Ползучесть слоистых микроструктурных композитов

УДК 53.072:621.791.4

ПОЛЗУЧЕСТЬ СЛОИСТЫХ МИКРОСТРУКТУРНЫХ КОМПОЗИТОВ

В.В. Пешков, А.Б. Булков

Эффективным средством, обеспечивающим снижение деформации заготовок при диффузионной сварке, является применение смешанных структур, в которых чередуются участки с а-зернами глобулярной и пластинчатой формы. В данной статье приведены результаты изучения высокотемпературной ползучести композитного материала, полученного диффузионной сваркой листов с указанными структурами.

Исследования проводим на образцах диаметром 11,3 и высотой 20 мм из сплавов ОТ4 и ВТ20, которые нагружали сжимающим давлением от 1,0 до 20,0 МПа при температурах 850-950 °С (ОТ4) и 900-975 °С (ВТ20).

В ходе работы установлено, что скорость ползучести сплавов со слоистыми структурами зависит от объемного содержания материала с крупнозернистой структурой и направления приложения давления по отношению к слоям в композитных заготовках.

В случае приложения нагрузки параллельно слоям композита скорость ползучести композита уменьшается прямо пропорционально увеличению доли слоев с крупнозернистой структурой.

В случае приложения давления перпендикулярно слоям композита его деформация в основном обусловлена деформацией слоев с мелкозернистой структурой и зависит от их толщины и количества. Если толщина слоев с мелкозернистой структурой сопоставима или меньше диаметра образца, то проявляется эффект их контактного упрочнения, вследствие сдерживающего действия соседних слоев материала с крупнозернистой пластинчатой микроструктурой, обладающих значительно более высоким сопротивлением деформации.

На основании проведенных исследований получены выражения для расчета скорости ползучести слоистых композитов

Ключевые слова: титановые сплавы, ползучесть, микроструктура, композит

Известно, что скорость ползучести титановых а и а+ув-сплавов существенно зависит от их исходной микроструктуры [1]. Это дает возможность управлять процессом деформации конструкции при диффузионной сварке за счет оптимизации микроструктурного состояния свариваемых заготовок. Наиболее перспективно применение смешанных структур в которых чередуются участки с а-зернами глобулярной и пластинчатой формы.

Основным способом получения такого материала является диффузионная сварка пакета из листов различной толщины с указанными структурами.

Практическое применение структурных композитов требует изучения их механических свойств, в частности, высокотемпературной ползучести.

Для исследования высокотемпературной ползучести использовали образцы (рис. 1) диаметром 11,3 мм и высотой 20 мм, которые изготавливали из заготовок слоистых микроструктурных композитов из сплава ОТ4 и ВТ20. Сжимающее давление р=1,0-20,0 МПа прикладывали в интервале температур 850-950 °С (ОТ4) и 900-975 °С (ВТ20).

В ходе выполнения работы было установлено, что скорость ползучести сплавов со слоистыми структурами зависит от объемного содержания материала с крупнозернистой структурой (V) и направления приложения давления по отношению к слоям в композитных заготовках (рис. 1).

В случае приложения нагрузки параллельно слоям композита (рис. 1, а) скорость ползучести ёсл

уменьшается с увеличением Vk. В исследованном

Пешков Владимир Владимирович - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, e-mail: otsp@vorstu.ru

Булков Алексей Борисович - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, e-mail: bulkov ab@mail.ru

интервале температур и давлений выполняется неравенство ём>¿сл> ¿кс (где индексы «сл», «мс», «кс»

соответствуют слоистому композиту, материалу матрицы - сплаву с мелкозернистой структурой при Vk=0 и материалу армирующего компонента - сплаву с крупнозернистой структурой при I )= 100 %).

а б

Рис. 1. Схемы взаимного расположения давления и слоев в микроструктурных композитах при их испытаниях на ползучесть:

а - параллельно, б - перпендикулярно

Экспериментальные значения ё полученные

при постоянной температуре испытания, хорошо укладываются на прямые в логарифмических координатах 1п £сл- 1п р (рис. 2), т.е. Ёс~р" (где п - тангенс угла наклона прямых к оси 1п р).

