автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Разработка и исследование технологии получения титан-алюминиевых композитов способом диффузионной сварки

На правах рукописи

Мастихин Евгений Юрьевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ТИТАН-АЛЮМИНИЕВЫХ КОМПОЗИТОВ СПОСОБОМ ДИФФУЗИОННОЙ СВАРКИ

Специальности

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

003492767

Курск 2010

003492767

Работа выполнена в Курском государственном техническом университете

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Колмыков

Валерий Иванович

Научный консультант:

Официальные оппоненты:

кандидат технических наук, доцент Батурин Анатолий Васильевич

доктор технических наук, профессор Серебровский Владимир Исаевич

доктор технических наук, профессор Пешков Владимир Владимирович

Ведущая организация: Тульский артиллерийский

инженерный институт

Защита диссертации состоится «31» марта 2010 года в 16 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д212.105.01 при Курском государственном техническом университете по адресу: 305040, г. Курск, ул. 50 лет Октября, 94.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Курского государственного технического университета.

Автореферат разослан «26» февраля 2010г.

Ученый секретарь совета по защите докторских и кандидатских диссертаций

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

В Послании Президента Российской Федерации Федеральному собранию, в частности, было отмечено, что для модернизации и технологического обновление всей производственной сферы необходимо формирование новой экономики, создающей уникальные технологии и инновационные продукты.

Пустотелые и ребристые сварные конструкции из титановых и алюминиевых сплавов типа панелей широко применяются в транспортных машинах, в частности в авиационной отрасли и др. В этом отношении они более технологичны перед монолитными конструкциями.

Одним из способов изготовления ребристых панелей является использование диффузионной сварки в вакууме как высокотехнологичного и легко-автоматизируемого процесса получения неразъемного соединения высокого качества. Однако сложность изготовления ребристых конструкций диффузионной сваркой заключается в том, что в процессе сварки под приложенным сварочным давлением поперечные ребра должны деформироваться в контакте с листами обшивки и при этом не терять устойчивости, что в условиях высокотемпературной ползучести является достаточно сложной задачей.

Перспективным решением этого вопроса является использование композиционных полуфабрикатов, состоящих из коробчатых профилей, например из титанового сплава, которые на стадии сварки будут предотвращать возможность потери устойчивости поперечных ребер из алюминиевого сплава и выполнять роль формирующей оснастки для образования плавных переходов от ребер к листам обшивки. Однако данных о ходе образования диффузионно-сварного соединения между титановыми и алюминиевыми сплавами крайне мало. Поэтому исследования в данном направлении позволят существенно расширить конструкторские возможности.

Исходя из вышеизложенного, исследование процессов взаимодействия титановых и алюминиевых сплавов и разработка технологии получения композитных материалов является актуальной задачей.

Диссертация выполнена по плану научно-исследовательской работы Курского государственного технического университета.

Цель работы; разработка технологии диффузионной сварки пустотелых композитных панелей из алюминиевых и титановых сплавов на основе исследования металлургических процессов в контактной зоне.

Задачи исследования:

1. Анализ и систематизирование научно-технической литературы по металлургии сварки алюминиевых и титановых сплавов.

2. Теоретический анализ и обоснование химического взаимодействия титановых и алюминиевых сплавов в контактной зоне при диффузионной сварке в вакууме.

3. Экспериментальное исследование металлургических процессов взаимодействия титановых сплавов с алюминиевыми при диффузионной сварке в вакууме.

4. Исследование механизма и изучение кинетики образования соединения алюминиевых сплавов и титана с алюминием.

5. Разработка научно обоснованных технологических рекомендаций по технологии изготовления титан-алюминиевых композитных панелей способом диффузионной сварки.

Объектом исследования является контактная зона диффузионно-сварного соединения алюминиевых и титановых сплавов.

Методы исследования

Для решения поставленных задач в диссертации были использованы следующие методы исследования: оптическая и электронная микроскопия, металлографический и микрорентгеноспектральный анализ, методы электросопротивления и измерения микротвердости. Проводились механические испытания на отрыв и срез.

