритная структура не образуется, так что расплавление в данном случае не опасно для соединения.

Рис. 4. Структура переходной зоны соединения ВТИ-1-ВТ1-0 с расплавленной границей: а, б - участок расплавленной границы и её структура, наблюдаемая методом СЭМ; в, г - ультрамикрокристаллическая структура границы (ПЭМ).

Проводилось металлографическое изучение поперечных и продольных сечений поверхности раздела исследуемых соединений ВТИ-1 - ВТ 1-0 с волнообразной границей раздела. На микрофотографии, полученной с продольного сечения (рис. 5а), отчетливо видно, что поверхность раздела содержит выступы одного материала в другой, глубина проникновения которых составляет десятки мкм. На рис. За хорошо видны светлые участки зон локального расплавления, которые наблюдаются вдоль границы раздела. При больших увеличениях (рис. 56) можно наблюдать их слоистую структуру. Слои в большинстве наблюдаемых зон локального расплавления повторяют своими очертаниями форму этих зон. Исходя из этих наблюдений и данных микрорентгеноспектрального анализа, было сделано предположение о циркуляции и вихревом характере движения расплава в замкнутых полостях, что способствовало перемешиванию компонентов в данных микрообъемах. Тонкая структура зон локального расплавления была исследована методом ПЭМ и представлена на рис. 5в, г. После кристаллизации зоны локального расплавления имеют субмикрокристаллическую а+|3 структуру с преимущественным размером зерна 100-150 нм (рис. 5в). На некоторых участках, таких как на рис. 5г, размеры фрагментов составляют 30-50 нм. Электронограмма с данного участка с большим количеством рефлексов на дебаевских кольцах, близкая к кольцевому типу, а также наличие четкой огранки и тройных стыков между наблюдаемыми фрагментами может свидетельствовать о наличии между ними высокоугловых границ.

Для определения локальных прочностных характеристик различных структурных элементов переходной зоны проводились замеры их микротвердости. На рис. 6 представлены результаты измерения микротвердости по зонам (ВТ1-0, рекристаплизованная зона ВТ1-0, зоны локального расплавления и ВТИ-1). Обращает на себя внимание высокая твердость в зонах расплавления, которая превышает твердость ВТИ-1 (-4000 МПа) в переходной зоне и составляет более 4500 МПа. При этом в зонах локального расплавления не выявлены твёрдые упорядоченные фазы, тогда как сплав ВТИ-1 является интерметаллидным (а2+0).

Для исследуемого соединения можно оценить возможность диффузионного перемешивания расплавленных материалов, как за время взрывного воздействия, так и за счет других процессов, сопровождающих такое воздействие. Учитывая

значение температуры расплава, близкое к 1500 °С, и типичное значение для коэффициента диффузии в жидкости £>« 1(Г5 см2/с, получаем, что за время взрывного воздействия порядка 10"6 с длины пробегов атомов составляют 1 «24гп I =60 нм. Ширина переходной зоны при сварке взрывом, вообще говоря, меняется от одного участка к другому. В качестве оценки можно использовать размер об-

Рис. 5. Структура переходной зоны соединения ВТИ-1-ВТ1-0 с волнообразной границей раздела: а — неоднородности волнообразной поверхности раздела (выступы и участки расплавов на продольном сечении); б - слоистая структура зоны локального расплавления (СЭМ); в, г - микроструктура зоны локального расплавления.

Зона измерений

Рис. 6. Микротвердость в различных зонах биметаллического соединения ВТИ-1 — ВТ1-0.

ластей расплава, который меняется в пределах 30-150 мкм. Эти значения на несколько порядков (как минимум на четыре) больше приведенной выше оценки для величины I в жидкости. Соответствующие времена для перемешивания разных компонент жидкости должны были бы составлять t ~ 2 с. Такие времена намного больше всех известных времен при взрывном воздействии. Однако имеются другие возможности для практически полного перемешивания жидкости, которое действительно наблюдаются экспериментально. Здесь в первую очередь можно отметить процессы кристаллизации расплава. Поскольку, соответствующие времена кристаллизации могут быть намного больше, чем все другие характерные времена, обеспечивается необходимое перемешивание.

