автореферат диссертации по металлургии, 05.16.09, диссертация на тему:Разработка технологии получения слоистых интерметаллидных титано-алюминиевых композитов на основе изучения трансформации структурно-механической неоднородности

На правах рукописи

Киселев Олег Сергеевич

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ СЛОИСТЫХ ИНТЕРМЕТАЛЛИДНЫХ ТИТАНО-АЛЮМИНИЕВЫХ КОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ ИЗУЧЕНИЯ ТРАНСФОРМАЦИИ СТРУКТУРНО-МЕХАНИЧЕСКОЙ НЕОДНОРОДНОСТИ

05.16.09

Материаловедение (машиностроение)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

7 НОЯ 2013

Волгоград-2013

005537339

Работа выполнена на кафедре «Материаловедение и композиционные материалы» Волгоградского государственного технического университета

Научный руководитель

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Трыков Юрий Павлович.

Кукса Лев Владимирович,

доктор технических наук, профессор, Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет, кафедра «Сопротивление материалов», заведующий кафедрой;

Крохалев Александр Васильевич,

кандидат технических наук, доцент, Волгоградский государственный технический университет, кафедра «Технология материалов», доцент.

ОАО «Всероссийский научно-

исследовательский и конструкторско-технологический институт оборудования нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности», г. Волгоград. С

Защита состоится «22 у, МЯЮрЛ. 2013 г. в часов на засе-

дании диссертационного совета Д 212.28.02, созданного на базе Волгоградского государственного технического университета, по адресу: 400005, г. Волгоград, пр. Ленина, 28, ауд. ¿ОН

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного технического университета.

Ведущая организация

Автореферат диссертации разослан «/¿Г » 2013 г,

Ученый секретарь диссертационного совета

Кузьмин Сергей Викторович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы.

Развитие и совершенствование промышленных технологий вызывает необходимость использования современных материалов со специальными служебными свойствами. Разнообразные технические задачи могут быть решены с применением в производстве деталей и узлов из слоистых композиционных материалов. Для их изготовления возможно использование хорошо зарекомендовавших себя титана и его сплавов, а также материалов на основе алюминия.

Слоистые интерметаллидные композиты (СИК) представляют собой принципиально новый класс конструкционных материалов, обладающих уникальным сочетанием физических (электрических, тепловых, магнитных и др.) и механических (жаропрочности, удельной прочности и др.) свойств. Реализация этих свойств оказалась возможной благодаря оптимальному конструированию структуры СИК, которые представляют собой структурно неоднородную систему из чередующихся металлических слоев и диффузионных интерметаллидных прослоек. СИК на основе алюминия и титана обладают высокой прочностью, коррозионной стойкостью, жаропрочностью, низкой удельной плотностью и применяются для изготовления переходников, предназначенных для сварки конструкций из разнородных металлов, узлов и деталей летательных аппаратов, космической, химической, криогенной и атомной техники. Накопленный теоретический и экспериментальный материал по структурно-механической неоднородности, формирующейся при различных способах получения слоистых титано-алюминиевых интерметаллидных композитов, таких как твердофазная диффузия, взаимодействие титана с расплавом алюминия, сварка взрывом (СВ) на завышенных режимах, недостаточно изучен. В работах отечественных ученых (Казак Н. Я, Лысака В. И., Кузьмина С. В., Седых В. С., Соннова А. П., ТрыковаЮ. П., Шморгуна В. Г. и др.) содержатся предположения о том, что конечные свойства и структура локальных участков закристаллизовавшегося оплавленного металла зависят от физико-химических свойств каждого из соединяемых металлов (в первую очередь - температур плавления), мгновенной температуры в зоне

Автор выражает искреннюю благодарность к.т.н., доценту Гуревичу Леониду Моисеевичу за участие в формировании направления и методологической подготовке исследований и помощь при анализе научной новизны

СВ и условий охлаждения сварного соединения.

Образование при нагреве интерметаллидных прослоек на границах соединения является одним из основных процессов формирования титано-алюминиевых СИК, кинетика которого, во многом, определяется наличием оксидных пленок. Очистка соединяемых поверхностей от окислов возможна при СВ титано-алюминиевых СКМ на завышенных режимах, однако имеющиеся сведения о кинетике формирования диффузионных прослоек при нагревах не учитывают возможность образования на границе раздела оплавленного металла. Исследование изменения при термических воздействиях структуры, кинетики роста, фазового состава и механических свойств интерметаллидных соединений в слоистых композитах ВТ1-0—АД1, полученных СВ с различной энергетикой может стать научной основой для интенсификации технологий получения титано-алюминиевых СИК.

Актуальность работы подтверждается выполнением ее в рамках следующих научно-технических программ и грантов:

1. Проект № 2.1.2/573 аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы» на 2009-2010 гг. «Создание научных основ производства функциональных и конструкционных материалов нового поколения - слоистых интерметаллидных композитов, обладающих уникальными теплофизическими и жаропрочными свойствами»;

2. Грант МК-218.2010.8 Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых-кандидатов наук на 20102011 гг. «Создание теоретических основ получения нового класса конструкционных материалов - слоистых интерметаллидных композитов с градиентными физико-механическими свойствами».

Цель и задачи работы. Целью диссертационного исследования является разработка метода получения титано-алюминиевых слоистых интерметаллидных композитов с использованием энергии взрыва на основе определения закономерностей трансформирования структурно-механической неоднородности с учетом температурно-временных и деформационных факторов.

Для достижения поставленной цели поставлены и решены следующие задачи:

1. Выявлены закономерности формирования структурно-механической неоднородности в сваренном взрывом титано-алюминиевом композите и ее эволюции при термо-силовом воздействии.

2. Изучено влияние полученной при различных режимах сварки взрывом

структурно-механической неоднородности в зоне соединения титано-алюминиевого композита на деформационную способность.

3. Исследованы структура и фазовый состав диффузионных зон в тита-но-алюминиевых СИК, полученных в процессе твердофазной диффузии и при взаимодействии титана с расплавом алюминия.

4. Разработана технология изготовления цилиндрических и конических деталей из титано-алюминиевых композиционных материалов с применением моделирования процесса глубокой вытяжки.

Научная новизна работы заключается в раскрытии механизмов трансформации структурно-механической неоднородности сваренных взрывом слоистых титано-алюминиевых интерметаллидных композитов с определением оптимальных энергетических, деформационных и температурно-временных факторов, позволяющих рационально проектировать и изготавливать конструкции из СКМ.

