CC BY
24
УДК 669.716:621.785
В.Г. Шморгун, О.В. Слаутин, Д.А. Евстропов, Р.Е. Новиков
Волгоградский государственный технический университет
ФАЗОВЫЙ СОСТАВ И МИКРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОКРЫТИЙ СИСТЕМЫ AI - Ti - Cu, ФОРМИРУЕМЫХ ПРИ ЖИДКОФАЗНОМ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ НА МЕДНЫХ ПОДЛОЖКАХ*
Комплексная технология получения интер-металлидных покрытий на поверхности металлов, обладающих высокими тепло- и электропроводностью, но низкой износостойкостью, разработанная в Волгоградском государственном техническом университете [1 - 3], включает следующие последовательные операции: сварку взрывом многослойных заготовок из исходных пластичных металлов, образующих при взаимодействии интерметаллидные фазы; их последующее формоизменение обработкой давлением, позволяющее получать изделия требуемой геометрической формы; термическую обработку (ТО) в условиях контактного плавления для формирования на межслойных границах многослойной (матрица - интерме-таллид) или однородной структуры с заданным химическим и фазовым составом.
Целью настоящей работы являлось исследование фазового состава и микромеханических свойств покрытий системы Al - Ti - Cu, формируемых при жидкофазном взаимодействии на медных подложках.
Исследования проводили на трехслойном слоистом композите (СКМ) состава медь М1 + титан ВТ1-0 + алюминий АД1 (толщина слоев 5,0, 0,3 и 0,6 мм соответственно), полученном путем последовательной сварки взрывом пластины меди М1 с пластинами титана ВТ1 -0 и алюминия АД1.
Металлографические исследования образцов выполняли на модульном оптическом микроскопе Olympus BX-61 с фиксацией микроструктур цифровой камерой DP12, измерения микротвердости - на микротвердомере ПМТ-3 методом восстановленного отпечатка при массе груза 50 и 100 г, ТО осуществляли в печи SNOL 8.2/1100. Фазовый состав диффузионной зоны (ДЗ) оценивали при сопоставлении данных, полученных с помощью дифрак-тометра ДРОН-3 и растрового двухлучевого электронного микроскопа системы Versa 3D.
Металлографические исследования показали, что после сварки межслойная граница Си - Т имеет волнообразный профиль с локальными включениями оплавленного металла твердостью 4,5 - 6,0 ГПа, а граница Т - А1 - безволновой. Структура сформировавшихся при сварке взрывом участков оплавленного металла представляет собой механическую смесь меди и интерме-таллидных включений, имеющих состав, близкий к 77 - 79 % Си и 18 - 21 % Т (ат.). Согласно диаграмме состояния Т - Си этот состав соответствует интерметаллиду Т1Си4.
Формирование ДЗ при температуре 910 °С происходит в условиях жидкофазного взаимодействия как на границе А1 - Т1, так и на границе Си - Тг При выдержке в течение 30 мин рост зоны переплава в сторону меди приводит к выравниванию границы Си - ДЗ (рис. 1, область III). Основными структурными составляющими сформировавшейся на поверхности меди зоны переплава меди и титана являются структурно свободные интерметаллиды рТЮи4 и ТЮи2 (табл. 1, рис. 1, б, в, зоны анализа 3 - 5), на границе с непрореагировавшим титаном обнару-
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 14-19-00418).
Рис. 1. Структура ДЗ (а) (х50) и микротвердость (б) в зонах анализа после ТО при 910 °С в течение 0,5 ч, область взаимодействия II продуктов реакции А1 - Т и Си - Т (в) (х50), граница III Си - ДЗ (г) (х200)
Т а б л и ц а 1
Результаты точечного энергодисперсионного микроанализа и качественного
рентгеноструктурного анализа
Элемент Содержание, % (ат.), в зоне анализа
1 2 3 4 5
А1 78,3 1,3 0 0 0
Т1 20,5 41,0 30,5 26,7 21,6
Си 1,2 57,7 69,5 73,3 78,4
Достоверно идентифицированные фазы Т1А13, А1(Т1) Т13Си4 Т1Си2 Т1Си2, Т1Си4 Т1Си4
жена фаза Т13Си4. Продуктом взаимодействия титана с расплавом алюминия (рис. 1, а, область I) является двухфазный слой (твердый раствор и TiAl3) (табл. 1, рис. 1, а, б, зона анализа 1).
Увеличение времени ТО приводит к полному «растворению» титана и к взаимодействию находящихся в жидком состоянии продуктов реакций А1 - Т1 и Си - Т1. В результате неравновесной кристаллизации образуется крайне неоднородная по толщине ДЗ структура (рис. 2), верхний слой которой представляет собой смесь фаз Т1А13 и СиТ12А15 (табл. 2, рис. 2, б, зона анализа 1). Ниже располагаются: однофазная прослойка СиТ12А15 (табл. 2, рис. 2, б, зона анализа 2), двухфазная прослойка СиТ12А15 + А14Си9 (табл. 2, рис. 2, б, зона анализа 3) и прилегающий к меди слой переменной концентрации, в котором идентифицированы фазы Т^Си3(А1) (табл. 2, рис. 2, б, в, зона анализа 4), Т13Си4(А1) и ТЮи2(А1) (табл. 2, рис. 2, б, в, зона анализа 5), Т1Си4 (табл. 2, рис. 2, б, в, зона анализа 6).
