Изменение структуры многослойного Ti/Ni-композита в зависимости от температуры диффузионной сварки при твердофазном получении TiNi Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

УДК 669.295.539

DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-1062-1065

ИЗМЕНЕНИЕ СТРУКТУРЫ МНОГОСЛОЙНОГО ТС/№-КОМПОЗИТА В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ ДИФФУЗИОННОЙ СВАРКИ ПРИ ТВЕРДОФАЗНОМ ПОЛУЧЕНИИ

© В.П. Коржов

Институт физики твердого тела РАН, г. Черноголовка, Российская Федерация, e-mail: [email protected]

Исследовано изменение структуры многослойного Ni/Ti-композита в зависимости от температуры его твердофазного спекания в процессе диффузионной сварки под давлением с целью получения никелида титана с эффектом памяти формы. Исходной заготовкой служил пакет, собранный из чередующихся Ni - и Ti-фольг толщиной 50 мкм.

Ключевые слова: никелид титана; эффект памяти формы; композит; многослойная структура; взаимная диффузия.

Сплавы Тк№ уже более полувека привлекают к себе внимание материаловедов своей многофункциональностью. Они наделены такими свойствами, как высокая коррозионная стойкость, высокая прочность, биологическая совместимость, высокая демпфирующая способность и, конечно же, формозапоминание - эффект памяти формы. Никелид титана имеет высокий коэффициент восстановления формы и высокую восстанавливающую силу. Деформация <8 % может полностью восстанавливаться, напряжение восстановления при этом может достигать ~800 МПа.

В настоящее время, наряду с традиционными способами получения - от термической и термомеханической обработок до сварки взрывом - стали применяться методы интенсивной пластической деформации. В связи с этим было обнаружено еще одно положительное качество сплавов Ть№. Если у большинства материалов с субмикро- и нанокристаллической структурами после обработки интенсивной пластической деформацией высокие предел текучести и прочность сочетались с пониженной пластичностью при комнатной температуре, то метастабильные сплавы Ть№, напротив, обретали необычно высокую деформационную способность [1].

Согласно диаграмме состояний системы Ть№ [2] его температура плавления равна 1310 °С. Исходная структура - стабильная ОЦК-решетка типа CsCl - при деформации претерпевает термоупругое мартенситное превращение в фазу с более низкой симметрией.

Никелид титана - интерметаллическое соединение Т№ эквиатомного состава с 55 мас.% № - стал лидером среди материалов с памятью формы по применению и по изученности [3]. При современном уровне промышленного производства его изделия находят широкое практическое использование и сбыт.

Однако интерес к сплавам Ть№ не ослабевает. Во многом это объясняется тем, что появляются новые способы получения и обработки металлов и сплавов, разработчики которых стараются опробовать их на уже

хорошо зарекомендовавших себя и перспективных материалах. К таким методам относится многоразовая прокатка многослойных пакетов в сочетании с термообработкой [4]. Последовательность операций была следующей. Сначала из тонких Ть и №-фольг с соотношении кТ/к№ « 1,6 (кТ и к№ - толщины титана и никеля соответственно) собирали многослойный пакет, подвергали его кратковременной диффузионной сварке под давлением и для окончательного «схватывания» прокатывали на вакуумном прокатном стане с обжатием 20 % за один проход и предварительным нагревом до 950 °С, потом - при комнатной температуре до толщины 0,2 мм и затем отжигали для твердофазного образования Т1№-сплава нужного состава.

В настоящей работе предлагается упрощенная схема приготовления исследуемых образцов, оставив только диффузионную сварку под давлением. Толщина изделия (от ~1 мм и больше) может задаваться количеством Ть и №-фольг. Такая схема продиктована плохой технологичностью ТМ-соединения эквиатомного состава, являющейся следствием его высокой прочности и затрудняет обработку заготовок, особенно резанием. А плоскую заготовку можно сделать уже готовым изделием или изделием, почти не требующим обработки.

Толщина фольг, набираемых в пакет, равнялась 50 мкм. Отношение кТ/к№ = 1,0. Толщина пакетов в исходном состоянии ~1 мм. Их характеристика и режимы диффузионной сварки (ДС) под давлением сведены в табл. 1. Габариты пакетов ~35х40 мм.

Перед сборкой пакетов поверхности фольг подвергались УЗ-очистке в спирте. ДС проводилась в вакууме с использованием переоборудованной установки УДС-10 с максимальным усилием 10 Т и температурой до 1700 °С.

Микроструктура исследовалась с помощью растровой электронной микроскопии, сопровождающейся рентгеноспектральным анализом (РСА). На рис. 1 показана структура поперечного сечения №/Тьпакета после сварки при 700 °С.

Таблица 1

Характеристика и режимы ДС №Ш-пакетов

структура не изменилась. Слой (Т1) - твердого раствора N1 в Т - уменьшился до ~20 мкм, а (№)-слой - до 27 мкм. Средняя толщина ДЗ выросла до 23 мкм.

