CC BY
41
УДК 669
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА СТРУКТУРНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА ТИТАН-АЛЮМИНИЙ
Д. Б. Крюков, М. С. Гуськов, Д. С. Гуськов
RESEARCH OF INFLUENCE OF HEAT TREATMENT ON STRUCTURAL TRANSFORMATIONS AND PHYSICOMECHANICAL PROPERTIES OF COMPOSITE MATERIAL TITANIUM-ALUMINUM
D. B. Kryukov, M. S. Gus'kov, D. S. Gus'kov
Аннотация. Актуальность и цели. В настоящее время некоторые детали и узлы, которые используются в машиностроении и авиастроении, изготавливают из композиционных материалов. В ряде случаев условия эксплуатации данных узлов сопряжены с высокой рабочей температурой и взаимодействием с отходящими газами, поэтому задача изучения влияния температурно-временных факторов на структуру и свойства композиционных материалов является актуальной. Материалы и методы. Для создания композиционного материала применяли алюминиевый сплав марки АМг5М и титановый сплав марки ВТ1-0. Использован комплекс стандартных методик определения микротвердости, фазового состава и прочности материалов. Результаты. Получен композиционный материал с повышенным комплексом физико-механических свойств. Исследовано влияние режимов термической обработки на скорость роста прослойки интерметаллида и изменение механических свойств композиционного материала. Выводы. В ходе термической обработки в композиционном материале был сформирован интерметаллический слой определенной толщины. Химический состав данного слоя соответствует интерметаллиду TiAl3. Предел прочности композиционного материала повышен на 38 %.
Ключевые слова: композиционный материал, термообработка, интерметаллид
TiAl3.
Abstract. Background. Currently, some details and components which are used in mechanical engineering and aircraft, made of composite materials. In some cases the operating conditions of these units are associated with a high operating temperature and to the interaction with the exhaust gases, therefore, the task of studying the influence temperature and time factors on structure and properties of composite materials is actual. Materials and methods. Applied an aluminum alloy of the AMg5M grade and a titanic alloy of the VT1-0 grade to creation of composite material. The complex of standard techniques of determination of microhardness, phase structure and strength of materials is used. Results. Composite material with the increased complex of physicomechanical properties is received. Influence of the modes of heat treatment on the growth rate of a layer of an intermetallid and change of mechanical properties of composite material is investigated. Conclusions. During heat treatment in composite material the intermetallic layer of a certain thickness was created. The chemical composition of this layer corresponds TiAl3 compound. Tensile strength of composite material is increased for 38 %.
Key words: composite material, heat treatment, intermetallic compound TiAl3.
Введение
В качестве образцов для исследования использовали пластины композиционного материала, в которых отсутствовали участки расплава и интерметаллические соединения в зоне сварного шва, прошедшие прокатку со степенью 55-60 % и низкотемпературный отжиг, необходимый для снятия внутренних напряжений. Из полученных пластин вырезали образцы размером 25^25 мм. Количество образцов составило десять штук под каждый режим. Режимы термообработки выбирались исходя из требования получить сплошную равномерную интерметаллическую прослойку необходимой толщины и состава.
1. Влияние термической обработки на кинетику образования и роста интерметаллических прослоек в композиционном материале
Термическая обработка (ТО) проводилась при температурах 550, 600, 630 °С. Разброс температуры при проведении ТО не превышал ±15 °С. Время выдержки в печи при установившейся температуре изменялось в пределах 0,12-235 ч.
Для исследования микроструктуры сварных соединений на металлографическом (Альтами МЕТ 6C) и электронном (Zeiss SIGMA) микроскопах были изготовлены шлифы. Для определения зон микроструктуры алюминия и тонкой интерметаллической зоны использовали химическое травление в 10 %-ном водном растворе щелочи. За время травления в течение 20-40 с образовавшаяся интерметаллическая прослойка окрашивалась в белый цвет [1].
После проведения серии экспериментов при различных температурно-временных показателях удалось зафиксировать момент зарождения интерметал-лидов определенного размера (0,8-1,0 мкм) и их последующего роста (рис. 1).
700
650
tg
§"557
Й!
