Особенности электрохимической кинетики и механизма сплавообразования титановых прессовок с алюминием

Список литературы

1. Ольшанецкий В.Е. О миграции межзеренных границ общего типа. 1. Потенциальные и реальные движущие силы миграции для различных двумерных и трехмерных моделей зеренной структуры // Новi матерiали i технологи в металургй та машинобудуванш. - 2006. -№1. - С. 9-15.

2. Штремель М.А. Прочность сплавов. Ч.1. Дефекты решетки. - М.: Металлургия, 1982. - 278 с.

3. Ольшанецкий В.Е. Разработка научных принципов уп -равления структурно-энергетическим состоянием внутренних граничных зон с целью улучшения свойств и служебных характеристик металлических материалов //Докт. дисс. (д.т.н.), Нац. металлург. академия Украини - Днепропетровск, 1993. - 397с.

4. Ольшанецкий В.Е. Об особенностях миграции границ в металлических системах с равномерной зеренной структурой // Физика процессов залечивания макро- и микродефектов в кристаллах / Препринт ИФМ 78. 9/ -К.: Институт металлофизики АН УССР, 1978. - С. 1415.

5. Ольшанецкий В.Е., Степанова Л.П. О миграции границ в металлических системах // Новое в металловедении и обеспечение надежности и долговечности дета-

лей машин методами термической обработки. Материалы международного научно-технического симпозиума, Запорожье-Москва, 1977. - С. 42-45.

6. Ольшанецкий В.Е. Общие закономерности структурных изменений при термической обработке /глава 1/ // Термическая обработка металлов. - К.: Вища школа, 1980. -С. 7-38.

7. Ольшанецкий В.Е. Топологические дефекты двумерной зеренной структуры как центры интегрального роста зерен - ячеек. Эволюция дефектов и законов роста во времени // Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий: Тез. докл. IV Всесоюзн. научн.-техн. конф. 10-14 октября 1989 г. - Запорожье, 1989. -С. 28-29.

8. Бурке Дж., Тарнбалл Д. Рекристаллизация и рост зерен // Успехи физики металлов. - М.: Металлургиздат, 1956. -Вып.1. - С. 368-456.

9. Мак Лин Д. Границы зерен в металлах. - М.: Металлургиздат, 1960. - 322 с.

10. Ольшанецкий В.Е., Степанова Л.П. Об оценке энергии активации роста зерен в металлургических системах на основе никеля и железа // Металлофизика. - 1982. -Т.4. - № 2. - С. 101-107.

Одержано 7.11.2006

Теоретично обтрунтовуеться i пгдтверджуеться поведгнкою високочистих однокомпонентних i бтарних металевих систем iснування утверсальних закотвросту логарiфмiчного (експоненщального) типу, котрi при реалгзацИ процесу мiграцiiмеж зерен (комiрок) трансформуються у закони росту степеневого типу.

The existing of universal logarythm type growth laws is theoretically based and proved by an example of highly pure single component and binary metal systems. These laws, under certain conditions of grain boundary migration process, are transforming to known degree laws.

УДК 541.135.6

Канд.техн. наук С. А. Воденников Государственная инженерная академия, г. Запорожье

ОСОБЕННОСТИ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ КИНЕТИКИ И МЕХАНИЗМА СПЛАВООБРАЗОВАНИЯ ТИТАНОВЫХ ПРЕССОВОК С АЛЮМИНИЕМ

Проведен комплексный анализ влияния параметров электролиза на механизм и структуру сплавообразования алюминия с титановыми прессовками. Установлено, что диффузионные процессы для неспеченных образцов более развиты, образование интерметаллида TiAl3 протекает при плотности тока 0,5-0,65 А/см2, а для спеченных 0,6-0,75 А/см2.