Научная новизна

1. Экспериментальными исследованиями установлено, что в зоне контактирования наблюдается взаимная диффузия титана и алюминия с образованием прослойки, состоящей в основном из "ПАЬ и А1, при этом образование прослойки связано с преимущественной диффузией алюминия в микровыступы титана с последующим объединением образовавшихся участков и ростом ее толщины.

2. Выдвинуто, теоретически обосновано, исходя из двухстадийно-сти процесса сварки, и экспериментально доказано предположение, что на стадии образования активных центров при диффузионной сварке под воздействием энергии активации, выделяющейся преимущественно в процессе пластической деформации алюминия, происходит восстановление оксидной пленки алюминия титаном, растворение кислорода в титане с последующей диффузией кислорода в прилегающие участки титана.

3. Экспериментально показано, что прочность сварного соединения титан-алюминий зависит от размеров переходной зоны, и необходимо разрешить следующее противоречие: с одной стороны, следует обеспечить физический контакт между титаном и алюминием, но с другой стороны ограничить рост прослойки, что достигается при малом уровне общей пластической деформации алюминия путем увеличения размеров выступов (шероховатости) титанового сплава.

4. Теоретически обосновано наличие в прослойке толщиной более 5-6 мкм растягивающих остаточных напряжений и металлографическим анализом подтверждено, что это может приводить к появлению поперечных трещин при времени сварки более 20-30 минут.

Практическая значимость

Теоретические и экспериментальные данные, полученные в результате проведенной работы, существенно расширяют инженерные возможности, позволяя разрабатывать и проектировать принципиально новые, пустотелые титан-алюминиевые конструкции.

На основе комплексных исследований разработаны технологические рекомендации изготовления диффузионной сваркой в вакууме композитной

титан-алюминиевой панели.

Результаты работы приняты к внедрению на предприятии ОАО «Воронежское акционерное самолетостроительное общество» и в учебный процесс подготовки студентов кафедры «Оборудование и технология сварочного производства» КурскГТУ.

Достоверность результатов исследований, основных положений и выводов определяется корректностью постановки задач, согласованностью с результатами других ученых, работающих в данной области, и с общепринятыми представлениями; подтверждается воспроизводимостью экспериментальных данных, проведением экспериментов с использованием стандартных и аттестованных металлофизических методик, применением независимых дублирующих экспериментальных методов, а также согласованностью опытных данных с расчетами.

Апробация работы

Основные положения диссертации были доложены и обсуждены на: XIV, XVI Российских науч.-техн. конф. с междунар. участием «Материалы и упрочняющие технологии» (Курск, 2007, 2009 гг.); I Междунар. науч.-практ. конф. «Инновации, качество и сервис в технике и технологиях» (Курск, 2009 г.); I Международной науч.-техн. конф. «Современные автомобильные материалы и технологии» (САМИТ-2009) (Курск, 2009 г.).

Публикации

По материалам диссертационной работы опубликовано 7 печатных работ, из них 1 в издании, рекомендованном ВАК РФ.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов, заключения, библиографического списка и приложений. Общий объем работы составляет /ДОстр. машинописного текста, иллюстраций,

таблиц, /С>?литературных ссылок.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы. Рассмотрена концепция решаемой проблемы и дана ее оценка. Сформулирована цель работы и поставлены задачи для ее решения.

В первой главе дан анализ литературных данных по вопросу технологических схем изготовления пустотелых панелей из титановых и алюминиевых сплавов. Рассмотрены различные существующие варианты изготовления панелей. Проанализированы их достоинства и недостатки. Показано, что основной проблемой при изготовлении пустотелых ребристых панелей диффузионной сваркой является потеря устойчивости тонкостенного заполнителя вследствие высокотемпературной ползучести, понижение прочности диффузионно-сварного соединения заполнитель-обшивка в связи с высокой концентрацией напряжений из-за неполного деформирования в зоне контакта. Рассмотрены существующие пути решения этой проблемы.