500
i50
Интерметаллиды есть
Интерметаллидод нет
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
5,0
Время ды дер ж к и, ч
Рис. 1. Температурно-временная зависимость появления интерметаллидов в композиционном материале титан-алюминий
Максимальная толщина прослойки в 90-100 мкм (рис. 2) была получена за счет применения циклической термообработки, которая состояла из последовательных операций нагрева, выдержки и охлаждения в течение 195 ч.
Рис. 2. Интерметаллическая прослойка толщиной 100 мкм
Выдержка при более длительном времени к увеличению толщины прослойки не приводит. Это связано с практически полным прекращением диффузионных процессов на границе раздела материалов. Кроме того, при выдержке более 220 ч в уже образовавшейся интерметаллической прослойке начинают происходить аллотропические превращения.
Таким образом, полученные данные свидетельствуют о том, что для получения прослойки максимальной толщины необходимо проведение термообработки при 630 °С с временем выдержки 195-200 ч. Данные о кинетике образования и роста интерметаллидов на границе раздела ВТ1-0 и АМг5М от температурно-временных параметров представлены на рис. 3.
режип ТО550°С -е- - режим ТО 600 °0 -е- - режш ТО 630°С
гТп гр
' ш
—г
Т *
Г
I
е-!■
I
20 Ш 60
120 КО 160 ¡30 200 220 2М 260 280 200
Время Выдержки, ч
Рис. 3. Кинетика роста толщины прослойки в зависимости от температурно-временных показателей
Таким образом, была выявлена зависимость роста прослойки от темпера-турно-временных показателей. С учетом полученных результатов возникла необходимость качественного изучения образовавшейся в ходе термообработки прослойки и механических свойств композиционного материала в целом.
2. Исследование изменения величины микротвердости композиционного материала титан-алюминий и определение состава интерметаллической фазы, образующейся в зоне соединения при термообработке
Для того чтобы оценить влияние термической обработки на внутренние изменения в слоистом композиционном материале системы титан-алюминий, производили измерение микротвердости по методу Виккерса основных металлов и интерметаллической прослойки. Исследование проводилось согласно ГОСТ 9450-76 на микротвердомере БЫ-8. Измерение микротвердости производилось по 3-4 последовательным отпечаткам в каждом слое композиционного материала. Задачей эксперимента являлось выявление изменения значения микротвердости от температуры и времени выдержки. На рис. 4 и 5 представлены графики распределения микротвердости композиционного материала в зависимости от параметров отжига по сравнению с микротвердостью каждого из компонентов в состоянии поставки и после сварки на рациональном режиме.
0 100 300 500 700 900 1100 1300 Расстояние от границы раздела, мкм
после 10 (630°С, 20 ч] -в- 5 состоянии поставки после 10 (600° С, 20 ч.) * после с&орки
Рис. 4. Микротвердость титана в зависимости от режима сварки и термообработки
В приконтактных слоях величина микротвердости титана составила 190-195 НУ, алюминия - 118-122 НУ. По мере удаления от границы раздела микротвердость титана и алюминия снижается до значений 150-170 НУ
и 90-110 НУ соответственно. Изучение графических зависимостей распределения микротвердости титана и алюминия на различных режимах ТО позволило четко выявить изменения значений микротвердости соединения. Установлено, что остаточный наклеп, полученный композиционным материалом в ходе сварки, снимается уже после проведения низкотемпературного отжига, при этом в зоне сварного шва отсутствуют интерметаллические соединения. Как видно из графиков, по мере удаления от зоны контакта микротвердость титана составляет 140-150 НУ, а алюминия - 82-90 НУ, что соответствует микротвердости исследуемых материалов в состоянии поставки.
о т 200 т т
Расстояние между границами раздела, мкм -а- после 10 ¡(¡]0°[, 20 ч] -в- 8 состоянии посто&ки -е- пасде 10 (600°[, 20 ч] -х- после сборки
Рис. 5. Микротвердость алюминия в зависимости от режима сварки и термообработки
Длительная выдержка при температуре свыше 550 °С приводит к образованию и росту интерметаллической прослойки и значительно увеличивает микротвердость зоны, вплотную примыкающей к сварному шву. Проведенные исследования микротвердости термообработанных образцов показали, что происходит образование лишь одной прослойки со стороны алюминия. Значение микротвердости на исследуемых температурно-временных показателях составляет 350-370 НУ.
