автореферат диссертации по металлургии, 05.16.09, диссертация на тему:Создание высокопрочного композиционного материала титан-алюминий с перфорированным интерметаллическим слоем и оксидо-керамическим покрытием

На правах рукописи

ГУСЬКОВ Максим Сергеевич

СОЗДАНИЕ ВЫСОКОПРОЧНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА ТИТАН-АЛЮМИНИЙ С ПЕРФОРИРОВАННЫМ ИНТЕРМЕТАЛЛИЧЕСКИМ СЛОЕМ И ОКСИДО-КЕРАМИЧЕСКИМ ПОКРЫТИЕМ

Специальность 05.16.09 - Материаловедение (машиностроение)

Автореферат на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 3 СЕН 2015

005562664

ПЕНЗА-2015

005562664

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет» на кафедре «Сварочное, литейное производство и материаловедение».

Научный руководитель — кандидат технических наук, доцент

Крюков Дмитрий Борисович

Официальные оппоненты: Амосов Александр Петрович, доктор

физико-математических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет», заведующий кафедрой «Металловедение, порошковая металлургия, наноматериалы»;

Сайков Иван Владимирович, кандидат технических наук, ФГБУН «Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения» Российской академии наук (г. Черноголовка), старший научный сотрудник

Ведущая организация - ФГУП «Центральный научно-

исследовательский институт черной металлургии им. И. П. Бардина», г. Москва

Защита диссертации состоится 15 октября 2015 г. в 13:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.186.03 Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет» по адресу: 440026, г. Пенза, ул. Красная, 40.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет» и на сайте: http://dissov.pnzgu.ru/ecspertiza/gychkov.

Автореферат разослан 02.03 2015 г.

Ученый секретарь /лй^г^

диссертационного совета Воячек Игорь Иванович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В современной промышленности широкое распространение получили композиционные материалы (КМ) на основе титановых сплавов, при этом непрерывное развитие различных ее отраслей требует от КМ повышенного комплекса физико-механических свойств в целом и прочностных свойств в частности. Существующие традиционные методы упрочнения композиционных материалов, такие как легирование, термообработка и термопластическая обработка, или недостаточно эффективны, или требуют использования дорогостоящих материалов. В этой связи перспективным путем решения данной задачи является модернизация существующих технологических схем получения КМ ударно-волновым воздействием, разработка которых ведется учеными коллективами Института гидродинамики им. М. А. Лаврентьева СО РАН (г. Новосибирск), ВолгГТУ (г. Волгоград), МГТУ им. Н. Э. Баумана (г. Москва), ВИАМ (г. Москва), Института электросварки им. Е. О. Патона HAH Украины, ПГУ (г. Пенза) и др. При этом весьма эффективным является создание в КМ упрочняющих интерметаллических слоев. Однако на сегодняшний день отсутствуют какие-либо данные по повышению прочности композиционных материалов на основе титановых сплавов за счет создания интерметаллических перфорированных упрочняющих слоев с различной геометрией перфораций.

В ряде случаев детали и узлы, изготовленные из композиционных материалов титан-алюминий, работают при повышенных температурах, что может привести к структурным превращениям на границе внутренних слоев композиционного материала и негативно повлиять на работоспособность и долговечность изделия в целом. Проблему можно решить путем формирования на композиционном материале покрытий, обладающих необходимым набором теплофизических характеристик, в частности оксидо-керамических покрытий, с помощью которых можно эффективно влиять на величину коэффициента теплопроводности КМ.

В этой связи создание высокопрочных композиционных материалов на основе титановых сплавов с упрочняющими интерметаллическими элементами и оксидо-керамическим покрытием является актуальной и перспективной задачей материаловедения.

Объект исследования — высокопрочный композиционный материал титан-алюминий с перфорированным интерметаллическим слоем и оксидо-керамическим покрытием.

Предмет исследования — взаимосвязь состава, структуры, механических, технологических и теплофизических свойств высокопрочного композиционного материала титан-алюминий с оксидо-керамическим покрытием с параметрами его обработки на всех технологических этапах.

Цель работы — разработка технологии создания и исследование свойств высокопрочного композиционного материала титан-алюминий

с перфорированным интерметаллическим слоем и оксидо-керамическим покрытием.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать схему ударно-волновой обработки для получения бездефектного слоистого композиционного материала системы «титан - алюминий» с листовыми перфорированными элементами.

2. Провести компьютерное моделирование композиционного материала, полученного по разрабатываемой технологии с целью оценки его свойств.

3. Определить кинетические температурно-временные параметры роста интерметаллических фаз в структуре высокопрочного композиционного материала.

4. Исследовать взаимосвязь между составом, структурой и механическими свойствами высокопрочного композиционного материала с листовыми перфорированными интерметаллическими элементами на различных стадиях технологической обработки.

5. Выбрать вариант оксидо-керамического покрытия на титановом слое с целью уменьшения теплопроводности разработанного композиционного материала.

6. Определить сферу практического использования созданного композиционного материала с учетом технико-экономической эффективности.

Методы исследования. Использован комплекс современных методик и исследовательского оборудования, в частности, для исследования микроструктуры (металлографический микроскоп Альтами МЕТ6С, электронный микроскоп Zeiss SIGMA), для микрорентгеноспектрального анализа (установка Energy 350 с безазотным SDD детектором Х-Мах 80 {Platinum)), для измерения микротвердости (микротвердомер DM-8), для измерения толщины интерметаллических фаз (программа анализа изображения VESTRA ImagingSystem), для определения механических и прочностных свойств композиционного материала (разрывная машина модель ИР 5145-500-11, копер ИО 5003-0,3-11), для измерения температуропроводности и теплопроводности методом лазерной вспышки (прибор LFA 427/7/G), для определения удельной теплоемкости (дифференциальный сканирующий калориметр DSC823e), для определения плотности металла (электронные аналитические весы Mettler Toledo XS 204). Создание модели слоистого КМ осуществлялось в программе SolidWorks, а компьютерное моделирование процесса одноосного растяжения проводилось в интегрированном модуле CosmosWorfc. Экспериментальные исследования проводились по стандартным методикам в аттестованных лабораториях на поверенном оборудовании.