Приводится обзор материалов, применяемых при изготовлении подобных конструкций, обоснование выбора и сведений о них.

Проведен анализ литературных данных и рассмотрены возможные пути протекания процесса образования диффузионного соединения. Из анализа следует, что титан с алюминием образуют ряд интерметаплидов, основным из которых является Т1А13, отличающийся высокой твердостью и хрупкостью, образование которого в сварном соединении приводит к резкому снижению механических характеристик. Однако наличие легирующих элементов и примесей в сплавах, а также изменение режимов сварки могут существенно влиять на процессы, протекающие в зоне контакта, позволяя контролировать процесс образования диффузионно-сварного соединения.

Предложена новая конструкция пустотелой панели, в состав которой входят элементы из разнородных металлов (титанового и алюминиевого сплавов). В данной панели между поперечными ребрами и листами обшивки из алюминиевого сплава устанавливаются коробчатые профили из титаново-

го сплава (рис. 1).

лгагзж

лгкттшг

ж

£

Рис. 1. Конструкции панелей: 1 - лист, 2 - ребро, 3 - профиль

Выявлены преимущества этой схемы, связанные с обеспечением устойчивости ребер, повышением качества сварного соединения ребро-обшивка вследствие образования галтелей. Основным достоинством является то, что в комбинации титан-алюминий алюминиевый сплав обволакивает профили из более прочного титанового сплава, обеспечивая их совместную работу, при этом значительно повышается работоспособность конструкции. Кроме того, вследствие разности коэффициентов температурного расширения образуются напряжения натяга на уровне предела текучести алюминиевого сплава, что повышает прочность соединения титан-алюминий. Основные трудности при изготовлении панели связаны с наличием оксидных пленок на свариваемых поверхностях и высокой активностью к кислороду титана и алюминия, а также их химическим взаимодействием с образованием ин-терметаллидов в условиях диффузионной сварки.

Также рассмотрены возможные пути интенсификации процесса диффузионной сварки.

В заключение главы сформулированы задачи исследования.

Во второй главе приводится обзор исследуемых материалов и их подготовки, а также методов исследования, применяемых в работе.

Наибольшее распространение при изготовлении пустотелых панелей получили титановые сплавы ВТбс и алюминиевые сплавы АЦ5К5, АМц, АМгб. Их использование позволяет получать конструкции с высокой прочностью при незначительном весе.

Исследование процесса диффузионной сварки алюминиевых сплавов втавр с формированием галтели проводилось на пластинах толщиной 2...3 мм, которые сваривались в специальном приспособлении. Подготовка исследуемых материалов перед сваркой включала механическую обработку и травление в водных растворах, 15% НР + 30% НШ3 и 5% N8014. Образцы сваривались в вакуумной камере при разрежении порядка 0,133Па (10" мм рт. ст.), достигаемого при помощи совместного использования форвакуумно-го и пароструйного насосов. Нагрев образцов до температуры сварки осуществлялся при помощи генератора т.в.ч. ЛЗ-1-25.

Исследование кинетики взаимодействия титана с алюминием проводилось на цилиндрических образцах из титанового сплава диаметром 5 мм, длиной 20 мм и пластин алюминиевых сплавов толщиной 1 мм, которые помещались между образцами из титанового сплава. Торцевые поверхности цилиндрических образцов обрабатывались механически. В процессе сварки измерялось изменение относительного электросопротивления в переходной зоне. Удельное усилие сжатия плавно снижалось от 8 до 1 МПа.

Исследования сварных соединений, формирующихся структур и компонентов проводились на оптических (МИМ-8М, МБС и растровом РЭМ-106) микроскопах. Для оценки степени диффузии и химического состава переходной зоны проводился растровый микрорентгеноспектрапьный анализ. Анализ микротвердости переходной зоны осуществлялся на микротвердомере ПМТ-3.

Для изучения влияния режимов сварки и качества предварительной подготовки свариваемых поверхностей на механические характеристики соединения была сварена при различном времени выдержки, усилии сжатия и температуре сварки опытная партия образцов. Испытания проводились на разрывной машине РТ-250М.