Можно предположить следующий сценарий. Расплавление происходит за времена порядка времени взрыва, т.е. 10"6 с. Когда расплавление заканчивается, формируется граница полости в твердом теле, внутри которой происходит перемешивание и кристаллизация. Можно полагать, что послойное распространение кристаллизации расплава в радиальном направлении от границы полости к ее геометрическому центру приводит к формированию наблюдаемой слоистой структуры вихревой зоны и её ультрамикрокристаллической микроструктуры.

При более пристальном изучении границы раздела и большого числа зон локального расплавления вдоль неё, было обнаружено, что наблюдаемая методом СЭМ структура некоторых из них отличается от структуры, приведенной на рис. 56. Вместо слоистой структуры в виде изогнутых концентрических колец в этих зонах наблюдаются субмикронные частицы (фрагменты) алюминида, распределенные в расплаве (рис. 7а, б). Также воль границы наблюдались участки, один из которых представлен на рис. 7в, где вдоль границы вне зоны локального расплавления наблюдается слой, состоящий из консолидированных фрагментов орторомбического алюминида.

Рис. 7. Фрагментация орторомбического алюминида титана в переходной зоне соединения ВТИ-1-ВТ1-0: а, б - проникновение частиц алюминида внутрь областей локального расплавления; в - фрагментированный слой алюминида.

Опираясь на эти наблюдения, мы сделали предположение о возможности реализации в зоне соединения особого типа фрагментации в процессе сварки взрывом, которую мы называем фрагментацией типа дробления (ФТД). Это принципиально другой тип фрагментации. В отличие от фрагментации, наблюдаемой при интенсивной пластической деформации, ФТД является

аналогом фрагментации при взрыве, исследованной Невиллом Моттом, который описал динамическую фрагментацию твёрдых тел, приводящую к образованию осколков [2]. В процессе ФТД также наблюдается разлет фрагментов, но из-за того, что при сварке взрывом он происходит в ограниченном (замкнутом) пространстве, далее в результате совместной пластической деформации происходит их частичная консолидация. Из-за большой площади свободной поверхности фрагментов, а также из-за трения между ними этот процесс является мощным каналом диссипации энергии при сварке взрывом.

В пятой главе приведены оригинальные результаты исследования биметаллических соединений меди с танталом, полученные при различных режимах сварки взрывом. В частности, приведены результаты электронно-микроскопических исследований структуры меди и тантала вблизи границы раздела сварных соединений, а также зон их взаимного перемешивания. Рассматриваются вопросы влияния взаимной растворимости свариваемых материалов на процессы массопереноса в переходной зоне и, в конечном счете, на свариваемость пар материалов без взаимной растворимости методом сварки взрывом.

На рис. 8а приведен участок переходной зоны на поперечном сечении соединения Си-Та. Несмотря на то, что при увеличениях, достигаемых в оптическом микроскопе, граница выгляди! плоской, при СЭМ исследовании на ней наблюдаются микронеровности в виде множества выступов ~5—10 мкм. Стоит отметить, что размеры выступов на порядок превосходят исходную амплитуду микронеровностей поверхностей свариваемых металлов. По данным МРСА в областях серого цвета (обозначенных стрелками) содержатся примерно равные доли меди и тантала, на основании чего можно говорить о перемешивании компонентов в этих зонах и называть их зонами перемешивания по аналогии с зонами локального расплавления в соединениях ВТИ-1 — ВТ1-0. При уменьшении зоны возбуждения характеристического излучения, концентрации элементов, выявляемые в более мелких микрообъемах, уже различны: в одних участках больше концентрация меди, в других - тантала. Но 100%-й концентрации одного из элементов не наблюдалось, что, учитывая отсутствие растворимости в системе Си-Та, можно связать с недостаточной локальностью метода. Чтобы выяснить, произошло ли в зонах перемешивания растворение компонентов, было проведено ПЭМ исследование этих зон. На рис. 86 можно оценить дисперсность и характер распределения частиц тантала в меди, а расшифровка микродифракции с данного участка показала наличие кристаллических решеток только двух типов: ОЦК с параметрами, характерными для тантала (система колец, состоящих из отдельных рефлексов), и ГЦК с параметрами, характерными для меди (отдельные крупные рефлексы). Таким образом, можно говорить об образовании в зонах перемешивания коллоидного, а не истинного раствора. На рис. 8в представлен микрорельеф поверхности тантала, граничащей в сварном соединении с медью, после ее вытравливания в растворе азотной кислоты, что дало возможность изучить морфологию и характер распределения образовавшихся при сварке взрывом микронеровностей (выступов).

