Исследование слоистого металлического композиционного материала системы Ti‒TiAl 3

УДК 669.018.95

Е.И. Красное, А.С. Штейнберг*, А.А. Шавнев, В.В. Березовский

ИССЛЕДОВАНИЕ СЛОИСТОГО МЕТАЛЛИЧЕСКОГО

КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА СИСТЕМЫ Ti-TiAl3

Рассматривается возможность использования метода вакуумного печного синтеза для производства образцов слоистого металлического композиционного материала системы Ti-TiAl3. Исследовалась микроструктура полученных образцов. Методом рентгеноструктурного анализа показано наличие в материале интерметаллидной фазы триалюминида титана.

Ключевые слова: синтез, слоистый композиционный материал, титан, алюминий, интерметаллид.

Possibility of using vacuum furnace synthetics method for production of Ti-TiAl3 laminate metal composites system is considered. Microstructure of produced specimens was studied. Presence of TiAl3 intermetallic phase was verified by using X-ray structural analysis.

Key words: synthetics, laminate composite materials, titanium, aluminum, intermetallic material.

*Институт химической физики РАН им. Н.Н. Семенова.

В современной технике все шире находят применение композиционные материалы, что объясняется как их превосходными эксплуатационными характеристиками, так и все более совершенными технологическими процессами их производства [1, 2]. Существенная доля таких материалов с высокими физико-механическими характеристиками принадлежит металлическим слоистым композиционным материалам (МСКМ). Однако несмотря на высокую техническую и экономическую эффективность применения слоистых металлов их производство существенно отстает от потребностей народного хозяйства. Это положение вызвано недостатками существующих технологических процессов производства, которые в ряде случаев не обеспечивают требуемого качества продукции.

Существует множество различных систем МСКМ, разработанных для решения широкого спектра задач. Перспективным является создание МСКМ, в которых чередуются слои хрупкой твердой фазы и слои пластичного вязкого материала. Подобные МСКМ с невысокой плотностью найдут применение в производстве баллонов высокого давления и позволят решить задачи, связанные с транспортировкой сжиженного природного газа (СПГ). На сегодняшний день масса контейнера для транспортировки СПГ равна массе перевозимого топлива, что значительно ограничивает выгоду от использования СПГ. Перспективным также является применение данных материалов в качестве защитных композиционных панелей.

Развитие технологий изготовления таких материалов, методов лабораторных испытаний и компьютерного моделирования механического поведения при динамическом нагружении актуально для развития современного авиационного материаловедения.

Традиционно для синтеза МСКМ применяют сварку взрывом и прокатку с последующей термической обработкой [3, 4]. В данной работе для синтеза МСКМ применяется метод печного вакуумного синтеза [5-7]. Преимущества данного метода в том, что синтез высокопрочных интер-металлидных слоев реализуется непосредственно в процессе взаимодействия слоев реагирующих компонентов, непрореагировавшие слои которых образуют ударно-вязкие преграды, обеспечивающие сопротивление тыльным сколам интерметал-лидных слоев, удержание осколков при высокоэнергетических ударных и взрывных нагрузках. Многослойность МСКМ, варьирование толщины слоев и других локальных геометрических характеристик, возможность создания демпфирующих элементов структуры и т. п. - отличительные особенности перспективного многослойного материала, представляющие широкие возможности в оптимизации его конструкции, а использование исходной мягкой металлической фольги позволяет формовать слои сложной формы.

В этой связи значительный интерес представляют МСКМ системы Т-Т1А13. Триалюминид титана был выбран из-за его высокой термодинамической стабильности и близкого по значению к титану температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР). Такое преимущественное образование ^А13 удачно, так как его модуль упругости (216 ГПа) и стойкость к окислению выше, а плотность (3,3 г/см3) ниже, чем у других алюминидов, таких как Т^А1 и ^А1 [8, 9].

Алюминий и титан характеризуются существенно разными физическими свойствами и кристаллическим строением. Основным препятствием при сварке алюминия с титаном, кроме значительного различия в физико-механических свойствах соединяемых металлов, является образование при контактном нагреве выше определенных

температур промежуточных соединений, резко отличающихся по свойствам от титана и алюминия, которые обладают ограниченной растворимостью и имеют области интерметаллидных фаз [10, 11].

Целью данной работы является подтверждение возможности использования метода печного вакуумного синтеза для производства образцов слоистых металлических композиционных материалов и исследование микроструктуры полученных образцов.

Материалы и методики

В качестве исходных компонентов для формирования слоистого композита использовали титановую фольгу марки ВТ1-0 толщиной 100 мкм и алюминиевую фольгу А5М толщиной 50 мкм.

Очистка фольг должна осуществляться теми же методами, которые отработаны в практике пайки и сварки этих металлов. Эта процедура необходима для обеспечения качественного физического контакта поверхностей исходных металлов. Помимо оксидных пленок и газов, сорбированных на поверхностях металлов, этому контакту препятствуют пыль, грязь и тонкие слои недостаточно отмытой жировой смазки, применяемой в технологии прокатки фольг.

С поверхности алюминиевой фольги загрязнения удаляют с помощью органических и хлорированных растворителей, синтетическими средствами и щелочными растворами. Ускорение процесса чистки и повышение качества обезжиривания эффективно осуществляется с использованием ультразвука.