Достоверность и обоснованность научных положений и выводов подтверждаются применением современных методов исследования, сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, компьютерного моделирования, а также испытаний по определению механических, тех-

нологических и теплофизических свойств полученного композиционного материала.

Научная новизна (п. 1, 2, 4, 8, 10 паспорта специальности 05.16.09):

1. Разработана новая технология получения высокопрочного композиционного материала титан-алюминий путем синтеза слоев интерметаллида в зоне контакта листовых перфорированных элементов с основным металлом при ударно-волновой и последующей термической обработке (п. 4).

2. В результате компьютерного моделирования испытаний композиционного материала с перфорированным интерметаллическим слоем установлена связь его прочности с изменением геометрии перфораций и удельного объема интерметаллической фазы (п. 8).

3. Установлена взаимосвязь между составом, структурой и механическими свойствами композиционного материала титан-алюминий с перфорированным интерметаллическим слоем на различных стадиях технологической обработки. Определены коэффициенты диффузии и энергии активации образования интерметаллической фазы для выбора рациональных режимов изотермического отжига (п. 1,2).

4. Определены параметры процесса микродугового оксидирования, позволяющего сформировать на поверхности слоистого композиционного материала оксидо-керамическое покрытие, уменьшающее коэффициент его теплопроводности (п. 10).

Практическая значимость:

1. Разработан комплексный подход к созданию высокопрочного композиционного материала титан-алюминий, включающий процессы ударно-волнового нагружения, формообразования, термической обработки и микродугового оксидирования, что позволяет повысить предел прочности и снизить коэффициент теплопроводности композиционного материала.

2. Даны рекомендации по выбору рациональных режимов обработки на всех технологических этапах получения высокопрочного композиционного материала титан-алюминий с оксидо-керамическим покрытием, что позволило получить композиционный материал с максимальной прочностью 634,5 МПа и минимальным коэффициентом теплопроводности 13,82 Вт/(м ■ К).

3. Композиционный материал, разработанный в ходе выполнения диссертационной работы, может быть использован для изготовления воздухозаборников, элементов планера и обшивки в сверхзвуковых самолетах, для изготовления средненагруженных деталей и узлов в ракето- и автомобилестроении, в качестве облицовочного материала в полупогруженных буровых нефтяных платформах, что приведет к улучшению их технико-экономических показателей.

На защиту выносятся:

1. Запатентованная технология создания слоистого композиционного материала титан-алюминий с интерметаллическим упрочнением.

2. Данные компьютерного моделирования испытаний композиционного материала с целью определения его прочностных свойств.

3. Результаты исследований кинетики формирования интерметаллических фаз в высокопрочных композиционных материалах, рентгеноспсктраль-ного микроанализа и определения латентного периода зарождения интерме-таллидов.

4. Результаты механических и технологических испытаний композиционного материала с интерметаллическим упрочнением.

5. Результаты исследования теплофизических свойств композиционного материала с интерметаллическим упрочнением и оксидо-керамическим покрытием.

Реализация результатов работы:

1. Результаты диссертационной работы использованы в рамках НИР РНФ «Изучение возможности применения методов высокоэнергетического воздействия для формирования заданного комплекса механических и теплофизических свойств композиционных материалов» (соглашение № 14-19-00251 от 26.06.2014), «Разработка теоретических основ создания композиционных металло-керамических материалов повышенной механической прочности и термостабильности для авиационной техники» (соглашение № 14.В37.21.1850 от 04.10.2012) в виде технических предложений по выполнению схем ударно-волнового нагружения, экспериментальных данных по исследованию микроструктуры, результатов определения механических, технологических и теплофизических свойств высокопрочного композиционного материала с оксидо-керамическим покрытием, результатов компьютерного моделирования процессов испытаний в интегрированном модуле Cosmos Works.

2. Результаты работы внедрены в учебный процесс кафедры «Сварочное, литейное производство и материаловедение» Пензенского государственного университета для подготовки специалистов и бакалавров по направлению 15.07.00 «Машиностроение» в качестве дополнения к курсу «Технология конструкционных материалов» в раздел «Композиционные материалы».

3. Результаты диссертационной работы использованы в научно-исследовательской работе, проводимой в ООО «НПЦ "Титан"» по тематике «Высокопрочные композиты специального назначения».

Работа выполнена на кафедре «Сварочное, литейное производство и материаловедение» Пензенского государственного университета.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на следующих Всероссийских и международных конференциях и симпозиумах: «Инновационные технологии в машиностроительном комплексе» (г. Пенза, ПГУ, 2011 г.); «Модели, системы сети в экономике, технике, природе и обществе» (г. Пенза, ПГУ, 2012 г.); «Будущее машиностроения России» (г. Москва, МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2012, 2013 гг.); «Студент и научно-технический прогресс» (г. Новосибирск, НГУ, 2012 г.); «ТестМат-2012»