Рис. 8. Структура переходной зоны соединения Си-Та с «плоской» границей: а - поперечное сечение (СЭМ); б - структура зоны перемешивания (ПЭМ); в - контактная поверхность тантала после растворения меди (СЭМ).

К зоне перемешивания примыкают зоны меди и тантала, которые имеют типичную для больших степеней пластической деформации структуру: в них наблюдается как полосовая структура, высокая плотность дислокаций и двойникование, так и области динамической микрорекристаллизации, размер зерна в которых составляет 100-300 нм, что на 2-3 порядка меньше размера исходных зерен (-100 мкм).

Кроме описанного выше соединения, было также исследовано соединение медь-тантал, полученное при более высокоинтенсивном режиме соударения. Изучение поперечного сечения этого соединения (рис. 9а) показало, что граница раздела волнообразная. Длина и амплитуда волны составляют на различных участках 270-350 мкм и 60-65 мкм соответственно. В гребнях волн меди можно наблюдать зоны расплавов с различной степенью перемешивания материалов. В данном случае, кроме коллоидного раствора тантала в меди, в указанной зоне сохраняются более крупные фрагменты тантала. В этих зонах обнаружены макроповороты в тантале (рис. 96), подобные наблюдаемым в орторомбическом алюминиде титана.

На рис. 9в представлен микрорельеф поверхности тантала, граничащей в сварном соединении с медью после ее вытравливания в растворе азотной кислоты. Видны гребни волн поверхности тантала. Их направление меняется от одного участка к другому. Также видно множество параллельных линий, вытянутых в направлении перемещения точки контакта при сварке, вдоль которых наблюдаются сдвиги соседних сегментов гребней волн. Наличие подобных «цепочек» сдвигов и приводит к существенным искажениям волнообразной поверхности - изгибам гребней волн, какие наблюдаются на рис. 9г. Наблюдаемая система чередующихся полос меди и тантала не является регулярной. В результате обрыва одних полос и ветвления других возникают экстраполосы, в какой-то степени аналогичные экстраплоскостям, обрывающимся на дислокациях. Наблюдаются также выступы, размер которых составляет несколько десятков мкм (рис. 9д). На продольном сечении (рис. 9г, д), также как на поперечном, можно наблюдать зоны локального расплавления. При ещё большем

увеличении на границе раздела можно наблюдать цепочку фрагментов тантала (рис. 9е), которые являются результатом описанного в данной работе явления фрагментации типа дробления.

Рис. 9. Структура переходной зоны соединения Си-Та с волнообразной границей: а -поперечное сечение; б - примеры макроповоротов тантала наблюдаемые на поперечном сечении; в - микрорельеф контактной поверхности тантала после вытравливания меди; г - продольное сечение волнообразной поверхности раздела; д — зона перемешивания; е - фрагментация типа дробления тантала.

Сравнивая структуру зон перемешивания для соединений с плоской (3) и волнообразной (4) границами, можно отметить, что во втором случае морфология частиц тантала в медной матрице более разнообразная, чем в первом соединении. Фрагменты различаются по форме и имеют большой разброс по размерам от субмикронного и микронного размера (рис. 10) до достаточно крупных фрагмен-

Рис. 10. Сравнение микроструктуры в зонах перемешивания исследуемых в данной работе соединений Си-Та с плоской (в левом нижнем углу) и с волнообразной границей раздела.

f

Оценка прочности соединения слоев материалов в композите проводилась при помощи испытаний на срез. Испытания проводились по схеме скалывания. Касательные напряжения среза (тср) определяются следующим выражением:

VI?- <»>

где Рср - разрушающее усилие; Ь - ширина образца; А - длина зоны соединения [3,4]. Результаты испытаний приведены в таблице 1.

Табл. 1. Результаты испытаний прочности на срез биметаллических соединений.

