Структура и механические свойства слоистых материалов на основе титана и алюминия, полученных по технологии сварки взрывом и дополнительной термической обработки

На правах рукописи

Павлюкова Дарья Викторовна

СТРУКТУРА И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СЛОИСТЫХ

МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ТИТАНА И АЛЮМИНИЯ,

ПОЛУЧЕННЫХ ПО ТЕХНОЛОГИИ СВАРКИ ВЗРЫВОМ

И ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

Специальность 05.16.09 – материаловедение (в машиностроении)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Новосибирск – 2011

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Новосибирский государственный технический университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Батаев Анатолий Андреевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент

Токарев Александр Олегович

кандидат технических наук, профессор

Тихомирова Людмила Борисовна

Ведущая организация: Сибирский научно-исследовательский

институт авиации им. С.А. Чаплыгина,

г. Новосибирск

Защита диссертации состоится « 6 » октября 2011 г. в 1500 часов на заседании диссертационного совета Д 212.173.13 в Новосибирском государственном техническом университете по адресу: 630092, г. Новосибирск, пр. К.Маркса, 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новосибирского

государственного технического университета.

Автореферат разослан « 6 » сентября 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат технических наук, доцент Иванцивский В.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Особенности многих объектов, значимых для общества, не допускают их неконтролируемого, преждевременного разрушения. Такого рода конструкции типичны для авиации, космонавтики, химического машиностроения, энергетики. Исходя из этого, одни из наиболее важных задач современного материаловедения связаны с разработкой материалов, предназначенных для изготовления деталей машин и элементов конструкций ответственного назначения, способных длительное время и с высокой степенью надежности эксплуатироваться в тяжелых условиях внешнего нагружения.

Анализ тенденций развития современного материаловедения свидетельствует о том, что одно из эффективных решений отмеченной проблемы заключается в разработке материалов слоистого типа. Для их изготовления могут быть использованы хорошо зарекомендовавшие себя титан и его сплавы, а также материалы на основе алюминия. В значительной степени интерес к ним обусловлен тем, что в условиях нагрева соединенные между собой титан и алюминий образуют высокопрочные интерметаллиды, благоприятно влияющие на комплекс механических свойств композиции. Такого рода материалы могут быть использованы для изготовления демпфирующих элементов а также конструкций, эффективно поглощающих энергию взрыва.

Получение композитов с интерметаллидными слоями по технологии, основанной на отжиге пакета пластин в воздушной атмосфере, неизбежно связано с образованием оксидной плёнки, снижающей скорость реакции и негативно отражающейся на свойствах материала. В данной работе в качестве метода получения слоистых материалов использована сварка взрывом многослойного пакета с последующей его термической обработкой. Использование данной технологии позволяет проводить нагрев на воздухе, при этом устраняется возможность попадания кислорода во внутренние слои материала. Кроме того, давления, развиваемые в процессе сварки взрывом, обеспечивают качественный контакт между поверхностями соединяемых пластин.

Несмотря на интерес к слоистым материалам на основе титана и алюминия, проявляемый в последние годы, многие особенности их строения и поведения в различных условиях нагружения до сих пор не раскрыты. Такого рода задачи актуальны, имеют важное научное и прикладное значение.

Исследования, представленные в диссертационной работе, выполнены в рамках федеральной целевой программы "Научные и педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 гг." (мероприятие №1.3.2. "Проведение научных исследований целевыми аспирантами", ГК № 14.740.11.1159) и аналитической ведомственной целевой программы "Развитие научного потенциала высшей школы на 2009-2011 гг." (мероприятие 2 "Проведение фундаментальных исследований в области естественных, технических и гуманитарных наук", проект РНК: 2.2.1.1/4177).

Цель диссертационной работы:

Повышение конструктивной прочности материалов на основе титана и алюминия путем формирования сваркой взрывом и последующей термической обработки эффективной структуры слоистого типа.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Исследование процессов структурных преобразований в поверхностных слоях динамически взаимодействующих пластин алюминия и титана.