Повышение V в интервале от 0 до 50 % сопровождается увеличением показателя степени п, величину которого можно определить по зависимости п =1+0,04^ .

1п ¿ел,С

-9 -11 -13

1 ? 3 й

л ¡у

14

15

16 1пр, П

Рис. 2. Зависимость 1п ¿сл- 1пр сплава ОТ4 при 950 °С и Vк

Эффективная энергия активации процесса ползучести микроструктурных композитов определяли путем построения зависимостей 1п ¿сл - 1/Т. В исследованном интервале параметров эксперимента р) эти зависимости представляют собой прямые линии (рис. 3). С увеличением содержания крупнозернистой структуры угол их наклона к оси 1/Т возрастает. При 14=50 % значение Е достигает максимума (385 кДж/моль - ОТ4; 490 кДж/моль - ВТ20) и дальнейшее увеличение \'к не изменяет его.

_ л

1п ¿СП,с"

-11 -13 -15

ч>1

N  3

8,0 8,5 9,0

О4/Г, К"1

Рис. 3. Зависимость 1п ¿сл - 1/Т сплава ОТ4 при р=2

МПа и Vк

Эффективную энергию активации процесса ползучести для интервала изменения Ук от 0 до 50 % можно оценить по выражениям (кДж/моль): для ОТ4 - Е=272+2,26^¥к, для ВТ20 - Е=327+3,4-V. Расчет значений ¿сл (с-1) в интервале 0<¥к<50 %

можно проводить по зависимостям: для ОТ4

¿сл =106'6+0'096№. р^. ехр

272+2,26Ук

для ВТ20 - ¿^ =108'9+°'11#к- ры'04П .ехр

RT 327+3,4 ¥к RT

Одинаковая скорость ползучести композитов с разным микроструктурным состоянием (Ук от 0 до 100 %) достигается приложением различного по величине давления. Анализ зависимостей ¿(Г) и р(Ук) показал, что закономерности ползучести слоистых структурных композитов из титановых сплавов соответствуют модели ползучести композитов с непрерывными волокнами. Выражение для расчета

давлений, вызывающих определенную скорость ползучести можно получить, используя правило смеси:

рсл = рис (1-Кк/100) + рКС • Ук/100.

В случае приложения давления перпендикулярно слоям композита (рис. 1, б) его деформация есл в основном обусловлена деформацией слоев с мелкозернистой структурой ешис и зависит от их толщины h и количества т. Так как в области рассматриваемых давлений слои с крупнозернистой пластинчатой микроструктурой практически не деформируются, то можно считать, что есл^^ЬРмс.

/ ГШ 1=1

Пластическая деформация при сжатии каждого слоя с мелкозернистой микроструктурой происходит в стесненных условиях вследствие сдерживающего действия соседних слоев материала с крупнозернистой пластинчатой микроструктурой, обладающих значительно более высоким сопротивлением деформации. Это приводит к контактному упрочнению слоя с мелкозернистой глобулярной структурой, скорость ползучести которого будет зависеть от его относительной толщины X=h/D (где h - толщина и D - диаметр слоя). Увеличение значений X до 1,0 при прочих одинаковых условиях приводит к росту скорости ползучести прослойки с мелкозернистой структурой еМс (табл.). При Х>1,0 8^= &ш и дальнейшего повышения значения ¿и не наблюдается.

Скорость ползучести ё и ¿^ структурных слоистых композитов при р=2,0 МПа

Сплав ВТ20 при 975 °С Сплав ОТ4 при 950 °С

Нагрузка приложена параллельно слоям композита Нагрузка приложена перпендикулярно слоям композита

V. , % ё , с-1 сл Х= h/D • ис £п Кхэ к , = 1 + !- д 3л/эй

0 5,0-10-5 6,0 4,6-10-5 1,0 1,03

20 1,0^10-5 - - - -

34 3,7^10-6 3,0 4,55^ 10-5 1,0 1,06

50 2,5^10-/ 1,5 4,55^ 10-5 1,03 1,13

70 1,310-/ - - - -

100 5,4^ 10-8 1,0 4,1710-5 1,1 1,2

0,5 3,0^10-5 1,15 1,4

0,2 3,1810-5 1,45 2,0

0,1 2,2^10-5 2,1 3,0

0,05 1,28^ 10-5 3,6 4,9

Эффект контактного упрочнения материала с мелкозернистой глобулярной структурой может быть охарактеризован коэффициентом Кхэ= ёмс/ ¿М".