№ соединения Свариваемые материалы и тип границы тср, МПа

1 ВТИ-1-ВТ1-0 (волнообразная с локальным расплавлением) 290±40

2 ВТИ-1-ВТ1-0 (граница с тонким расплавленным слоем) 300±40

3 медь-тантал (плоская граница с микровыступами) 270±40

4 медь-тантал (волнообразная с локальным расплавлением) 160±10

тов неправильной формы, достигающих 50 мкм (рис. 9д), что сказалось на уровне микротвердости зон перемешивания. Она ниже, чем у соответствующей зоны соединения (3) почти на 1000 МПа и составляет -3000 МПа. В нижнем левом углу на рис. 10 для сравнения приведена структура зоны перемешивания соединения (3).

На рис. 11 приведены значения микротвердости как в переходной зоне, так и вне зоны. Микротвердость зоны перемешивания соединения (3) превышает 4000 МПа, что более чем на 1000 МПа выше микротвердости тантала. Наблюдаемый эффект является следствием дисперсионного упрочнения медной матрицы равномерно распределёнными ультрадисперсными частицами тантала. Микротвердость зоны перемешивания в соединении (4) также больше, чем в тантале, но меньше, чем в соединении (3). Это можно связать с различием в микроструктуре зон перемешивания, которое можно наблюдать на рис. 10.

Си в переходной зоне

Та в переходной зоне

соединение №3 Соединение »4 | | уд дне переХОДНОЙ ЗОНЫ

Зона измерений 1—1

Рис. 11. Результаты измерений микротвердости в различных зонах биметаллических соединений медь-тантал.

П Си вне переходной зоны

ЦЦ зона перемешивания соединения (3) с "плоской" границей ¿а зона перемешивания соединения (4) с волноообразной границей

L

В шестой главе обсуждается роль фрагментации типа дробления, образования неоднородностей поверхности в виде выступов, а также зон локального расплавления в формировании структуры переходных зон сварных соединений, полученных сваркой взрывом. Обсуждаются результаты исследований структуры переходной зоны биметаллических соединений орторомбического сплава ВТИ-1 с технически чистым титаном ВТ1-0 и медь-тантал, приведенные в 3, 4 и 5 главах. В частности, обсуждаются различные диссипативные структуры, наблюдаемые в соединениях, полученных при различных режимах сварки взрывом для каждой пары материалов: волнообразование и образование выступов на поверхности раздела, образование расплавов, истинных и коллоидных растворов в расплавленных микрообъемах. Рассматриваются типы коллоидных растворов, возникновение которых можно ожидать в зонах локального расплавления при сварке взрывом металлов без взаимной растворимости. Показано, что для коллоидных растворов несмешивающихся компонентов реализуется либо вариант эмульсии, либо вариант суспензии в зависимости от соотношения температур плавления компонентов и температуры, достигаемой в зоне формирования соединения при сварке. Эмульсия образуется, когда на границе достигается температура выше температуры плавления обоих металлов, суспензия же образуется при превышении температуры плавления одного из металлов, а именно легкоплавкого. Основываясь на результатах исследований, приведенных в предыдущих главах, в шестой главе приводится классификация процессов, происходящих в материалах при высокоскоростном соударении, приводящих к образованию соединения, а также рассматриваются процессы и явления, в результате которых возможно образование нежелательных структурных элементов переходной зоны, снижающих качество соединения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты экспериментального исследования структуры переходной зоны биметаллических соединений орторомбического алюминида титана с технически чистым титаном и меди с танталом, полученных при различных схемах и режимах сварки взрывом, позволяют сделать следующие выводы:

1. Обнаружен процесс фрагментации типа дробления при сварке взрывом. Образование фрагментов в результате микроразрушений и их частичная консолидация происходят таким образом, что сохраняется сплошность материала. Вследствие большой суммарной площади поверхности образующихся фрагментов фрагментация типа дробления является мощным каналом диссипации энергии.

2. Обнаружены неоднородности поверхности раздела (выступы), которые, возникают в результате бездиффузионного выброса одного металла в другой. В результате их образования поверхность раздела имеет модифицированный более сложный микрорельеф, как при отсутствии, так и при наличии крупномасштабного процесса волнообразования в процессе сварки взрывом.

Образование выступов играет важную роль в формировании соединения, так как возникновение дополнительных микронеровностей значительно увеличивает площадь поверхности раздела, а также способствует механическому зацеплению.