Маркировка Сборка пакетов Режимы ДС

15ШТ17 11 N1- и 10 Тьфольг 700 °С; 3 ч; 17,5 МПа

15ШТ18 То же 800 °С; 3 ч; 17,5 МПа

15ШТ19 То же 900 °С; 3 ч; 17,5 МПа

16№Я1 То же 1000 °С; 3 ч; 11,35 МПа

16МЯ111 10 N1- и 9 Тьфольг 1150 °С; 2 ч б/н; 1 ч при 11 МПа

■

200 мкм

а)

,, З^Ю.....

<N1,)

_100 мкм

б)

Рис. 1. Структура пакета 15№/Т17 после ДС при 700 °С

Температура 700 °С для этой системы оказалась слишком малой, чтобы образовалось ощутимое количество продуктов реакции между титаном и никелем. Однако на протяжении всех межслойных границ можно было обнаружить дискретные образования соединений Т1№3 в объеме никеля и Т12№ в объеме титана (рис. 1б). Пространства (N1) и (Т1) вблизи границ обогащены, соответственно, титаном до 1,2-1,7 и никелем до 0,3-0,8 ат.%. Середины N1- и Тьслоев еще не были затронуты взаимной диффузией.

Заметно меняется картина взаимодействия слоев после сварки при 800 °С. На левом снимке (рис. 2а) видно, что распространение и рост диффузионной зоны происходит в большей степени за счет уменьшения толщины Тьслоя. За 3 ч его толщина (темные слои) уменьшилась до ~39 мкм, а №-слои уменьшились до ~44 мкм. Таким образом, на две диффузионные зоны остается около 17 мкм.

Это хорошо совпадает с толщиной диффузионной зоны (ДЗ), состоящей, по данным локального РСА, из трех промежуточных фаз (рис. 2б) - интерметаллидов Т12№, Т!№ и Т!№3. Измеренные толщины их слоев равны 1,0-1,3; 3,5-5,0 и 1,5-3,5 мкм соответственно. Средняя толщина ДЗ составляет 7,9 мкм.

После ДС при 900 °С (рис. 3, табл. 2) толщина ДЗ в структуре пакета существенно увеличилась, но фазовая

100 мкм

б)

Рис. 2. Структура пакета 15М/Т18 после ДС при 800 °С

Рис. 3. Структура пакета 15М/Т19 после ДС при 900 °С

Таблица 2

Толщина слоев структурных составляющих в пакетах 15№/Л9 и 16№Ш

Маркировка Структурная составляющая Толщина, мкм

15№Я19 (Т1) - тв. р-р N1 в Т1 (N1) - тв. р-р Т1 в N1 Т12№ Т1№ Т1№3 18,5-21,0; -20,0 26.0-28,5; -27,0 3,7-6,2; -5,0 11.1-13,6; -12,4 4,9-6,2; -5,6

16ШТ1 (N1) - тв. р-р Т1 в N1 Т12№ Т1№ Т1№3 5,7-9,5; -7,6 1,9-7,6; -4,0 -32,5 5,7-9,5; -7,6

1QO мкм

a)

Ti2Ni T¡N¡3 Ti2Ni

TiNi i» TiNi

т (Ni) » & Iii

-

О 20 40 во SO Расстояние, мкм

б)

Рис. 4. Структура пакета 15Ni/Ti9 (а) и концентрационные профили титана и никеля по данным локального РСА (б) после ДС при 900 °С

На рис. 4 показаны микроструктура и концентрационные зависимости Т и № в диффузионной зоне пакета, прошедшего сварку при 1000 °С. В сущности в диффузионном взаимодействии участвовал весь объем пакета. Слой титана полностью израсходовался. От него осталось небольшое количество интерметаллического соединения Т12№ в виде прослойки толщиной ~4 мкм (табл. 2). До средней толщины 7,6 мкм уменьшился слой (Т1). Слой никелида титана вырос до толщины 32,5 мкм.

Так как Т1№, согласно диаграмме состояния Ть№ [2], имеет достаточно протяженную область существования, то толщина его слоя с увеличением температуры ДС от 800 до 1000 °С возрастала от 3,5-5,0 до 32,5 мкм, а толщина слоя Т1№3 оставалась на уровне нескольких микрон при любом режиме ДС. С большой уверенностью можно ожидать, что, если оставаться на температуре 1000 °С, то при большей, чем 3 ч, выдержке прослойка из Т12№ полностью израсходуется, а два TiNi-слоя сольются вместе. Кроме того, можно предполагать, что за счет титана из прослоек Т12№ количество (№)-фазы еще больше уменьшится или ее слой полностью тоже израсходуется. Тогда в структуре останутся TiNi и тонкие слои интерметаллического соединения TiNiз.

Полезно было испытать диффузионную пару Ть№ в случае, когда диффузионный путь между ними проходит через зону расплава. Поэтому следующая ДС предпринималась при 1150 °С. Чтобы предотвратить возможное выдавливание жидкой фракции, медленный нагрев и первые 2 ч выдержки проводились без приложения нагрузки на пакет (табл. 1). Давление 11 МПа прикладывалось только в течение последнего часа сварки. Структура представлена на рис. 5.

Середина пакета состояла из чередующихся полос Т1№3 + Т№ (в первоначальном состоянии - это Тьслой) и Т1№3 (№-слой), разделенных диффузными границами. Наружные слои - практически чистый №.

