Предложен и экспериментально подтвержден механизм формирования жидкой прослойк на межслойной границе сваренного взрывом композита системы Cu-Ti при контактном плавлении. Показано влияние времени выдержки при термообработке по режиму контактного плавления на ее структуру и фазовый состав.

Ключевые слова: слоистый композит, сварка взрывом, термообработка, контактное плавление.

Введение

 

Система Ti-Cu исследовалась в ряде работ [1,2], где экспериментально была определена температура КП и выявлен фазовый состав зоны взаимодействия (ЗВ), сформированной при 900 °С. Однако, механизм формирования ЗВ до настоящего времени не раскрыт небыл, а факторы, влияющие на ее структуру и фазовый состав, не определены [3 - 5].

Материалы и методы исследования

 

Материалами для исследования служили образцы сваренной взрывом меди М1 с титаном ВТ1-0 толщиной 7+0,6 и 5+4 мм, соответственно. Металлографические исследования выполняли на металлографическом микроскопе Олимпус BХ-61. Фазовый состав образовавшейся диффузионной зоны (ДЗ) определяли при верификации экспериментальных данных, полученных с помощью дифрактометра ДРОН-3 и растрового двухлучевого электронного микроскопа системы Versa 3D.

Результаты и их обсуждение

 

Поскольку система Ti-Cu относится к системам с сильно вырожденными эвтектиками, где эвтектическая точка на диаграмме состояния смещена в сторону легкоплавкого компонента, то в образовании жидкой фазы в контакте Ti-Cu определяющую роль должен играть размерный эффект плавления [6].

Анализ диаграммы состояния Ti-Cu (рис. 1) и массива экспериментальных данных [7], полученных при исследовании структуры и фазового состава ЗВ, сформированной как в твердой, так и в жидкой фазе между титаном ВТ1-0 + медью М1 при нагреве биметалла при температурах 850 и 900 оС, позволил предложить следующую последовательность формирования ЗВ при КП.

Контактное плавление в системе Ti-Cu начинается при температуре ≈ 900 оС и инициируется взаимной диффузией, приводящей к образованию на границе раздела сваренных взрывом металлов пересыщенных твердых растворов на основе меди Cu(Ti), титана Ti(Cu) и интерметалидных соединений Ti2Cu, TiCu, Ti3Cu4, Ti2Cu3, βTiCu4 (рис.2).


При достижении некоторой критической концентрации Ti в Cu(Ti), отдельные малые области твердого раствора оказываются «блокированными» друг относительно друга «перегородками» из атомов Ti, вследствие разрыва межатомных связей Cu - Cu, что приводит к образованию наноразмерных кластеров, на которых и проявляется размерный эффект плавления [8] (рис. 3а).

В дальнейшем хаотически распределенные кластеры при соприкосновении друг с другом сливаются, образуя жидкую матрицу с отдельными твердофазными частицами Cu(Ti) (микрокристаллами). Со временем окруженные жидкостью твердые частицы растворяются, и вся область твердого раствора превращается в тонкую пленку жидкости (рис. 3б)

Поскольку системе энергетически выгодно формирование жидкой фазы при самой низкой температуре ее устойчивого существования, в начальный момент температура тонкой пленки жидкости должна быстро понизиться, а концентрация Ti в ней повыситься до эвтектической (875 °С и 27 ат.%).

По мере увеличения температуры жидкой фазы на границе жидкость - Cu должны идти сопровождающиеся выделением тепла процессы, связанные с последовательным образованием и растворением включений βTiCu4 и Cu(Ti). На этом этапе жидкая прослойка переходит в гетерофазное состояние. Дальнейшее повышение времени выдержки способствует растворению в жидкости сплошных интерметаллидных прослоек Ti3Cu4, Ti2Cu3, βTiCu4, сформировавшихся в процессе твердофазной диффузии (рис.4).