(г. Москва, ВИАМ, 2012 г.); «Проблемы разливки и кристаллизации стали, сварки, термообработки и математическое моделирование технологических процессов» (г. Москва, ЦНИИТМАШ, 2012 г.); «Сварка и родственные технологии» (г. Киев, ИЭС им. Е. О. Патона, 2013 г.); «Молодежь и наука: модернизация и инновационное развитие страны» (г. Пенза, Ш У, 2012 г.); Школа-семинар по структурной макрокинетике для молодых ученых (г. Черноголовка, ИСМАН, 2012 г.); «Новые перспективные материалы и технологии их получения - 2014» (г. Волгоград, ВолгГТУ, 2014 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 25 печатных работ (2 работы без соавторов), из них 2 работы - в изданиях из перечня ВАК РФ, получен патент РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованной литературы, включающего 126 наименований, и одного приложения. Работа изложена на 146 страницах основного текста, включает 53 рисунка и 17 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, приведены цель, основные задачи исследования, научная новизна, практическая значимость, реализация и внедрение результатов, сформулированы положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ отечественных и зарубежных литературных источников в области применения титана и композиционных материалов на его основе в различных отраслях промышленности.

Проведен анализ конструкций деталей и узлов, изготовленных из сплавов на основе титана. Определена взаимосвязь свойств изделий с условиями их эксплуатации. Обоснован выбор состава композиционного материала, приведены физические характеристики исходных компонентов, а также приведены экспериментально подтвержденные механические, технологические свойства и химический состав КМ в состоянии поставки.

Рассмотрена диаграмма состояния ТьА1 и представлены типы интерме-таллидов, образующихся при различных температурно-временных показателях. Описаны их структуры и основные физико-механические свойства.

Проведено описание и сравнение основных способов упрочнения титановых сплавов. Обоснован выбор способа соединения материалов за счет ударно-волнового нагружения как наиболее рационального способа получения слоистых композиционных материалов, исходя из возможности формирования качественного и равнопрочного сварного соединения по всей площади.

Значительный вклад в исследования процесса формирования и изучения структуры и свойств слоистых композиционных материалов, полученных при помощи данного способа, внесли такие ученые, как Э. С. Атрощенко, А. Н. Кривенцов, В. И. Лысак, Л. Б. Первухин, В. С. Седых, Ю. П. Трыков,

А. М. Ханов, И. В. Яковлев и др. Приведены основные преимущества, описан порядок расчета технологических параметров ударно-волнового нагружения.

Рассмотрены вопросы формирования на поверхности титановых сплавов оксидо-керамических покрытий методом микродугового оксидирования (МДО). Исследованиями в данном направлении занимались такие ученые, как А. А. Ильин, А. И. Мамаев, М. М. Криштал, И. А. Казанцев и др. Установлено, что технология МДО позволяет получать на металлах вентильной группы оксидо-керамические покрытия с уникальными характеристиками. При этом неизученным остается вопрос разработки технологии формирования на поверхности композиционных материалов на основе титана оксидо-керами-ческих покрытий с различной величиной теплопроводности.

В результате сделаны выводы об актуальности цели диссертации и поставлены задачи дальнейших исследований.

Вторая глава посвящена вопросу модернизации существующей схемы получения слоистых композиционных материалов на основе системы "П-А1 за счет ударно-волнового нагружения.

Широко используемые волокнистые композиционные материалы, армированные высокопрочными и высокомодульными волокнами, в которых армирующие элементы несут основную механическую нагрузку, в большой степени зависят от схемы армирования. При растяжении временное сопротивление и модуль упругости КМ достигают наибольших значений в направлении, совпадающем с направлением ориентации волокон, наименьших -в поперечном направлении. Анизотропия свойств не наблюдается при двухосном армировании с взаимно перпендикулярным расположением упрочняющих волокон. Однако по сравнению с одноосным армированием прочность вдоль оси волокон уменьшается почти в три раза.

Указанных недостатков лишены слоистые композиционные материалы, которые характеризуются повышенными механическими свойствами и изотропностью. Повышение их физико-механических и эксплуатационных свойств связано с модернизацией упрочняющего слоя за счет введения конструктивных элементов различной геометрической формы.

В работах Э. И. Григолюка, Л. А. Фильштинского и др. установлена закономерность изменения прочностных свойств материала в зависимости от геометрических параметров и расположения в нем конструктивных отверстий. Показано, что наиболее рациональной формой геометрических элементов, приводящей к максимальному перераспределению и выравниванию возникающих внутренних напряжений, является круг. Использование в решетке ячеек некруглой формы, приводит к нарушению равенства внутренних напряжений, что в свою очередь снижает прочность.

На основании вышесказанного в диссертации разработана новая схема получения слоистого композиционного материала, в которой промежуточную алюминиевую пластину перфорируют сквозными каналами, распределенными равномерно по площади листов, при этом каналы выполняют коническими

с противоположно направленной конусностью в соседних каналах, а каналы с одноименной конусностью располагают в плоскости листа в шахматном порядке. На рисунке 1 показана геометрическая форма и расположение каналов в алюминиевой пластине при предлагаемой схеме получения КМ ударно-волновым нагружением.

Рисунок 1 - Схема получения КМ с перфорированной алюминиевой пластиной: 1,4- титановые пластины; 2 - конструктивные элементы, обеспечивающие зазор; 3 - перфорированная алюминиевая пластина; 5 - противоположно направленные конические каналы в алюминиевой пластине

Площадь контакта равна разности общей площади листа и суммарной площади каналов, выполненных в промежуточной пластине. При этом зона контакта металла-основы и промежуточного перфорированного листа равномерно распределена по площади листов и представляет собой локальные участки. Это позволяет устранить образование сплошного твердого и склонного к трещинообразованию слоя интерметаллидов, который склонен к хрупкому разрушению материала.