2. Исследование процессов формирования прослоек алюминида титана в условиях выдержки многослойных материалов при 630 C.

3. Исследование влияния интенсивности пластической деформации в многослойных материалах типа «алюминий - титан» на особенности формирования интерметаллидных прослоек.

4. Анализ механических и триботехнических свойств многослойных материалов на основе алюминия и титана, сваренных взрывом и дополнительно термически обработанных при 630 C.

5. Исследование процессов усталостного разрушения многослойных материалов типа «алюминий - титан» и «алюминий – алюминид титана - титан».

На защиту выносятся:

1. Результаты исследования структуры поверхностных слоев пластин алюминия и титана в многослойных композитах, полученных по технологии сварки взрывом.

2. Результаты исследования процессов формирования алюминидов титана в условиях выдержки длительностью от 1 до 100 часов при 630 С композитов «алюминий - титан», сваренных взрывом.

3. Результаты исследования поведения композитов типа «алюминий - титан» и «алюминий – алюминид титана - титан» в условиях трения скольжения, статического и усталостного нагружения.

4. Результаты математического моделирования процессов деформации и нагрева пластин алюминия А5 и титана ВТ1-0 при их динамическом взаимодействии.

Научная новизна

1. При формировании многослойных композиций «алюминий – титан» в процессе однократного динамического воздействия наиболее интенсивно деформируемыми являются поверхностные слои пластин, расположенных ближе к слою взрывчатого вещества. Установлено, что материал сильнодеформированных зон проявляет большую склонность к образованию интерметаллидов по сравнению с менее деформированными микрообъемами.

2. Методами структурного анализа установлено, что в поверхностных слоях алюминиевых пластин в зонах безвихревых участков сварных швов в процессе сварки взрывом развиваются процессы полигонизации. Средний размер субзёрен, сформированных в процессе кратковременного нагрева материала составляет 1,3 мкм. В поверхностных слоях титановых пластин дислокационная структура перестраивается менее интенсивно, чем в алюминии.

3. Методом микрорентгеноспектрального анализа показано, что вихревые участки, наблюдаемые в верхних интенсивно деформированных слоях, отличаются переменным химическим составом. В интенсивно деформированных микрообъёмах алюминия, прилегающих к вихревым зонам, в процессе сварки взрывом формируется наноструктурированный раствор титана в алюминии с размерами структурных элементов ~ 25 нм.

4. Установлено, что в процессе выдержки композиции "Al-Ti" при 630 °С в сварных швах формируются интерметаллиды Al3Ti двух морфологических типов. На месте вихревых зон образуются компактные выделения Al3Ti, на остальных участках сварных швов выделяются интерметаллиды в форме пленки. Интерметаллиды первого типа растут более интенсивно и в итоге поглощают выделения пленочной формы.

5. Показано, что характер распространения усталостных трещин в многослойных пакетах типа "Al-Ti" и "Al-Al3Ti-Ti" принципиально отличается от разрушения образцов, изготовленных из титана и алюминия. При усталостном нагружении с частотой 300 циклов в минуту с максимальной нагрузкой, соответствующей 80 % от предела текучести, усталостная долговечность композита "Al-Ti" примерно в 10 раз превышает долговечность исходных материалов. Тормозящий эффект межслойных границ обусловлен ветвлением и перезарождением трещин в зонах сварных швов.

6. Методами структурного анализа выявлены особенности дефектного строения слоев алюминида титана. Результатом присутствия железа в исходных пластинах алюминия являются строчечные выделения частиц алюминида железа в алюминиде титана. Установлено, что последовательность строчечных выделений дефектов данного типа соответствует паузам, имевшим место при термической обработке длительностью более 20 часов.

Практическая значимость и реализация результатов работы

1. Слоистые материалы типа «металл - интерметаллид», полученные путем сварки взрывом пластин титана и алюминия и последующей термической обработки, обладают высоким комплексом механических свойств и могут быть использованы для изготовления изделий ответственного назначения.