Третья глава посвящена исследованию взаимодействия титана с алюминием при термодеформационном воздействии, закономерностей формирования структурного состава соединений и химическому анализу переходной зоны.

Исследование биметаллических образцов «титановый сплав - алюминиевый сплав» выявило образование прослойки по границе первоначального контактирования (рис. 2).

а) б)

Рис. 2. Микроструктуры зоны соединения сплавов АЦ5К5 (сверху) + ВТбс (снизу) (хЮОО) Т=540...550°С, р=6 МПа: а -1=5 мин; б -1=60 мин

Измерение микротвердости сварного соединения и ОШЗ выявил резкий скачок в переходной зоне. Микротвердость прослойки почти в 2,4...2,6 раза выше аналогичного показателя титанового сплава. Одной из наиболее вероятных причин такого скачка является образование интерметаллида вследствие химической реакции между титановым и алюминиевым сплавами.

Результаты химического микрорентгеноспектрального анализа и изменение концентраций (в % вес.) основных химических элементов в контактной зоне приведены в виде графика на рисунке 3.

Анализ графика концентраций показывает наличие участка в контактной зоне практически постоянного химического состава (прослойки). В соответствии с диаграммой состояния Т1 - А1 было установлено, что прослойка имеет сложный химический состав, предположительно механическую смесь интерметаллида Т1А13, у-фазы (твердый раствор на основе Т1А1 + А1) и ряда химических соединений, состоящих как из основного металла (А1 и ТО, так и комплексов А1-Б1-2п-Т1. В прослойке практически не обнаружено кислорода, а по границам прослойки наблюдается незначительное его количество в алюминии и существенное со стороны титана. Данные исследования позволяют предположить, что кислород из плоскости первоначального контактирования диффундирует в основной металл, преимущественно в титан с образованием а-твердого раствора (растворимость до 14%) и ряда оксидов типа ТЮ, Т1'20 и т.д.

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

у' Г-"--« V -1

V

V-1 г'

г /

1

У

А У

к 1/ \

V- / ,. ■* 1 ^ \

■к / 1?Я

7,00

5,00

3,00

->-0 —П

— а

2,00

0,00

1 4 7 10 13

16 19

22 25

МКМ 31

Рис. 3. Графики концентраций (для О, А1 и Т1 - левая шкала; для - правая шкала)

Исходя из вышеизложенного, образование диффузионно-сварного соединения «алюминиевый сплав - титановый сплав» соответствует общепринятой теории: первая стадия - образование физического контакта. При этом происходит сближение соединяемых поверхностей в результате пластической деформации до межатомного уровня. Одновременно наблюдаются дробление оксидных пленок и активация свариваемых участков с образованием активных центров и схватывание по этим центрам. Можно утверждать, что на стадии образования активных центров при диффузионной сварке под воздействием энергии активации выхода дислокаций, выделяющейся преимущественно в процессе пластической деформации алюминия, происходит восстановление оксидной пленки алюминия титаном, растворение кислорода в титане с последующей диффузией кислорода в прилегающие участки титана. Далее происходит взаимодействие алюминия с титаном, образование а-твердого раствора алюминия в титане и химического соединения ТлА13.

Для исследования кинетики роста интерметаллидной прослойки также использовался метод электросопротивления. Зависимость изменения относительного электросопротивления от времени выдержки при температуре сварки приведена на рис. 4.

Для уменьшения величины пластической деформации алюминиевого сплава вследствие ползучести удельное усилие сжатия прикладывалось в начальный момент сварки с последующим плавным снижением с 5 МПа до 1 МПа. Для сравнения аналогичные эксперименты проводились при сварке титанового сплава ВТбс. Результаты экспериментов показывают, что минимум кривой наблюдается при времени выдержки 5...8 мин. В дальнейшем происходит почти прямо пропорциональное повышение электросопротивления зоны стыка, что соответствует увеличению толщины прослойки.

