WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 | 4 |

В первой главе проведён обзор экспериментальных и теоретических работ, посвященных изучению влияния структуры и фазовых превращений на механические свойства орторомбических сплавов при комнатной и повышенных температурах. Также проведен обзор работ, посвященных изучению жаростойкости и влияния кислорода на механические свойства и фазовые переходы в этих сплавах. Проведен обзор работ по получению и исследованию композиционных материалов и покрытий, содержащих алюминиды титана.

Во второй главе проведён обзор работ, в которых были исследованы процессы сварки металлов и сплавов в твердой фазе. Рассмотрены особенности формирования сварных соединений в процессе диффузионной сварки, сварки взрывом и магнитно-импульсной сварки, влияние различных факторов (состояние соединяемых поверхностей, длительность и величина прилагаемой нагрузки, температура и др.) на процесс образования соединения. Также проведен обзор теоретических и экспериментальных работ, посвященных исследованию структуры в зоне формирования сварных соединений, изучению механизмов массопереноса в этой зоне, и стадий формирования неразъемного соединения при различных способах сварки в твердой фазе. Сформулированы цели и задачи работы, раскрыта научная новизна и практическая значимость полученных результатов, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В третьей главе приведено описание материалов и методики исследований.

Для выполнения поставленных в настоящей работе задач использовались следующие материалы (составы сплавов указаны в ат. %):

– орторомбический сплав марки ВТИ-1 (Ti-30Al-16Nb-1Zr-1Mo);

– титановый сплав марки ПТ3-В (Ti-7,7Al-1,8V);

– технически чистый титан марки ВТ1-0.

В обоих случаях при создании биметаллического соединения использовался один и тот же орторомбический сплав (далее алюминид). Для его изготовления слитки орторомбического сплава выплавляли методом двойного вакуумно-дугового переплава. В исходном состоянии слитки имели неоднородную крупнозернистую пластинчатую структуру с характерным размером зерна d=1,2 мм. Для измельчения зерен и улучшения литой структуры сплав подвергали многоступенчатой термомеханической обработке, последний отжиг проводился при 700 °C в течение 3 ч [3]. Технически чистый титан в литом состоянии подвергался горячей деформации и последующему отжигу при 750 °C в течение 2 ч. В результате материал имел совершенную зеренную структуру со средним размером зерна примерно 50 мкм.

Оба сварных соединения, результаты исследования которых представлены в 4 и 5 главах, были получены в ЦНИИ КМ "Прометей".

Диффузионную сварку выполняли при разных нагрузках и температурно-временных режимах, после чего определяли механические свойства соединения. Наилучшие свойства были получены при сварке по режиму: 960±10 °C, 5 мин в вакууме 0,133 Па при нагрузке 10 МПа. Именно это соединение подвергали дальнейшим исследованиям.

Сварку взрывом проводили по следующей схеме. На титановой пластине (подложке) было сделано углубление, в которое закладывали и фиксировали лист из сплава ВТИ-1. На верхней пластине титана размещали заряд взрывчатого вещества (ВВ), во время взрыва которого скорость пластины достигала 500 м/с, а угол соударения составлял 12 – 14°. При детонации ВВ на контактной поверхности развивалось давление ~6 ГПа, а материал, прилегающий к КП, разогревался до ~900 °C и подвергался пластической деформации на 40 – 80%. Схема сварки изображена на рис.Основными методами исследования служили металлографический анализ, просвечивающая и растровая электронная микроскопия, микродюрометрия, рентгеноструктурный и микрорентгеноспектральный анализ.

Металлографические измерения проводили на вычислительном комплексе SIAMS на основе оптического микроскопа Epiquant. Микродюрометрические измерения проводили с помощью приставки к микроскопу «Neophot21» при нагрузке 20–100 г. Рентгеноструктурный анализ фазового состава Рис.1. Схема получения сварного соединения методом сварки взрывом.

проводили на дифрактометре ДРОН-3 в монохроматизированном Cu-Kизлучении. Исследование микроструктуры выполнено с помощью просвечивающего электронного микроскопа JEM200CX и сканирующего электронного микроскопа Quanta с микроанализатором. Фазовый анализ орторомбического алюминида титана проводился на наличие тех фаз, которые присутствуют в материале, согласно фазовой диаграмме системы Ti–Al–Nb, при составах, близких к составу сплава ВТИ-1.

Четвёртая глава посвящена изучению структуры биметаллического соединения орторомбического алюминида титана с титановым сплавом, (диффузионная сварка). По данным рентгеноструктурного анализа, орторомбический сплав в исходном состоянии содержит в основном 2-фазу (сверхструктура D019) и орторомбическую О-фазу. Кроме того, наблюдается небольшое количество ОЦК -фазы со следами упорядочения по типу В2, о присутствии которой свидетельствует пик при 2 = 56,9°.