2. На основании результатов исследования структуры и механических свойств материалов разработаны рекомендации по формированию многослойных композиций на базе титана и алюминия. Экспериментально установлено, что при получении слоистых композитов с прослойками алюминида титана по технологии сварки взрывом с последующим отжигом при 630 оС наиболее эффективны выдержки длительностью до 20 часов, являющиеся рациональными с точки зрения соотношения толщины слоя и временных затрат на проведение термической обработки. При выдержках длительностью более 20 часов скорость роста интерметаллидных прослоек падает и эффективность термической обработки снижается.

3. Результаты исследований используются в курсах «Материаловедение» и «Порошковая металлургия и композиционные материалы» при реализации учебного процесса по специальности «Материаловедение в машиностроении» и направлению «Материаловедение и технология новых материалов» в Новосибирском государственном техническом университете.

4. Материалы, полученные при выполнении диссертационной работы, отмечены серебряной медалью специализированной международной промышленной выставки «Машиностроение. Металлообработка. Сварка. Металлургия - 2010» (ITE Сибирская ярмарка, 2010 г.).

Достоверность результатов

Достоверность полученных при выполнении диссертационной работы результатов обеспечена применением современного испытательного и аналитического оборудования; использованием статистических методов обработки экспериментальных данных; обоснованием результатов работы данными, полученными с использованием взаимодополняющих методов исследования структуры и оценки механических свойств материалов; использованием методов физического и математического моделирования процессов, происходящих при динамическом взаимодействии соединяемых заготовок; соответствием результатов экспериментальных исследований современным представлениям о структуре и свойствах слоистых материалов на основе титана и алюминия.

Личный вклад автора состоит в формулировании задач диссертационной работы, проведении экспериментов и теоретических исследований, обработке и анализе полученных результатов, формулировании выводов.

Апробация работы

Основные результаты и положения диссертационной работы докладывались на XVI международной научно-практической конференции «Современные техника и технологии», г. Томск, 2010 г., XLVIII международной научной конференции «Студент и научно-технический прогресс», г. Новосибирск, 2010 г., международной конференции с элементами научной школы для молодежи «Нанофизика и наноэлектроника. Мезоскопические структуры в фундаментальных и прикладных исследованиях», г. Новосибирск, 2010 г., седьмой всероссийской конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики», г. Томск, 2011 г., 8 всероссийской научно-технической конференции «Проблемы повышения эффективности металлообработки в промышленности на современном этапе», г. Новосибирск, 2010 г., 9 всероссийской научно-технической конференции «Проблемы повышения эффективности металлообработки в промышленности на современном этапе», г. Новосибирск, 2011 г., всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации», г. Новосибирск 2010 г., всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи «Проведение научных исследований в области индустрии наносистем и материалов», г. Белгород, 2009 г., XX уральской школе металловедов - термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов», г. Екатеринбург, 2010 г., V международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. "Образование, наука, инновации", г. Кемерово, 2010 г., всероссийской научно-технической конференции «Наука. Промышленность. Оборона», г. Новосибирск, 2011, на научных семинарах кафедры «Материаловедение в машиностроении» Новосибирского государственного технического университета.

Публикации

По теме диссертационной работы опубликовано 8 печатных научных работ, из них: 4 статьи в реферируемых научных журналах, входящих в перечень изданий, рекомендованных ВАК, 3 – в сборниках научных трудов Всероссийских конференций и 1 статья в международном журнале.

Объем и структура работы

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и приложения. Основной текст работы изложен на 236 страницах и включает 118 рисунков, 5 таблиц, список литературы из 152 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность и сущность диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, описаны основные направления научных исследований, запланированные в работе.

В первой главе «Структура и механические свойства слоистых материалов, полученных с использованием процессов пластической деформации и термической обработки» представлен аналитический обзор научной литературы по проблемам получения и использования слоистых композиционных материалов. Рассмотрены вопросы, касающиеся возможности формирования биметаллов на основе титана и алюминия методом сварки взрывом, характера взаимодействии данной пары материалов и проблем получения их прочного сварного соединения. С целью изучения химических соединений на основе данных материалов, их структуры, свойств и возможностей практического применения выполнен анализ диаграммы состояния «алюминий - титан». Материал, изложенный в литературном обзоре, послужил основой для обоснования цели и задач диссертационной работы.

