CC BY
66
УДК 539.3
СТРУКТУРА И ТВЕРДОСТЬ МНОГОСЛОЙНОГО МИКРОКОМПОЗИТА Ti/Ni,
ПОЛУЧЕННОГО ПРОКАТКОЙ
© В.П. Коржов, М.И. Карпов, А.Н. Некрасов11
Институт физики твердого тела РАН, г. Черноголовка, Россия 1 Институт экспериментальной минералогии РАН, г. Черноголовка, Россия, e-mail: [email protected]
Ключевые слова: сплав ТІ-М; композит; вакуумная прокатка; твердость; структура; диффузия.
Исследовался многослойный композит, состоящий из чередующихся слоев никеля и титана в объемном соотношении, соответствующем составу сплава ТІ-М, близкому к эквиатомному. Композит получали вакуумной прокаткой многослойного пакета.
Введение и постановка работы. Достаточно длительное время сплавы Тк№ привлекают к себе внимание исследователей своими многофункциональными возможностями. К настоящему времени разработаны и хорошо исследованы объемные высокопрочные и пластичные сплавы Ть№ с мартенситными превращениями и связанным с ним эффектом памяти формы. Способами получения таких сплавов, наряду с традиционными - легированием, термической и термомеханической обработками - и также сверхбыстрой закалкой из расплава и даже сваркой взрывом, в последнее время стали всевозможные методы интенсивной пластической деформации (ИПД). У подавляющего большинства материалов с субмикрокристаллической и нанокри-сталлической структурами, полученными методами ИПД, высокие значения пределов текучести и прочности сочетаются, как обычно, с пониженной пластичностью при комнатной температуре. Но метастабильные сплавы никелида титана, напротив, обретают необычайно высокую деформационную способность при больших значениях относительного сужения и равномерного удлинения при растяжении [1].
Следует отметить, что интерес к сплавам Ть№ не ослабевает. Отчасти это объясняется тем, что появляются все новые виды получения и обработки металлов и сплавов, которые их авторы стараются опробовать на уже зарекомендовавших себя своей перспективностью материалах. К таким методам можно отнести и многоразовую прокатку многослойных пакетов [2] в сочетании с термообработкой. В данной работе исследуется возможность получения Т£№-сплавов в многослойных композитных Т1№-лентах. На данном этапе ленты содержали слои микроразмерной толщины.
Эксперимент. Как правило, композит непосредственно после прокатки еще не содержит сплава, а должен состоять из чередующихся слоев чистых металлических компонентов, в данном случае - из чистого титана и никеля. Сплав должен был образовываться после термической обработки композита в процессе его структурной перестройки в результате диффузионного
взаимодействия слоев. Решающую роль в этом играет отношение площади межфазной границы к объему фаз, которое оказывает большое влияние на скорость образования сплава в многослойном композите с нанораз-мерной толщиной отдельных слоев. Для композитов с толщиной слоев в микродиапазоне, как в данном случае, это отношение не имеет большого значения.
На практике прочное соединение всех фольг в многослойном пакете достигается на первом этапе его прокатки, которая осуществляется в вакууме с предварительным нагревом и достаточно большим обжатием за один проход. Подготовку всех соприкасающихся поверхностей металлических фольг, которая заключается в тщательном удалении с поверхности жировой пленки (химическим травлением с последующим длительным полосканием в проточной воде или промывкой в спирте) и обработке ее металлическими щетками, после чего поверхность делается шероховатой, рекомендуется делать не заранее, а незадолго до вакуумной прокатки.
Рис. 1. Зависимость HV композита от температуры отжига
'ЗОрт ' 1TiNt-2
Рис. 2. Микроструктура поперечного сечения композитной 800°С (б)
В первом цикле пакет собирался из 10 Ті-фольг толщиной 0,32 мм и 11 №і-фольг толщиной 0,19 мм. Отношение толщины слоев Ті и № составляло
—1,6/1. Это соответствовало составу сплава, близкого к эквиатомному. Перед прокаткой в вакууме многослойный пакет подвергался диффузионной сварке под давлением —21 МПа при 850 °С в течение 20 мин. Вакуумную прокатку пакетов проводили за два прохода с предварительным нагревом до 950 °С и обжатием —35% за один проход. Сваренную таким образом заготовку далее прокатывали в ленту толщиной 0,2 мм при комнатной температуре без промежуточных отжигов. Толщина слоев титана и никеля в ленте - —120 и —80 мкм соответственно.
После прокатки Ті№і-ленту подвергали отжигам в интервале температур от 500 до 800 °С в течение 2 ч для снятия наклепа и проверки совместимости компонентов. Твердость по Виккерсу снижалась с 2,653,00 ГПа (непосредственно после прокатки) до —2 ГПа после отжига при 500 °С (рис. 1).
Структура поперечного сечения композитов исследовалась с помощью растровой электронной микроскопии. Поэтому слои никеля, как более тяжелого элемента, в структуре поперечного сечения, вырезанного вдоль направления прокатки ленты, выглядели светлыми, а Ті-слои - черными. Можно видеть, что после прокатки при комнатной температуре в результате тех непродолжительных нагревательных процессов, которыми сопровождались диффузионная сварка и прокатка в вакууме, на границе слоев отмечалось образование продуктов реактивной диффузии между титаном и никелем (рис. 1, а). По данным локального рентгеноспектрального анализа островки состояли из интерметалли-
ЗОут ' 2TÎNI-2
i-ленты после прокатки (а) и после прокатки и отжига при
дов TiNi3 (точка 2) и TiNi (точки 3, 7 и 8). В слоях титана со стороны никеля отмечено образование твердого раствора на основе P-Ti, содержащего до 7 ат.%№ (точки 4 и 9). Точки 5 и 10 соответствовали чистому титану. Термообработка при 800 °С вызвала тотальное изменение микроструктуры композита (рис. 2, б). В нем присутствовали слои интерме-таллидов TiNi3 (25,6-26,3 ат.|%П, точки 1 и 2), TiNi (51,2-51,8 ат.0/сЛ1 точки 3 и 4) и Ti2Ni (67,3-67,4 ат.'МШ, точки 5 и 6). Черные области (точки 7 и 8) - P-твердый раствор никеля в титане (~97,7 ат.'Ш!).
ЛИТЕРАТУРА
1. Путин В.Г., Лотков А.И., Колобов Ю.Р., Валиев Р.З., Дударев 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 // Физика металлов и металловедение. 2008. Т. 106. № 5. С. 537-547.
2. КарповМ.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.
Поступила в редакцию 15 апреля 2010 г.
Korzhov V.P., Karpov M.I., Nekrasov A.N. Structure and hardness of multilayered Ti/Ni-microcomposite produced by rolling.
Multilayered composite consisting of alternated nickel and titanium layers of volume relationship corresponding of equiatomic composition Ti-Ni alloy was investigated. The composite was produced by vacuum rolling of multilayered packet.
Key words: Ti-Ni alloy; composite; vacuum rolling; hardness; structure; diffusion.