Введение

к высококачественным исходным материалам, многоСовременный уровень развития технического про- кратным повышением их стоимости, а также дефици-гресса во многом зависит от совершенствования тех- та. Наибольший процент брака приходится именно на нологии получения порошковых изделий. Особенно его долю. Вследствие его окисления или насыщаемо-это стало актуальным в связи с ограничением доступа сти азотом, появилась необходимость поиска новых

© С. А. Воденников, 2006

ISSN 1607-6885 Новi матерiали i технологи в металургй та машинобудуванш №2, 2006 1 9

нетрадиционных способов уплотнения прессовки. Известно, что полезные свойства прессовки получают при значительном уплотнении, однако механические свойства определяются не только пористостью, но и другими факторами, влияние пористости на их свойства вполне закономерны и очевидны. С дугой стороны, порошковая металлургия является одной из перспективных технологий металлургического и машиностроительного производства. Острая необходимость в металлических порошках, порошковых материалах и изделиях объясняется широкими возможностями использования их при решении многих научно-технических задач. Основные преимущества порошковой металлургии перед другими технологическими процессами состоят в резком сокращении расхода материалов и электроэнергии при производстве изделий. Характерной тенденцией в развитии проблемы создания надежных конструкционных материалов в настоящее время является не только стремление сохранить износостойкость и коррозионную стойкость традиционных материалов, но и создание принципиально новых материалов с уникальными свойствами.

Если последнее десятилетие основным фактором в области создания новых материалов стало применение методов порошковой металлургии, то сейчас аналогичное явление начинает оказывать техника нанесения поверхностных покрытий и обработка поверхности. Рациональное использование защитных покрытий может при современном уровне развития технологии их нанесения дать экономию десятков миллионов тонн черных и цветных металлов в год [1]. Для повышения прочностных характеристик порошковых изделий и расширения диапазона рабочих температур можно использовать электролитический алюминий. В процессе электролиза происходит диффузия алюминия вглубь прессованного изделия и сплавооб-разования двух металлов, а также уплотнение и частичное спекание изделия за счет высокой температуры процесса. Этот способ позволяет получить равномерное покрытие достаточной толщины сложных по форме изделий при сравнительно низких температурах (873-903К). Рассмотрение вопросов исследования механизма и кинетики электроосаждения алюминия на различные структуры подложек из титана актуальны и своевременны, так как это позволяет более глубоко понять природу сплавообразования, выбрать оптимальные параметры электролиза и прогнозировано синтезировать интерметаллические соединения (ИМС) с заданными свойствами.

Материалы и методика эксперимента

В настоящей работе исследовали электрохимическую кинетику процесса осаждения алюминия из расплава солей А1Р3-ЫаР-№С1 [2] на образцы прессованного титана, подвергнутые: а) одному холодному прессованию (сырые образцы); б) холодному прессованию и спеканию (спеченные). Для снятия поляризацион-

ных кривых применялась установка, схема которой представлена на рис. 1. Поляризация катода велась от потенциостата ПИ-50-1, работающего в гальваностатическом режиме. В качестве электрохимической ячейки (5) использовали синтеркорундовый тигель со специальными электродами (рис. 2). С помощью кривых выключения (рис. 3) определяли потенциал катода при предельной плотности поляризационного тока. Дальнейшие исследования были направлены на проверку характерных закономерностей электрохимических параметров в процессе осаждения алюминия на образцы титановых колец на специально разработанной промышленной установке [3]. Подвергнутые электролитическому алюминированию образцы исследовали металлографическим и рентгеноструктурным анализами. Рентгеноструктурный анализ выполнен на установке ДРОН-3М при излучении медного анода. Работали с К - излучением, средняя длина волны

= 1,54138А. Применяли фильтр из никелевой фольги для получения монохроматического излучения. Для рентгеноструктурирования был выбран режим съемки: напряжение на рентгеновской трубке 28 кВ и ток 10 тА, скорость передвижения счетчика 1 град/мин. Металлографические исследования микроструктуры покрытий проводили с помощью оптического микроскопа МИМ-8М.

Результаты исследования

Сравнительный анализ поляризационных кривых (рис. 4) показывает, что в начальный момент электролиза электродный потенциал катода из титана после спекания выше, чем сырого, в 1,3 раза (соответственно 4 и 3 В). При росте плотности тока до 0,13 А/см2 (кривая " 5 ") происходит резкое снижение потенциала, что свидетельствует о преимущественном выделении и кристаллизации чистого алюминия.