1. Установлено, что при сварке взрывом титано-алюминиевого композита на повышенных режимах формируются локальные гетерогенные оплавы с частицами термодинамически мало вероятной интерметаллидной фазы Т13А1 в матрице твердого раствора на основе алюминия. Увеличение энергетики сварки взрывом приводит к росту площади и протяженности оплавов и объемного содержания в них алюминидов, фазовый состав которых трансформируется от "П3А1 до "ПА13.

2. Показано, что в процессе отжига композита ВТ1-0 - АД1, полученного сваркой взрывом на завышенных режимах, происходит образование и рост интерметаллидной прослойки на участках зоны соединения, свободных от оплавленного металла, и повышение в оплавах объемного содержания алюминидов титана, а рост площади диффузионной зоны начинается только после гомогенизации оплавов.

3. Исследования химического состава интерметаллидной прослойки, формирующейся в процессе твердофазной диффузии, показали практически неизменное содержание по всей толщине интерметаллидного слоя 75% А1 и 25 % "П, свидетельствующее о наличии только интерметаллида "ПАЬ. У границы с прилегающим слоем алюминия наблюдалось плавное снижение содержания титана, связанное с образованием смеси твердого раствора на основе алюминия и ИА1з.

Практическая значимость работы.

На основе исследований кинетики жидкофазной диффузии предложены новые технологические схемы изготовления СИК с требуемым объемным содержанием интерметаллидов.

Наличие оплавленного металла в зоне соединения титано-алюминиего композита, полученного СВ, позволило интенсифицировать технологию получения титано-алюминиевых СИК в процессе твердофазной диффузии.

Разработана аддитивная методика прогнозирования эффективного коэффициента теплопроводности многослойных композитов с диффузионными слоями из фрагментов интерметаллидов и алюминиевых прослоек, включающая определение коэффициентов теплопроводности таких слоев как многокомпонентных гетерогенных систем.

Разработан и практически реализован технологический процесс изготовления из сваренных взрывом листовых титано-алюминиевых заготовок трубчатых переходных элементов с использованием прокатки и глубокой вытяжки для сварки электролизеров для производства хлора.

Проведенные экспериментальные и расчетные исследования деформирования слоистых титано-алюминиевых композитов показали достоверность моделирования процессов глубокой вытяжки и прокатки с использованием конечно элементных моделей в пакете программ SIMULIA/Abaqus.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на международных научных конференциях «Новые перспективные материалы и технологии их получения» (Волгоград 2010), «Проблемы синергетики в трибологии, трибоэлектрохимии, материаловедении и мехатронике» (Новочеркасск 2011) и «Механика разрушения и её приложения в инженерных науках» (Воронеж, 2012); всероссийской научно-технической конференции «Инновационные технологии в обучении и производстве» (Камышин 2008, 2010); XIX Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Волгоград, 2011 г.); IV всероссийской научной конференции «Наука и устойчивое развитие» (Нальчик 2010), Всероссийской молодежной научной школы «Химия и технология полимерных и композиционных материалов» (Волгоград 2012), научно-практических конференциях студентов и молодых ученых Волгограда и Волгоградской области (Волгоград 2009-2011); ежегодных научно-технических конференциях Волгоградского государственного технического университета (Волгоград 2009-2012).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 16 печатных работ, в том числе 12 статей в российских периодических рецензируе-

мых изданиях, рекомендованных ВАК РФ для опубликования основных научных результатов диссертаций. Получено 6 патентов на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы, включающего 201 наименование. Основная часть работы содержит 204 страницы машинописного текста, 162 рисунка, 3-5 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована цель исследования, раскрыты структура и общее содержание диссертации.

В первой главе на основе литературных данных рассмотрены области применения и основные способы получения слоистых титано-алюминиевых интерметаллидных композитов. Приведены существующие данные о диаграмме состояния, основных интерметаллидных соединениях в двухкомпо-нентной системе ТьА1. Произведён обзор методов получения титано-алюминиевых композитов. Показано, что важные вопросы, касающиеся трансформации структурно-механической неоднородности в околошовной зоне (ОШЗ) композитов, недостаточно изучены, а имеющиеся сведения разрознены или носят частный характер.

На основе проведенного литературного обзора сформулированы основные задачи исследования.

Во второй главе выбраны материалы, конструкция и геометрия слоистых титано-алюминиевых образцов, а также применяемые в исследованиях параметры силового и температурного воздействия на СИК. Описаны используемые методики металлографического, рентгеноструктурного и энергодисперсионного анализов основных слоев и зон диффузионного взаимодействия, определения теплофизических свойств, микромеханических испытаний, исследований атомно-силовой микроскопии, способы статистической обработки полученных результатов. Указаны характеристики применяемого исследовательского оборудования.

В третьей главе приведены результаты исследований влияния структурно-механической неоднородности, формирующейся в процессе твердофазной и жидкофазной диффузии, на получение титано-алюминиевых СИК. Показаны основные закономерности формирования, температурно-временные зависимости кинетики роста интерметаллидного слоя в трехслой-

7

ных композиционных материалов ВТ1-0-АД1-ВТ1-0. Исследовано изменение микромеханических свойств интерметаллидного слоя в зависимости от температуры отжига и влияние интерметаллидного слоя на теплофизические свойства композита.

Степенные зависимости толщин интерметаллидного слоя 1пН = /(1пт) от времени выдержки (до 90 часов) при температурах 560 - 630°С подтверждаются прямолинейностью графиков в логарифмических системах координатах (рисунок 1). Зависимость между временем выдержки и толщиной интерметаллидного слоя в недеформированных после СВ композитах отличается от параболической, что объясняется протеканием двух процессов: реакций на границе «интерметаллид -металл» и диффузионного транспорта атомов к соответствующим границам. С ростом температуры увеличивается лимитирующая роль граничных реакций.

1пИ 5 4 3

гРисунок 1 - Логарифмические зави-

1симости толщины интерметаллидной

прослойки И (мкм) от времени т (ч) и отемпературы отжига: 1 -560°С, 2 -

590°С, 3 - 630°С

После отжига при 630°С в течение 90 ч в СИК титан ВТ1-0 + алюминий АД1 твердость интерметаллидной прослойки толщиной 150 мкм. повышалась по мере приближения к титановым слоям, что свидетельствует об изменении ее фазового состава. Послойный рентгенофазовый анализ на дифрактометре ДРОН-3 и энергодисперсионный анализ на двухколонном растровом микроскопе системы УегэаЗО ЬошУас (рисунок 2) показали практически неизменный состав по всей толщине интерметаллидного слоя (75% А1 и 25 % Тл), свидетельствующий о наличии только интерметаллида ТлА13. В диффузионной прослойке на границе с алюминием наблюдалось плавное снижение содержания титана, связанное с формированием смеси твердого раствора на основе алюминия и "ПА13.

