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.