WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 | 2 || 4 |

Проводилось металлографическое изучение поперечных и продольных сечений поверхности раздела. На рис. 9а, б отчетливо виден волнистый характер поверхности раздела. Исходные металлы легко различимы, благодаря хорошо видимым глобулярным областям в орторомбическом алюминиде титана. Изображения на рис. 9в, г получены при большем увеличении:

хорошо видны вихревые области, внутри которых нет глобул. Именно эти вихри заполняют частично зону перемешивания. Между зоной перемешивания и титаном тянется рекристаллизованная зона в виде узкой полосы зерен.

Размеры зерен, как видно из рис. 9в, г, меняются в пределах 1–5 мкм. Зона рекристаллизации не наблюдалась в алюминиде. Можно полагать, что отсутствие рекристаллизации алюминида связано с недостаточно высокой температурой и малым временем нагрева: из-за низкой температуропроводности и теплопроводности алюминида основная масса тепла отводится из зоны соударения через титан, где и наблюдается рекристаллизация.

Рис. 9. Поперечное сечение поверхности раздела (оптика): а, б – волнистая поверхность раздела; в, г – вихревые области и рекристаллизационная зона в титане.

На рис. 10 приведено продольное сечение поверхности раздела.

Отчетливо видны вихри (рис.10б). Кроме того, видны следы потоков частиц из одного металла в другой. Видны выбросы (”языки”) титана в алюминиде (у правой границы). Обратим внимание на то, что вдоль границы раздела на значительной длине не видна переходная зона.

Данные по химическому составу получены с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) по многочисленным замерам, тремя из которых мы здесь ограничимся. Из трёх точечных замеров химического состава в зоне формирования соединения два значения оказались близкими к составам исходных материалов – сплавов ВТИ-1 и ВТ1-0. Замер внутри зоны вихря показал, что химический состав отличается от состава обоих исходных материалов и имеет некоторое промежуточное значение, что свидетельствует о проникновении элементов из одного материала в другой.

Но остается неясным, какие фазы образуют переходную зону и сохраняются ли упорядоченные фазы.

ПЭМ исследование показало, что, вихревая зона является ультрамелкокристаллической. На микрофотографии (рис. 11а) представлена панорама с протяженного участка вихревой зоны. На микрофотографии (рис. 11б), по- Рис. 10. Продольное сечение поверхности раздела орторомбический сплав – титан (оптическая металлография): а – чередующиеся полосы алюминида (темные) и титана (светлые); б – вихри.

а б в Рис. 11. Микроструктура переходной зоны (ПЭМ): а – панорама протяженного участка вихревой зоны; б – зерна -фазы в рефлексе (002) (темное поле); в – микродифракция с участка, представленного на рис. 11б, рефлексы от нескольких ориентировок (сечений обратной решетки) -фазы и рефлексы фазы, о.з. [331] с диффузными тяжами.

лученной в рефлексе (002), видны светящиеся зерна -фазы на фоне зерен -фазы, имеющих другие ориентировки, и зерен -фазы. На микродифракции (рис. 11в) видны рефлексы от нескольких ориентировок (сечений обратной решетки) -фазы и рефлексы -фазы о.з. [331] (с диффузными тяжами).

К переходной зоне примыкает с одной стороны полосовая структура алюминида титана (рис. 12а), а с другой стороны – рекристаллизованная зона титана (рис. 12б). Зерна, возникшие в титане после рекристаллизации, имеют размеры (1–5мкм), которые гораздо меньше, чем до сварки (примерно 50 мкм). На микрофотографиях, приведенных на рис. 11, 12, зерна в переходной зоне имеют размеры 50–300 нм, за исключением отдельных крупных зерен. Фактически переходная зона является нанокристаллической.

а б Рис. 12. Микроструктура переходной зоны и примыкающих к ней областей:

а – Структура алюминида, примыкающего к переходной зоне (ПЭM);

б – Структура титана, примыкающего к переходной зоне (ПЭM).

Таким образом, исследуемое соединение представляет собой многослойную структуру, в состав которой входят по мере приближения к границе раздела:

• сильно деформированная зона полосового типа, содержащая О- и 2фазы со стороны алюминида и -фазу со стороны титана;

• рекристаллизованная зона -титана (размер зерен примерно 1–5 мкм);

• переходная зона (зона перемешивания), содержащая вихревые области (в алюминиде) и имеющая преимущественно + ультрадисперсную структуру (50–300 нм).

Фундаментальная проблема, от решения которой зависит дальнейшее развитие технологий при сварке взрывом, состоит в выявлении процессов, обеспечивающих перемешивание исходных материалов вблизи границы раздела и соответственно их свариваемость (сцепление).