При жидкофазном взаимодействии титана и алюминия можно выделить три этапа процесса формирования диффузионного слоя: «начальная стадия» - малоактивный рост интерметаллидной прослойки на границе Тл-А1; «стадия роста» - интенсивное увеличение толщины диффузионного слоя с постоянным для данной температуры содержанием дисперсных частиц интерметал-лида Т1А13; «стадия насыщения» - увеличение объемного содержания фазы ИА13 в диффузионном слое.

При взаимодействии титана с расплавом алюминия формируется диффузионный слой, состоящий из прослоек алюминия и отделяющихся от зоны реактивной диффузии интерметаллидных фрагментов, доля которых зависит от времени нагрева и удаленности от титана (рисунок 3). В диффузионных прослойках, полученных при временах отжига от 5 до 14 часов, содержание интерметаллидов снижается по мере удаления от границы раздела слоев, затем вновь растет на последних 40-50 мкм. Увеличение времени отжига приводит к измельчению частиц алюминидов за счет трещинообразования и последующего разрушения.

Расстояние от границы с титаном, мкм

Рисунок 3- Распределение содержания интерметаллидных частиц по толщине диффузионной прослойки при 750°С: 1- 2 ч, 2 - 4 ч, 3 - 8 ч, 4 - 14 ч

В четвертой главе исследовано влияние параметров СВ на структурно-механическую неоднородность в околошовной зоне титано-алюминиевого композита и фазовый состав оплавов.

Рисунок 2 - Распределение титана и алюминия по толщине диффузионной прослойки (отжиг 630°С в течение 90 ч)

Металлографический анализ зоны соединения сваренного композита продемонстрировал наличие в локальных гетерогенных оплавах частиц ин-терметаллидной фазы в матрице твердого раствора на основе алюминия (рис. 4). Увеличение энергии "\У2, затрачиваемой на пластическую деформацию при сварке взрывом, приводило к росту относительной протяжённости и площади оплавленных участков на границе соединения (рис. 5). С увеличением протяженности К происходил рост микротвердости образующихся на границе соединения ВТ 1-0+АД1 локальных оплавов от 1,6 до 2 ГПа (рис. 6), объясняющийся увеличением объемной доли более твердых по сравнению с алюминиевой матрицей частиц алюминидов, которая при К = 90 % достигало 80%.

Рисунок 4 - Микроструктуры зоны соединения ВТ1-0 + АД1 (титан снизу) при различных значениях ТУг'- а - 1,20 МДж/м2; 6-1,80 МДж/м2; в - 2,30 МДж/м2

1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4

\Уг, МДж/м2

Рисунок 5 - Зависимость относительной протяжённости К (1) и площади 51 (2) оплавленного металла на единицу длины зоны соединения ВТ1-0 + АД1 от У/^

Рисунок 6 - Зависимость микротвердости оплавов (1) на границе соединения ВТ1-0+АД1 и объемного содержания в них алюминидов (2) от К

При относительной протяженности оплавов менее 30% рентгенофазо-вым анализом доказано существование в них термодинамически маловероятного интерметаллида ИзА!, а увеличение протяженности и площади оплавов приводит к трансформации интерметаллидов в наиболее стабильный ТлА1з. Это подтверждается энергодисперсионным анализом, продемонстрировавшим содержание в интерметаллидах на различных участках оплавленного металла 75 ат.% А1 и 25 ат.% Тл (рис 7).

Нагрев (630°С) приводил к появлению сплошной интерметаллидной прослойки на участках, свободных от оплавленного металла, одновременно к росту объемного содержания интерметаллидов в оплавах, постепенно приводящему к полной их гомогенизации.

жШ \

............................""...................

Содержание элементов, ат.% Фаза

Зона А1 Тл Бе ТлА13

1 77,1 22,4 0,5 Т1А1з

2 74,7 24,8 0,5 А1

3 95,0 4,8 0,2 ТШ3

4 75,1 24,4 0,5 А1

5 91,2 8,5 0,3 ПА13

Л

Рисунок 7 - Химический состав оплавленного металла

Процесс формирования диффузионной прослойки вокруг площади оплавленного металла начинался после того, как объемное содержание интерметаллида в оплавах превышало 80% (рисунок 10). В процессе термической обработки фазовый состав оплавов, образовавшихся при относительно небольших и средних величинах протяженности К = 25 - 40 %, трансформировался с заменой "П3А1 на интерметаллид "ПА13.

• шйша

ш

Ш

ЙЙК II

та» к

■ПКШШНЙ

Рисунок 8 - Эволюция структуры локальных оплавов в титаяо-алюминиевом композите (К= 25 %) в процессе отжига при 630°С: 1 - после СВ; 2 - 5 ч; 3 - 15 ч

Кинетику роста интерметаллидной прослойки, определяющей время формирования слоистого интерметаллидного композита, можно интенсифицировать увеличением энергии 1Уг, затрачиваемой на пластическую деформацию при сварке взрывом (рис. 11).

и

20 30 40 50 60 70 80 90 100

К,%

20 30 40

50 60 70 80 90 100

К,%

Рисунок 9 - Изменение содержания алюми- Рисунок 10 - Изменение площади опла-нидов в оплавах после отжига при 630°С: 1 - вов в композите после отжига при 630°С:

после СВ, 2 - отжиг в течение 1 ч, 3 - 5 ч, 3 15ч

1 - после СВ; 2 - 1 ч; 3 - 5 ч; 4 - 15 ч

100

5 80

н

В |б0

в 40 я 9 S

а 20

э

л—

——

1,4 1,5 1,6 1,7

-,. 1.8 1,9 \У„МДж/м3

Рисунок 11 - Изменение толщины ин-терметаллидной прослойки в сваренном взрывом титано-алюминиевом композите после отжига при 630°С: 1 - 1 ч; 2 - 5 ч; 3 — 15 ч; 4-30 ч

2,0 2,1 2,:

Металлографические исследования титано-алюминиевых композитов ВТ1-0+АД1, полученных сваркой взрывом на режимах вблизи верхней границы свариваемости, показали, что наличие участков локальных оплавов не приводит после неполной горячей прокатки к образованию трещин в зоне соединения и, следовательно, к снижению предельной деформационной способности. При обжатии Ех = 5% морфология локальных оплавов в околошовной зоне претерпевала небольшие изменения: они несколько вытягивались вдоль зоны соединения и частично перемешивались с прилегающим слоем алюминия (рис. 12 а, б). При прокатке с обжатием е£ = 20% формировался непрерывный слой с включениями раздробленных частиц интерметал-лидов (рис. 12 в, г), появление которого не приводило к снижению прочности и пластичности композита.