3. Методами электронной микроскопии показано, что формирующиеся в переходной зоне соединений титана с орторомбическим алюминидом титана зоны локального расплавления имеют ультрамикрокристаллическую структуру и являются твердыми растворами А1 и № на основе а- и Р-фаз титана без включений интерметаллических фаз. Также показано, что при отсутствии зон локального расплавления вдоль границы раздела образуется тонкий слой расплава, имеющий также ультрамикрокристаллическую структуру.

4. При отсутствии взаимной растворимости исходных материалов зоны локального расплавления представляют собой их коллоидные растворы (эмульсия либо суспензия). При затвердевании эмульсия может представлять опасность для сплошности соединения из-за возможного расслоения. Образование же в зоне локального расплавления суспензии, содержащей твердые микро- или наночастицы более тугоплавкого компонента, после её затвердевания приводит к дисперсионному упрочнению переходной зоны.

5. Фрагментация структуры при сварке взрывом, связанная с интенсивной пластической деформацией материалов, в отличие от фрагментации типа дробления происходит в объеме свариваемых материалов на большем удалении от поверхности раздела.

Существует большой круг сочетаний металлов и сплавов, биметаллические, а также многослойные, соединения которых еще предстоит получить. Такие сочетания различаются по соотношениям прочности, плотности, температур плавления свариваемых материалов, по взаимной растворимости их компонентов, по возможности протекания интерметаллических реакций. Наиболее перспективные и востребованные слоистые композиционные материалы с большой вероятностью могут быть успешно получены методом сварки взрывом. При структурных исследованиях этих материалов, необходимых для оптимизации режимов сварки, подход, предлагаемый в настоящей работе, может оказаться полезным.

Основные результаты диссертации отражены в следующих публикациях:

А1. Микроструктура биметаллического соединения титан - орторомбический алюминид титана (сварка взрывом) / В. В. Рыбин, И. И. Сидоров, Б. А. Гринберг, О. В. Антонова, Н. П. Волкова, Г. А. Салшцев, А. В. Иноземцев И Вопросы материаловедения. - 2004. - Т. 38. - № 2. - С. 61-71. А2. Биметаллические соединения орторомбического алюминида титана с титановым сплавом / В. В. Рыбин, В. А. Семенов, А. Н. Семенов, И. И. Сидоров, Б. А. Гринберг, О. В.Антонова, О. А. Елкина, Л. Е. Карькина, А. М. Пацелов, А. Ю. Волков, А. В. Иноземцев, Г. А. Салищев, А. А. Попов, А. Г. Илларионов // Физика металлов и металловедение. - 2005. - Т. 99. - С. 82-91. АЗ. Иноземцев, А. В. Структура биметаллического соединения орторомбического алюминида титана с титановым сплавом (диффузионная сварка, сварка

взрывом) / А. В. Иноземцев // Перспективные материалы (Специальный выпуск. Материалы конференции). 2008. № 5. С. 60-65. A4. Образование вихрей при сварке взрывом (титан - орторомбический алюминид титана) / В. В. Рыбин, Б. А. Гринберг, О. В. Антонова, О. А. Елкина, М. А. Иванов, А. В. Иноземцев, А. М. Пацелов, И. И. Сидоров. // ФММ. - 2009. - Т. 108. - № 4. -С. 371-384.

А5. Биметаллическое соединение орторомбического алюминида титана с титановым сплавом (диффузионная сварка, сварка взрывом) / В.В. Рыбин, В.А. Семенов, И.И. Сидоров, Б.А. Гринберг, A.M. Пацелов, О.В. Антонова, O.A. Елкина, J1.E. Карькина, A.B. Иноземцев, Г.А. Салищев, М.А. Иванов // Вопросы материаловедения. - 2009. - Т. 59. - № 3. - С. 372-386. А6. Структура переходной зоны при сварке взрывом (титан - орторомбический алюминид титана) / В. В. Рыбин, Б. А. Гринберг, М. А. Иванов, О. В. Антонова, О. А. Елкина, А. В. Иноземцев, А. М. Пацелов // Сварка и диагностика. - 2010. - № 3. -С. 26-31.