Особый интерес представляет интервал плотностей тока 0,5-0,65 А/см2, в котором образуется интерметаллическая фаза при практически постоянном потенциале на катоде. Образование интерметаллической фазы для титана после спекания (кривая " ") происходит при более высоких плотностях тока 0,6-0,75 А/см2. Это свидетельствует о затруднении диффузии А1 в более плотной структуре подложки. При плотности тока более 1,1 А/см2 (кривая " а ") наступает равновесное состояние, характерное для выделения чистого алюминия. Рентгеноструктурный анализ показал, что исходные спеченные образцы состоят из а -14 (рис. 5, кривая 1). В готовом изделии (рис. 5, кривая 2) сохранялась структура а -1 и образовались новые фазы -интерметаллид ИА13 (новые пики на кривой 2). Так как электролиз алюминия не оказал существенного влияния на структуру основы титановых образцов, то рентгенограммы образцов, исходного и после электролиза, имеют одинаковый характер, за исключением новых пиков образования алюминидов.

Рис.1. Принципиальная схема установки для снятия гальваностатических поляризационных кривых:

1 - осциллограф С8-13; 2 - вольтметр В7-21А; 3 - регистрирующий прибор ПДА1; 4 - потенциостат ПИ-50-1.1; 5 - электролитическая ячейка; 6- программатор ПР-8; 7 - милливольтметр

Рис. 3. Кривая выключения (общий вид): по горизонтали: 1 деление - 1 сек; по вертикали: 1 деление - 0,5 В

I А/см 2

%

7 6 5 4

Рис. 2. Схема электрохимической ячейки:

1 - синтеркорундовый тигель; 2 - электролит; 3 - катод; 4 - пробирка из молибденового стекла; 5 - вспомагательный молибденовый электрод; 6 - свинцовый электрод сравнения;

7 - термопара; 8 - графитовый анод; 9 - стеклянная пробирка; 10 - синтеркорундовые трубочки; 11 - молибденовые токоподводы

Ю 9 8 7 й 5

П_

V

1

1

V, б

Рис. 4. Катодная поляризация титана в расплаве А!Р3-МаР-№С!: а - титан после спекания; б - титан после холодного прессования

1607-6885 Новi матерiали i технологи в металурги та машинобудувант №2, 2006

21

Рис. 5. Дифрактограммы титана: исходные 1 и с алюминидным покрытием 2

Микроструктурный анализ "сырого" и спеченного алюминированных образцов подтверждает, что диффузионное проникновение А1 вглубь образца, его спла-вообразования с титаном имеет ряд отличительных черт (рис. 6, 7). Во- первых, алюминий легче и глубже диффундирует в "сыром" образце, во- вторых, структура диффузионного слоя более плотная. Наряду с а -титаном присутствует интерметаллическая фаза и твердый раствор алюминия в титане. Установлено, что для всех видов образцов характерно снижение размера зерен и повышение поверхностной плотности по сравнению с исходным образцом. Однако диффузионные процессы в "сыром" образце более развиты, поэтому глубина проникновения алюминия достигает 700 мкм, а вот диффузионный слой спеченного образца достигает лишь 300-500 мкм. По всей видимости, это связано с исходным состоянием структуры прессованного титана. В "сыром" образце процессы рекристаллизации протекают легче, что связано с лучшим плакированием титана алюминием, совместной диффузией и сплавообразования на основе интерметалли-да Т1А13 Поверхностная энергия жидкой фазы алюминия способствует дроблению зерен титана, их перегруппировке и уплотнению [4, 5].

Выводы

1. Определены интервалы плотностей тока электроосаждения ИМС системы алюминий- титан с помощью анализа и обобщения поляризационных кривых.

2. Установлено влияние структуры материала подложки и последствий термообработки на механизм формирования диффузионного интерметаллидного слоя.

3. Показано, что с помощью электролитического алю-минирования возможно значительное уплотнение и упрочняющие сплавообразование титановых прессовок.

Рис. 6. Микроструктура алюминированного образца титана после спекания, х 300

Рис. 7. Микроструктура "сырого" алюминированного образца титана, х 200

Список литературы

1. Воденников С. А., Богуславский Д .Ю., Темногорова Н.В. Получение электролитическим способом интерметаллов системы А1-Т на поверхности изделий, спрессованных из титанового порошка // Технология и оборудования производства цветных и черных металлов и сплавов. - Киев, 1991. - С. 34-38.

2. А.С. 1708941 СССР, МКИ С25Д/ 366. Способ электрохимического алюминирования. / Н.В. Темногорова, И.П. Хараман, С .А. Воденников и др. (СССР). 1992 г., Бюл. №4.