и, 1.615. 1/

и,

¡с

-р

" и»

Р.Шо

Д-ВТ&с.АЦ5кМТ6с

о - ВТбс

а

о 2 и 6 8 10 12 20 30 40 50 60 Сремя сЬоркц мин

Рис. 4. Изменение удельного усилия сжатия (Р) и относительного электросопротивления от времени выдержки (Т=550°С)

Если условно рассмотреть контактную зону без прослойки в предположении, что кислород присутствует преимущественно в виде твердого раствора (линии концентраций - А1+6, И+О), зависимости концентраций при-

обретают классический характер взаимной диффузии одного химического элемента в другой (рис. 5).

Рис. 5. Распределение основных химических элементов в переходной зоне (Т=550°С)

Пересечение концентрационных кривых наблюдается справа от прослойки в титановом образце. Это предполагает, что в процессе сварки происходит преимущественная диффузия алюминия в титан. Следует отметить, что алюминий при температуре, близкой к температуре плавления, обладает высокой диффузионной подвижностью и способен растворяться в титане с образованием а-твердого раствора. Указанное согласуется с общепринятыми положениями.

Механизм взаимодействия титана с алюминием можно представить следующим образом (рис. 6).

Микровыступы титанового сплава вдавливаются в алюминий, при этом происходит дробление оксидной пленки и начинается взаимодействие титана с алюминием. Алюминий диффундирует в микровыступы титана с образованием прослойки. Далее локальные участки прослойки объединяются и образуется сплошная прослойка, толщина которой увеличивается с течением времени.

Микроструктурный анализ контактной зоны (рис. 7) подтверждает высказанное предположение. Микровыступы титанового сплава в начальный момент сварки практически не деформируются (Т=550°С), и граница прослойки со стороны алюминия имеет зубчатый характер. Прослойка фрагмен-тирована по выступам. Со стороны титана граница прослойки имеет прямолинейный характер. В процессе выдержки прослойка растет по толщине. Острые выступы скругляются вследствие взаимной диффузии титана и алюминия, но волнистая граница остается. Таким образом, можно утверждать, что в процессе взаимодействия титана с алюминием при диффузионной сварке имеет место преимущественная диффузия алюминия в титан.

в) г)

Рис. 7. Микроструктуры контактной зоны соединения сплавов ВТбс и АЦ5К5 (Т=550°С, р=5 МПа): а -1 =2 мин (х 1000); б -1 =2 мин (х 500); в -1=20 мин, фото с электронного микроскопа (х 1000); г — t = 60 мин(х 1000)

Результаты механических испытаний образцов, сваренных на режимах Т=550°С, удельное давление 5-6 МПа и при различном времени выдержки, показали, что зависимость имеет явно выраженный экстремум. Наличие данного экстремума можно объяснить тем, что в начале сварки необходимо разрушить оксидную пленку для создания условий по взаимодействию титана с алюминием. При этом прочность соединения возрастает. Снижение прочности объясняется ростом хрупкой прослойки.

Исследование прослойки образцов, сваренных при различных режимах, выявило появление трещин при времени сварки более 30-40 минут. Причиной образования трещин являются растягивающие напряжения со стороны титанового сплава, вызванные охлаждением после цикла сварки вследствие значительной разности коэффициентов температурного расширения титанового и алюминиевого сплавов. При малых выдержках толщина прослойки незначительна и напряжения компенсируются сжимающими напряжениями со стороны алюминиевого сплава. Это подтверждается и механическими испытаниями. '

В четвертой главе представлены результаты исследований по кинете-ке образования соединения при диффузионной сварке алюминия и титана с

алюминием.