в г

Рисунок 12 - Морфология локальных оплавленных участков в титано-алюминиевом композите ВТ1-0+АД1 после неполной горячей прокатки: а, б-обжатяе ег = 5%; в,г - ее = 20%; а, в - К = 25 %; б, г - К = 90 % (*500)

В пятой главе представлены возможные варианты технологии (рис. 13) получения титано-алюминиевых слоистых интерметаллидных композитов из чередующихся слоев титана, обеспечивающих прочность и пластичность при нормальных температурах, и интерметаллида (Т1А.13), как упрочняющего компонента, повышающего жаропрочные свойства.

Накопленные экспериментальные данные по исследованию процессов сварки взрывом, деформирования и формирования диффузионных прослоек в титано-алюминиевых композитах позволили разработать технологический процесс получения трубчатых переходников, включающий сварку взрывом трехслойного КМ ВТ1-0-АД1-АМг6, последующую глубокую вытяжку стаканов и механическую вырезку из них готовых переходников. Преимуществом предложенного технологического процесса является значительная экономия металла по сравнению с получением переходников из сваренных взрывом толстолистовых титано-алюминиевых плит.

Выбор основных конструктивных параметров оснастки для глубокой вытяжки (радиусов закругления штампа и пуансона) проводился с использованием моделирования процесса при помощи программного пакета 81М1ЛЛ А/АЬадиэ. Основанные на критерии Мизеса методы моделирования верифицировали с использованием экспериментальных данных по распределению деформаций в трехслойном титано-алюминиевом композите АМгб+АД 1+ВТ1 -0 при трехточечном изгибе. Сравнение экспериментальных и расчетных кривых изменения пластической деформации подтвердило воз-

можность применения моделей с повышающимися в процессе деформации пределами текучести сплавов и положенных в основу программного комплекса 31МиЫА/АЪацш алгоритмов расчетов для прогнозирования деформирования титано-алюминиевых СМК.

1. Выбор материалов и конструкции КМ - по составу и свойствам технически чистые металлы; сплавы с требуемыми характеристиками

- по форме и размерам листы, грубы, прутки

2. Сварка композиционных заготовок

■ сварка взрывом

■ сварка прокаткой

■ другие виды сварки

и нанесения покрытий

выбор взрывчатых веществ; выбор технологического оборудовании:

расчет параметров процесс«;: подготовка пакетов для сварки

I Формоизменение ] сваренных заготовок

- обработка давлением

механическая обработка

операции фрезерования, сверления, резки. токарной обработки_

3. Термообработка

- твердофазная диффузия СИК с тонкими СПЛОШНЫМИ интерметалл идными прослойками

- жидкофазная диффузия СИК с дисперсными интер-метэллидными прослойками увеличенной толщины

Рисунок 13. Схема комплексного технологического процесса изготовления титано-алюминиевых слоистых интерметаллидных композитов.

Проведенные расчеты по схеме моделирования глубокой вытяжки (рис. 14) показали значительное влияние на стабильность вытяжки радиуса закругления штампа (рис. 15) для переходников с внешним слоем из АМгб. При Я<8 мм наблюдалось резкое утонение в месте перехода вертикальной стенки в донную часть стакана и разрушение полученной заготовки. При увеличении радиуса (Я>10мм) уменьшение толщины стенок плавно проходило в районе удаляемого при последующей механической обработке донного перехода.

Рисунок 14 - Расчетная схема моделирования процесса глубокой вытяжки

а б

Рисунок 15 - Распределение напряжений Мизеса при штамповке композита АМг6+АД1+ВТ1-0 с различными радиусами закругления штампа: а - Л=8 мм, б - Л = 10 мм

Более стабильные толщины стенок формируемого стакана были получены при моделировании процесса штамповки титано-алюминиевого трубчатого переходника с внутренним слоем из АМгб (рис. 16).

I Ki-

ч

L_±. i

->

\

lo 20

расстояние от верхнего края заготовнн, мм

25 §20-У

50

\

>

4

10 20 30 40 расстояние от верхнего края заготовки, мм

б

50

Рисунок 16 - Расчетные толщины слоев (1- ВТ1-0, 2 - АМгб, 3 - АД1) заготовки при моделировании глубокой вытяжки титано-алюминиевого композита в оснастке с различными радиусами закругления пуансона: а - R=\0 мм, б - R = 20 мм

Учитывая результаты, полученные при моделировании процесса глубокой вытяжки, был спроектирован и изготовлен вытяжной штамп с пружинным прижимным устройством.

На рис. 17 приведены экспериментальные кривые изменения толщины стенки стакана, которое реализуется в основном за счет утонения алюминиевых слоев, уменьшения толщины титана практически не наблюдается. Сравнение экспериментальных и расчетных кривых изменения толщины стенки в разных частях цилиндрического переходника показало, что величина ошибки расчета для алюминиевого слоя не превышала 7%, для титанового - 5%.

Трубчатые титано-алюминиевые переходники для сварки электролизеров для производства хлора внедрены в AHO «НВЦ научно-технического обеспечения промышленной безопасности» (г. Волгоград) с экономическим эффектом 140000 рублей.

(1 Рисунок 17. Изменение толщины стенки в разных частях цилиндри-4 ческого переходника после вытяжки (а), моделирования процесса штамповки (б): 1 - алюминиевые слои; 2 - титановый слой.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1) Экспериментальные исследования зоны соединения титано-алюминиевых СИК, полученных СВ на завышенных режимах, показали, что локальные участки оплавов состоят из алюминиевой матрицы и интерметал-лидных частиц Тл3А1. При увеличении протяженности оплавов свыше 40% образуется дополнительно термодинамически наиболее вероятный Т1А13. Повышение энергии приводило к росту площади оплавов и увеличению в них объемного содержания интерметаллидов.

2) При отжиге композита ВТ 1-0 - АД1, полученного СВ на завышенных режимах, формируются сплошные интерметаллидные прослойки на участках, свободных от оплавленного металла, и, одновременно, растет объемное содержание интерметаллидов в оплаве вплоть до полной его гомогенизации. Появление и рост диффузионной прослойки вокруг площади оплава начинались после превышения объемного содержания интерметаллида в нем 80%.

3) Исследования фазового и химического состава титано-алюминиевого СИК, полученного в процессе твердофазной диффузии, установили практически неизменное содержание по всей толщине интерметаллидного слоя 75 ат. % А1 и 25 ат. % Л, что свидетельствует о наличии только Т1А13. Плав-

ное снижение содержания титана у границы со слоем алюминия связано с образованием смеси твердого раствора на основе алюминия и HAI3.