С целью проверки имеющихся теоретических данных было проведено компьютерное моделирование и испытание слоистого КМ, полученного по разработанной схеме, с использованием программы SolidWorks. Интегрированный в нее программный модуль Cosmos Works позволяет решать задачи с упругими, вязко-упругими, упруго-пластичными, анизотропными и другими моделями материалов.

Испытывалось шесть серий моделей слоистого композиционного материала, особое внимание было уделено моделям, имеющим в упрочняющем слое различные конфигурации перфорирующих элементов. Так, для сравнения прочностных свойств были созданы модели с упрочняющим слоем, имеющим перфорации цилиндрической формы (рисунок 2,а) и № 1-3 (таблица 1), и модели с упрочняющим слоем, имеющим перфорации конической формы (рисунок 2,6) и № 4—6 (таблица 1).

Химический состав слоев всех моделей (после получения слоев интерметаллидов) был аналогичен и состоял из: ВТ 1-0 - TiAl3 - АМг5М - TiAl3 -ВТ1-0. Толщины 1, 2, 3, 4, 5 слоев варьировались: 1-я серия моделей - толщина равна 1,3; 0,035; 0,33; 0,035; 1,3 мм соответственно; 2-я серия моделей -

1

5

толщина равна 1,3; 0,1; 0,2; 0,1; 1,3 мм; 3-я серия моделей — толщина равна 1,3; 0; 0,4; 0; 1,3 мм. Для слоистого КМ была создана сетка с шагом 0,1 мм2, количество узлов составило 75 000. В .результате проведенного компьютерного моделирования различных образцов КМ было определено значение прочности (таблица 1).

Рисунок 2 - Модели слоистых композиционных материалов с различными перфорациями в упрочняющей пластине: а - цилиндрическая форма; б - коническая форма

Таблица 1 - Зависимость предела прочности моделей слоистого композиционного материала от геометрических параметров упрочняющих элементов

№ модели Геометрическая форма и параметры перфораций, мм Полученное значение предела прочности, МПа

1 Цилиндрическая; 0 10, межосевое расстояние 20 560,0

2 Цилиндрическая; 0 10, межосевое расстояние 20 583,3

3 Цилиндрическая; 0 10, межосевое расстояние 20 662,5

4 Коническая; 0 большего основания 12, 0 меньшего основания 10, межосевое расстояние 20 591,0

5 Коническая; 0 большего основания 12, 0 меньшего основания 10, межосевое расстояние 20 612,3

6 Коническая; 0 большего основания 12, 0 меньшего основания 10, межосевое расстояние 20 695,2

Результатами компьютерного моделирования установлено, что максимальная величина прочности композиционного материала с упрочняющими элементами, имеющими цилиндрические отверстия, составила 662,5 МПа, а для композиционного материала с коническими перфорациями - 695,2 МПа, что на 51 % выше, чем прочность монометалла ВТ 1-0 аналогичной толщины. Установлено, что отличие по прочностным свойствам КМ в зависимости от геометрических параметров перфораций составляет 20-35 МПа.

В третьей главе приведены результаты исследований влияния параметров ударно-волнового нагружения на микроструктуру и свойства полученных композиционных материалов.

В процессе получения слоистого композиционного материала имеется ряд существенных ограничений, связанных с тем, что качественное соединение возможно на режимах сварки, при которых не происходит оплавления контактной зоны с образованием интерметаллических прослоек, наличие которых значительно снижает прочностные свойства композиционного материала в целом, а также оказывает влияние на его дальнейший технологический передел.

Сварка титана с алюминием производилась по схеме, представленной на рисунке 1. Основным взрывчатым веществом, использовавшимся при сварке взрывом, являлась смесь аммонита 6ЖВ с аммиачной селитрой в соотношениях 33/67 и 50/50. Смесь в данных пропорциях характеризуется устойчивостью скоростных характеристик в процессе инициирования.

Оценка механических свойств кймпозиционных материалов, полученных на всех предложенных режимах, производилась при испытании образцов на одноосное растяжение и ударную вязкость в соответствии с ГОСТ 1497-84, ГОСТ 9454-78. Весь комплекс экспериментально полученных образцов композиционного материала был разделен на три основные группы. В 1-ю группу вошли образцы, полученные на режимах со скоростью точки контакта VK = 2063-2329 м/с и скоростью соударения Vc = 333^15 м/с и показавшие значения предела прочности и ударной вязкости в диапазоне 350-400 МПа и 50-70 Дж/см2. Во 2-ю группу были отнесены образцы, полученные на режимах VK = 2063-2426 м/с и Кс = 412-477 м/с, со значением предела прочности и ударной вязкости 600-620 МПа и 90-110 Дж/см2. В 3-ю группу были определены образцы, полученные на режимах VK = 2606 м/с и Vc = 521-575 м/с, с пределом прочности 640-650 МПа и ударной вязкостью 90-100 Дж/см2.

Анализ прочностных характеристик слоистых композиционных материалов с различными конфигурациями отверстий в перфорированном слое показал, что при обеспечении аналогичных технологических параметров соединения материалов и геометрических размеров исходных заготовок полученные материалы имеют различные прочностные показатели. Наиболее высокие значения присущи композиционному материалу с перфорациями конической формы (616 МПа - у пластин с коническими двухсторонними перфорациями, 590 МПа - у пластин с цилиндрическими перфорациями и 520 МПа -у пластин без перфораций). Различие по конфигурации перфораций в упрочняющей пластине существенного влияния на значение ударной вязкости не оказывает, расхождение между показателями составляет не более 2-4 %.

Оценку технологических свойств после сварки взрывом слоистого композиционного материала производили в соответствии с ГОСТ 14019-2003. Установлено, что при испытании на изгиб образцы слоистого композиционного материала второй группы сохранили свою целостность до угла изгиба более 120°, что свидетельствует о высоких технологических свойствах и о возможности применения дальнейших операций формообразования. Образцы первой и третьей групп испытания на изгиб не прошли.