А7. Процессы расплавления, вихреобразовании и фрагментации при сварке взрывом / Б. А. Гринберг, М. А. Иванов, В. В. Рыбин, С. В. Кузьмин, В. И. Лысак, О. В. Антонова, О. А. Елкина, А. В. Иноземцев, А. М. Пацелов, В. Е. Кожевников // Сварка и диагностика. - 2010. - № 6. - С. 34-38. А8. Структура зоны соединения титана с орторомбическим алюминидом титана при сварке взрывом. I. границы раздела разных типов / В. В. Рыбин, Б. А. Гринберг, М. А. Иванов, С. В. Кузьмин, В. И. Лысак, О. А. Елкина, А. М. Пацелов, А. В. Иноземцев, О. В. Антонова, В. Е. Кожевников // Деформация и разрушение материалов. - 2010. - № 11. - С. 27-33. А9. Структура зоны соединения титана с орторомбическим алюминидом титана при сварке взрывом. П. Локализованные вихревые расплавленные зоны / Б. А. Гринберг, М. А. Иванов, В. В. Рыбин, С. В. Кузьмин, В. И. Лысак, О. А. Елкина, А. М. Пацелов, О. В. Антонова, А. В. Иноземцев // Деформация и разрушение материалов. - 2010. - № 12. - С. 26-34. А10. Структура переходной зоны при сварке взрывом (медь — тантал) / Б. А. Гринберг, М. А. Иванов, В. В. Рыбин, О. А. Елкина, А. М. Пацелов, О. В. Антонова, А. В. Иноземцев, Г. А. Салищев, В. Е. Кожевников // Деформация и разрушение материалов. - 2011. - № 9. - С. 34-40. АН. Особенности формирования структуры переходной зоны соединения Cu-Ta, полученного сваркой взрывом / Б. А. Гринберг, О. А. Елкина, О. В. Антонова, А. В. Иноземцев, М. А. Иванов, В. В. Рыбин, В. Е. Кожевников. II Автоматическая сварка. - 2011. - № 7. - С. 24-31. AI 2. Nanostructure of Vortex During Explosion Welding / V. V. Rybin, B. A. Greenberg, M. A. Ivanov, A. M. Patselov, О. V. Antonova, O. A. Elkina, A. V. Inozemtsev, G. A. Salishchev // Journal of Nanoscience and Nanotechnology. - 2011. - V. 11. - № 10. - P. 8885-8895.

A13. Неоднородности поверхности раздела при сварке взрывом / Б. А. Гринберг, М. А. Иванов, В. В. Рыбин, А. В. Иноземцев, О. В. Антонова, О. А. Елкина, А. М. Пацелов, С. В. Кузьмин, В. И. Лысак, В. Е. Кожевников // Физика металлов и металловедение. - 2012. - Т. 113. - № 2. - С. 187-200.

А14. Процессы фрагментации при сварке взрывом / Б. А. Гринберг, М. А. Иванов, В. В. Рыбин, О. А. Елкина, А. М. Пацелов, О. В. Антонова, А. В. Иноземцев, Т. П. Толмачев // Деформация и разрушение материалов. - 2012. - № 8. - С. 2-13. А15. Диссипативные структуры при сварке взрывом / Б. А. Гринберг, М. А. Иванов, В. В. Рыбин, С. В. Кузьмин, В. И. Лысак, О. А. Елкина, А. М. Пацелов, О. В. Антонова, А. В. Иноземцев, А. Ю. Волкова, А. В. Плотников // Известия ВолгГТУ. Серия Сварка взрывом и свойства сварочных соединений. - 2012. -Вып. 5.-№14.-С.27-43. А16. The problem of intermixing of metals possessing no mutual solubility upon explosion welding (Cu-Ta,Fe-Ag,Al-Ta) / B. A. Greenberg, M. A. Ivanov, V. V. Rybin, O. A. Elkina, О. V. Antonova, A. M. Patselov, A. V. Inozemtsev, A. V. Plotnikov, A. Yu. Volkova, Yu. P. Besshaposhnikov // Materials Characterization. -2013.-V. 75.-P. 51-62.

СПИСОК ЦИТИРОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

[1] Нестерова, Е.В Рыбин В.В. Механическое двойникование и фрагментация технически чистого титана на стадии развитой пластической деформации / Е.В. Нестерова, В.В Рыбин // Физика металлов и металловедение. - 1985. - Т. 59. -№.2. - С. 395.

[2] Grady, D. Fragmentation of Rings and Shells. The Legacy of N.F. Mott. / D. Grady. -Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2006. - P. 361.

