Структура и механические свойства металло-интерметаллидных композитов системы Ti Cu Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

_____________МЕТАЛЛУРГИЯ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ______________________

УДК 669.716:621.785

В.Г. Шморгун, О.В. Слау тин, Д.А. Евстропов, А. О. Таубе, Ю.И. Бондаренко

Волгоградский государственный технический университет

СТРУКТУРА И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛО-ИНТЕРМЕТАЛЛИДНЫХ

КОМПОЗИТОВ СИСТЕМЫ Ti - Си*

В настоящее время интенсивно изучаются слоистые структуры для использования в целом ряде потенциальных направлений: электронные устройства, броня и баллистическая защита, теплообмен, защитные покрытия и т.д. [1 - 3]. Последние два десятилетия существенно вырос интерес к слоистым металл-интерметаллидным композитам (СМИК), поскольку интерметаллиды как отдельный класс материалов обладают уникальными свойствами (высокой стойкостью к окислению и коррозии, высокой температурой плавления, высокой твердостью и жесткостью [3-5]).

Существуют различные способы получения слоистых композитов: сварка взрывом, пакетная прокатка, диффузионная сварка, магнетронное распыление, электронно-лучевое испарение, лазерное легирование, вакуумное плазменное напыление, реакции синтеза между разнородными элементами металлической фольги.

Сварка взрывом по сравнению с другими методами имеет очевидные преимущества; это связано с легкостью получения и обработки слоистых композитов. При получении многослойного композита этим методом пластины одного металла чередуют с пластинами другого металла, причем размеры и количество слоев ограничены лишь соответствующим сортаментом. Используя промежуточные операции прокатки и штамповки, можно изготовить композит, близкий к заданной форме. Заключительная термическая обработка за счет «сквозной» диффузии обеспечивает получение слоистого металло-интерметаллидного композита.

Целью настоящей работы являлось исследование структуры и механических свойств медно-титановых слоистых металлических и металл-интерметаллидных композитов.

Исследования структуры и химического со-

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (соглашение № 14.В37.21.1847) и грантов РФФИ (13-0800066 А, 13-08-97025 р поволжье а, 12-08-33017 мол_а_вед).

Рис. 1. Образец для механических испытаний

става выполнены с применением оптической (микроскоп Olympus ВХ61), растровой (установка Versa 3D Dual Beam) электронной микроскопии и анализа диаграммы состояния системы медь - титан [6 - 8].

Механические испытания при комнатной температуре проводили на установке LRK 5 Plus, высокотемпературные (до 700 °С) - на установке АЛА-TOO (ИМАШ 20-75). Образцы толщиной 1,5 мм изготавливали из меди Ml, титана ВТ 1-0 и полученного сваркой взрывом с последующей прокаткой слоистого композита (СКМ) Ml + ВТ 1-0 + Ml (толщина слоя меди 0,45 мм, слоя титана 0,6 мм, слоя меди 0,45 мм) (рис. 1). Нагрев образцов осуществляли радиационным методом.

Отжиг СКМ для формирования структуры СМИК медь - диффузионная зона проводили при температуре 850 °С в течение 1 - 100 ч, что позволило в итоге получить диффузионную зону с объемной долей до 75 %.

Анализ результатов металлографических исследований позволил установить следующее.

Структура сформировавшихся при сварке взрывом участков оплавленного металла представляет собой механическую смесь меди и интерметаллидных включений с микротвердостью 6,1 ГПа. Состав включений близок к следующему: 77 - 79 % Си и 18-21 % Ti; это соответствует интерметаллиду ТЮщ

Формирование диффузионной зоны при термической обработке сваренного взрывом (рис. 2, а) медно-титанового СКМ происходит поэтапно и начинается с образования на границе раздела слоев интерметаллидной прослой-

3

Вестник Сибирского государственного индустриального университета № 1 (7), 2013

Рис. 2. Трансформация участка локального оплавления (а) после термической обработки при 850 °С в течение 1 ч (б) и 5 ч (в)

ки TiCu (рис. 2, б). После выдержки в течение 5 ч в составе диффузионной зоны были обнаружены две интерметаллидные прослойки TiCu и Ti2Cu, причем участок ранее идентифицированного оплавленного металла перестал дифференцироваться в слое TiCu (рис. 1, в). Выдержка в течение 10 ч привела к формированию на границе соединения многослойной структуры (рис. 3) суммарной толщиной 110 мкм, включающей в себя твердый раствор титана в меди, твердый раствор меди в титане с интерметаллидом Ti2Cu и интерметаллидные прослойки TiCu и Ti3Cu4 (рис. 3, в, г).