С целью качественной оценки влияния исходных параметров соединения были проведены исследования микроструктуры полученных композиционных материалов. Геометрические параметры сварного шва, а также наличие/отсутствие непроваров и оплавлений между соединяемыми материалами определялись на микрошлифах с помощью микроскопа Альтами МЕТ 6С. Фотографии макро- и микроструктуры композиционного материала приведены на рисунках 3 и 4.

а б Б г

л Л

Рисунок 3 - Макроструктура образца композиционного материала 2-й группы

хЮО

в) г)

Рисунок 4 - Микроструктуры различных зон (см. рисунок 3) соединения металла-основы и перфорированного элемента композиционного материала 2-й группы

На основании результатов механических и технологических испытаний, а также микроскопического анализа зоны сварного шва было установлено, что наиболее рациональными режимами сварки являются Ук = 2063-2426 м/с, и Ус = АХ2-А11 м/с. Сварной шов образцов 2-й группы имеет прямую границу раздела без образования участков расплава.

хЮО

л

Величину микротвердости слоистого композиционного материала измеряли в соответствии с требованиями ГОСТ 9450-76 на автоматическом микротвердомере DM-8 при нагрузках от 1 до 2000 г в зависимости от исследуемого слоя композиционного материала. Измерение микротвердости проводилось на полированных образцах, измерение упрочненной зоны и образовавшейся прослойки производилось по 3-4 раза на каждом образце. Были установлены максимальные значения микротвердости каждого из составляющих слоев. Для титана это значение составляет 190-195 МПа, для алюминия -115-125 МПа, а для прослойки расплава (у образцов, полученных на форсированных режимах) = 3000 МПа, что позволило выдвинуть предположение, что химический состав данной прослойки соответствует интерметаллическому соединению TiAl2. Для подтверждения данного предположения исследуемые образцы были подвергнуты микрорентгеноспектральному анализу на растровом электронном микроскопе Zeiss SIGMA, оснащенном энергодисперсионной системой NCA Energy SEM. Полученные количественные показатели химических элементов в выбранных точках были использованы для пересчета весовых и атомных показателей и определения химической формулы. Таким образом, при значениях содержания AI 62,9 ат. % и Ti 30,0 ат. % химическая формула соответствует и нтер металл иду TiAl2, что подтвердило выдвинутое предположение по результатам измерения микротвердости.

Четвертая глава посвящена исследованию структурных превращений в композиционном материале на основе Ti и AI при термообработке и изучению его физико-механических характеристик.

Термическая обработка заключалась в подборе такого температурно-временного режима, при котором происходит образование интерметаллической прослойки максимальной толщины. В качестве образцов для исследования использовали пластины композиционного материала размером 25x25 мм, в которых отсутствовали участки расплава в зоне сварного шва, прошедшие прокатку со степенью 55-60 % и низкотемпературный отжиг. Испытания проводились при температурах 550, 600, 630 °С во временном диапазоне 0,12-235 ч. Исследование микроструктуры отожженных образцов проводили на металлографическом микроскопе Альтами MET 6С. В результате исследований был определен момент появления интерметаллидов (рисунок 5,а) и выявлены зависимости роста интерметаллической прослойки от температуры и времени выдержки. Обобщенные данные приведены на графике (рисунок 6), из которого видно, что максимальная толщина прослойки составляет 100 мкм и получена она при Т= 630 С и ГВЬ1Д = 235 ч (показана на рисунке 5,6).

Дальнейшая выдержка при данной температуре к увеличению толщины интерметаллической прослойки не приводит, что связано, по всей видимости, с прекращением диффузионных процессов на границе раздела металла-основы и перфорированных элементов.

Зафиксированные опытным путем значения были сопоставлены со значениями, полученными в ходе теоретических расчетов зависимостей образо-

вания и роста интерметаллических прослоек от времени выдержки вследствие процессов диффузии и самодиффузии. Расчеты проводились по стандартным методикам, полученные результаты приведены в таблице 2.

7>

б)

Рисунок 5 - Микроструктура слоистого КМ с интерметаллической прослойкой различной толщины: а - Т1А13 - 1-3 мкм; б - "ПА13 - 95-100 мкм

/

/ 1/

/

—ь

8? Я} О? Я? ВД 160 ЯО 210 2Ъ0 280 ЮР

Врепя Шерхка ч

Рисунок 6 - Кинетика роста толщины прослойки в зависимости от температурно-временных показателей

Таблица 2 - Расчетные значения параметров кинетики роста интерметаллической фазы

Фаза Энергия зарождения Е„ Дж/моль Предэкспон. множитель ч Предэкспон. множитель ко, мм • ч-,/2 Энергия роста Ер, Дж/моль Коэффициент диффузии £>о, мм/ч"2

Г =630 °с Г=600°С

Т1А1з 195 295,0 2,76 • 10"и 2,32 • 102 122 406,0 19,2 • 10"6 10,7 • Ю-6

С использованием полученных результатов были рассчитаны значения толщины интерметаллической прослойки в зависимости от температурно-временных показателей (таблица 3).

Значения толщины интерметаллида, полученные в ходе теоретических расчетов для диффузионного отжига при температурах 600-630 °С и временем выдержки от 1 до 195 ч, довольно хорошо согласуются с полученными экспериментальными результатами.