4) Установлено, что процесс формирования интерметаллидного слоя при взаимодействии титана с расплавом алюминия можно разделить на три этапа: «начальная стадия» - малоактивный рост интерметаллидной прослойки на границе Ti-Al; «стадия роста» - интенсивное увеличение толщины диффузионного слоя с постоянным для данной температуры содержанием дисперсных частиц интерметаллида TiAl3; «стадия насыщения» — увеличение объемного содержания фазы T1AI3 в диффузионном слое.

Сформировавшийся диффузионный слой состоит из прослоек алюминия и фрагментов интерметаллидов, содержание и размеры которых уменьшались с увеличением времени нагрева и удаленности от титана. На последних 40-50 мкм наблюдалось возрастание размеров интерметаллидных включений.

5) Средние значения экспериментально определенного коэффициента теплопроводности сплошной интерметаллидной прослойки, образовавшейся при отжиге титано-алюминиевого композита при температуре 630°С, составляют 12-15 Вт/мхК. Показана возможность использования аддитивной методики прогнозирования эффективного коэффициента теплопроводности многослойного композита с дисперсными интерметаллидными частицами, включающей определение коэффициентов теплопроводности диффузионных многофазных слоев как многокомпонентной гетерогенной системы.

6) Разработан и практически реализован комплексный технологический процесс изготовления из сваренных взрывом листовых титано-алюминиевых заготовок трубчатых переходных элементов для установок сварки электролизеров с использованием компьютерного моделирования процесса штамповки методом конечных элементов в пакете программ SIMULIA/Abaqus.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Статьи, опубликованные журналах, рекомендованных ВАК РФ

1. Прочность свариваемых взрывом соединений с композитными прослойками / Ю.П. Трыков, Ю.Н. Кусков, JI.M. Гуревич, Д.С. Самарский, О.С. Киселев, А.И. Богданов // Конструкции из композиционных материалов. - 2009. - № 4. - С. 17-25.

2. Свойства интерметаллидных прослоек в слоистых титано-алюминиевых композитах / Л.М. Гуревич, Ю.П. Трыков, Д.В. Проничев, В.Н. Арисова, О.С. Киселев, А.Ю. Кондратьев, C.B. Панков // Известия ВолгГТУ. Серия "Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении". Вып. 3 : межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2009. - № 11. - С. 35-40.

3. Структура и свойства слоистых титано-алюминиевых композитов, упрочнённых частицами интерметаллидов / Л.М. Гуревич, Ю.П. Трыков, В.Н. Арисова, О.С. Киселев, А.Ю. Кондратьев, В.В. Метелкин // Известия ВолгГТУ. Серия "Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении". Вып. 3 : межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2009. - № 11. - С. 5-11.

4. О хрупком разрушении сваренных взрывом композиционных соединений / Ю.П. Трыков, Л.М. Гуревич, Д.С. Самарский, О.С. Киселев, А.И. Богданов // Деформация и разрушение материалов. - 2010. - № 1. - С. 13-16.

5. Расчёт прочности сваренных взрывом композиционных соединений с механически неоднородными мягкими прослойками / Ю.П. Трыков, Ю.Н. Кусков, Л.М. Гуревич, О.С. Киселев, А.И. Богданов // Деформация и разрушение материалов. - 2010. - № 4. - С. 11-15.

6. Структура и микромеханические свойства в биметалле ВТ 1-0 + АД1, полученном сваркой взрывом по угловой схеме / Л.М. Гуревич, Ю.П. Трыков, В.Н. Арисова, О.С. Киселев, А.Ю. Кондратьев, A.B. Полежаев // Изв. ВолгГТУ. Серия "Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении". Вып. 4 : межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2010. - № 4. - С. 38-42.

7. Теплопроводность слоистых титано-алюминиевых интерметаллидных композитов / Л.М. Гуревич, Ю.П. Трыков, Д.В. Проничев, О.С. Киселев, А.Ю. Кондратьев // Тепловые процессы в технике. - 2010. - № 1. - С. 32-36.

8. Влияние термической обработки на эволюцию структурно-механической неоднородности сваренных взрывом титано-алюминиевых композитов / Л.М. Гуревич, Ю.П. Трыков, О.С. Киселев, И.Г. Козлов, О.П. Поляков // Изв. ВолгГТУ. Серия "Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении". Вып. 5 : межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2011. - № 5. - С. 19-22.

9. Изменение структуры и фазового состава оплавов в слоистом титано-алюминиевом композите в зависимости от параметров сварки взрывом / Л.М. Гуревич, Ю.П. Трыков, О.С. Киселев, В.Н. Арисова, А.Ю. Кондратьев, И.Г. Козлов, С.П. Писарев, В.Ф. Да-ненко // Изв. ВолгГТУ. Серия "Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении". Вып. 5 : межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2011. - № 5. - С. 14-19.

10. Влияние неполной горячей прокатки на трансформацию сплавов в сваренном взрывом титано-алюминиевом композите / Л.М. Гуревич, Ю.П. Трыков, О.С. Киселев, И.Г. Козлов, А.Е. Кондаков // Изв. ВолгГТУ. Серия «Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении». Вып. 6 : межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2012. - № 9 (96). - С. 47-50.

11. Моделирование деформаций при неполной горячей прокатке титано-алюминиевого композита / Л.М. Гуревич, Ю.П. Трыков, О.С. Киселев, С.П. Писарев, А.Е. Кондаков // Изв. ВолгГТУ. Серия «Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении». Вып. 6 : межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2012. - № 9 (96). - С. 20-24.

12. Моделирование процессов деформирования слоистых титано-алюминиевых композитов в процессе изгиба / Л.М. Гуревич, Ю.П. Трыков, В.М. Волчков, О.С. Киселев, В.Ф. Даненко, С.П. Писарев // Изв. ВолгГТУ. Серия «Проблемы материаловедения, сварки

и прочности в машиностроении». Вып. 6: межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2012.-№ 9 (96).-С. 11-15.

Прочие публикации

13. Трансформация структуры и фазового состава оплавленного металла на границе сваренного взрывом соединения ВТ1-0+АД1 / Л.М. Гуревич, Ю.П. Трыков, В.Н. Арисова, О.С. Киселев, И.Г. Козлов // Инновационные технологии в обучении и производстве : матер. VII всерос. науч.-практ. конф. (г. Камышин, 22-23 дек. 2010 г.). В 5 т. Т. 2 / ВолгГТУ, КТИ (филиал) ВолгГТУ. - Волгоград, 2011. - С. 12-16.