На металлографическом снимке шлифа орторомбического алюминида в исходном состоянии его структура представляет собой распределение глобулярных областей на фоне однородной структурной составляющей (рис. 2). Глобулярные области имеют бимодальное распределение по размерам. Крупная фракция характеризуется размером 20 мкм, мелкая – мкм. Как показало ПЭМ исследование, глобулярные области имеют сложное внутреннее строение и представляют собой 2-фазу (Ti3Al, обогащенный Nb), находящуюся на разных стадиях распада. Титановый сплав в исходном состоянии содержит преимущественно -фазу (ГПУ) с небольшой объемной долей (~8%) -фазы (ОЦК), т.е представляет собой так называемый псевдо--сплав [4]. Параллельные пластины -фазы толщиной 1–3 мкм образуют колонии, состоящие из 5–10 пластин. Между соседними пластинами расположены тонкие (толщиной порядка десятых долей микрона) прослойки -фазы.

Микрорентгеноспектральный анализ распределения элементов в переходной зоне (рис. 3) показал, что в процессе диффузионной сварки происходит интенсивное диффузионное перемешивание атомов различных химических элементов: ниобий и алюминий переходят из алюминида в титановый сплав, а в противоположном направлении переходит титан. Протяженность зоны интенсивного диффузионного перемешивания составляет примерно 10–20 мкм. Как следует из данных рентгенодифрактометрии, сплав ВТИ-1, будучи в исходном состоянии практически двухфазным (2+O), после диффузионной сварки превратился в квазиоднофазный -сплав с небольшой долей упорядоченных 2-, О- и о(B2)-фаз. Эти данные согласуется с Ti Al Nb 15 мкм Рис. 2. Микроструктура ВТИ-1 в Рис. 3. Распределения элементов исходном состоянии (оптика). в переходной зоне.

результатами, полученными путем оптической микроскопии. На оптической микрофотографии (рис. 4а) представлена структура исследуемого биметаллического соединения. С одной стороны от КП видна пластинчатая структура псевдо--сплава. С другой стороны от КП видна однофазная структура алюминида титана. Аналогичные выводы о фазовом составе сплава ВТИ-1 после диффузионной сварки можно сделать и на основании анализа тонкой структуры. В качестве примера рассмотрим светлопольное изображение типичной структуры сплава вдали от контактной поверхности (рис. 4б). Расшифровка электронограмм, полученных с этого и подобных участков, показывает, что наблюдаемой является неупорядоченная -фаза.

Наличие тяжей на электронограммах можно интерпретировать как свидетельство того, что -фаза является неравновесной. Они указывают на присутствие атомных конфигураций, связанных с ранними стадиями распада или упорядочения. Иногда встречаются локальные участки, в которых протекают процессы упорядочения по типу В2. В таких случаях на электронограммах наблюдаются сверхструктурные рефлексы. Помимо участков упорядоченной о(В2)-фазы, на фоне неупорядоченной -фазы встречаются отдельные тонкие пластинки или группы пластинок разной ориентации, принадлежащих 2- и/или О-фазам (рис. 4в). По мере приближения к контактной поверхности общий характер структуры сохраняется, причем плотность б а в г Рис. 4. Структура орторомбического алюминида после сварки: a – микроструктура биметаллического соединения в зоне сварного шва (оптика);

б – структура орторомбического алюминида титана после сварки (светлопольное ПЭМ изображение вдали от КП); в – светлопольное ПЭМ изображение микроструктуры с пластинчатыми выделениями 2- и О- фаз внутри -фазы вблизи КП; г – большая плотность пластинчатых выделений (2- и/или О-фаз) вблизи контактной поверхности.

пластинчатых выделений (2- и/или О- фаз)увеличивается (рис. 4г). Тем не менее, со стороны сплава ВТИ-1 на контактную поверхность выходят в основном участки неупорядоченной -фазы.

Дифрактограмма титанового сплава после сварки, практически не отличается от исходной. Вдали от контактной поверхности тонкая структура сплава ПТЗВ качественно подобна исходной и состоит из пластин -фазы, между которыми находятся прослойки -фазы (Рис. 5а). В диффузионной зоне шириной 10–15 мкм пластинчатое строение изменяется. По мере приближения к контактной поверхности объемная доля -фазы уменьшается, а объемная доля -фазы увеличивается (Рис. 5б). Тенденция эта настолько сильна, что на расстоянии ~1 мкм от контактной поверхности -фаза отсутствует, и к контактной поверхности со стороны псевдо--сплава титана примыкает область -фазы (Рис. 5в), В пограничной области между пластинчатой и однофазной структурой внутри областей -фазы наблюдаются пластинчатые выделения нескольких ориентировок (рис. 5г). Анализ микродифракции показывает, что они имеют ГПУ-решетку 2-фазы с параметрами, характерными для Тi3А1. Плотность выделений упорядоченной 2фазы вблизи межфазной (/) границы увеличивается.