Таблица 3 - Расчетные значения толщины интерметаллида Т1А13

Длительность термической обработки, ч Толщина интерметаллической фазы Т1А13, мкм

600 °С 630 °С

0,4 - 1,7

1,0 4,2 7,3

3,0 6,7 18,9

20,0 17,7 39,7

195,0 37,8 96,4

С целью оценки механических характеристик образовавшейся интерметаллической прослойки на полученных образцах проводили измерения микротвердости методом Виккерса. В результате измерений было установлено, что в зоне соединения в ходе термической обработки происходит образование лишь одной интерметаллической прослойки со стороны алюминия. Значение микротвердости при исследуемых температурно-временных показателях составляет 3500-3700 МПа (НУ). Значения микротвердости ВТ1-0 и АМг5М соответствуют значениям твердости в состоянии поставки.

Для изучения состава полученной в ходе термической обработки прослойки интерметаллида были проведены исследования методами качественного и количественного анализа. Оценку качественного состава интерметаллической прослойки проводили на образцах, прошедших термическую обработку на температуре 630 °С с временем выдержки 195 ч. Обобщенные результаты микрорентгеноспектрального анализа исследуемых образцов приведены в таблице 4.

Таблица 4 - Результаты микрорентгеноспектрального анализа

№ спектрального маркера Весовое содержание элемента, % Фаза

А1 Т1

1 89,7 0,6 -

2 89,5 0,6 -

3 87,5 1,4 -

4 79,2 1,6 -

5 70,2 15,0 Т1А1з

6 69,3 17,3 ТШ3

7 0,5 97,8 -

8 0,3 98,2 -

Из приведенных результатов видно, что в образцах титан-алюминий на всех режимах термической обработки происходит образование одной интерметаллической прослойки. При сопоставлении полученных весовых показателей с имеющимися литературными данными было установлено, что образовавшаяся интерметаллическая прослойка соответствует фазе ИА13.

Определение конечного комплекса механических характеристик слоистого композиционного материала с интерметаллическим упрочнением является основной задачей при анализе поведения материала в проектируемых изделиях. Геометрическая форма образцов, методика выборки и вырезки, а также методика проведения испытаний на одноосное растяжение, изгиб и ударный изгиб аналогичны размерам и методикам, описанным в 3-й главе. Механические свойства композиционных материалов приведены в таблице 5. Полученные результаты свидетельствуют о том, что прочность композиционного материала экспоненциально растет в зависимости от толщины интерметаллической прослойки. Максимальная величина прочности в 634,5 МПа соответствует максимальному значению толщины полученной прослойки интер-металлида в 100 мкм. Величина прочности КМ при этом увеличивается на 30 % по сравнению с прочностью исходного материала в состоянии поставки.

Таблица 5 - Свойства композиционных материалов после испытаний

Толщина прослойки, мкм Предел прочности <тв,.МПа Относительное удлинение 5, % Относительное сужение ¥,% Ударная вязкость кси, Дж/см2 Угол изгиба а,"

1-3 520,0 30,2 45,7 90,2 150

5-8 547,0 28,7 43,2 87,6 135

10-12 561,3 18,9 24,5 63,2 68

35-40 616,0 13,2 17,1 53,4 55

95-100 634,5 5,4 10,2 38,3 <50

Полученные результаты сравнивались с данными компьютерного моделирования, в результате чего был сделан вывод, что расхождение по показателю прочности на образцах КМ с различной формой перфораций в промежуточном упрочняющем слое составляет около 25 %. Результаты испытаний подтверждают выявленную зависимость прочностных свойств КМ от геометрической формы перфораций в упрочняющем слое. Расхождение полученных значений составило 20-35 МПа для КМ с цилиндрической формой перфораций от КМ с конической формой перфораций в упрочняющем слое.

Пятая глава посвящена изучению влияния технологических режимов процесса микродугового оксидирования на формирование структуры и теп-лофизических свойств композиционных материалов с оксидо-керамическим покрытием.

Окончательный комплекс свойств композиционные материалы приобретают на стадии МДО в процессе нанесения на них покрытий, представля-

ющих собой тонкие пленки на основе оксидов обрабатываемых материалов и комплексных соединений, входящих в состав электролитов.

Основным требованием, предъявляемым к композиционным материалам с покрытиями, работающим при повышенных температурах, является то, что данные покрытия должны обеспечивать наименьшую величину коэффициента теплопроводности X.

Испытываемые образцы обрабатывали в щавелевокислом, сульфатном и силикатно-щелочном электролите на различных технологических режимах. Проведено исследование характера влияния толщины, пористости и фазового состава оксидного слоя на величину коэффициента теплопроводности. Выявленные зависимости коэффициента теплопроводности оксидо-керамических покрытий от их толщины и состава электролита представлены в виде графиков на рисунке 7.

Толщина покрытия, мкм Рисунок 7 - Зависимость коэффициента теплопроводности оксидо-керамических покрытий от их толщины: 1 - щавелевокислый электролит;

2 — сульфатный электролит; 3 - силикатно-щелочной электролит

Таким образом, выявлено, что минимальной теплопроводностью обладают оксидо-керамические покрытия, сформированные в сульфатном электролите (А, ~ 0,3-0,4 Вт/(м • К) (микроструктура покрытия показана на рисунке 8,6) при толщине покрытия 80-82 мкм.

Дальнейшие исследования заключались в изучении теплопроводности слоистых композиционных материалов системы «титан - алюминий» с сформированным на поверхности оксидо-керамическим покрытием в сульфатном электролите. Исследование теплофизических свойств проводилось при температурах до 600 °С. При нагреве образцов до температуры выше 610 °С происходило отслоение керамического покрытия от основы, что объясняется существенной разностью их коэффициентов термического расширения. Характер изменения средних значений коэффициента теплопроводности композиционных материалов в зависимости от наличия покрытия и вида технологической обработки представлен на рисунке 9.