Определяющими параметрами при диффузионной сварке являются температура и пластическая деформация в зоне соединения. Так, при сварке втавр ребристых конструкций из алюминиевых сплавов, при достижении температуры повышенной пластичности и приложении необходимого усилия возможно получение качественного соединения с образованием галтели за счет существенной деформации металла ребра. Это подтверждается макро-структурным анализом тавровых образцов из алюминиевых сплавов (рис. 8). При Т=550°С в зоне соединения сплава АЦ5К5 не просматривается граница раздела. При сварке АЦ5К5+АМц зона соединения видна из-за разницы в травлении сплавов. Микроструктурный анализ также показывает полное отсутствие по границе первоначального контактирования сварных дефектов (таких, как включения оксидной пленки и непровары). Незначительное уменьшение температуры сварки приводит к тому, что в соединении сохраняется граница раздела по плоскости первоначального контактирования в виде фрагментов оксидных включений. В соединении также остаются подрезы и непровары. При этом снижение температуры не компенсируется увеличением других параметров режима сварки.

Рис. 8. Тавровое соединение АЦ5К5 + АМц (Т=550°С, р=7МПа, 1=5 мин): а - после сварки (х5); б - после испытаний на отрыв (х2); в - фрагмент рисунка б (х20)

Результаты механических испытаний на отрыв показывают высокую прочность соединения и то, что разрушение не обязательно произойдет в зоне контакта.

Металлургические процессы в соединении можно представить следующим образом: в результате деформации свариваемых сплавов в зоне первоначального контактирования происходит раздробление оксидной пленки алюминия, в контакт вступают ювенильные активированные поверхности, и в отдельных точках происходит схватывание. С дальнейшей деформацией площадь контактирующих участков растет и образуются замкнутые полости с заключенными внутри фрагментами оксидной пленки. При этом прекращается доступ кислорода из окружающей вакуумной среды, а определяющим фактором в удалении оксидов из зоны соединения становится растворение кислорода в основном металле. На этой стадии температура нагрева играет

определяющую роль. В результате при соответствующей комбинации температуры, сжимающего усилия и времени выдержки при температуре сварки образуется монолитное соединение без видимых дефектов по границе раздела и с плавным переходом от одной соединяемой детали к другой.

Результаты механических испытаний на отрыв подтверждают данные макроструктурного и микроструктурного анализов. При испытаниях качественных образцов разрушение происходит по основному металлу, в то время как разрушение образцов, сваренных при пониженной температуре, происходит по плоскости первоначального контактирования.

Испытания на отрыв также показывают, что определяющим параметром режима, помимо температуры и времени сварки, является величина прилагаемого сжимающего усилия, необходимого для пластического деформирования и формирования галтели (табл. 1).

Таблица 1

Результаты испытаний на отрыв (Т=550°С) _

t, мин 2 4 6 8 10 12 20

О, МПа Р=3 МПа - 20 23 26 27 28 29,5

Р=5 МПа - 46 68 83 104 121 134

Р=7 МПа 28 82 112 130 133 137 137

Наилучшее формирование галтелей и получение соединений без дефектов наблюдается на следующем режиме: температура сварки - 550 °С, удельное давление - 6...7 МПа, время сварки - 8 минут и более.

Прослойка в зоне контакта Ti - AI является хрупкой составляющей, поэтому в идеальном варианте нужно стремиться к получению соединения без прослойки по плоскости первоначального контактирования. Однако в этом случае наблюдается серьезное противоречие. С одной стороны, необходимо обеспечить физический контакт между соединяемыми поверхностями, основным препятствием к чему является наличие тугоплавкой оксидной пленки А1203.

С другой стороны, как только начинают контактировать Ti и AI, их взаимодействие приводит сначала к образованию твердого раствора AI в Ti (растворимость до 26 %), далее - к образованию прослойки.