Для исследуемого в настоящей работе соединения алюминида титана с титаном можно оценить диффузионные пути атомов из одного материала в другой за время порядка 10-6 с при температуре, близкой к 1000 °С в твердых телах и в жидкости, затем сравнить их с шириной переходной зоны.

Ширина переходной зоны меняется от одного участка к другому. Для различных вихревых областей, изображенных на рис. 9, 10, ширина меняется в пределах 30–50 мкм. Эти значения на несколько порядков, как минимум – на четыре, больше тех расстояний, на которые могли бы переместиться атомы путем диффузии во время взрывного нагружения.

Дерибас [7] обращает внимание на многообразие структуры переходной зоны в разных соединениях. До сих пор нет окончательного ответа на вопрос, что представляет собой промежуточный слой – комбинацию истинных растворов или тонкодисперсные смеси двух металлов. Судя по многообразию структуры переходной зоны в разных соединениях, есть разные сценарии их формирования.

Источником энергии при сварке взрывом является ВВ, часть химической энергии которого переходит в кинетическую энергию метаемой пластины. Сброс свободной энергии, прежде всего, обеспечивается за счет волнообразования, происходящего в результате пластической деформации на поверхности соударения [8]. Волнообразование способствуют механическому перемешиванию и “зацеплению” соединяемых металлов и увеличивает поверхность их соприкосновения. Кроме того, часть кинетической энергии метаемой пластины превращается в так называемое “мгновенное“ тепло, которое выделяется в узкой зоне вдоль поверхности соединения. Количество “мгновенного“ тепла может оказаться достаточным для расплавления некоторого микрообъема в “горячей” точке. Процесс расплавления является одним из эффективных процессов, приводящих к диссипации кинетической энергии. На первый взгляд, фронт расплавления будет сферическим. Но если возникнет неустойчивость такого фронта, то она может нарастать, т. к. вместо участка сферической формы возникнет вытянутая поверхность с большей площадью. При этом сброс тепла будет больше, чем изначально, и будет нарастать по мере вытягивания. Такая вытянутая форма фронта расплавления имеющая вид вихрей, и видна на микрофотографиях (рис. 9г, 10б). Поскольку при удалении от “горячей” точки температура уменьшается, выгодным может оказаться закручивание слоев вокруг исходного расплавленного микрообъема, приводящее к образованию протяженных поверхностей между ними. Такие слои, образующие вихрь, видны на приведенных микрофотографиях. На форму вихря влияет то обстоятельство, что вихрь растет в стесненных условиях, будучи зажатым между двумя разнородными материалами. Существенно, что вихрь представляет собой диполь (рис. 9г, 10б), состоящий из вихрей, имеющих разную спиральность (завихренность). Каждый из них растет из разных центров. На некоторых участках наблюдается распад диполя на отдельные вихри (рис. 9в). Образование двух разноименных вихрей, будучи следствием закона сохранения момента, является общей закономерностью. Разрушение дипольной конфигурации вихря из-за присущей ей стабильности затруднено, что может сыграть важную роль в формировании прочного соединения.

Таким образом, при сварке взрывом в наших экспериментах, действительно образуется расплав. В зоне расплава концентрация выравнивается, но не обязательно будет средней. После снятия ударной нагрузки начинается затвердевание расплава.

Обнадеживающим в предполагаемом сценарии является возможность объяснить, почему возникают две новые фазы, отличные от исходных.

Новые фазы не являются равновесными, поскольку после образования при высокой температуре они зафиксированы быстрой закалкой (105 К/ c). Быстрая закалка также играет существенную роль в формировании ультрадисперсной структуры зоны перемешивания, но возможно влияние и других факторов. При замере химического состава, проведённом в переходной зоне, наблюдается концентрация элементов (Ti-15,26Al-7,53Nb), близкая к упоминаемой выше средней концентрации. Поскольку необходимо расплавление обоих исходных материалов, температура вблизи их контакта должна быть не меньше температуры плавления технически чистого титана, равной примерно 1650 °С. Были проанализированы изотермические разрезы системы Ti-Al-Nb при различных температурах. В работе [9] установлено, что в сплаве этой системы при концентрациях Al и Nb, близких к обнаруженной в переходной зоне, при температурах 1000–1400 °С наблюдается -фаза, тогда как -фаза становится наблюдаемой лишь при 900–1000 °C. В зоне перемешивания, как видно из микродифракции (рис. 11в), наблюдаются разупорядоченные фазы (, ). Учитывая, что Nb является -стабилизатором, а Al–стабилизатором, можно полагать, что зерна обогащены Nb, тогда как зерна обогащены Al.