3. Воденников С.А., Тарасов В.К., Воденникова О.С. Пристрш для нанесення покритпв / Декларацшний

патент на винахвд № 10686 (ИА) С25Б5/06 Бюл.№11, 2005р. от 15.11.2005 р.

4. Воденников С.А., Гусаров О.О., Катранова И.В. Повышение эксплуатационных характеристик порошковых изделий с помощью электролиза ионных расплавов. / Металлургия. Труды Запорожской государственной инженерной академии. Вып. 2., Запорожье, ЗГИА, 1999. -С. 89-91.

5. С.А. Воденников. Улучшение качества изделий из порошковых материалов /Металлургия. Труды Запорожской государственной инженерной академии. Вып.4., Запорожье, ЗГИА. - 2001. - С. 55-57.

Одержано 23.11.2006

Проведено комплексний аналiз впливу параметрiв електролiзу на мехатзм та структуру утворення сплаву алюмтт з титановими пресовками. Встановлено, що дифузтт процеси для неспечених зразтв бшьшрозвинет, утворення iнтерметалiду TiAl3 витiкае при щiльностi струму 0,5-0,65 А/см2, а для спечених 0,6-0, 75 А/см2.

The complex analysis of electrolyte parameters influence on mechanism and structure of alloy formation of Al with Ti pressing. It was established that diffusion processes for nonsintered samples are more developed, the formation of intermetallyde TiAl3 process during 0,5-0,65 A/cm2 current density and for sintered samples 0,6-0,75 A/cm2.

УДК 669.548

С. Л. Жавжаров, канд. техн. наук Г. А. Бялк, д-р фiз.-мат. наук В. М. Матюшин

Нацюнальний техшчний ушверситет, м Запор1жжя

МОДИФ1КАЦ1Я ТОНКИХ МЕТАЛЕВИХ ПЛ1ВОК П1Д Д1СЮ

АТОМIВ ВОДНЮ

До^джено вплив атомарного водню на електрофiзичнi i структурт властивостi тонких плiвок нiкелю, отриманих термiчним вакуумним випаровуванням на дiелектричнi пiдкладинки. Зразки тддавались обробцi в атомарному водш з концентращею 1018 +1019м-3при температурi 300+310 К i тиску ~20 Па. Показано, що обробка плiвок в середовищi атомарного водню призводить до змти електроф1зичних i структурних параметрiв плiвок. Встановлено мехатзм змти параметрiв плiвок, який пояснюерезультати дослiдження.

Вступ

На сьогодшшнш день тонш металев1 пл1вки широко використовуються як захисш, функцюнальш (датчики), техшчш (метал1защя 1С) й ш. покриття. Для забезпечення необхщних електроф1зичних властивос-тей тонких ил1вок 1 меж1 розд1лу ил1вка - тдкладинка у бшьшосп випадшв доводиться ускладнювати техно-лопю отримання таких ил1вок. Одним 1з вар1анпв ви-ршення тако! задач1 е використання двошарових ил1вок: перший шар пл1вки забезпечуе задан власти-вост гетеромеж1 металева ил1вка - тдкладинка, а дру-гий - необхвдт властивосп само! ил1вки [1]. 1ншим вар1антом отримання ил1вок е нанесення ил1вки з по-дальшою модиф1кащею И властивостей 1 меж1 розд1лу

шляхом енергетично! ди на систему, наприклад тер-м1чним вщпалом [2, 3] або д1ею високоенергетичних частинок [4]. Використання обох вар1анпв пов'язано з небажаною д1ею на параметри тдкладинки 1 усклад-ненням технолопчного процесу, а отже, 1 зб1льшенням вартосп готового виробу.

Одним з альтернативних метод1в модиф1кацп при-поверхневих шар1в твердого тша 1 тонких ил1вок е використання енергп, що вид1ляеться на поверхш твер-дих тш при протжанш екзотерм1чних поверхневих процеав (адсорбщя, рекомбшащя, х1м1чш реакцл 1 тл.). Так, при рекомбшацп атомарного водню на поверхш твердого тша вид1ляеться значна енерпя (4,48 еВ на один акт рекомбшацп) [5], яка може приводити до роз-пилення 1 дифузп ашшв пл1вки у шдкладинку [6].

© е. Л. Жавжаров, Г. А. Бялк, В. М. Матюшин, 2006

ISSN 1607-6885 Hoei матерiали i технологи в металургИ та машинобудувант №2, 2006 23