Общие рекомендации по повышению качества диффузионно-сварного соединения предполагают, что чем выше класс чистоты поверхности, тем более благоприятные условия для образования физического контакта по всей соединяемой поверхности. В данном случае для получения качественного соединения титан-алюминий одним из определяющих факторов является создание условий для разрушения плотной оксидной пленки по границе контактирования. Конструктивной особенностью пустотелой биметаллической панели является то, что между титановыми профилями и алюминиевыми элементами имеет место нахлесточное соединение по большой поверхности при весьма незначительной деформации свариваемых заготовок. Это обстоятельство является основным препятствием для разрушения оксидной пленки и

формирования физического контакта свариваемых плоскостей. Классические термодинамические расчеты также показывают, что восстановление А1203 титаном маловероятно. Тем не менее экспериментально показано, что кислород из зоны стыка перемещается в титан. Это можно объяснить тем, что кинетика активации контактных поверхностей находится в соответствии с закономерностями развития пластической деформации материалов, а увеличение плотности и скорости выхода дислокаций в контактной зоне, увеличивающее выносимую в эту зону энергию, значительно снижает прочность связей между атомами кислорода и металла. Таким образом, создаются условия для восстановления оксидов и диффузии кислорода в основной металл.

Микроструктурный анализ показал, что после предварительной шлифовки свариваемых поверхностей просматриваются локальные области диффузии, чередующиеся с оксидными включениями. В то время как при грубой подготовке поверхностей наблюдается более равномерная по толщине переходная зона. Это объясняется тем, что в процессе пластической деформации алюминиевого сплава от приложенного усилия благодаря наличию на поверхности титанового образца микронеровностей наблюдается дробление и фрагментирование оксидной пленки. При этом происходит образование физического контакта и активация соединяемых поверхностей (создание активных центров). Одновременно в несколько раз увеличивается коэффициент диффузии как основных, так и легирующих элементов и примесей. Это приводит к более интенсивной диффузии кислорода в глубь титана.

Однако это справедливо для времени сварки до 5-7 минут. При более длительных выдержках, в связи с полным восстановлением оксидной пленки, наблюдается рост толщины переходной зоны, которая практически одинакова по всей плоскости контактирования.

При микроструктурном анализе на оптическом микроскопе (см. рис. 2) и электронном микроскопе (см. рис. 3) изменение микроструктуры двухфазного (а + Р)-титанового сплава в приконтактной зоне проявляется в виде светлой полосы в первом случае и темной полосы во втором, которое является альфированным слоем (кислород - а-стабилизатор, ориентировочно растворимость до 14%). Это доказывает предположение о восстановлении оксидной пленки алюминия титаном с последующим поглощением кислорода в глубь основного металла. Также это доказывается наличием скачка концентрации кислорода в пограничном участке титанового образца (см. рис. 3, 5).

В пятой главе приводятся технологические рекомендации изготовления пустотелых биметаллических титан-алюминиевых панелей диффузионной сваркой.

Исходя из проведенных исследований, наиболее оптимальным режимом сварки, обеспечивающим качественные диффузионные соединения всех элементов конструкции панели, является: Т = 550°С, р = 7 МПа, 1 = 8-10 мин.

При изготовлении панели по предложенной технологической схеме необходимо, чтобы ребра не имели возможности смещения в вертикальной плоскости. Помимо этого для обеспечения наилучших условий формирова-

ния соединения между коробчатыми профилями и поперечными ребрами необходимо использовать специальные приспособления, предотвращающие вертикальное смещение титановых коробчатых профилей.

Технологически процесс изготовления пустотелой биметаллической панели можно представить следующим образом: в специальной оснастке устанавливаются титановые коробчатые профили и алюминиевые ребра. К этому пакету с двух сторон прикладываются листы обшивки из алюминиевого сплава. Собранная конструкция помещается в вакуумную камеру и при достижении необходимого разряжения нагревается до температуры сварки. На первом этапе прикладывается предварительное сжимающее усилие для образования плотного контакта между элементами заполнителя. Далее прикладывается основное сварочное давление, приводящее к деформированию ребер в контакте с листами обшивки и образованию галтелей.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Теоретически обоснован и экспериментально подтвержден механизм взаимодействия алюминия с титаном в условиях диффузионной сварки и установлена стадийность процесса образования сварного соединения, включающая фрагментацию оксидной пленки алюминия и контактирование ювенильных поверхностей, диффузию кислорода в направлении титана с последующим его растворением в титане и диффузию алюминия в микровыступы поверхности титана с последующим образованием вследствие взаимной диффузии переходной зоны постоянного химического состава.

