03 марта 2016г.
Исследовано влияния легирующих элементов на кинетику формирования диффузионной зоны, образующейся на границе полученных сваркой взрывом соединений титана с медью при контактном плавлении. Показано, что легирующие элементы, присутствующие в сплавах ВТ6 и ВТ20, повышают твердость полученного на поверхности меди покрытия на основе купридов титана, обусловленное изменением его морфологии и фазового состава.
Ключевые слова: слоистый композит, сварка взрывом, термообработка, контактное плавление. Введение.
Защита меди и сплавов на ее основе путем их поверхностного легирования не только перспективный, но, иногда, и единственно возможный способ получения изделий с необходимым комплексом эксплуатационных свойств: повышенных значений механической прочности, коррозионной стойкости, сопротивления истиранию и окислению при высоких температурах с сохранением основных качеств – высокой электро- и теплопроводности.
Контактное плавление успешно используется для формирования покрытий на поверхности меди, которые могут значительно улучшить ее трибологические свойства [1, 2]. Диффузионные процессы, идущие преимущественно в жидкой фазе, ускоряют взаимодействие компонентов и позволяют получать за весьма короткие промежутки времени покрытия значительной толщины.
Несмотря на то, что исследованию процесса контактного плавления посвящено большое количество работ [3-5], ряд вопросов, касающихся процесса формирования покрытий при контактном плавлении, мало изучены или не изучены вообще. В первую очередь это касается влияния легирующих элементов на кинетику взаимодействия компонентов, структуру и свойства диффузионных слоев. Исследование данного вопроса позволит решать актуальные задачи, связанные с повышением надежности и долговечности изделий.
Целью настоящей работы являлось исследование влияния легирующих элементов на кинетику формирования диффузионной зоны (ДЗ), образующейся на границе полученных сваркой взрывом соединений титана с медью при контактном плавлении.
Материалы и методы исследования.
Материалами для исследования служили образцы сваренной взрывом меди марки М1 с титаном ВТ1-0 и титановыми сплавами ВТ6 и ВТ20. Сварка взрывом обеспечивала качественный контакт металлов, исключающий оксидные пленки на поверхности раздела и возможность отследить влияние легирующих элементов, присутствующих в титановых сплавах на диффузионные процессы при отжиге. Химический состав сплавов титана определяли с помощью рентгено-флуоресцентного спектрометра «NITON XLT». Термическую обработку образцов проводили в печи SNOL 8.2/1100 при температуре 900оС с временами 5, 15 и 30 минут. Металлографические исследования выполняли на модульном металлографическом микроскопе Олимпус BХ-61. Фазовый состав ДЗ оценивали при сопоставлении данных, полученных с помощью дифрактометра ДРОН-3 и растрового двухлучевого электронного микроскопа системы Versa 3D. Измерение микротвердости ДЗ осуществляли на приборе ПМТ-3М с нагрузкой на индентор 50 г.
Результаты и их обсуждение.
Анализ данных ренгено-флуоресцентного анализа указал на наличие в сплавах титана высокого содержания алюминия - до 4,44 в сплаве ВТ6 и до 5,82 % в сплаве ВТ-20 (Табл.1). Поскольку температура плавления алюминия самая низкая из всех присутствующих в сплавах легирующих элементов, его влияние на температуру контактного плавления должно быть ощутимым.
На равновесной фазовой диаграмме тройной системы Al-Cu-Ti, построенной по точкам ликвидуса [6], существует 26 точек ликвидуса и 3 сложных химических соединения: τ1 - TiCu2Al, τ2 - TiCuAl и τ3 - Ti2CuAl5 (Табл.2), в дополнение к существующим в бинарной (Cu-Ti) системе. В интервале концентраций, характерных для сплавов ВТ6 и ВТ20, при 900 оС возможны четыре варианта взаимодействия:
L + TiCu ↔ Ti3Cu4 + τ1, L + Ti3Cu4 ↔TiCu2 + τ1, L + (Cu) ↔ bTiCu4 + τ1, L ↔ TiCu2+ bTiCu4+ τ1.