14. Гуревич, Л.М. Фазовый состав зоны соединения в слоистых интерметаллидных титано-алюминиевых композиционных материалах, полученных при взаимодействии титана с расплавом алюминия / Л.М. Гуревич, Ю.П. Трыков, О.С. Киселев // XIX Менделеевский съезд по общей и прикладной химии (Волгоград, 25-30 сенг. 2011 г.). В 4 т. Т. 3 / РАН, РХО им. Д.И. Менделеева, Администрация Волгогр. обл. [и др.]. - Волгоград, 2011. - С. 296.

15. Влияние параметров сварки взрывом на структурно-механическую неоднородность биметалла ВТ1-0+АД1 / Л.М. Гуревич, Ю.П. Трыков, О.С. Киселев, А.Ю. Кондратьев, A.B. Полежаев // Новые перспективные материалы и технологии их получения (НПМ-2010) : сб. науч. тр. V междунар. конф., Волгоград, 14-16 сент. 2010 г. / ВолгГТУ [и др.]. - Волгоград, 2010. - С. 133-135.

16. Гуревич, Л.М. Влияние параметров неполной горячей прокатки на относительную деформацию биметалла ВТ-1-0+АД1 / Л.М. Гуревич, Ю.П. Трыков, О.С. Киселев // Проблемы синергетики в трибологии, трибоэлектрохимии, материаловедении и ме-хатронике : матер, междунар. конф., г. Новочеркасск, 17-19 окт. 2011 г. - Новочеркасск, 2011.-С. 183-186.

Патенты

17. Пат. 2425740 РФ, МПК В 23 К 20/08, В 23 К 101/04. Способ получения изделий с внутренними полостями сваркой взрывом / Ю.П. Трыков, С.П. Писарев, Л.М. Гуревич, В.Г. Шморгун, В.Н. Арисова, А.И. Богданов, В.Ф. Казак, О.С. Киселев; ВолгГТУ. - 2011.

18. П. м. 107993 РФ, МПК В 23 К 20/08. Теплозащитный экран / Ю.П. Трыков, С.П. Писарев, Л.М. Гуревич, В.Г. Шморгун, В.Ф. Казак, Д.В. Проничев, О.С. Киселев, А.И. Богданов, И.Г. Козлов; ВолгГТУ. - 2011.

19. П. м. 97821 РФ, МПК F 28 F 1/00, F 28 F 21/00. Биметаллический теплообменник с внутренними полостями / Ю.П. Трыков, С.П. Писарев, Л.М. Гуревич, В.Г. Шморгун, А.И. Богданов, В.Ф. Казак, О.С. Киселев, A.B. Гришин; ГОУ ВПО ВолгГТУ. - 2010.

20. П. м. 119680 РФ, МПК В 32 В 15/20, В 23 К 20/08, В 23 К 101/14. Многослойный теплообменник с внутренними полостями / Ю.П. Трыков, С.П. Писарев, В.Г. Шморгун, Л.М. Гуревич, Д.В. Проничев, В.Ф. Казак, О.С. Киселев, А.И. Богданов, Д.А. Евстропов; ВолгГТУ. - 2012.

21. П. м. 119866 РФ, МПК F 28 С 3/12. Теплообменник с внутренними полостями / Ю.П. Трыков, С.П. Писарев, В.Г. Шморгун, Л.М. Гуревич, Д.В. Проничев, В.Ф. Казак, А.И. Богданов, О.С. Киселев, А.Е. Кондаков; ВолгГТУ. - 2012.

22. П. м. 90734 РФ, МПК В 32 В 15/20 [и др.]. Композиционный теплообменник с внутренними полостями / Ю.П. Трыков, С.П. Писарев, Л.М. Гуревич, В.Г. Шморгун,

O.B. Слаутин, В.Ф. Казак, А.И. Богданов, О.С. Киселев, A.C. Сергиенко; ГОУ ВПО ВолгГТУ. - 2010.

Личный вклад автора. В представленных работах, выполненных в соавторстве с научным руководителем и другими исследователями, автором изучены процессы формирования на межслойных границах интерметаллидных прослоек [1, 4, 5]. Выявлены закономерности формирования структуры, фазового состава титано-алюминиевых композитов полученных в процессе реактивной диффузии и при взаимодействии титана с расплавом алюминия, и их влияния на теплофизические свойства [2, 3, 7, 14]. Исследовано влияние энергетики сварки взрывом на структурно-механическую неоднородность в титано-алюминиевых композитах [6, 8, 9, 13, 15]. Рассмотрено влияние тер-мо-силовых воздействий на трансформацию структуры локальных участков оплавленного металла на границе соединения титано-алюминиевого композита [10, 16]. Обобщены результаты по моделированию процессов деформирования слоистых титано-алюминиевых композитов [11, 12]. Разработаны технологические процессы создания изделий различного функционального назначения [17-22].

Подписано в печать 16.-Ю.Х01Ъ г. г. Заказ Тираж 100 экз. Печ. л. 1,0 Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная.

Типография ИУНЛ Волгоградского государственного технического университета. 400005, Волгоград, пр. Ленина, 28, корпус 7

МИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессиональное образования ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕТСИТЕТ

На правах рукописи

04201455101

Киселев Олег Сергеевич

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ СЛОИСТЫХ ИНТЕРМЕТАЛЛИДНЫХ ТИТАНО-АЛЮМИНИЕВЫХ КОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ ИЗУЧЕНИЯ ТРАНСФОРМАЦИИ СТРУКТУРНО-МЕХАНИЧЕСКОЙ НЕОДНОРОДНОСТИ

05.16.09

Материаловедение (машиностроение)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -

Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Трыков Юрий Павлович

Волгоград-2013

Содержание

Введение..................................................................................................................................................................6

Глава I Слоистые интерметаллидные титано-алюминиевые

композиционные материалы............................................................................................................14

1.1 Физические, химические, механические и эксплуатационные свойства титано-алюминиевых композитов......................................................................14

1.1.1 Прочность и твердость материалов при нормальных и повышенных температурах........................................................................................................14

1.1.2 Теплофизические свойства..........................................................................................19

1.1.3 Взаимодействие титано-алюминиевых материалов с различными средами........................................................................................................................21

1.2 Прочностные характеристики алюминидов титана и материалов

на их основе при нормальных и повышенных температурах............................24

1.2.1 Свойства алюминидов титана при комнатной температуре............24

1.2.2 Жаропрочность алюминидов титана и сплавов на их основе... 25

1.2.3 Трещиностойкость................................................................................................................29