При Х>1,0 в пределах ошибки измерения Кхэ=1,0. Экспериментальные значения Кхэ меньше расчетных Кх, что можно объяснить погрешностями расчетной схемы (представлением слоев с крупнозернистой структурой как абсолютно жестких, неучетом краевых эффектов и т.д.).

В исследованном интервале параметров обработки при Х< 1,0 скорость ползучести пропорциональна приложенному давлению: ¿ПМС~р" (рис. 4). Исходя из этого, можно сделать вывод, что механизм ползучести прослойки с мелкозернистой структурой (Х<1,0) и образцов с мелкозернистой структурой (/. 1.0) - идентичны.

/"¿Г, с1

14 14,5 15 1пр, Па

Рис. 4. Зависимость 1п ёмс- 1п р сплава ОТ4 при 950 °С и X, равном: 1,0 -

Скорость ползучести мелкозернистой прослойки можно оценить по зависимости

'мс— ¡Т^ э

£п - мс КХ .

Для структурного композита, состоящего из т слоев с мелкозернистой структурой, с учетом различия в значениях К/ и Кх будет

h т

ё,„ =1,4-£,„

1+

1

3[3к

Выводы

1. Скорость ползучести микроструктурного композита, полученного диффузионной сваркой листовых заготовок, зависит от объемного содержания материала с крупнозернистой структурой и направления приложения давления по отношению к слоям в заготовке.

2. При постоянных параметрах процесса сварки, можно изменять скорость высокотемпературной деформации материала заготовок из слоистых композитов в диапазоне значений от 10-4 до 10-8 с-1 регулируя их структуру.

Литература

1. Диффузионная сварка титановых слоистых конструкций аэрокосмической техники / В.В. Пешков, А.Б. Булков, И.Л. Батаронов и др.; под ред. В.С. Рачука. - Воронеж: ФГБОУ ВПО "Воронежский государственный технический университет", - 2012. - 312 с.

Воронежский государственный технический университет

CREEP OF MICROSTRUCTURAL LAYERED COMPOSITES V.V. Peshkov1, A.B. Bulkov2

1Full Doctor, Professor, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation

e-mail: otsp@yorstu.ru

2PhD, Associate Professor, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation

e-mail: bulkov ab@mail.ru

An effective way to ensure reduction of billets deformation during diffuse welding is using mixed structures where sections with a-grains of globular and lamellar forms alternate. The article presents the results of the study of high-temperature creep of composite material obtained by diffuse welding of sheets with the structures mentioned.

The study is conducted using samples of 11.3 mm in diameter and 20 mm height from alloys OT4 and VT20, which are loaded with compression pressure of 1.0 to 20.0 MPa at temperatures of 850-950 ° C (OT4) and 900-975 ° C (VT2o).

The work established that the creep rate of alloys with layered structures depends on the volume content of the coarsegrained material and the pressure application direction relative to the layers in composite workpieces.

In the case of load application parallel to the layers of the composite its creep rate decreases in direct proportion to the increase in the share of layers with coarse-grained structure.

When pressure is applied perpendicular to the layers of the composite its deformation is mainly caused by deformation of the layers with fine-grained structure and depends on their thickness and number. If the thickness of the layers with finegrained structure is comparable to or less than the diameter of the sample, there appears an effect of their contact hardening due to the restraining effect of the adjacent layers of the material with coarse-grained lamellar microstructure that have significantly higher resistance to deformation.

Formulas for calculation of lamellar composites creep rate have been obtained on the basis of the study

Key words: titanium alloys, creep, microstructure, composite

References

1. Peshkov V.V., Bulkov A.B., Bataronov I.L., ed. Rachuk V.S., "Diffusion welding of titanium laminated structures of aerospace equipment" ("Diffuzionnaja svarka titanovyh sloistyh konstrukcij ajerokosmicheskoj tehniki"), Voronezh: Voronezh State Technical University (2012): 312