Таблица 1
Результаты химического анализа
|
Марка сплава
|
Содержание %.
|
|
Ti
|
Fe
|
Al
|
Mo
|
Zr
|
V
|
Cu
|
W
|
Nb
|
Si
|
|
ВТ1-0
|
99,6
|
0,15
|
0,15
|
-
|
-
|
–
|
–
|
–
|
–
|
0,1
|
|
ВТ6
|
89,8
|
0,591
|
4,44
|
0,002
|
0,46
|
4,68
|
0,027
|
–
|
–
|
–
|
|
ВТ20
|
83,7
|
0,864
|
5,82
|
1,83
|
2,19
|
1,76
|
0,15
|
0,089
|
2,78
|
0,817
|
Металлографические исследования показали,
что увеличение времени выдержки при постоянной температуре контактного плавления
приводит к росту ширины ДЗ. Однако в
образцах ВТ6+М1 и ВТ20+М1
при 5 минутной выдержке ее ширина составила
410 мкм, а в образцах ВТ1-0+М1 – 190 мкм (Рисунки 2 и 3 а). Столь значительное увеличение может быть обусловлено понижением температуры образования жидкой фазы на поверхности раздела
металлов. Для чистых
меди и титана (ВТ1-0+М1) эта температура равна 875 оС, а для сплавов ВТ6 и ВТ20, из за большего присутствия в их составе
алюминия, » 860оС. С увеличением времени выдержки эта тенденция сохраняется, и в образцах
ВТ6+М1 и ВТ20+М1
ширина ДЗ выше. Так при 30 мин выдержке ширина
ДЗ составила: ВТ1-0+М1 – 1280 мкм, ВТ6+М1
– 1750 мкм, ВТ20+М1
– 1750 мкм.
Легирование ДЗ приводит к ее структурным (образование сферических и игольчатых включений)
и фазовым изменениям после термообработки. Так, если в композите ВТ1-0+М1 она состоит
из смеси твердого раствора титана в меди с включениями TiCu2, βTiCu4 и Ti3Cu4, то в композитах ВТ6+М1 и ВТ20+М1
помимо указанных
выше фаз дополнительно обнаружено химическое соединение TiCu2Al. Результатом таких изменений является увеличение средних значений твердости ДЗ (Рисунок
3 б).
Выводы.
1. Легирование диффузионной зоны, формирующейся на межслойной границе сваренных взрывом соединений меди с титаном и его сплавами в условиях
контактного плавления, алюминием приводит
к интенсификации диффузионного взаимодействия за счет понижения температуры образования жидкой фазы.
2. Легирующие элементы, присутствующие в сплавах ВТ6 и ВТ20, повышают твердость
полученного на поверхности меди покрытия на основе купридов титана, обусловленное изменением его морфологии
и фазового состава.
* Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект №14-19-00418)
Список литературы
1.
Крашенинников, С.В. Упрочнение поверхностей стальных деталей путем формирования интерметаллид содержащих покрытий / С.В. Крашенинников, С.В. Кузьмин,
В.И. Лысак //Перспективные материалы.- 2004.-№2.- C.83-88.
2. Шморгун В.Г. Структура и трибологические свойства
покрытий на основе купридов
титана / Шморгун В.Г., Артемьев
А.А., Антонов А.А., Евстропов Д.А., Бондаренко Ю.И. // Известия ВолгГТУ.
Сер. Проблемы материаловедения, сварки и прочности
в машиностроении. Вып. 10. - Волгоград, 2014. - № 23 (150). - C. 30-32.
3.
Konieczny.M, Mechanical behavior of multilayer metal-intermetallic laminate
composite synthesized by reactive sintering of Cu/Ti foils /, M. Konieczny, A. Dziadoń
// Archives of metallurgy and materials.-2007. p 555-562
4.
Залкин В.М. Природа эвтектических
сплавов и эффект контактного плавления.// М.:
Металлургия, 1987. 1- 157с.
5.
Ахкубеков А.А., Байсултанов М.М., Ахкубекова С.Н. Начальная
стадия контактного плавления
как низкоразмерный эффект.// Известия вузов. Северо-Кавказский регион.
Естественные науки. Приложение. – 2005.– С. 56-64.
6.
Landolt-Bцrnstein Ternary alloy system (Phase diagram, crystallographic and thermodynamic date) // Materials Science and International Team, MSIT – p.156-173.