[3] Производство металлических слоистых композиционных материалов / А.Г. Кобелев, В.И. Лысак, В.Н. Чернышев и др. - М.: Интермет Инжиниринг, 2002. -495 с.

[4] Кобелев А.Г., Слоистые металлические композиции. / А.Г. Кобелев, И.Н. Потапов, В.Н. Лебедев. - М.: Металлургия, 1986. - 216 с.

Отпечатано на Ризографе ИФМ УрО РАН тир.90 зак. 49 объем 1 печ. л. формат 60x84 1/16 620990, г. Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ ФИЗИКИ МЕТАЛЛОВ УРАЛЬСКОГО ОТДЕЛЕНИЯ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

На правах рукописи

ИНОЗЕМЦЕВ Алексей Владимирович

ПРОЦЕССЫ ФРАГМЕНТАЦИИ, ПЕРЕМЕШИВАНИЯ И РАСПЛАВЛЕНИЯ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ: ТИТАН - ОРТОРОМБИЧЕСКИЙ АЛЮМИНИД ТИТАНА И МЕДЬ - ТАНТАЛ

05.16.01 - металловедение и термическая обработка металлов и сплавов и 05.02.10 - сварка, родственные процессы и технологии

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор Гринберг Б. А.

ю о

(О

со

- V/

о сч

см

СМ

Екатеринбург - 2013

„ Содержание

Введение............................................................................................................................................4

Глава 1 Метод получения слоистых композиционных материалов сваркой взрывом. Литературный обзор....................................................................................................14

1.1 Основные параметры сварки взрывом и их взаимосвязанность......................................14

1.2 Тепловые процессы при сварке взрывом и определение величины энергии, выделяемой в свариваемых пластинах при их соударении............................................20

1.3 Положение дел в исследованиях структуры и представления о механизмах

ч

образования соединений при сварке взрывом..............................................................27

1.4 Методы оценки свойств слоистых композиционных материалов..................................32

1.5 Постановка задачи..............................................................................................................35

Глава 2 Материалы и методики исследований.............................................................38

2.1 Материалы...........................................................................................................................38

2.2 Методики исследований....................................................................................................40

Глава 3 Влияние пластической деформации на структуру биметаллических

соединений орторомбического сплава с титаном вне переходной зоны............................44

3.1 Исходная структура материалов, используемых для получения биметаллического композита..............................................................................................................................44

3.2 Рентгеноструктурный анализ, микродюрометрические исследования и измерения механических свойств биметаллических соединений орторомбического сплава с титаном.................................................................................................................................47

3.3 Электронно-микроскопические исследования микроструктуры материалов вне переходной зоны биметаллического соединения после сварки.....................................54

Глава 4 Структура переходной зоны биметаллических соединений

орторомбического сплава с титаном........................................................................................59

4.1 Исследование типов границ раздела биметаллических соединений..............................59

4.2 Неоднородности поверхности раздела (выступы)............................................................66

4.3 Анализ структуры зон локального расплавления.............................................................68

4.4 Фрагментация при сварке взрывом....................................................................................76

4.5 Происхождение вихрей и роль фрагментации при сварке взрывом..............................79

Глава 5 Структура переходной зоны биметаллических соединений медь-тантал..85

5.1 Переходная зона соединения медь-тантал с плоской границей (полученного вблизи нижней границы области параметров сварки взрывом).............................................................85

5.2 Структура переходной зоны соединения медь - тантал с волнообразной границей.........97

5.3 Свойства исследуемых соединений медь-тантал.................................................................103

5.4 Формирование областей локального расплавления.............................................................105

Глава 6 Процессы фрагментации и диссипативные структуры при сварке взрывом..........................................................................................................................................110

6.1 Особенности фрагментации типа дробления.......................................................................110

6.2 Образование выступов, волнообразование и расплавление как процессы, участвующие в формировании соединения и различных типов микронеоднородностей переходной зоны при сварке взрывом..............................................................................................................................114

6.3 Особенности образования коллоидных растворов в зонах локального расплавления при сварке взрывом металлов без взаимной растворимости...........................................................119

Заключение...................................................................................................................................124

Список литературы.....................................................................................................................126

■ч

Введение

Актуальность проблемы

Одной из основных тенденций в современном материаловедении является широкое использование высокопрочных гетерофазных материалов, 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, износостойкость, 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 и создания на этой основе высококачественных биметаллических и многослойных композитов является сварка взрывом [1, 2]. В некоторых случаях посредством сварки взрывом удается обеспечить соединение материалов, невозможное другими способами. Создание новых композиционных материалов посредством сварки взрывом необходимо для динамичного развития многих отраслей промышленности и, в первую очередь, химической, ракетно-космической, авиационной, а также атомной энергетики, 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.