3. Исследование диффузионных процессов, протекающих в композиционном материале титан-алюминий при термической обработке
Анализ полученных данных позволил определить температурно-временной интервал для слоистого композиционного материала с упрочняющей интерметаллической прослойкой, в диапазоне которого происходит образование интерметаллической фазы максимально возможной толщины.
Используя уравнение Аррениуса, можно определить кинетику роста интерметаллической прослойки в зависимости от температуры нагрева и времени выдержки [2]:
у = ^ехР(-^Г)
х - т0ехр
ЯГ
где Ер и Ез - энергии активации роста и зарождения диффузионной прослойки; Я - универсальная газовая постоянная; Т - температура отжига; К0 и т0 -постоянные для расчета коэффициентов К и величины латентного периода тЛ.
Необходимые данные для расчетов и полученные значения толщины прослойки для наиболее рациональных режимов приведены в табл. 1.
Таблица 1
Расчетные значения параметров кинетики образования фазы
Фаза Энергия зарождения Ез, Дж/моль Предэкспон. множитель ¿0, ч Предэкспон. множитель к0, мм ■ ч-1/2 Энергия роста Ер, Дж/моль Коэффициент диффузии Б0, мм/ч1/2
Г=630°С Г = 600°С
Т1Л13 195 295,0 2,76 ■ 10-12 2,32 ■ 102 122 406,0 19,2 ■ 10-6 10,7 ■ 10-6
В табл. 2 приведены значения толщины интерметаллической фазы, полученной на основных режимах термообработки.
Таблица 2
Расчетные значения толщины интерметаллида Т1Л13
Длительность термической обработки, ч Толщина интерметаллической фазы Т1Л13, 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
Значения, полученные в ходе теоретических расчетов для диффузионного отжига при ТО 600 и 630 °С и выдержкой от 1 до 195 ч, довольно хорошо согласуются с полученными практическими результатами.
Для изучения состава полученной в ходе термической обработки прослойки были проведены исследования качественного и количественного анализа.
Оценку качественного состава интерметаллической фазы проводили на образцах композиционного материала, прошедших термическую обработку при температуре 630 °С и временем выдержки 195 ч. На данных режимах четко прослеживается образование интерметаллической прослойки толщиной ~ 100 мкм. Так как шаг сканирования электронного пучка зонда анализатора был равен 30 мкм, то в зону образовавшейся прослойки попадает не менее двух спектральных маркеров (рис. 6).
Рис. 6. Расположение спектральных маркеров на образце, прошедшем ТО
Обобщенные результаты микрорентгеноспектрального анализа исследуемых образцов приведены в табл. 3.
Таблица 3
Результаты микрорентгеноспектрального анализа
№ спектрального Весовое содержание элемента, % Фаза
маркера Л1 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 Т1Л13
6 69,3 17,3 Т1Л13
7 0,5 97,8 -
8 0,3 98,2
На основании проведенных исследований установлено, что на всех режимах термической обработки происходит образование одной прослойки фазы. При переводе весового содержания элементов в атомное было установлено, что образовавшаяся интерметаллическая прослойка соответствует фазе ТШ3.
4. Исследование механических свойств высокопрочного композиционного материала с интерметаллическим упрочнением
Определение конечного комплекса физико-механических характеристик слоистого композиционного материала с интерметаллическим упрочне-
нием является важнейшей задачей при анализе поведения материала в проектируемых изделиях. Поэтому необходимым требованием является получение значений после проведения всех технологических операций.
Полученные в ходе проведения испытаний значения механических свойств в зависимости от различных режимов термообработки приведены в табл. 4 [3].