Увеличение толщины жидкой прослойки должно сопровождается снижением в соответствии с линией ликвидус на диаграмме состояния Ti-Cu (точки I’ II’ и III’ рис.1) концентрации Ti в ее части, прилегающей к твердому раствору на основе Cu, и росту – в ее части, прилегающей к зоне твердофазной диффузии со стороны Ti. В соответствии с диаграммой состояния, зона твердофазной диффузии должна состоять из прослоек, фазовый состав которых последовательно меняется от Ti(Cu), Ti2Cu, TiCu, Ti3Cu4 до Ti2Cu3.

После продолжительного отжига и кристаллизации с 900 оС в ЗВ образуются следующие фазы: βTiCu4, TiCu2, Ti2Cu3, Ti3Cu4 и твердый раствор Cu(Ti) (рис.5), а при температурах 970 и 1010 оС, помимо указанных, и TiCu.

После продолжительного отжига и полного растворения титанового слоя, система приходит в равновесие в соответствии с точками I’’, II’’и III’’ приведенного фрагмента диаграммы (рис.1), а ликвация по фазовому составу нивелироваться по толщине ЗВ до βTiCu4 или βTiCu4 + Cu(Ti) (рис.6).

Выводы

 

Механизм контактного плавления на межслойной границе сваренных взрывом композитов системы Ti-Cu, заключается в последовательном протекании следующих стадий: твердофазного диффузионного взаимодействия с формированием пересыщенных твердых растворов и сплошных интерметаллидных прослоек; образования вследствие размерного эффекта плавления жидкой матрицы с включениями твердого раствора на основе меди; роста толщины слоя расплава с градиентом концентрации, зависящим от скорости гетерогенных реакций на межфазных границах расплав-интерметаллид и расплав-твердый раствор.

 

 

Список литературы

 

 

1. Крашенинников С.В. Исследование кинетики процесса контактного эвтектического плавления в сваренных взрывом титано-медно- стальных композитах / С.В. Крашенинников, С.В. Кузьмин, В.И. Лысак, Н.И. Чистякова // Перспективные материалы.- 2005.- №3.- C.75- 80.

2. Bateni M.R. et al. The effect of novel Ti-Cu intermetallic compound coatings on tribological properties of copper // Annals. – 2003. – Т. 24. – С. 26.

3. T. Yamane, S. Nakajima, H. Araki, et al. Partial phase diagrams of the titanium-rich region of the Ti–Cu system under high pressure. // J. Mater. Sci. Lett., 13, No. 3, 162–164 (1994).

4.    Oliker V.E. Structure and phase composition of the Ti–Cu diffusion zone / V.E. Oliker, A.A. Mamonova, and T.I. Shaposhnikova. // Powder Metall. Met. Ceram., 35, No. 3-4, 173–175 (1996).

5. Canale P. Thermodynamic assessment of the Cu–Ti system taking into account the new stable phase CuTi3 / P. Canale and C. Servant. // Z. Metallkd., 93, 273–276 (2002).

. Ахкубеков А.А. Начальная стадия контактного плавления, как низкоразмерный эффект / А.А. Ахкубеков, М.М. Вайсултанов, С.И. Ахкубекова // Известия вузов. Северокавказский регион. Серия «Естественные науки». – 2005. – № 9. – С. 56-64.

 

7. Формирование покрытий на основе купридов титана на поверхности меди при контактном плавлении / В.Г. Шморгун, Л.М. Гуревич, О.В. Слаутин, В.Н. Арисова, Д.А. Евстропов // Металлург. - 2015. - № 10. –

C. 8892 = Metallurgist. - 2016. - Vol. 59, Issue 9-10 (January 2016). - C. 

974-979.

 8. Редичев Е.Н. Процесс плавления диспергирования тонкой пленки меди в слоистых структурах в зависимости от ее толщины. / Е.Н. Редичев, Д.Г. Громов, С.А. Гаврилов и др. // Сб. трудов 6-й международной конф. Опто-наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы. Ульяновск 2004. С. 129.

 

 

* Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект №14-19-00418)