1.3 Области применения композиционных титано-алюминиевых материалов........................................................................................................................................................30

1.4 Влияние режимов термической обработки на структурную неоднородность титано-алюминиевых СКМ....................................................................33

1.4.1 Твердофазное диффузионное взаимодействие при нагреве титано-алюминиевых СКМ..........................................................................................33

1.4.2 Взаимодействие титана с расплавом алюминия........................................37

1.5 Способы получения титано-алюминиевых металлических и интерметаллидных композитов......................................................................................................41

1.5.1. Литые интерметаллидные титано-алюминиевые композиты... 41

1.5.2. Композиты, полученные методом гранульной металлургии... 44

1.5.3. Получение слоистых композитов прокаткой с последующей термической обработкой..................................................................................................................49

1.5.4. Получение слоистых композитов из фольговых заготовок............51

1.5.5. Слоистые композиты, полученные напылением и наплавкой.. 55

1.5.6.Получение слоистых композитов по комплексным технологиям, включающим сварку взрывом........................................................................57

1.6 Выводы к главе I и постановка задач исследования......................................64

Глава II. Материалы, оборудование и методы исследования....................66

2.1 Исследуемые материалы............................................................................................................66

2.2 Сварка взрывом образцов 68

2.3 Прокатка образцов............................................................................................................................69

2.4 Методика проведения исследований..............................................................................70

2.4.1 Приготовление шлифов....................................................................................................70

2.4.2 Металлографические исследования......................................................................71

2.4.3 Исследование диффузионных процессов........................................................74

2.4.4 Микродюрометрические исследования............................................................75

2.4.5 Рентгенографические исследования....................................................................76

2.4.5.1 Определение параметров тонкой структуры........................................76

2.4.5.2 Фазовый рентгеноструктурный анализ....................................................80

2.4.6. Методика исследования теплопроводности................................................82

2.4.7. Атомно-силовая микроскопия..................................................................................83

2.5 Моделирование процессов деформирования слоистых титано-

алюминиевых композиционных материалов........................................................................85

2.6. Обработка результатов экспериментов......................................................................86

Выводы к главе II......................................................................................................................................88

Глава III. Исследование влияния диффузионных процессов на структуру и свойства титано-алюминиевых композиционных материалов........................................................................... 89

3.1 Структура и свойства интерметаллидных прослоек, полученных твердофазной диффузией в слоистых титано-алюминиевых композитах. 89

3.1.1 Влияние нагрева на кинетику роста диффузионных прослоек титано - алюминиевого композита................................................ 89

3.1.2 Распределение микротвердости при нагреве титан о-алюминиевого композита............................................................ 92

3.1.3 Исследование фазового состава интерметаллидной прослойки

в титано- алюминиевом композите................................................ 94

3.2 Структура и свойства слоистых титано-алюминиевых композитов, упрочненных частицами интерметаллидов...................... 96

3.2.1 Влияние нагрева на кинетику роста диффузионных прослоек титано - алюминиевого композита................................................ 96

3.2.2 Распределение микротвердости при нагреве титано -алюминиевого композита............................................................ 102

3.2.3 Исследование фазового состава интерметаллидной прослойки

в титано- алюминиевом композите................................................ 103

3.3 Теплопроводность интерметаллидных слоистых титано-алюминиевых композиционных материалов.................................... 107

3.3.1 Влияние интерметаллидной прослойки, полученной реактивной диффузией, на теплопроводность композита..................... 107

3.3.2 Влияние интерметаллидной прослойки, полученной при взаимодействии титана с расплавом алюминия, на теплопроводность композита................................................................................ 111

3.4 Влияние напряженного состояния в процессе термической

обработки на кинетику роста интерметаллидной прослойки в КМ ВТ1-0-АД1-ВТ1-0............................................................................ 115

Выводы к главе III................................................................. 118

Глава IV. Исследование влияния термо-силовых воздействий на трансформацию структурно-механической неоднородности сваренного взрывом слоистого титано-алюминиевого композита.... 120

4.1 Трансформация структурно-механической неоднородности в титано-алюминиевом композите, полученном сваркой взрывом на завышенных режимах................................................................. 120

4.1.1 Структурно-механическая неоднородность в сваренном взрывом на завышенных режимах титано-алюминиевом композите....... 120

4.1.2 Трансформация структурно-механической неоднородности в сваренном взрывом на завышенных режимах титано-алюминиевом композите при термическом воздействии........................................ 130

4.2 Исследование влияния локальных оплавленных участков на предельную деформационную способность титано-алюминиевого композита................................................................................ 135

4.2.1 Структурно-механическая неоднородность в сваренном взрывом на завышенных режимах титано-алюминиевом композите после неполной горячей прокатки................................................. 135

4.2.2 Трансформация структурно-механической неоднородности сва-ренного взрывом на завышенных режимах и подвергнутого неполной горячей прокатке титано-алюминиевого композита при термическом воздействии............................................................ 138

4.3 Влияние степени обжатия при неполной горячей прокатке на структуру и свойства титано-алюминиевого композита...................... 142

4.3.1 Влияние степени обжатия при неполной горячей прокатки на распределение деформаций в полученном сваркой прокаткой композите ВТ1-0-АД1.............................................................................. 142

4.3.2 Влияние степени пластической деформации при неполной горячей прокатке на микромеханические характеристики слоев полученного сваркой прокаткой композита ВТ 1-0 - АД1.................. 147

4.3.3 Влияние степени пластической деформации при неполной горячей прокатке на тонкую структуру слоев полученного сваркой прокаткой композита ВТ1-0 - АД1................................................. 149

4.3.4. Зависимость кинетики диффузионных процессов от степени пластической деформации........................................................... 152

Выводы к главе IV............................................................... 156

Глава V. Технологии изготовления переходников из титано-алюминиевых композиционных материалов с применением 158 моделирования процесса штамповки........................................

5.1 Полугорячая прокатка....................................................... 158

5.2 Штамповка....................................................................... 164

5.2.1 Моделирование процессов деформирования слоистых титано-алюминиевых композитов в процессе изгиба.................................... 165

5.2.2 Моделирование процессов деформирования слоистых титано-алюминиевых композитов в процессе штамповки.............................. 170

5.3 Изготовление теплообменных титано-алюминиевых композиционных элементов с помощью сварки взрывом.................. 178

5.4 Расчетная оценка прочности стенок теплообменных титано-алюминиевых элементов с интерметаллидными прослойками.............. 181

Выводы к главе V................................................................... 186

Общие выводы..................................................................... 187

Литература...................................................................................... 189

Приложение........................................................................... 206

Введение

Развитие передовых отраслей промышленности и совершенствование промышленных технологий вызывает необходимость использования современных материалов со специальными служебными свойствами. Разнообразные технические задачи могут быть решены с применением в производстве деталей и узлов из слоистых композиционных материалов (СКМ). Для их изготовления возможно использование хорошо зарекомендовавших себя титана и его сплавов, а также материалов на основе алюминия. В значительной степени интерес к ним обусловлен тем, что в условиях нагрева соединенные между собой титан и алюминий образуют высокопрочные интерметаллиды, благоприятно влияющие на комплекс физических свойств композиции. Такого рода материалы могут быть использованы для изготовления теплозащитных экранов.