Проблема уменьшения газосодержания в исходных фольгах титана и алюминия является очень важной. Наиболее подробно она изучалась в работах по пайке и сварке этих металлов. Отмечалось, что выделение газа, преимущественно адсорбированного на паяемых поверхностях А1 и Т^ и поступление его в объем расплавленного припоя приводило к появлению пор в шве и снижению прочности паяного соединения.

Микроструктура исследовалась на световом микроскопе ОИтрш и с помощью растровой электронной микроскопии (РЕМ). Рентгенофазо-вый анализ (РФА) проводился на дифрактометре ДРОН-3.

Результаты и обсуждение

Для проведения синтеза исходных фольг из титана и алюминия была проведена подготовка поверхности фольг: промывка в воде, сушка, очищение поверхности фольг ацетоном. После чего фольги собирали в пакет и проводили процесс дегазации с последующим синтезом в печи. Синтез проводили в вакуумной печи при температуре 640°С и вакууме порядка 1,333 Па (10-2 мм рт. ст.), состоящий, не считая продолжительности прогрева и охлаждения, из следующих двух стадий:

- предварительная дегазация (несжатая сборка) в течение 30 мин;

- синтез МСКМ в процессе термостатирования сжатой сборки в течение 4 ч.

При прогреве на первой стадии наблюдалось падение вакуума с 1,333 (10-2) до 13,33 Па (10-1 мм рт. ст.), свидетельствующее о реальной и достаточно интенсивной дегазации металла.

На рис. 1 и 2 представлены микроструктуры и рентгенограмма полученного образца МСКМ.

Большое количество микротрещин в слое три-алюминида титана, образовавшегося на месте алюминиевой фольги, может быть объяснено дегазацией газа (преимущественно водорода), в исходном состоянии адсорбированного в поверхностном слое фольг (прежде всего в алюминии). Этот процесс обусловлен тем, что растворимость газа в металле падает с ростом температуры и, как правило, в чистом металле она выше, чем в интер-металлиде.

На рентгенограмме четко фиксируются лишь пики титана и триалюминида титана, т. е. только те фазы, которые являются целью настоящего исследования. Наблюдаются локальные очень узкие черные линии, которые, скорее всего, относятся к не фиксируемому РФА непрореагировавшему алюминию.

Рис. 2. Рентгенограмма полученного металлического слоистого композиционного материала после печного синтеза

Рис. 3. Поверхность излома металлического слоистого композиционного материала после проведенных испытаний на растяжение

Проведенный анализ поверхности излома образца слоистого композита показал, что характер разрушения свидетельствует о прочной связи на границе раздела «титан-интерметаллид», материал представляет собой монолит и разрушение носит щеповидный характер. Фотографии излома представлены на рис. 3.

По результатам исследований можно сделать следующие выводы.

Проведены экспериментальные исследования по формированию МСКМ методом вакуумного печного синтеза. Установлено, что образец однородный, титан полностью продиффундировал в

алюминий с образованием интерметаллидного слоя. Алюминий прореагировал практически полностью, и МСКМ состоит из близких по толщине слоев титана и триалюминида титана. За исключением очень тонкого микрослоя в зоне контакта титана и интерметаллида последний является однофазным, т. е. триалюминидом титана. Состав указанного микрослоя может быть определен методами послойного микрофазового анализа. Анализ фазовой диаграммы «титан-алюминий» свидетельствует о том, что этот слой, скорее всего, состоит из моноалюминида титана ^А1.

ЛИТЕРАТУРА

1. Каблов E.H. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 г. //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 7-17.

2. Антипов В.В. Стратегия развития титановых, магниевых, бериллиевых и алюминиевых сплавов //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 157-167.

3. Гращенков Д.В., Чурсова Л.В. Стратегия развития композиционных и функциональных материалов //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 231-242.

4. Трыков Ю.П., Гуревич Л.М., Жоров А.Н. и др. Ком-

плексные технологии получения тонколистового титано-алюминиевого композита /В сб.: Инновационные технологии в обучении и производстве: материалы III Всерос. конф. 2005. С. 62-63.

5. Кобелев А.Г. и др. Производство металлических сло-

истых композиционных материалов. М.: Интермет Инжиниринг. 2002. С. 22-26.

6. Казаков Н.Ф. Диффузионная сварка в вакууме. М.: Машиностроение. 1968. С. 3-8, 28, 108-152.

7. Диффузионное соединение в вакууме металлов, спла-

вов и неметаллических материалов: Сб. трудов XI Межвузовской науч.-технич. конф. /под ред. Н.С. Казакова. М.: Машиностроение. 1971. С. 269-273.

8. Трыков Ю.П., Гуревич Л.М., Шмургунов В.Г. Слои-

стые композиты на основе алюминия и его сплавов. М.: Металлургиздат. 2004. С. 9-22.

9. Kenneth S. Vecchio Synthetic Multifunctional Metallic-

Intermetallic Laminate Composites //JOM. 2005. V. 57. №3. P. 25-31.

10. Ночовная H.A., Иванов В.И., Алексеев Е.Б., Кочетков A.C. Пути оптимизации эксплуатационных

свойств сплавов на основе интерметаллидов титана //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 196-206.

11. Шавнев A.A., Абузин Ю.А., Кочетов В.Н. Оптимизация технологии получения боралюминиевого композиционного материала и его диффузионной сварки с титаном /В сб.: Авиационные материалы и технологии. 2005. №2. С. 16-22.