Проведенные в данной работе исследования показывают, что вихревая зона имеет три характерных средних размера. Один связан с общим размером самого вихря, который составляет 20–100 мкм. Второй размер связан со слоистой структурой вихря и составляет примерно 2 мкм (рис 13а).

Наконец, третий характерный размер связан с микроструктурой вихревой зоны, состоящей из смеси зерен - и -фаз. В соответствие с ПЭМ данными средние размеры таких зерен составляют примерно 100 нм.

Вне вихревых зон отсутствует видимая зона квазигомогенного перемешивания. Как бы то ни было, вблизи контактной поверхности возникает некоторая переходная область, которая уже не связана с расплавлением и содержит большое количество частиц одного металла, попавших в другой (см. рис. 10б). Можно полагать, что в этом случае определяющим является изменение мод пластической деформации в ударной волне. Включаются ротационные моды: фрагментация объема, повороты фрагментов, повороты конгломерата фрагментов и др.

Все эти процессы приводят к достаточно быстрому поглощению энергии взрывной волны, иначе говоря, к диссипации энергии сначала за а б Рис. 13. Фрагменты рис. 10б, полученные при более сильном увеличении:

а – вихрь; б – треки.

счет возникновения весьма значительных поверхностей раздела фрагментов (чем мельче фрагменты, тем больше такая поверхность), а затем за счет трения при движении фрагментов друг относительно друга, их вращения, движения конгломератов фрагментов и т.д. При этом фрагменты одного исходного материала могут проникать в другой материал. Мы уже обращали внимание на тонкую длинную границу раздела на рис. 10б, вблизи которой не видно вихревых зон. Оказалось, что при более сильном увеличении отчетливо видны линии, исходящие от поверхности (рис. 13б). Некоторые из них указаны стрелками. Учитывая наблюдение ”языков” титана, можно полагать, что здесь также наблюдается перенос частиц титана в алюминид, но частиц существенно меньшего размера. Видно, что направление их движения не является кристаллографическим. По сути дела, на оптической микрофотографии мы наблюдаем следы прохождения частиц, причем длины треков различны.

Таким образом, при сварке взрывом сцепление поверхностей имеет двойственную природу и осуществляется посредством:

• расплавления и последующего перемешивания (в зоне вихрей);

• переноса частиц одного металла в другой с образованием треков частиц (вне зоны вихрей).

Основные результаты и выводы:

1. Продемонстрирована возможность использования орторомбического алюминида титана ВТИ-1 для плакирования титана и титановых сплавов.

2. Выяснено, из каких слоев, параллельных контактной поверхности, состоят биметаллические соединения орторомбического алюминида титана ВТИ-(Ti-30Al-16Nb-1Zr-1Mo, ат.%) с титановым сплавом ПТ3В (диффузионная сварка) и с технически чистым титаном (сварка взрывом);

идентифицированы фазы, заполняющие слои, выяснена роль диффузионных процессов и фазовых превращений, включая возможное расплавление, выявлены, какие из исследуемых процессов являются ответственными за перемешивание материалов вблизи контактной поверхности и соответственно за сцепление материалов (их свариваемость).

3. Установлено, что биметаллическое соединение, полученное путем диффузионной сварки, имеет следующую структуру:

– -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).

4. Обнаружено, что фазовые превращения 2B2 и OB2 реализуются по следующему механизму: быстрое превращение в разупорядоченную фазу 2 и O и затем последующее упорядочение. Температура и время нагрева при диффузионной сварке оказались достаточными для того, чтобы произошел лишь процесс разупорядочения. Для восстановления интерметаллических фаз сварное соединение было подвергнуто отжигу при таких же условиях, как при получении исходного орторомбического сплава.

Показано, что первоначальные 2- и O-фазы действительно были восстановлены. При этом соединение сохранило свою сплошность.

5. Выявлены факторы, определяющие качество биметаллического соединения при диффузионной сварке: увеличение коэффициентов диффузии, что типично для разупорядочения; один и тот же тип кристаллической ОЦК решетки по обе стороны от КП и их взаимная подстройка; отсутствие сплошного интерметаллического слоя вблизи КП.

6. Установлено, что биметаллическое соединения, полученное путем сварки взрывом, имеет следующую структуру:

– зона сплошного деформирования, наблюдаемая в обоих материалах;

– рекристаллизованная зона, наблюдаемая в титане;

– переходная зона вблизи границы раздела, содержащая изолированные вихри.

7. Показано, что вихревая зона возникает из расплава. Перемешивание жидкости происходит гидродинамическим способом под воздействием ударной волны. В результате в зоне расплава выравнивается концентрация, которая приближается к средней. Далее происходит эвтектический распад на две фазы: и (обе фазы разупорядочены).

Pages:     | 1 | 2 || 4 |






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