СМК на основе алюминия и титана обладают рядом таких свойств как высокая прочность, коррозионная стойкость, жаропрочность, низкая удельная плотность. Слоистые металлические композиционные материалы, в том числе титано-алюминиевые, применяются в машиностроении для изготовления переходников, предназначенных для сварки различных конструкций из разнородных металлов, корпусов, узлов и деталей космической аппаратуры, летательных аппаратов, химической, криогенной и атомной техники и т.д.

Несмотря на накопленный значительный теоретический и

экспериментальный материал, ряд вопросов, касающихся структурно-

механической неоднородности, формирующейся при различных способах

получения титано-алюминиевых слоистых интерметаллидных композитов

(СИК), таких как: твердофазная диффузия, взаимодействие титана с

расплавом алюминия, сварка взрывом на режимах, близких к верхней

границе свариваемости, недостаточно изучен. Так, вопросам влияния

кинетических и энергетических условий сварки взрывом на структуру,

фазовый состав и механические свойства локальных участков оплавленного

б

металла на границе раздела титана и алюминия в отечественных и зарубежных работах уделено незаслуженно мало внимания. В работах ряда отечественных ученых {Казак Н. Н., Лысак В. И., Кузьмин С. В., Седых В. С., Сонное А. П., Трыков Ю. П., Шморгун В. Г. и др.) содержатся предположения о том, что конечные свойства и структура локальных участков закристаллизовавшегося оплавленного металла зависят от физико-химических свойств каждого из соединяемых металлов (в первую очередь -температур плавления), мгновенной температуры в зоне сварки и условий охлаждения сварного соединения. Для уточнения этого положения необходимо проведение исследований по изучению особенностей формирования структуры и микромеханических свойств оплавленного металла в слоистом титано-алюминиевом композите при различной энергетике процесса сварки взрывом (СВ), результаты которых могут быть использованы для прогнозирования служебных свойств и поведения при технологических переделах композиций как титан-алюминий, так и других «трудносвариваемых» сочетаний разнородных металлов и сплавов.

В слоистых титано-алюминиевых композитах, состоящих из разнородных по физико-механическим свойствам металлов, при технологических и эксплуатационных нагревах возможно протекание диффузионных процессов и, как следствие, образование хрупких интерметаллидных прослоек на границе соединения.

Образование при нагреве интерметаллидных прослоек на границах соединения является одним из основных процессов формирования титано-алюминиевых слоистых интерметаллидных композитов, кинетика которого, во многом, определяется наличием оксидных пленок на границе соединения. Очистка соединяемых поверхностей от окислов возможна при сварке взрывом слоистых титано-алюминиевых композиционных материалов, однако имеющиеся сведения о кинетике формирования в них диффузионных прослоек при нагревах получены при исследовании материалов, не имеющих на границе раздела визуально обнаруживаемого оплавленного металла.

7

Исследование изменения при термических воздействиях структуры, фазового состава, механических свойств и кинетики роста интерметаллических соединений в слоистых композитах ВТ1-0-АД1, полученных сваркой взрывом с различными значениями энергии, затрачиваемой на пластическую деформацию может стать научной основой для интенсификации

комплексных технологий получения титано-алюминиевых слоистых интерметаллидных композитов.

Цель работы: разработка методов получения титано-алюминиевых слоистых металлических и интерметаллидных композитов (СМК и СИК) на базе определения закономерностей формирования структурно-механической неоднородности с учетом температурно-временных и деформационных факторов.

Научная новизна заключается в раскрытии механизмов трансформации структурно-механической неоднородности сваренных взрывом слоистых титано-алюминиевых интерметаллидных композитов с определением оптимальных энергетических, деформационных и температурно-временных факторов, позволяющих рационально проектировать и изготавливать конструкции из СКМ.

1 .При сварке взрывом титано-алюминиевого композита на повышенных режимах формируются локальные гетерогенные оплавы с частицами термодинамически мало вероятной интерметаллидной фазы Т13А1 в матрице твердого раствора на основе алюминия. Увеличение энергетики сварки взрывом приводит к росту площади и протяженности оплавов и объемного содержания в них алюминидов, фазовый состав которых трансформируется от Т13А1 до Т1А13.

2. В процессе отжига композита ВТ1-0 - АД1, полученного сваркой взрывом на повышенных режимах, происходит образование и рост интерметаллидной прослойки на участках зоны соединения, свободных от оплавленного металла, и повышение в оплавах объемного содержания алюминидов титана, а рост площади диффузионной зоны начинается только после гомогенизации оплавов.

3. Исследования химического состава интерметаллидной прослойки, формирующейся в процессе твердофазной диффузии, показали, что

практически неизменное содержание по всей толщине интерметаллидного слоя 75% А1 и 25 % Тл, свидетельствующее о наличии интерметаллида Т1А13. У границы с прилегающим слоем алюминия наблюдалось плавное снижение содержания титана, что связано с образованием смеси твердого раствора на основе алюминия и Т1А13.

4. Диффузионный слой, сформировавшийся в процессе жидкофазной диффузии, состоит из прослоек алюминия и фрагментов интерметаллидов, содержание и размеры которых уменьшались с увеличением времени нагрева и удаленности от титана. На последних 40-50 мкм наблюдалось возрастание размеров интерметаллидных включений.

Практическая значимость.

На основе исследований кинетики жидкофазной диффузии предложены новые технологические схемы изготовления слоистых интерметаллидных композитов с требуемым объемным содержанием интерметаллидов.

Наличие оплавленного металла в зоне соединения титано-алюминиего композита, полученного СВ, позволило интенсифицировать технологию получения титано-алюминиевых СИК в процессе твердофазной диффузии.

Разработана аддитивная методика прогнозирования эффективного коэффициента теплопроводности многослойных композитов со диффузионными слоями из фрагментов интерметаллидов и алюминиевых прослоек, включающая определение коэффициентов теплопроводности таких слоев как многокомпо