Уменьшить структурную неоднородность ДЗ позволило двукратное снижение толщины слоя алюминия и использование двойного отжига по режиму 700 °С в течение 2 ч и 910 °С в течение 1 ч. После первого отжига на титане был получен двухфазный слой с объемной долей Т1А13 примерно 92 %. Второй отжиг обеспечил полное растворение титана и взаимодействие продуктов реакции процесса кон-
Т а б л и ц а 2
Результаты точечного энергодисперсионного микроанализа и качественного
рентгеноструктурного анализа
Элемент Содержание, % (ат.), в зоне анализа
1 2 3 4 5 6
А1 74,3 58,1 42,8 8,1 7,6 0
Т1 24,3 24,6 29,4 32,2 32,4 19,8
Си 1,4 17,3 27,8 59,7 60,0 80,2
Достоверно идентифицированные фазы Т1А13 СиТ12А15 СиТ12А15, А14Си9 Т12Си3(А1) Т13Си4(А1), Т1Си2(А1) Т1Си4
тактного плавления с ^А13. Его результатом явилось формирование на поверхности меди покрытия со слоистой структурой, фазовый состав которого практически идентичен полученному при ТО по режиму 910 °С в течение 1 ч. Поверхностный слой покрытия состоит из смеси фаз Т1А13 и СиТ12А15 (табл. 3, рис. 3, а, зоны анализа 1, 2). Ниже располагается двухфазная прослойка СиТ12А15 + А14Си9 (табл. 3, рис. 3, а, зона анализа 3). Основными структурными составляющими покрытия являются твердые растворы на основе Т13Си4 и Т1Си2 (табл. 3, рис. 3, б, в,
/к V
Рис. 2. Структура ДЗ (а) (х50) и микротвердость (б) в зонах анализа после ТО при 910 °С в течние 1 ч, области IV (в) (х200) и V (г) (х200)
Рис. 3. Структура ДЗ (а) (х50) и микротвердость (б) в зонах анализа после ТО при 700 °С в течение 2 ч и 910 °С в течение 1 ч, области V (в) (*500) и VI (г) (*5000)
зоны анализа 5, 6), эвтектика ТЮи2 + ТЮи4 (рис. 4, в) и ТЮи4 (табл. 5, рис. 3, б, в, зоны анализа 7, 8).
Выводы. Экспериментально установлено, что в конечный состав покрытия, формируемого контактным плавлением нанесенных сваркой взрывом на медную основу слоев титана и алюминия, могут входить не только фазы, близкие по концентрации к эвтектике, но и практически любые соединения данной системы металлов. Назначаемые режимы термической обработки на первом ее этапе должны гарантировать жидкофазное взаимодействие только на межслойной границе Т - А1 и получение на титане двухфазного слоя с объемной долей Т1А13 более 90 %, а на втором - жидко-фазное взаимодействие на границе Си - Т1, полное растворение титана и взаимодействие продуктов реакции процесса контактного плавления с ^А13. Основными структурными составляющими покрытия являются твердые растворы на основе купридов титана Т13Си4(А1) и ТЮи2(А1), эвтектика ТЮи2 + ТЮи4 и ТЮи4, а поверхностный слой состоит из сме-
си фаз TiAl3 и CuTi2Al5 и двухфазной прослойки CuTi2Al5 + Al4Cu9.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. К р а ш е н и н н и к о в С.В, К у з ь м и н С.В., Л ы с а к В.И. Упрочнение поверхностей стальных деталей путем формирования интерметаллидсодержащих покрытий // Перспективные материалы. 2004. № 2. C. 83 - 88.
2. Ш м о р г у н В.Г., А р т е м ь е в А.А., А н т о н о в А.А., Е в с т р о п о в Д.А., Б о н д а р е н к о Ю.И. Структура и три-бологические свойства покрытий на основе купридов титана // Известия ВолгГТУ. Сер. Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении. 2014. № 23 (150). C. 30 - 32.
3. Патент 2202456 РФ. Способ получения износостойкого покрытия на поверхности стальных деталей / Крашенинников С.В., Кузьмин С.В., Лысак В.И., Долгий Ю.Г.; ВолгГТУ. Заявл. 27.08.2001. Опубл. 20.04.2003.
4. Ш м о р г у н В.Г., С л а у т и н О. В., Е в с т р о п о в Д.А., Т а у б е А.О. Диффузионные процессы на межслойной границе сваренного взрывом трехслойного композита системы Cu - Ti // Изв. вуз. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2014. № 4. С. 36 -39.
5. Г у р е в и ч Л.М. Механизмы структу-рообразования при взаимодействии титана с расплавом алюминия // Известия ВолгГТУ. Серия Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении. № 6 (109). C. 6 - 13.
© 2015 г. В.Г. Шморгун, О.В. Слаутин, Д.А. Евстропов, Р.Е. Новиков Поступила 5 октября 2015 г.
Т а б л и ц а 3
Результаты точечного энергодисперсионного микроанализа и качественного
рентгеноструктурного анализа
Элемент Содержание, % (ат.), в зоне анализа
1 2 3 4 5 6 7 8
Al 73,5 58,3 42,8 8,1 8,5 7,7 0 0
Ti 25,4 23,6 29,4 32,2 40,8 28,4 19,7 17,8
Cu 1,1 18,1 27,8 59,7 50,7 63,9 80,3 82,2
Достоверно идентифицированные фазы TiAl3 CuTi2Al5 CuTi2Al5, Äl4Cug Ti2Cu3(Al) Ti3Cu4(Al) TiCu2(Al) TiCu4 TiCu4