Необычная микроструктура соединений, которые получают методом сварки взрывом, обусловлена тем, что сварка взрывом представляет собой высокоинтенсивное кратковременное воздействие. Характерные времена: длительность сварки примерно 10"6 с, скорость деформации 104-107 с"1, скорость охлаждения 105 К/с. Внешне простой, но по своей физической сущности очень сложный, этот процесс является в некоторых случаях единственным способом соединения материалов.

При всем многообразии материалов и режимов сварки центральной является проблема перемешивания в переходной зоне вблизи границы раздела. Именно структура переходной

зоны определяет возможность сцепления обоих материалов. Перемешивание представляет собой сложную задачу для различных свариваемых пар, но особенно для пары металл-интерметаллид и для 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, причем в расплавленном состоянии они образуют несмешивающиеся взвеси.

Перемешивание при сварке взрывом происходит в результате сильного внешнего воздействия, которое предполагает большую сильно неоднородную пластическую деформацию при больших давлениях, трение поверхностей, влияние кумулятивной струи и другие факторы [1, 2]. 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.

Выбор режима сварки включает в себя выбор взрывчатого вещества, конфигурации устройства и варьирование параметрами детонации и соударения. 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 микроскопией. В настоящей работе для исследования структуры сварных соединений используется оптическая, сканирующая и просвечивающая микроскопия.

При сварке роль взрыва состоит в разгоне одного тела относительно другого, так что большая часть химической энергии взрывчатых веществ переходит в кинетическую энергию метаемой пластины, которая при соударении переходит в другие виды энергии. Образование прочного сварного соединения возможно, если кинетическая энергия (а после контакта -избыточная упругая энергия) будет удалена из указанной области посредством каких-либо механизмов. При этом возникают диссипативные структуры, причем такие, которые из всех возможных направлений развития выбирают то, для которого скорость сброса свободной энергии будет максимальной. На самом деле, возникает последовательность диссипативных

структур, на которые расходуется кинетическая энергия метаемой пластины, что обеспечивает сцепление поверхностей обеих пластин.

Принято считать, что в переходных зонах биметаллических и многослойных соединений, полученных сваркой взрывом, существуют «зоны риска», связанные с расплавлением в переходной зоне. Их опасность обычно связывают с образованием литой структуры в зонах локального расплавления, которые иногда в литературе упоминаются как «литые включения», а также с образованием хрупких интерметаллических фаз при сварке разнородных металлов, склонных к интерметаллическим реакциям. Однако исследованные в работе соединения оказались весьма прочным, а сформировавшиеся при кристаллизации расплавленных областей структуры не являлись типичными литыми включениями и не содержали включений интерметаллических фаз. Поэтому наличие расплавленных участков в переходной зоне оказалось не столь опасным.

Орторомбические алюминиды титана были выбраны для получения биметаллического соединения с технически чистым титаном из-за присущего им комплекса свойств, включающего высокие значения удельной прочности (отношение прочность/плотность), хорошую пластичность при комнатной температуре, вязкость разрушения, высокое сопротивления ползучести и окислению при повышенных температурах. Соединения меди и тантала были выбраны для исследования из-за исключительной коррозионной стойкости тантала, благодаря которой тантал может использоваться в качестве покрытия через подслой меди для различных изделий (химических реакторов, емкостей, резервуаров) из конструкционной стали, применяемых в химической промышленности.

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, либо сделать заключение об отсутствии волнообразования, 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 структурных особенностей переходной зоны соединений металлов, имеющих различную взаимную растворимость, о сварке взрывом металлов с интерметаллидными сплавами 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:

1. 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.

2. 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.

3. Изучить микроструктуру зон локального расплавления, их химический и фазовый состав, причины возникновения, их влияние на перемешивание и вихреобразование.

4. 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.

5. 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:

1. 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).

2. 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.

3. 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 мето