2. Выявлено, что в зоне контактирования наблюдается взаимная диффузия титана и алюминия с образованием прослойки, состоящей преимущественно из ТШ3 + А1. Для получения качественного соединения необходимо сочетание двух условий: образования физического контакта свариваемых поверхностей и ограничения роста толщины прослойки по плоскости первоначального контактирования.

3. Выявлено, что определяющим фактором, обеспечивающим взаимодействие титана с алюминием, является микропластическая деформация алюминиевого сплава, приводящая к образованию физического контакта соединяемых материалов, при этом увеличение шероховатости поверхности титана играет существенную роль.

4. Теоретически обосновано и экспериментально доказано, что на стадии образования активных центров при диффузионной сварке под воздействием энергии активации происходит восстановление оксидной пленки алюминия титаном, диффузия кислорода в титан и образование в титане по границе контактирования альфированного слоя.

5. Экспериментально установлено и теоретически обосновано наличие в металле прослойки растягивающих остаточных напряжений, что приводит к появлению поперечных трещин при времени сварки более 20-30 минут (5пр0слойкк > 5 мкм) и, как следствие, к снижению прочности сварного соединения титан-алюминий.

6. Разработаны технологические рекомендации изготовления диф-

фузионной сваркой в вакууме пустотелой биметаллической панели, в которой между листами обшивки из алюминиевого сплава устанавливаются поперечные ребра (из того же материала) и коробчатые профили из титанового сплава.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ: публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Диффузионная сварка пустотелых биметаллических панелей /

A.B. Башурин, Е.Ю. Мастихин, В.И. Колмыков // Заготовительные производства в машиностроении. 2010. № 1. С. 13-15.

статьи и материалы конференций

2. Диффузионная сварка слоистых титано-алюминиевых панелей / Д.В. Пономарев, В.Н. Гадалов, A.B. Башурин, Е.Ю. Мастихин // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2008. Т. 4, № 10. С. 40-43.

3. Диффузионная сварка пустотелых сталеалюминиевых панелей /

B.Н. Гадалов, A.B. Башурин, Е.Ю.Мастихин // Материалы и упрочняющие технологии - 2007: сб. материалов XIV Российской науч.-техн. конф. с меж-дунар. участием / Курск, гос. техн. ун-т. Курск, 2007. С. 145-147.

4. Анализ напряженно-деформированного состояния прослойки при диффузионной сварке титана с алюминием / Е.Ю. Мастихин, В.И. Колмыков, A.B. Башурин, Д.В. Пономарев // Материалы и упрочняющие технологии -2009: сб. материалов XVI Российской науч.-техн. конф. с междунар. участием / Курск, гос. техн. ун-т. Курск, 2009. Ч. 1. С. 116-120.

5. Микрорентгеноспектральный анализ переходной зоны при диффузионной сварке алюминиевого сплава (AI + Zn + Si) с титановым сплавом ВТбс / Е.Ю. Мастихин, A.B. Башурин, В.И. Колмыков, Д.В. Пономарев // Инновации, качество и сервис в технике и технологиях: сб. материалов I Международной науч.-практ. конф. / Курск, гос. техн. ун-т. Курск, 2009. Ч. 1. С. 198-202.

6. Диффузионная сварка пустотелых панелей / Е.Ю. Мастихин // Материалы и упрочняющие технологии - 2009: сб. материалов XVI Российской науч.-техн. конф. с междунар. участием / Курск, гос. техн. ун-т. Курск, 2009. Ч. 2. С. 173-177.

7. Разработка конструкции и особенности сварки пустотелых панелей / Е.Ю. Мастихин И Современные автомобильные материалы и технологии (САМИТ-2009): сб. статей I Международной науч.-техн. конф. / Курск, гос. техн. ун-т. Курск, 2009. С. 192-198.

Печатных листов 1.0. Тираж 120 экз. Заказ . Курский государственный технический университет. Отпечатано в Курском государственном техническом университете. 305040, г. Курск, ул. 50 лет Октября, 94.