Во второй главе «Материалы и методы исследования» описаны материалы, выбранные в качестве исходных для формирования многослойных пакетов по технологии сварки взрывом. Сварка взрывом пластин из алюминия марки А5 и титана технической чистоты ВТ1-0 толщиной 1 мм и 0,5 мм соответственно проводилась в Институте гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН. В качестве взрывчатого вещества использовали аммонит 6ЖВ и взрывчатое вещество на основе селитры и дизельного топлива с добавлением эмульгаторов. Количество свариваемых листовых заготовок варьировалось в диапазоне от 16 до 23. Формирование слоистых заготовок осуществлялось по параллельной схеме (рис. 1).

Интерметаллидные прослойки Al3Ti на границах раздела титановых и алюминиевых пластин были получены в процессе выдержки многослойных пакетов при 630 оС в течение 1...100 часов, а также в процессе выдержки при 660 оС в течение 5 часов.

Структурные исследования полученных образцов проводили методом оптической (приборы AXIO Observer A1m и AXIO Observer Z1m Carl Zeiss), растровой (EVO 50 XVP Carl Zeiss) и трансмиссионной электронной микроскопии (Tecnai 20). С целью выявления изменения фазового состава многослойных композитов в процессе термической обработки были проведены исследования с использованием рентгеновского дифрактометра ARL X’TRA.

Для определения прочностных свойств композиционных материалов типа «алюминий - титан» и «алюминий – алюминид титана - титан» была использована установка Instron 3369. Исследование прочностных свойств локальных участков многослойных материалов проводилось с применением микротвердомера Wolpert Group 402 MVD. Усталостные испытания композитов были проведены на установке Instron 8801. Нагрузка, прикладываемая к образцам, изменялась по синусоидальном закону. Триботехнические характеристики определяли в условиях трения скольжения по схеме «диск - плоскость». Лунки изнашивания изучали с использованием профилометра оптического типа Zygo NewView 7300.

В третьей главе представлен анализ процессов нагрева и деформации при динамическом взаимодействии пластин алюминия и титана, проведенный с использованием программного комплекса ANSYS AUTODYN 11.0. Моделирование осуществлялось при пространственном разрешении 75 ячеек на 1 мм эйлеровой сетки. Ударно-волновые процессы описывались уравнением состояния Shock EOS, для учета прочностных свойств материалов применена модель упругопластического поведения Джонсона-Кука.

В разделе отражены результаты анализа ударноволновых и тепловых процессов, развивающихся при сварке взрывом пластин алюминия и титана. Максимальные значения пластической деформации и температуры, реализуемые в процессе сварки взрывом, характерны для алюминиевой пластины. Величина значения эффективной пластической деформации материала в зоне контакта пластин составляет не менее 9. Максимальная температура (1781 К) наблюдается вблизи точки контакта пластин. Глубина слоя, подвергнутого температурному и деформационному воздействию, в алюминиевой пластине значительно выше, чем в титановой.

В четвертой главе представлены результаты исследования структуры и механических свойств многослойных композиционных материалов «алюминий - титан», сформированных в процессе сварки взрывом. Характерной особенностью сваренных взрывом материалов является формирование волнообразных границ раздела, основными параметрами которых являются амплитуда и длина волны, определяемые скоростью точки контакта и углами соударения свариваемых пластин. В работе показано, что амплитуда и длина волн в сваренных взрывом многослойных композитах изменяется не только в пределах одного многослойного пакета, что связано с уменьшением углов соударения, но и в зависимости от типа взрывчатого вещества. Использование эмульсионного взрывчатого вещества способствует росту значений амплитуды и длины волн. Теми же факторами определяется размер и объемная доля вихревых зон. Количество вихрей уменьшается по мере продвижения от верхних сварных швов к нижним. Использование эмульсионного взрывчатого вещества приводит к увеличению их количества в структуре композита.