а б в г Рис. 5. Микроструктура сплава ПТЗВ после сварки: a – микроструктура сплава ПТЗВ вдали от контактной поверхности; б, в – вблизи контактной поверхности;

г – пластинчатые выделения нескольких ориентировок внутри областей -фазы.

Таким образом, показано, что исследуемое биметаллическое соединение представляет собой многослойный “сэндвич”, в состав которого входят слои, имеющие следующий фазовой состав:

-фаза (алюминид вдали от контактной поверхности (КП));

-фаза и смесь пластинчатых включений (2+O) фаз (алюминид вблизи КП);

-фаза с пластинчатыми включениями 2 фазы (титановый сплав вблизи КП);

-фаза с прослойками -фазы (титановый сплав вдали от КП).

В результате проведения отжигов сплава ВТИ-1 различной длительности при температурах 900–970 °C с последующей закалкой обнаружено:

сплав при 900–950 °C является трехфазным (2+O+В2) с резко увеличивающейся долей 0(В2) фазы при повышении температуры, а выше 960 °C сплав содержит в основном В2 фазу со следами 2-фазы. При проведении кратковременных (3–10 мин) отжигов при 960–970 °C с последующей закалкой обнаружено, что фазовые превращения 2B2 и OB2 реализуются по следующему механизму: быстрое превращение в разупорядоченную фазу 2 и O. Получено обоснование того, почему выбор режима диффузионной сварки оказался удачным: температура нагрева достаточно высока, так что исходные фазы становятся неравновесными и начинают превращаться в ОЦК фазы; время нагрева достаточно мало, так что исходные фазы успевают превратиться только в -фазу. На этой основе выявлены факторы, которые определяют качество соединения:

повышение коэффициентов диффузии (типичное для разупорядочения), что обеспечивает адгезию слоев вблизи КП;

взаимная подстройка ОЦК решеток, возникающих по обе стороны от КП;

отсутствие сплошного интерметаллического слоя вблизи КП, что предотвращает охрупчивание.

Для восстановления упорядоченных фаз в орторомбическом сплаве сварное соединение было подвергнуто отжигу при таких же условиях, как при получении исходного орторомбического сплава (при T=700 °С, 3 ч, закалка в воду). Показано, что 2- и O- фазы действительно были восстановлены, о чем свидетельствуют картины микродифракции при ПЭМ исследовании материала а также сама морфология структуры, наблюдаемая на ПЭМ изображениях (рис. 6). При этом соединение сохранило свою сплошность.

Пятая глава посвящена изучению структуры биметаллического соединения орторомбического алюминида титана с титановым сплавом (сварка взрывом). В алюминиде практически полностью сохранился набор наблюдаемых в исходном состоянии рентгеновских пиков (О+2), но исчезли линии, принадлежащие 0(В2)-фазе. В пластине из титана на разных расстояниях от контактной поверхности обнаружена только гексагональная -фаза. Съемку дифрактограммы околошовной зоны производили со шлифа, на который изза волнистости контактной поверхности попали участки и орторомбического сплава, и технически чистого титана. По этой причине на дифрактограмме околошовной области присутствуют пики, принадлежащие как алюминиду, так и -титану. Что касается фаз с ОЦК решеткой, то к ним можно отнести лишь пик при 2 = 39,5°. Структуру орторомбического сплава после сварки взрывом на расстоянии примерно 0,3 мм от КП в целом можно характеризовать, как структуру деформационного происхождения, типичную для стадии развитой пластической деформации кристаллических твердых тел [5].

Рис. 6 Микроструктура сплава ВТИ-1 после термообработки (700 °C, 3 ч, закалка в воду) биметаллического соединения, полученного диффузионной сваркой и микродифракция с данной области (ПЭМ).

На панорамном снимке (рис. 7) отчетливо видны различные варианты полосовых структур, образованных границами деформационного происхождения.

Рис. 7. Полосовая структура в орторомбическом сплаве (ПЭМ).

На рис. 8 представлены типичные полосовые структуры технически чистого титана после сварки взрывом. На рис. 8а показано сечение, расположенное на расстоянии 2,5 мм под поверхностью, контактирующей с ВВ, а на рис. 8б – взаимодействие изогнутых механических двойников.

Указанные структуры, как было показано в [5, 6], характерны для деформированного в условиях растяжения технически чистого титана.

Рис. 8. Типичные микроструктуры титана после сварки взрывом (ПЭМ):

а – полосовые структуры на глубине 2,5 мм от внешней поверхности плакирующей пластины; б – взаимодействие механических двойников.

Сильно деформированная область, называемая в [7] зоной сплошного деформирования, сменяется при приближении к границе раздела на зону, имеющую совсем другое строение, – переходную зону, или зону перемешивания. Именно в зоне перемешивания происходят процессы взаимного перемещения слоев металла при пластической деформации волнообразования. Действительно, волнообразование наблюдалось и в изучаемом случае соединения алюминида с титаном.

Pages:     | 1 || 3 | 4 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»