а) хЗО б) хзо в) хзо

Рисунок 8 - Микроструктура оксидо-керамических покрытий, нанесенных на композиционный материал с сформированным комплексом механических свойств: а - щавелевокислый электролит; б - сульфатный электролит; в - силикатно-щелочной электролит

Вид материала

Рисунок 9 - Зависимости средних значений коэффициента теплопроводности композиционного материала от вида материала и наличия оксидо-керамического покрытия: 1 - материал ВТ1-0;

2 - слоистый КМ без покрытия; 3 - слоистый КМ с покрытием с одной стороны

Показано, что для слоистого КМ с промежуточной упрочняющей интерметаллической перфорированной прослойкой и оксидо-керамическим покрытием коэффициент теплопроводности к снизился на 28-30 % по сравнению с X материала основы (основа ВТ1-0, X ~ 18-19 Вт/(м • К)) и составил в среднем X ~ 13,82 Вт/(м • К). Снижение коэффициента теплопроводности композита в целом связано с тем, что оксидные покрытия обладают низкими значениями коэффициента теплопроводности при толщине 80-82 мкм.

Также в пятой главе проведена оценка технико-экономических показателей при использовании высокопрочного композиционного материала титан-алюминий и рассмотрены основные области для применения материала, полученного по предлагаемой технологии.

В приложении приведены акты о внедрении результатов в исследовательскую и образовательную деятельность, а также акты внедрения ООО «НПЦ "Титан"» по НИР «Высокопрочные композиты специального назначения».

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Рассмотрены основные химические соединения и структуры, которые могут быть образованы в композиционном материале титан-алюминий в зависимости от параметров термообработки. Описаны основные способы получения исходных листов-полуфабрикатов и обоснован выбор технологии сварки взрывом как наиболее рационального способа получения композиционного материала. Обоснован выбор создания оксидо-керамических покрытий методом микродугового оксидирования для улучшения теплофизических свойств композиционного материала в целом.

2. Разработана новая схема получения композиционного материала титан-алюминий с использованием ударно-волнового нагружения. Особенностью данной схемы является использование в качестве промежуточного слоя пластины с выполненными в ней разнонаправленными перфорациями конусообразной формы, расположенными в шахматном порядке, что позволяет получить композиционный материал с качественной зоной сварного шва для последующего синтеза интерметаллических слоев.

3. Результатами компьютерного моделирования в программном модуле Ссы/ясмГГогАз показано, что величина предела прочности для композиционного материала с перфорированным упрочняющим слоем с цилиндрическими отверстиями толщиной 100 мкм составила 583,3 МПа, а для композиционного материала с перфорированным упрочняющим слоем с коническими отверстиями - 612,3, что в среднем на 31 % выше, чем предел прочности мопометалла ВТ 1-0 аналогичной толщины.

4. Исследованы механические и технологические свойства, микроструктура, изменение микротвердости и состав полученного в ходе ударно-волнового нагружения композиционного материала. На основании данных исследований определены рациональные параметры сварки, обеспечивающие качественный сварной шов и отсутствие зон непровара и зон расплавлений: скорость точки контакта - 2063-2426 м/с, скорость соударения - 412^177 м/с.

5. Установлена взаимосвязь между режимом термообработки и образованием интерметаллического соединения в зоне контакта металла-основы перфорирующих элементов. Показано, что в зоне контакта титана с алюминием происходит образование одной видимой прослойки фазы. Рост толщины прослойки экспоненциально зависит от увеличения температуры и времени выдержки, при этом полученная прослойка обладает твердостью, равной 3700 МПа (НУ).

6. Микрорентгепоспектральным анализом и последующим пересчетом весовых показателей в атомные установлено, что в ходе термообработки композиционного материала в зоне контакта происходит образование гомогенной прослойки, соответствующей по химическому составу интерметаллиду Т!А1з

7. Теоретически рассчитаны и экспериментально подтверждены темпе-ратурно-временные параметры термообработки, при которых происходит образование интерметаллической фазы (температура нагрева - 600 °С, время

выдержки - 0,5 ч; температура нагрева - 630 °С, время выдержки - 0,4 ч). Расхождение теоретических и экспериментальных данных не превышает 15 %. Исследование кинетики образования интерметаллических соединений в зоне контакта металла-основы и упрочняющих интерметаллических элементов показало, что скорость диффузионных процессов стремится к нулю при толщине прослойки более 100 мкм.

8. Установлено, что максимальным значением предела прочности (634,5 МПа) обладает композиционный материал с сформированной интерметаллической прослойкой толщиной 100 мкм, полученной на режиме № 23 (температура отжига - 630 °С, время выдержки - 195 ч). Дальнейшее повышение предела прочности не происходит по причине прекращения диффузионных процессов. Сходимость данных компьютерного моделирования и экспериментов по прочностным показателям материала удовлетворительная (расхождение не превышает 20 %). Подтверждено предположение об отсутствии влияния направления вырезки образцов на их прочностные свойства.