200 мкм

Рис. 5. Структура пакета 16Ni/Ti11 после ДС при 1150 °С

Г. ■ . ■ i . ■ . 20 мкм

Рис. 5. Структура пакета 16Ni/Ti11 после ДС при 1150 °С

Два слоя между ними толщиной по 110 мкм имеют 3-фазную эвтектическую метастабильную структуру -TiNi3 + TiNi + [Ti2Ni]. Это хорошо видно из ее снимка при большом увеличении (рис. 6).

Видно, что в матричной фазе, являющейся интер-металлидом TiNi3, присутствуют частицы, различающиеся по световому контрасту: светло-серого и серого цветов (2), которые есть TiNi, и частиц темного цвета (1), образовавшиеся из TiNi. По данным локального РС-анализа они содержат 63,5 % Ti и 36,5 ат.% Ni, что соответствовало химическому соединению Ti2Ni.

Заключение. Исследования продолжаются с целью получения слоистой структуры композита со структурой, на 75-90 об.% состоящей из никелида титана.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Пушин В.Г., Лотков А.И., Колобов Ю.Р., Валиев Р.З., Дуда-рев Е.Ф., Куранова Н.Н., Дюпин А.П., Гундеров Д.В., Бакач Г.П. О природе аномально высокой пластичности высокопрочных сплавов никелида титана с эффектами памяти формы. Исходная структура и механические свойства // ФММ. 2008. Т. 106. № 5. С. 537-547.

2. Диаграммы состояния двойных металлических систем / под ред. Н.П. Лякишева. М.: Машиностроение, 1997. Т. 2. 1024 с.

3. Тихонов А.С., Герасимов А.П., Прохорова И.И. Применение эффекта памяти формы в современном машиностроении. М.: Машиностроение, 1981. 81 с.

4. Карпов М.И., Внуков В.И., Волков КГ., Медведь Н.В., Ходос И.И., Абросимова Г.Е. Возможности метода вакуумной прокатки как способа получения многослойных композитов с нанометрически-ми толщинами слоев // Материаловедение. 2004. № 1. С. 48-53.

5. Коржов В.П., Карпов М.И. Структура сплава Ti-Ni, полученного отжигом многослойного микрокомпозита Ti/Ni // Металлы. 2011. № 4. С. 76-78.

Поступила в редакцию 10 апреля 2016 г.

UDC 669.295.539

DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-1062-1065

STRUCTURE CHANGE OF MULTI-LAYER Ti/Ni-COMPOSITE DEPENDING ON THE TEMPERATURE OF DIFFUSION WELDING DURING THE SOLID PHASE OBTAINING OF TiNi

© V.P. Korzhov

Institute of Solid State Physics RAS, Chemogolovka, Russian Federation, e-mail: [email protected]

Change of the multilayer Ni/Ti-composite the structure from the temperature of its solid phase sintering during of diffusion welding under pressure to produce a nickel-titanium with shape memory effect is investigated. The initial workpiece has served package built from alternating Ni- and Ti-foil 50 microns thick. Key words: titanium nikelid; shape memory effect; composite; multi-layered structure; interdiffusion.

REFERENCES

1. Pushin V.G., Lotkov A.I., Kolobov Yu.R., Valiev R.Z., Dudarev E.F., Kuranova N.N., Dyupin A.P., Gunderov D.V., Bakach G.P. O prirode anomal'no vysokoy plastichnosti vysokoprochnykh splavov nikelida titana s effektami pamyati formy. Iskhodnaya struktura i mekhanicheskie svoystva. Fizika metallov i metallovedenie - The Physics of Metals and Metallography, 2008, vol. 106, no. 5, pp. 537547.

2. Lyakisheva N.P. (ed.) Diagrammy sostoyaniya dvoynykh metallicheskikh sistem. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1997, vol. 2. 1024 p.

3. Tikhonov A.S., Gerasimov A.P., Prokhorova I.I. Primenenie effekta pamyati formy v sovremennom mashino-stroenii. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1981. 81 p.

4. Karpov M.I., Vnukov V.I., Volkov K.G., Medved' N.V., Khodos I.I., Abrosimova G.E. Vozmozhnosti metoda vakuumnoy prokatki kak sposoba polucheniya mnogosloynykh kompozitov s nanometricheskimi tolshchinami sloev. Materialovedenie - Material science, 2004, no. 1, pp. 48-53.

5. Korzhov V.P., Karpov M.I. Struktura splava Ti-Ni, poluchennogo otzhigom mnogosloynogo mikrokompozita Ti/Ni. Metally - Russian metallurgy (Metally), 2011, no. 4, pp. 76-78.

Received 10 April 2016

Коржов Валерий Поликарпович, Институт физики твердого тела РАН, г. Черноголовка, Российская Федерация, кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории материаловедения, e-mail: [email protected]

Korzhov Valeriy Polikarpovich, Institute of Solid State Physics RAS, Chernogolovka, Russian Federation, Candidate of Technics, Senior Research Worker of Materials Laboratory, e-mail: [email protected]