Таблица 4
Свойства композиционных материалов после испытаний
Условный № режима ТО (толщина прослойки, мкм) Предел прочности ств, МПа Относительное удлинение 8, % Относительное сужение % Ударная вязкость кси, Дж/см2 Угол изгиба а, °
1 (1-3) 520,0 30,2 45,7 90,2 150
2 (5-8) 547,0 28,7 43,2 87,6 135
3 (10-12) 561,3 18,9 24,5 63,2 68
4 (35-40) 616,0 13,2 17,1 53,4 55
5 (95-100) 634,5 5,4 10,2 38,3 < 50
Полученные результаты свидетельствуют о том, что образование и рост интерметаллической прослойки приводит к повышению прочностных показателей и снижению пластических свойств. На образцах, прошедших термообработку на режимах № 1 и 2, существенных изменений по механическим свойствам не установлено. Выдержка при более длительном времени приводит к образованию прослойки толщиной 10 мкм, что существенно сказывается на свойствах композиционного материала в целом. При данных режимах термообработки пластические свойства резко снижаются, но одновременно повышаются прочностные свойства, материал теряет вязкость и в зоне контакта образуется хрупкий излом. На примере образцов, прошедших термообработку по режиму № 5, можно наблюдать резкое изменение прочностных и пластических свойств. При формировании в композиционном материале прослойки толщиной 100 мкм с каждой стороны прочность увеличилась до 634,5 МПа. Прочность композиционного материала в целом увеличилась на 38 %, а пластичность уменьшилась на 52 % по сравнению с аналогичными показателями у исходного материала в состоянии поставки.
Обобщив полученные результаты, из имеющихся данных можно выбрать наиболее рациональный режим термообработки для предлагаемого композиционного материала, исходя из критерия «толщина прослойки/максимальная прочность». Режим ТО под № 5 позволяет сформировать композиционный материал с толщиной прослойки интерметаллида ~ 95-100 мкм, что повышает прочность всего материала на 38 %. За счет того, что в композиционном материале остается алюминиевая составляющая, при приложении растягивающих усилий предотвращается стремительное развитие магистральных трещин.
Заключение
Проведенные исследования режимов термообработки предлагаемого композиционного материала показали, что рост интерметаллической прослойки в зоне контакта металлов заканчивается при достижении толщины
в 95-100 мкм. Это, по всей видимости, связано с прекращением твердофазных диффузионных процессов между алюминием и титаном. Кроме того, установлено, что композиционному материалу с толщиной прослойки в 100 мкм соответствует максимальная величина прочности в 634,5 МПа. Данный режим был выбран в качестве рационального, исходя из критерия прочности.
Список литературы
1. Ильин, А. А. Титановые сплавы. Состав, структура, свойства : справочник / А. А. Ильин, Б. А. Колачев, И. С. Полькин. - М. : ВИЛС - МАТИ, 2009. - 520 с.
2. Трыков, Ю. П. Слоистые композиты на основе алюминия и его свойства / Ю. П. Трыков, Л. М. Гуревич, В. Г. Шморгунов. - М. : Металлургиздат, 2004. -230 с.
3. Триботехнические свойства композиционных материалов на основе титана, полученных методами высокоэнергетического воздействия / Д. Б. Крюков, А. О. Кри-венков, М. С. Гуськов [и др.]. - М. : Металлург. - 2015. - № 7. - С. 73-76.
Крюков Дмитрий Борисович
кандидат технических наук, доцент, кафедра сварочного, литейного производства и материаловедения, Пензенский государственный университет E-mail: kryukow@yahoo.ru
Kryukov Dmitrii Borisovich candidate of technical sciences, associate professor, sub-department of welding, foundry production and materials, Penza State University
Гуськов Максим Сергеевич кандидат технических наук, доцент, кафедра сварочного, литейного производства и материаловедения, Пензенский государственный университет E-mail: aspirantSLPiM@yandex.ru
Gus'kov Maksim Sergeevich candidate of technical sciences, associate professor, sub-department of welding, foundry production and materials, Penza State University
Гуськов Данила Сергеевич
студент,
Пензенский государственный университет E-mail: metal@pnzgu.ru
Gus'kov Danila Sergeevich student,
Penza State University
УДК 669 Крюков, Д. Б.
Исследование влияния термической обработки на структурные превращения и физико-механические свойства композиционного материала титан-алюминий / Д. Б. Крюков, М. С. Гуськов, Д. С. Гуськов // Модели, системы, сети в экономике, технике, природе и обществе. - 2016. - № 1 (17). - С. 290-298.