9. Исследованы теплофизические свойства оксидо-керамических покрытий, полученных методом микродугового оксидирования на слоистых композиционных материалах с интерметаллическим перфорированным упрочняющим слоем. Выявлено, что минимальным коэффициентом теплопроводности обладает композиционный материал с оксидо-керамическим покрытием, сформированным в сульфатном электролите (Я. ~ 0,3-0,4 Вт/(м • К)) с толщиной покрытия 80-82 мкм. Коэффициент теплопроводности композиционного материала в целом снизился на 30 % по сравнению с коэффициентом теплопроводности материала основы и составил в среднем 13,82 Вт/(м • К)

10. Даны рекомендации по эффективным технологическим режимам при создании композиционного материала и области его применения. Установлено, что полученный в ходе выполнения диссертационной работы высокопрочный композиционный материал может быть использован в качестве исходного материала для изготовления опытной парии воздухозаборников для сверхзвуковых самолетов СУ-27. Экономический эффект от замены традиционного материала пары воздухозаборников составит 186 180 руб. Планируемый экономический эффект при замене 50 единиц подобных воздухозаборников составит 9 309 000 руб.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ

1. Гуськов, М. С. Разработка схемы армирования и исследование свойств композиционного материала системы Ti-Al с применением программного модуля Cosmos Works / М. С. Гуськов // Современные проблемы науки и образования. - 2014. - № 3. - URL: http://www.science-education.ru/117-13782

2. Гуськов, М. С. Исследование влияния конфигурации упрочняющих элементов на прочностные свойства моделей композиционных материалов системы титан-алюминий / Д. Б. Крюков, Л. В. Прыщак, М. С. Гуськов // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. -2014.-№4(32).-С. 112-119.

Публикации в других изданиях

3. Гуськов, М. С. Перспективы применения технологии сварки материалов взрывом для получения композиционного материала алюминий-титан с последующим созданием на его основе интерметаллида Ti3Al / Д. Б. Крюков, И. А. Казанцев, М. С. Гуськов [и др.] // Инновационные технологии в машиностроительном комплексе : сб. трудов I Междунар. науч,-практ. конф. (Пенза, 15-16 декабря 2011 г.). - Пенза : Изд-во ПГУ, 2011. - С. 5053.

4. Гуськов, М. С. Технологические особенности создания композиционных материалов на основе алюминида титана с применением сварки взрывом и исследование их структуры и свойств / М. С. Гуськов // Будущее машиностроения России: специальное машиностроение : сб. трудов V Всерос. конф. молодых ученых и специалистов (Москва, 26-29 сентября 2012 г.). -М. : МГТУ им. Баумана, 2012. - С. 303-304.

5. Гуськов, М. С. Аспекты применения сварки взрывом для создания композиционных материалов повышенной прочности и жаростойкости на основе интсрметалличсской структуры Ti3Al / Д. Б. Крюков, М. С. Гуськов // Материалы X Всерос. с междунар. участием школы-ссминара по структурной макрокинетики для молодых ученых (Черноголовка, 21-23 ноября 2012 г.) / ООО «Территория» ; науч. ред. А. М. Столиц. - Черноголовка, 2012. - С. 17-20.

6. Гуськов, М. С. Перспективный композиционный материал на основе Ti3Al для отрасли авиа- и судостроения / Д. Б. Крюков, М. С. Гуськов // Сварка и родственные технологии : материалы VII науч.-техн. конф. молодых ученых и специалистов (Киев, 22-24 мая 2013 г.) / ИЭС им. Е. О. Патона. - Киев, 2013.-С. 157.

7. Gus'kov, М. S. Heat-resistant composite materials by explosive welding and micro-arc oxidation / D. B. Kryukov, M. S. Gus'kov, A. V. Khorin [et al.] // XII International symposium on explosive production of new materials: science, technology, business, and innovations (Cracow, 25-30 May 2014) / Nokturn ; ed. by A. A. Deribas and Yu. B. Scheck. - Cracow, 2014. - P. 114-115.

8. Гуськов, M. С. Использование программного продукта SolidWorks для получения механических характеристик упрочненных композиционных материалов системы титан-алюминий / Д. Б. Крюков, М. С. Гуськов // Новые перспективные материалы и технологии их получения : сб. науч. тр. VI Междунар. конф. (Волгоград, 16-18 сентября 2014 г.). - Волгоград : Изд-во ВолгГТУ, 2014.-С. 119-120.

9. Гуськов, М. С. Модель армирования нового композиционного материала системы титан-алюминий средствами программы БоИЛУогкз / М. С. Гуськов, Д. Б. Крюков, Л. О. Кривенков [и др.] // Университетское образование (МКУО-2015) : сб. ст. XIX Междунар. науч.-метод. конф., посвящ. 70-летию Победы в Великой Отечественной войне (Пенза, 9-10 апреля 2015 г.) : в 2 т. / под ред. А. Д. Гулякова, Р. М. Печерской. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2015.-Т. 2.-С. 131-132.

Патент на изобретение

10. Пат. 2522505 Российская Федерация, МПК В32В 7/04 В32В 15/01В23К20/08. Способ получения композиционного материала / Розен А. Е., Крюков Д. Б., Гуськов М. С. [и др.] ; заявитель и патентообладатель ООО Инженерно-Технологический Центр «Сварка». - № 2013119389/02 ; заявл. 26.04.2013; опубл. 20.07.14, Бюл. № 20. - 8 с.

Научное издание

ГУСЬКОВ Максим Сергеевич

СОЗДАНИЕ ВЫСОКОПРОЧНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА ТИТАН-АЛЮМИНИЙ С ПЕРФОРИРОВАННЫМ ИНТЕРМЕТАЛЛИЧЕСКИМ СЛОЕМ И ОКСИДО-КЕРАМИЧЕСКИМ ПОКРЫТИЕМ

Специальность 05.16.09 - Материаловедение (машиностроение)

Редактор М. М. Шаркова Технический редактор А. Г. Темникова Компьютерная верстка А. Г. Темниковой

Распоряжение № 12/68-2015 от 07.08.2015.

Подписано в печать 07.08.2015. Формат 60х84'/|6. Усл. печ. л. 1,16. Заказ №653. Тираж 100.

Пенза, Красная, 40, Издательство ПГУ Тел./факс: (8412) 56-47-33; e-mail: iic@pnzgu.ru