Full Text

Введение В последние годы большой интерес представляют разработки в области получения титано-алюминиевых слоистых композиционных материалов (СКМ), в том числе и с пористым алюминиевым слоем [1-4]. Слоистые композиционные материалы титан-алюминий используются в различных отраслях машиностроения в качестве переходных элементов для сварки конструкций из титана и алюминия [5]. Композиционные материалы титан-пеноалюминий могут успешно применяться для изготовления различных поглотителей механической, звуковой, электромагнитной энергии в автомобильной, железнодорожной, аэрокосмической технике, кораблестроении, а также при создании военной техники и амуниции, в строительстве и приборостроении [3, 6-9]. Одним из наиболее универсальных и простых способов формирования слоистых композиционных материалов титан-алюминий и титан-пеноалюминий является жидкофазный [4, 10]. При жидкофазных способах формирования СКМ расплавленный алюминий или алюминиевый сплав взаимодействует с титаном, в результате чего происходит алитирование последнего, сопровождающееся диффузионным насыщением поверхности алюминием и образованием в результате реакционной диффузии переходного слоя интерметаллидов [10, 11]. Для обеспечения адгезионной связи титана и алюминия титан зачастую предварительно покрывают алюминием. Толщина переходных слоев и их химический состав зависят от температуры жидкофазного процесса, времени контакта титана и алюминиевого расплава и химического состава слоев композиционного материала [10]. Наличие интерметаллидных слоев на поверхности титана, напряженное состояние этих слоев и их свойства определяют механические и эксплуатационные свойства титана и всего композиционного материала [11-13]. Целью работы является исследование процессов взаимодействия титана с жидким алюминием и влияния этих процессов на его свойства в условиях жидкофазного формирования композиционных материалов. Методика проведения исследований Алитирование плоских образцов размером 210×20 мм, толщиной 2 мм из титана марки ВТ1-0 по ГОСТ 22178-76 проводилось в расплаве алюминия марки А7 ГОСТ 11069-01. Температуры алитирования выбирались исходя из условий изготовления композиционного материала титан-алюминий и титан-пеноалюминий, она составляла 750, 850 и 950 °С. Время нахождения титановых заготовок в алюминиевом расплаве составляло 3, 30 и 60 с. Варьирование временными параметрами позволило оценить динамику роста слоя интерметаллида на поверхности титана. Испытание на статическое растяжение проводилось на образцах типа II по ГОСТ 11701-84 «Металлы. Методы испытаний на растяжение тонких листов и лент». Испытание образцов проводили на универсальной разрывной машине WAW 1000. Микрорентгеноспектральный анализ алюминиевого и переходного слоев проводился на комплексе сканирующего электронного микроскопа LEO 1455 VP (ZEISS) с блоками рентгеновского энергетического спектрометра INCA Energy-300 и рентгеновского волнового спектрометра INCA Wave-500, а также на комплексе, состоящем из автоэмиссионного растрового микроскопа сверхвысокого разрешения Zeiss SUPRA 55VP в комплекте с энергодисперсионным спектрометром Inca Energy 350, волновым спектрометром Inca Wave 500 и системой регистрации и анализа дифракции отраженных электронов HKL EBSD Premium System. Образцы для исследований представляли собой шлифованные поверхности поперечного сечения биметалла. Результаты исследований и их обсуждение Проведенные исследования показали, что при жидкофазном взаимодействии алюминия с титаном при указанных температурах на поверхности титана формируется алюминиевый слой, а между алюминием и титаном переходный интерметаллидный слой, наличие которого также установлено в работах [1, 14]. Толщина переходного слоя зависит от температуры и времени выдержки титановых образцов в алюминиевом расплаве и составляет не более 6 мкм (рис. 1). Рис. 1. Структура и химический состав биметалла титан-алюминий при температуре формирования алюминиевого слоя 950 °С и времени выдержки 3 с При выдержке в течение 3 с на поверхности титана формируется переходный слой толщиной: не более 0,5 мкм при температуре алюминиевого расплава 750 °С, не более 0,8 мкм