Результаты микроанализа химического состава приведены в таблице.

Дальнейшее увеличение времени термической обработки привело к росту суммарной толщины диффузионной зоны и формированию структуры СМИК в виде чередующихся медных и интерметаллидных слоев (рис. 4).

Результаты механических испытаний показали (рис. 5), что температурная зависимость

прочности трехслойного СКМ подчиняется правилу смеси

ОСКМ = OCuTcu + OTiP-n, (1)

где Оскм, оси и oTl - предел прочности СКМ, меди и титана; Тси и VTl - объемная доля меди и титана.

Относительное удлинение (8 %) СКМ оказалось значительно ниже, чем исходных материалов (меди Ml - 20 % и титана ВТ1-0 - 30 %).

С ростом температуры испытаний прочность СМИК понижается, однако ее значения выше прочности монометаллов и СКМ. При этом СМИК разрушается во всем температурном диапазоне испытаний хрупко (5 = 0,4 0.5 %).

В работах [9, 10] показано, что, если одна из составляющих слоистого композита хрупкая, то прочность композита можно оценить по уравнению

°K=°'aVa+°'bVb+°cVo (2)

Рис. 3. Микроструктура (а, г) диффузионной зоны и характер распределения химических элементов (б, в) после термической обработки при 850 °С в течение 1 ч (а, б) и 10 ч (в, г)

-4-

Вестник Сибирского государственного индустриального университета № 1 (7), 2013

Результаты микроанализа химического состава материала в различных точках после отжига

Длительность, ч Точка Элемент Количество Погрешность, % Фаза

% (по массе) % (атом.)

1 1 Ti 39,93 47,71 1,60 TiCu

Си 60,07 53,29 1,43

2 Ti 0,69 0,91 5,05 Си

Си 99,31 99,09 0,94

3 Ti 17,01 21,38 1,89 TiCu4

Си 82,99 78,62 1,16

10 1 Ti 42,21 49,21 1,54 CuTi

Си 57,79 50,79 1,51

2 Ti 34,69 41,33 1,63 Ti3Cu4

Си 65,31 58,67 1,4

3 Ti 4,42 5,78 2,28 Тв. р.

Си 95,58 94,22 0,99

где ога и а'ь - напряжения в мягких составляющих при деформации разрушения реакционной зоны.

Использование уравнения (2) и экспериментальных данных по прочностным свойствам СМИК системы Ti - Си позволило косвенным методом оценить прочность диффузионной зоны

_ °СИК ~ °Си^Си

идз у ’ '* '

где одз и осик - прочность диффузионной зоны и слоистого интерметаллидного композита; о'Си и о'Г| - предел текучести меди и титана; Удз - объемная доля диффузионной зоны.

На рис. 6 представлены полученные расчетным путем средние значения прочности диффузионной зоны, сформированной при температуре 850 °С в течение 100 ч. Согласно полученным данным прочность диффузионной зоны при комнатной температуре составляет примерно 490 МПа. С повышением темпера-

туры испытания прочность постепенно уменьшается, но значительно выше прочности исходных монометаллов.

