CC BY
52
Исследование структуры и свойств композиционного материала системы алюминийтитан
Куркин С. Э.1, Холин М. С.2
1 Куркин Сергей Эдуардович / Kurkin Sergey Eduardovich - студент;
2Холин Максим Сергеевич / Kholin Maksim Sergeevich - студент, кафедра «Материаловедение»,
Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана, г. Москва
Аннотация: в статье рассмотрена концепция изготовления листового слоистого материала из чередующихся слоев технического титана ВТ 1-0 и технического алюминия АД1, упрочненного интерметаллидами системы Ti—А1, с использованием вакуумной прокатки и вакуумного отжига. Показана возможность получения слоистого композиционного материала с разной комбинацией свойств путем изменения соотношения толщин слоев технического титана и алюминия, условий горячей прокатки пакета, его раскатки в лист и последующего вакуумного отжига.
Ключевые слова: композит, интерметаллид, пластическая деформация.
Данная работа посвящена технологии получения листового материала из системы Ti-Al, заключающаяся в том, что вначале получают слоистый материал, составленный из чередующихся слоев титана и алюминия, путем сварки в твердой фазе при их совместной деформации при прокатке, а затем полученный слоистый материал подвергают термообработке с образованием необходимого количества интерметаллидов в объеме заготовки.
Одной из особенностей предлагаемого способа является то, что при достижении физического контакта между титаном и алюминием начинают образовываться интерметаллиды, резко снижающие технологическую деформируемость материала. Поэтому процесс был построен таким образом, чтобы при получении слоистого материала не допустить образования хрупких химических соединений Ti-А! Как отмечается в работе [2], в нанопленках Ti-Al реакция взаимодействия начинается при температуре на 300400 °К ниже температуры плавления алюминия 933 °К. Отмечено, что температура инициирования реакции зависит от толщины пленки. В данном случае толщина пленки составила 3,8-125 нм. В работе [1] показано, что нагрев сваренной взрывом 3-х слойной заготовки композиции АМг6-АД1-ОТ4 в интервале 150-550 °С с выдержкой 1-2 часа не приводит к появлению интерметаллидных прослоек на границе Ti-Al, а их зарождение начинается при температуре свыше 550 °С. Установлено, что с увеличением обжатия толщина переходной зоны увеличивается. Латентный период зависит от степени обжатия и температуры.
При получении слоистого композита исходными материалами были выбраны технически чистый титан марки ВТ1 -0 и алюминиевый сплав АД1.
Из титановых карточек размером 0,1х50х100 мм и алюминиевых пластин размером 0,02x50x100 мм собирали пакеты с различными толщинами и соотношениями слоев. Для предотвращения окисления слоев, поглощения титаном газов при активном его взаимодействии с атмосферой и обеспечения условий для прочного соединения слоев, твердофазную диффузионную сварку прокаткой вели в вакууме (при 0,01 Па) при температурах 450-520 °С. Такой температурный режим исключал образование хрупких
интерметаллидов. Установлено, что при 470 °С интерметаллиды практически не образуются (их содержание не превышало 0,5 %).
Нагретый до требуемой температуры собранный пакет вначале обжимали на вакуумном двухвалковом прокатном стане, а затем уже сваренные пакеты раскатывали на воздухе на двухвалковом стане и четырехвалковом стане при температуре 450 °С.
При составлении пакета исходили из необходимости получения требуемого стехиометрического состава для преимущественного образования интерметаллида y-TiAl. В результате были выбраны пакеты с толщиной слоев титан/алюминий 100/20, 100/40, 100/60 и 100/200 мкм. Для предотвращения взаимного смещения слоев передний конец пакета фиксировался с помощью стальных заклепок, а для устранения сдвига слоев валками в направлении прокатки при подаче пакета, а также для получения более равномерной его деформации применяли стальные обкладки толщиной 1 мм.
Установлено, что при прокатке пакета на первом проходе при диффузионной сварке оптимальной является степень деформации 25-40 %, а при последующей раскатке сваренных слоев 8-10 % за проход. При пакетной прокатке наблюдается значительная неравномерность деформации титанового и алюминиевого слоев, причем в большей степени деформируются слои алюминия. Несмотря на предварительно проведенный смягчающий отжиг, в менее пластичных титановых слоях образуются местные сужения, что, в конечном итоге, приводит к нарушению сплошности этих слоев, поскольку при одинаковых степенях деформации титан уже начинает разрушаться, а алюминий еще сохраняет целостность. При прокатке пакета до толщины 0,4 мм в большей степени деформируются приповерхностные слои, как видно на рисунке 1.
Рис. 1. Структура слоистого материала системы Al-Ti после прокатки с обжатием 96 %
Степень деформации в этих слоях не превышала в среднем 50—60 %, в то время как в центральных слоях она составляла в среднем 35—45 %. Таким образом, изменяя толщину исходного пакета, можно получить слоистый материал с различными служебными характеристиками, что расширяет области применения получаемого слоистого материала.
Для образования интерметаллидов полученный слоистый композиционный материал подвергался нагреву до 510, 590 и 1000 оС. В результате экзотермической реакции на границе раздела «титан-алюминий» образовывались интерметаллические фазы.
Рентгеноструктурный анализ слоистого материала показал, что после деформации все же образуется в совокупности до 4-6 % интерметаллидов Ti3Al, TiAl и Ti2Al. Это связано, очевидно, с локальным разогревом материала свыше 500 оС при деформации [3]. Указанные интерметаллиды присутствуют в материале после любой термообработки. Следует заметить, что при изменении соотношения слоев Ti/Al равное 1:2, было образовано подавляющее количество интерметаллида TiAl2 (до 90 %).
Ввиду того, что материал был слоистым, распределение выше перечисленных интерметаллидов в объеме заготовки после термообработки было практически равномерным и изменялось в зависимости от температурных и временных условий в пределах от 16 до 97 %. Толщина диффузионной зоны составляла 20-30 нм. Таким образом, процесс образования интерметаллидов в слоистом материале является управляемым, и в зависимости от требуемых свойств можно создать необходимую объемную долю интерметаллидов, которая и обуславливает механические и функциональные характеристики материала.
Выводы
1 Анализ физико-химических процессов, протекающих на границе титана и алюминия, позволил разработать концепцию технологии получения слоистого материала, заключающаяся вначале в создании слоистого материала из исходных металлов Ti и А! путем сварки в твердой фазе в вакууме без образования интерметаллидов, которые снижают технологическую деформируемость материала, а затем при термообработке создать количество упрочняющих интерметаллидных фаз.
2. Разработаны температурно-деформационные режимы прокатки в безокислительных условиях пакетов, состоящих из чередующихся фольг толщиной 0,1 мм по 30 шт. каждого металла. Предложены технологические приемы, которые способствовали получению слоистого материала системы Ti-Al с хорошей прочностью соединения слоев.
Предложенный технологический подход открывает широкие перспективы для получения листового слоистого материала системы Ti-Al, упрочненного интерметаллидными фазами.
Литература
1. АркулисГ. Э. Совместная пластическая деформация разных металлов. - М.: Металлургия, 1964. - 305 с.
2. Трыков Ю. П., Гуревич Л. М., Шморгунов В. Г. Слоистые композиты на основе алюминия и его сплавов. М.: ЗАО «Металлургиздат», 2004. 254 с.
3. Nishiyama Y., Miyashita Т., Isobe S. and Noda T. // Proc. Joint ASM/TMS. Symp. On «High temperature aluminides and intermetallics (ed.S. H. Whang et al), Warrendale, PA, TMS, 1990. P. 557.