при 850 °С и не более 2 мкм при 950 °С. При увеличении времени выдержки до 30-60 с толщина слоя увеличивается в 2-4 раза (рис. 2). Рис. 2. Зависимость толщины интерметаллидного слоя от времени выдержки титана в алюминиевом расплаве при температуре расплава: 1 - 750 °С; 2 - 850 °С; 3 - 950 °С На основе полученных экспериментальных данных была определена закономерность роста переходного слоя. Закон роста интерметаллидного слоя имеет параболический характер [15]: x2 = Kt, где x - толщина слоя; K - коэффициент, пропорциональный коэффициенту диффузии; t - время нагрева. Исходя из уравнения Аррениуса, Величины энергии активации Q и K0 определяются по зависимости lnk = f(1/Т), построенной по экспериментальным данным (рис. 3). Рис. 3. Зависимость lnk = f(1/T) при алитировании при значениях температуры 750-950 °С Исходя из этого, закон роста интерметаллидного слоя на поверхности титана при значениях температуры алитирования 750-950 °С можно записать следующим образом: Микрорентгеноспектральный анализ показал, что переходный слой на границе титана и алюминия содержит 63-65 % алюминия (таблица), что соответствует, исходя из диаграммы состояния, области существования фазы TiAl3 [16, 17]. В работах [1, 14] указывается на наибольшую термодинамическую вероятность образования интерметаллида TiAl3 при взаимодействии твердого титана с алюминием при значениях температуры выше температуры плавления алюминия. В процессе жидкофазного взаимодействия алюминия и титана при формировании биметаллов вследствие растворения титана алюминиевый слой насыщается титаном (см. рис. 1, таблицу). Содержание титана в алюминиевом слое изменяется в зависимости от температуры и времени выдержки в расплаве от 0,2 до 2 %, что соответствует предельной растворимости титана в жидком алюминии в исследуемом диапазоне температур [14]. Увеличение температуры и времени выдержки приводит к увеличению содержания титана в алюминиевом слое биметалла. Толщина алюминиевого слоя, формируемого на поверхности титана, также зависит от температуры процесса и времени выдержки (рис. 4). При значениях температуры 750 и 850 °С с увеличением времени выдержки толщина алюминиевого слоя увеличивается. При температуре алюминиевого расплава 950 °С с увеличением времени нахождения образца в алюминиевой ванне толщина слоя уменьшается, что, вероятно, связано со значительным снижением вязкости алюминиевого расплава при увеличении перегрева [18, 19]. Химический состав участков биметалла Название спектра O Al Ti Сумма Спектр 14 33,30 66,43 0,27 100,00 Спектр 15 99,60 0,40 100,00 Спектр 16 99,74 0,26 100,00 Спектр 17 99,60 0,40 100,00 Спектр 18 64.19 34,81 100,00 Спектр 19 0,19 99,70 100,00 Спектр 20 65,26 34,74 100,00 Спектр 21 68,48 30,48 100,00 Спектр 22 63,81 36,19 100,00 Титан, в свою очередь, вследствие диффузии алюминия через переходный слой насыщается алюминием (см. рис. 1, таблицу). Содержание алюминия в титане на расстоянии 5-10 мкм от границы переходного слоя в зависимости от температуры и времени процесса изменяется в пределах 0,2-1 % (см. рис. 1, таблицу). Рис. 4. Зависимость толщины алюминиевого слоя от времени алитирования при температуре расплава: 1 - 750 °С; 2 - 850 °С; 3 - 950 °С Испытания на статическое растяжение титановых образцов показали, что при повышении температуры алитирования временное сопротивление биметалла снижается (рис. 5), что, вероятно, связано с увеличением толщины алитированного слоя. Рис. 5. Зависимость прочности биметалла от температуры алитирования Выводы 1. При жидкофазном алитировании на границе титана и алюминия формируется переходный интерметаллидный слой на основе фазы TiAl3. Толщина алюминиевого и переходного слоев определяется температурой алитирования и временем выдержки титана в расплаве. 2. Повышение температуры алюминиевого расплава при жидкофазном алитировании титана снижает предел прочности при растяжении биметаллических образцов.

About the authors

A. I Kovtunov

Togliatti State University

Yu. Yu Khokhlov

Togliatti State University

S. V Myamin

Togliatti State University

References

Statistics

Views

Abstract - 76

PDF (Russian) - 38

Refbacks

• There are currently no refbacks.