Выводы. Структура участков оплавленного металла на межслойной границе сваренного взрывом слоистого композита медь марки Ml-титан ВТ 1-0 представляет собой механическую смесь меди и интерметаллидных включений TiCu4. Диффузионные прослойки, формирующиеся при температуре интенсивной диффузии (850 °С), на первом этапе повторяют контур оплава, а затем по мере увеличения времени выдержки «поглощают» его, выравнивая стехиометрический состав: со стороны меди образуется интерметаллид TiCu, со стороны титана - Ti2Cu. Фазовый состав диффузионной зоны зависит от продолжительности высокотемпературного воздействия. При малом (1 - 5 ч) времени выдержки в составе диффузионной зоны наряду с твердыми растворами на основе меди и титана обнаружены две прослойки с фазовым составом Ti2Cu и TiCu. При увеличении времени термической обработки до 10 ч идентифицируется сплошная прослойка с фазо-

Си 500 м/си Си —г 500 мкм

1 1 0 1 1

Рис. 4. Трансформация структуры СКМ после термической обработки при 850 °С в течение 1 ч (а), 60 ч (б) и 100 ч (в)

-5-

Вестник Сибирского государственного индустриального университета № 1 (7), 2013

Рис. 5. Температурная зависимость прочности (а) и относительного удлинения (б) титана ВТ1-0 (□), меди Ml (о),

СКМ Ml + ВТ1-0 + Ml (Д) и СИК (0)

Температура испытаний, °С

Рис. 6. Зависимость прочности меди (о), титана (□) и диффузионной зоны (-) от температуры испытаний

вым составом Ti3Cii4. Прочность диффузионной зоны слоистого металл-интерметал-лидного композита системы Ti - Си, сформированного при температуре 850 °С в течение 100 ч, с повышением температуры испытания от 20 до 700 °С постепенно снижается с 420 до 200 МПа, разрушение во всем исследованном температурном диапазоне хрупкое (5 = 0,4 -ь

0. 5.%).

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. KoniecznyM. Processing and structure of laminated iron-intermetallics composites // Arcives of foundry engineering. 2008. Vol. 8. P. 71-76.

2. RezaBateni M., S z p u n a r J.A., A s h r a f i z a d e h F., Zandrahimi M. The effect of novel Ti - Cu intermetallic compound coatings on tribological properties of copper // Materials of national tribology conference. 2003. September. P. 55 - 62.

3. Трыков Ю.П., Шморгун В.Г., Гуревич Л.М. Научные основы проектирования и изготовления нового класса конструкционных материалов - слоистых ин-терметаллидных композитов // Конструкции из композиционных материалов. 2006. №4. С. 133, 134.

4. Konieczny М. Mechanical properties and deformation behavior of laminated titanium-intermetallic composites synthesized using Ti and Cu foils // Kovove Mater. 2010. Vol. 48. P. 47-53.

5. Морозова E.A., Муратов В.С. Лазерное легирование поверхности титана хромом и медью // Фундаментальные исследования. 2007. № 8. С. 64, 65.

6. Диаграммы состояния двойных металлических систем. Справочник в 3 т. Т. 2. / Под общ. ред. Н.П. Лякишева. - М.: Машиностроение, 1997. - 1024 с.

7. В a t е n i M.R., Ashrafizadeh F., Mirdamadi S., Szpunar J.A., Drew R.A. Formation of Ti - Cu Intermetallic Coatings On Copper Substrate // Materials & Manufacturing processes. 2001. Vol. 16 (2). P. 219-228.

8. Turchanin M.A., A g r a v a 1 P.G., Abdulov A.R. Thermodynamic assessment of the Cu - Ti - Zr system. I. Cu - Ti system // Powder Metallurgy and Metal Ceramics. 2008. Vol. 47. P. 334 - 360.

9. Шморгун В.Г., Трыков Ю.П., Самарский Д.С., Богданов А.И. Расчетная оценка прочности слоистых интер-металлидных композитов (СИК) системы «магний - алюминий». - В кн.: Известия ВолгГТУ. Межвуз. сб. науч. ст. № 11 (59). - Волгоград: изд. ВолгГТУ, 2009. С. 20 -23.

10. Т р ы к о в Ю.П., Курасова Н. Н., Пектемиров Б.Г., Еловенко А.И., Ярошенко А.П. О влиянии поверхности раздела на прочность слойного композита. - В кн.: Металловедение и прочность материалов. Межвуз. сб. науч. тр. - Волгоград: изд. ВолгПИ, 1989. С. 92 - 97.

© 2014 г. В.Г. Шморгун, О.В. Слаутин, Д.А. Еестропое, А. О. Таубе, Ю.И. Бондаренко Поступила 18 декабря 2013 г.

6